韓旭 張先鋒 周有為 楊建軍 馬肖

摘 要：減速器作為電動(dòng)汽車動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵零部件，其傳遞效率的高低直接影響電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。本文基于動(dòng)力總成測(cè)試臺(tái)架設(shè)計(jì)減速器效率對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)量同一減速器不同粘度指數(shù)潤(rùn)滑油以及不同工作油溫兩種條件下的傳動(dòng)效率差異，通過對(duì)不同油品下減速器效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，選出效率最高的潤(rùn)滑油方案，通過對(duì)不同油溫下減速器效率測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選出減速器同一油品下傳遞效率對(duì)溫度敏感性，結(jié)果表明，對(duì)于A、B兩種油品，運(yùn)動(dòng)粘度、粘度指數(shù)和表觀粘度較高油品A傳遞效率較高，同種油品從常溫20℃升至高溫90℃，減速器效率增加11%。

關(guān)鍵詞：新能源;傳動(dòng)效率;潤(rùn)滑油;攪油損失;臺(tái)架驗(yàn)證

0 引言

隨著能源危機(jī)與空氣污染問題日趨嚴(yán)重，純電動(dòng)汽車具有零排放特性，成為節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)之一。目前純電車型存在安全、續(xù)航里程焦慮充電不便等問題，其中里續(xù)航程提升與動(dòng)力總成及傳動(dòng)系統(tǒng)效率緊密相關(guān)，減速器作為純電動(dòng)車動(dòng)力傳遞過程中的關(guān)鍵零部件，其傳遞效率直接影響整車能耗水平，故提高純電動(dòng)車?yán)m(xù)航能力的方法除了改善動(dòng)力電池性能外，另一個(gè)有效的措施就是不斷提高減速器的傳遞效率。

減速器傳遞效率的影響因素多種多樣，一般來(lái)說，在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪嚙合損失是造成功率損失的主要原因，但當(dāng)系統(tǒng)處于低負(fù)載高轉(zhuǎn)速的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，齒輪攪油損失便有可能占據(jù)主導(dǎo)地位。但攪油損失的影響要素復(fù)雜，仿真建模分析難度較大，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)攪油損失進(jìn)行估算，其誤差較大難以支撐產(chǎn)品開發(fā)的精準(zhǔn)選型。本文基于減速器性能測(cè)試臺(tái)架針對(duì)減速器傳遞效率測(cè)試設(shè)計(jì)試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，為新能源汽車減速器選取攪油損失較小的潤(rùn)滑油油品方案及同一油品下傳遞效率較高的油品方案。

1 油品對(duì)攪油損失的理論影響

減速器的傳動(dòng)損失主要由齒輪嚙合摩擦損失，軸承摩擦損失以及齒輪攪油損失組成，效率損失公式為：

式中：

P輸出—減速器輸出功率，kW。

P輸入—減速器輸入功率，kW。

P攪油—減速器齒輪攪油損失功率，kW。

P摩擦—減速器齒輪摩擦損失功率，kW。

—潤(rùn)滑油密度，kg·m-3。

ω—攪油齒輪轉(zhuǎn)速，rad·s-1。

Sm—為攪油齒輪進(jìn)入潤(rùn)滑油中表面面積，m2。

Dp—為攪油齒輪節(jié)圓直徑，m。

Cm—為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

h—為浸油深度，m。

V0—為潤(rùn)滑油體積，m3。

Fr—為弗勞德數(shù)，F(xiàn)r=1/2ω2Dp/g，其中g(shù)為重力加速度，m·S-2。

Re—為雷諾數(shù)，Re=1/4ωDp2/v，其中v為運(yùn)動(dòng)粘度，m2·S-1。

Rec—為臨界雷諾數(shù)，Rec=1/2ωDpb/v，其中b為攪油齒輪寬度，m。

由公式（1）、（2）、（3）可知，當(dāng)同一減速器在相同加油量的情況下，不同油品只對(duì)密度產(chǎn)生影響，且粘度指數(shù)越高的油品密度越大，同時(shí)攪油功率損失也就越大，但同一運(yùn)行工況下同一油品在不同油溫情況下其影響因素較多并且其規(guī)律較為復(fù)雜，理論上無(wú)法只通過計(jì)算得出相應(yīng)結(jié)論。故本文選取了兩種不同油品的潤(rùn)滑油，通過試驗(yàn)來(lái)對(duì)不同油溫和不同油品攪油損失的影響做進(jìn)一步驗(yàn)證，獲得定量結(jié)果，支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

2 油品對(duì)減速器效率影響的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

分別選用兩種不同油品的潤(rùn)滑油，試驗(yàn)在20℃、90℃兩種油溫下進(jìn)行，分別選取不同轉(zhuǎn)速不同扭矩進(jìn)行效率測(cè)試，分析不同油品對(duì)效率的影響，同一油品對(duì)不同溫度效率的變化規(guī)律。

2.2 試驗(yàn)對(duì)象

本次試驗(yàn)選用某A、B兩種品牌的潤(rùn)滑油作為對(duì)比對(duì)象，某純電動(dòng)汽車單級(jí)減速器作為被試件，基本參數(shù)如表1和表2所示：

2.3 試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)

