低摩擦力矩軸承在高效后橋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

方華 任良順 蘭龍

摘 要：為降低對(duì)進(jìn)口石油的依賴，國(guó)家制定了GB 27999-2014和GB 19578-2014法規(guī)：要求2020年我國(guó)乘用車企業(yè)CAFC（企業(yè)平均燃料消耗量）降至5.0L/100km。因前置后驅(qū)車比前驅(qū)車傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，油耗壓力高，故后驅(qū)車需加快使用低摩擦力矩軸承等措施提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率、降低整車油耗。文章從傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件（后橋總成）內(nèi)阻研究著手，探索出軸承摩擦力矩是主要內(nèi)阻之一，并分析出軸承摩擦力矩產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)應(yīng)的降摩擦力矩措施，最后通過(guò)效率臺(tái)架和整車油耗測(cè)試結(jié)果表明：低摩擦力矩軸承具有工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：后橋;內(nèi)阻;軸承;低摩擦力矩

中圖分類號(hào)：TH133.31+4? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2019）12-54-03

Abstract： In order to reduce the dependence on imported crude oil， China has formulated the GB 27999-2014 and GB 19578-2014 regulation， which requires that the CAFC（average fuel consumption of enterprises） of China's passenger car enterprises be reduced to 5.0l /100km by 2020. Because the driving chain of the FR car is longer than that of the FF car， the FF car fuel consumption pressure is high， which promotes the rear drive car to accelerate the use of low friction torque bearing and other measures to improve the driveline efficiency and reduce the fuel consumption of the vehicle. In this paper， studying the driveline key parts （rear axle assembly） internal resistance， finding bearing friction torque is one of the main internal resistance， and analyzing the bearing mechanism of the friction torque and the corresponding friction torque reduction measures， through the efficiency test bench and vehicle fuel consumption test results show that the low friction torque bearings with engineering application value.

Keywords： rear axle; internal resistance; bearing; low-friction torque

前言

為降低對(duì)進(jìn)口石油的依賴度，我國(guó)大力支持新能源汽車產(chǎn)業(yè)，同時(shí)鼓勵(lì)傳統(tǒng)燃油汽車應(yīng)用節(jié)能技術(shù)：渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、制動(dòng)能量回收、減少傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦阻力、低滾阻輪胎、減少風(fēng)阻系數(shù)等。本文從研究傳動(dòng)系統(tǒng)后橋內(nèi)阻著手，論述內(nèi)阻產(chǎn)生機(jī)理及降低阻力對(duì)整車油耗影響。

1 后橋內(nèi)阻分布

1.1 后橋結(jié)構(gòu)

半浮式后橋總體結(jié)構(gòu)分為主減總成、半軸總成和橋殼總成三部分（如圖1所示），其中主減主要功能是對(duì)扭矩進(jìn)行90°換向并降速增扭，屬傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件;半軸總成除承受整車軸荷外，還傳遞動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車輪，屬于驅(qū)動(dòng)承載綜合部件;橋殼主要用于承載，并為驅(qū)動(dòng)部件提供支撐和反作用力矩，屬承載部件。

1.2 阻力分布

后橋阻力主要來(lái)源于其旋轉(zhuǎn)件（半軸總成和主減總成），半軸總成的內(nèi)阻主要集中在輪轂軸承，其內(nèi)部潤(rùn)滑脂的黏度顯著影響著輪轂軸承的摩擦力矩及其使用性能，進(jìn)而影響整車性能和油耗[1]。主減總成的內(nèi)阻分為三個(gè)部分：軸承旋轉(zhuǎn)阻力、齒輪攪油阻力和風(fēng)阻、齒輪嚙合阻力，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和理論計(jì)算（參考ISO 14179和DIN 732標(biāo)準(zhǔn)）發(fā)現(xiàn)：（1）扭矩越大，主減傳動(dòng)效率越高;（2）油溫越高，油粘度越低、主減效率越高;（3）低負(fù)荷工況下（輸入扭矩≤80N.m），轉(zhuǎn)速越高，效率越低;高負(fù)荷工況效率則基本不受轉(zhuǎn)速影響。圖2列出了主減在兩種不同工況下三種內(nèi)阻分布比例。

研究圖2可以發(fā)現(xiàn)：在主齒扭矩和轉(zhuǎn)速分別為60N.m和2000rpm時(shí)，軸承內(nèi)阻占比高達(dá)37%;隨著轉(zhuǎn)速提高到4000rpm，齒輪攪油阻力和風(fēng)阻顯著提高，同時(shí)軸承內(nèi)阻和齒輪嚙合阻力因潤(rùn)滑系統(tǒng)的完善及流體潤(rùn)滑油膜的形成快速降低，但軸承內(nèi)阻降幅遠(yuǎn)低于齒輪嚙合阻力，故需要對(duì)軸承內(nèi)阻形成機(jī)理進(jìn)行分析研究，挖掘降阻空間。

2 主減軸承內(nèi)阻產(chǎn)生機(jī)理分析

2.1 軸承結(jié)構(gòu)類型

后橋主減主要采用圓錐滾子軸承（如圖3所示），但部分頂尖的歐洲汽車廠商已采用了成角度接觸球軸承（如圖4所示）。

根據(jù)軸承公司的測(cè)試數(shù)據(jù)，因成角度接觸球軸承不存在“滾子與內(nèi)圈擋邊的滑動(dòng)摩擦”，阻力大幅降低。主減主齒內(nèi)端軸承若采用成角度接觸球軸承，相對(duì)普通雙列錐軸承可降低58%左右的內(nèi)阻;外端軸承若采用成角度接觸球軸承，可降低15%左右的內(nèi)阻。但成角度接觸球軸承尚未在國(guó)內(nèi)量產(chǎn)，成本高且對(duì)主減裝配要求非常苛刻，故采用低摩擦力矩的圓錐滾子軸承更符合當(dāng)前國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用需求。

Romax系列軟件包含Romax Designer，Romax Dynamics、Synchronizer Simulation和Gear Manufacture四大模塊，同時(shí)還推出了針對(duì)風(fēng)電行業(yè)的RomaxWIND軟件包。本次我們校核計(jì)算中使用的是Romax Designer模塊，該模塊功能主要是完成齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，包括平行軸傳動(dòng)系、相交軸傳動(dòng)系、行星齒輪傳動(dòng)系的完整解決方案以及軸承、系統(tǒng)振動(dòng)噪聲分析等高級(jí)分析功能。

2 動(dòng)力總成等效里程核算

2.1 車型信息

某動(dòng)力總成所搭載車型信息如下表：

動(dòng)力總成構(gòu)成如圖2所示，減速箱中包含3對(duì)齒輪副，結(jié)合實(shí)際計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，我們以第一對(duì)齒輪副為計(jì)算基準(zhǔn)（接觸應(yīng)力最大）進(jìn)行校核，并且以第一對(duì)齒輪中的小齒輪作為核算對(duì)象。

第一對(duì)齒輪參數(shù)如下表所示：

2.2 實(shí)測(cè)路譜數(shù)據(jù)處理

按照ISO6336第六部分中的數(shù)據(jù)整理方式對(duì)路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，我們以50Nm大小為一個(gè)區(qū)間對(duì)3輛車的路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了劃分，下表是部分?jǐn)?shù)據(jù)：

2.3 臺(tái)架工況的設(shè)計(jì)

結(jié)合歷史經(jīng)驗(yàn)臺(tái)架工況的設(shè)計(jì)會(huì)分為幾部分，從不同的角度考核傳動(dòng)系統(tǒng)。結(jié)合對(duì)道路數(shù)據(jù)的處理分析和總結(jié)，參考3個(gè)車型的實(shí)際道路運(yùn)行數(shù)據(jù)，按車速進(jìn)行劃分，設(shè)計(jì)了啟停、城市、高速3種工況進(jìn)行考核，結(jié)合臺(tái)架本身考核的加速性，為縮短考核時(shí)間，增加了油門(mén)全開(kāi)的極限工況進(jìn)行考核。臺(tái)架工況總共由4種工況進(jìn)行考核，各工況的組成比例，需要按一定的系數(shù)進(jìn)行分配，具體的分配比例需要結(jié)合商用車具體車型運(yùn)行路況的車速工況分布的特性、齒輪損傷的校核和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本身的溫升特性結(jié)合來(lái)開(kāi)展，各考核工況示意圖如下圖所示。

確定4大類工況后，相應(yīng)的工況會(huì)由4類工況組合而成，相關(guān)工況的比例及循環(huán)次數(shù)需要結(jié)合車型的設(shè)計(jì)目標(biāo)、實(shí)際路譜的數(shù)據(jù)分布特征、實(shí)際路譜計(jì)算的到齒輪損傷值及動(dòng)力總成本身的溫升特性進(jìn)行設(shè)置，使臺(tái)架工況與路譜數(shù)據(jù)核算得到的損傷值基本一致，按最終的比例組合工況作為臺(tái)架試驗(yàn)的輸入。