（1）試驗(yàn)輸入轉(zhuǎn)速：從100 r/min到設(shè)計(jì)最高輸入轉(zhuǎn)速均勻取14種轉(zhuǎn)速，其中包括減速器設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速。

（2）試驗(yàn)輸入扭矩：從10 Nm到設(shè)計(jì)最大數(shù)據(jù)扭矩均勻取11種扭矩，其中包括設(shè)計(jì)最大輸入扭矩50%和100%的點(diǎn)。

（3）考慮到不同潤(rùn)滑油性質(zhì)隨油溫變化的影響程度不同，故此次試驗(yàn)設(shè)計(jì)為測(cè)試常溫20℃油溫下及高溫90℃油溫下的傳動(dòng)效率，詳細(xì)試驗(yàn)工況點(diǎn)如表3所示：

2.4 試驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

（1）按設(shè)計(jì)油量加注潤(rùn)滑油，以額定轉(zhuǎn)速，額定功率工況正轉(zhuǎn)運(yùn)行1小時(shí)，反轉(zhuǎn)運(yùn)行0.5小時(shí)進(jìn)行磨合，磨合后更換潤(rùn)滑油。

（2）按照表2試驗(yàn)工況點(diǎn)分別在20℃，90℃兩種油溫及兩種油品下分別進(jìn)行效率測(cè)試。

（3）試驗(yàn)順序?yàn)橄冗M(jìn)行A油品效率測(cè)試后進(jìn)行B油品效率測(cè)試，且A油品試驗(yàn)結(jié)束后要對(duì)被試件內(nèi)部進(jìn)行全面清洗，避免因油品摻雜導(dǎo)致的誤差。

2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法設(shè)計(jì)

（1）采用Matlab軟件將試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)繪制成效率MAP圖。

（2）針對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)高效區(qū)分布情況進(jìn)行分析，并計(jì)算出傳動(dòng)效率在85%以上、90%以上、95%以上的點(diǎn)所占比重，從而對(duì)比判斷A、B油品在高低溫度下傳動(dòng)效率的優(yōu)劣情況。

3 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)基于兩驅(qū)動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)架，設(shè)備具體參數(shù)見表4：

4 數(shù)據(jù)分析結(jié)果及結(jié)論

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)結(jié)果，具體見圖1—圖4。

4.2 試驗(yàn)結(jié)論分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析計(jì)算結(jié)果見表5：

分析主要結(jié)論如下：

（1）同一油品下，溫度對(duì)傳遞效率影響較大，隨著油溫的升高減速器傳遞效率也隨之升高，90℃油溫相對(duì)20℃油溫平均效率高3.3%左右;高效面積占比大11%左右。

（2）同一油溫下，潤(rùn)滑油油品對(duì)減速器傳遞效率存在直接影響，油品粘度指數(shù)越大，齒輪攪油損失越大，粘度指數(shù)較低的A油品相對(duì)粘度指數(shù)較高的B油品，其平均效率高0.4%左右，高效區(qū)占比高2%左右。

（3）通過（1）和（2），可以得出被試的某款減速器最優(yōu)的高效方案為選用粘度指數(shù)較低的A油品，90℃效率相對(duì)最高，評(píng)價(jià)效率達(dá)到93.3%。

（4）AB兩種油品在兩種油溫下的效率趨勢(shì)相同均為隨著油溫的升高減速器傳遞效率隨之升高，分析攪油運(yùn)動(dòng)機(jī)理，判斷出現(xiàn)該種情況的主要原因?yàn)闈?rùn)滑油隨著油溫的升高分子活性升高，潤(rùn)滑油密度減小，齒輪攪油損失隨之減小，A油品平均傳動(dòng)效率值在同一溫度工況下相對(duì)B油品明顯較高，同時(shí)A油品各條件下高效區(qū)面積都要明顯大于B油品高效區(qū)面積，從而進(jìn)一步分析可知由于A油品粘度指數(shù)相對(duì)B油品較低，導(dǎo)致攪油阻力損失也相對(duì)較低，故直接影響A油品傳動(dòng)效率要高于B油品。

5 結(jié)論

本文基于動(dòng)力總成測(cè)試臺(tái)架設(shè)計(jì)減速器效率對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)量同一減速器不同粘度指數(shù)潤(rùn)滑油以及不同工作油溫兩種條件下的傳動(dòng)效率差異，給出定量的評(píng)估數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以得出選擇油品粘度較高的油品有利于降低攪油損失，溫度對(duì)效率影響較大，盡量將油溫?zé)崞胶獗３衷谠S用溫度下的較高溫度。本次僅選擇兩個(gè)典型的油溫作為研究因素，所選取的溫度點(diǎn)跨度比較大，其優(yōu)點(diǎn)為可更加直觀看出潤(rùn)滑油溫度對(duì)減速器傳遞效率的影響程度;但因?yàn)榭缍容^大，其結(jié)果不能完全代表許用油溫下各個(gè)溫度點(diǎn)的效率情況，還確定一定的不確定性，故后續(xù)應(yīng)細(xì)化試驗(yàn)溫度，更加精準(zhǔn)地評(píng)估各個(gè)溫度對(duì)效率的敏感性。