2.4 模型的建立及參數(shù)的選擇

本次動(dòng)力總成系統(tǒng)等效里程的核算選取第一對(duì)齒輪中的小齒輪的損傷作為核算依據(jù)，根據(jù)該齒輪參數(shù)在Romax中建立模型，如圖所示：

參數(shù)選擇方面，臺(tái)架工況使用系數(shù)選擇1.5，路譜數(shù)據(jù)使用系數(shù)選擇1.25，其余系數(shù)由軟件根據(jù)模型計(jì)算或缺省得到。

另外，在齒輪材料設(shè)置中我們選擇允許有限的齒面點(diǎn)蝕，即允許微點(diǎn)蝕的產(chǎn)生。微點(diǎn)蝕是一種出現(xiàn)在彈流潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下赫茲滾動(dòng)與滑動(dòng)接觸面之間的失效現(xiàn)象。每個(gè)微點(diǎn)蝕實(shí)際上是一個(gè)表面淺微裂紋，相對(duì)于接觸區(qū)域來(lái)說(shuō)，每個(gè)微點(diǎn)蝕非常小，其深通常為10～20um。多個(gè)微點(diǎn)蝕合并后會(huì)形成一個(gè)連續(xù)的破裂表面，肉眼看起來(lái)外觀陰暗無(wú)光澤，因此，微點(diǎn)蝕也常稱為灰斑。微點(diǎn)蝕的持續(xù)擴(kuò)展可能導(dǎo)致輪齒接觸精度降低、動(dòng)載荷和噪聲增加。微點(diǎn)蝕現(xiàn)象的影響因素復(fù)雜，包括載荷、速度、滑動(dòng)情況、溫度、接觸面形貌、膜厚比及潤(rùn)滑劑的化學(xué)成分，通常出現(xiàn)在低速重載齒輪傳動(dòng)中。

2.5 模型計(jì)算輸出結(jié)果

在最終生成的報(bào)告中我們可以得到小齒輪在各個(gè)工況下接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力等，如下圖。同時(shí)可以得到左右齒面的接觸疲勞損傷值，如下表6，為某車的齒輪齒面接觸疲勞損傷結(jié)果。

通過(guò)軟件計(jì)算得到的各個(gè)工況下的齒輪損傷值以及Miner法則我們可以制定與路譜損傷值相等的且等效里程為70萬(wàn)公里的臺(tái)架工況，并通過(guò)實(shí)際的測(cè)試去驗(yàn)證結(jié)果。

3 試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證

3.1 臺(tái)架的搭建

將整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)搭載在臺(tái)架上，按預(yù)定工況進(jìn)行可靠性考核，期間監(jiān)控運(yùn)行過(guò)程中的主要參數(shù)，如電驅(qū)系統(tǒng)電功率參數(shù)、車輪轉(zhuǎn)速扭矩、油溫及樣品振動(dòng)情況等，完成預(yù)定的考核工況，考核過(guò)程中樣品未出現(xiàn)功能失效等異常，完成預(yù)定考核工況后，進(jìn)行樣品拆解。

3.2 樣品的拆解

本次等效里程的核算選取第一對(duì)齒輪中的小齒輪的損傷作為核算依據(jù)，并允許產(chǎn)生有限的齒輪點(diǎn)蝕，在拆解過(guò)程中，我們重點(diǎn)關(guān)注了小齒輪的情況，如下圖10和圖11。

如上圖11所示，我們發(fā)現(xiàn)小齒輪的齒面有部分灰斑產(chǎn)生，說(shuō)明我們的校核計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測(cè)試還是比較接近的。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)ISO6336中的計(jì)算方式并結(jié)合Romax仿真軟件，我們?cè)O(shè)計(jì)了可以等效于路譜70萬(wàn)公里的臺(tái)架工況，并通過(guò)實(shí)際的測(cè)試表明計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測(cè)試還是比較接近的。

（2）后續(xù)需要改進(jìn)的部分：本次校核中使用系數(shù)是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的推薦值而來(lái)，實(shí)際上使用系數(shù)有結(jié)合實(shí)際使用工況而計(jì)算的方法，使用系數(shù)的選取對(duì)于結(jié)果的影響還是相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大的。之后的選取中可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法計(jì)算得到使用系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)（第九版）[M].北京：高等教育出版社， 2014.

[2] 孫桓，陳作模.機(jī)械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] ISO 6336-6直齒輪和斜齒輪承載能力的計(jì)算.第6部分變化負(fù)荷下工作壽命計(jì)算[S].2006.

[4] ISO 6336-1直齒輪和斜齒輪承載能力的計(jì)算.第1部分基本原則、引言和一般影響因素[S].2007.

[5] 熊禾根，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)Romax Designer建模、分析及應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2015.