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轴承预载荷、润滑油量和工作温度对驱动桥功率损失的影响
Hai Xu
e-mail: hai.1.xu@gm.com
Avinash Singh
e-mail: avinash.singh@gm.com
Global Transmission Advanced Engineering,
General Motors Company,
Pontiac, MI 48340
Ahmet Kahraman
e-mail: kahraman.1@osu.edu
Joshua Hurley
e-mail: jhurley@superiorcontrols.net
Sam Shon
e-mail: shon.5@osu.edu
Department of Mechanical and Aerospace Engineering,
The Ohio State University,
Columbus, OH 43210
为了提升汽车产品的燃油经济性，汽车代工厂商和供应商一直以来投资研发了大量从替代推进系统到优化组件标准的技术。后驱动桥的准双曲面齿轮副是整车传动链中最低效的组件之一，也正因为如此，它为改善经济性提供了独一无二的契机。因此研究人员投入大量精力来减少它的功率损失。在这之前，空载和满载的功率损失都已经得到了充分研究，并被证实其随载荷和车速条件的变化波动显著。本文旨在研究后驱动桥主减速器小齿轮轴承的预载荷、驱动桥壳内的油面高度和工作温度在载荷和车速变化较大的循环工况中对驱动桥功率损失的影响。本文将通过基于精密测功机的实验来测量后驱动桥功率损失，并进行多次速度和载荷条件不同的实验以满足EPA燃油经济循环工况的要求，其中包含了城市和高速公路循环工况。本文针对空载的自旋损失和受载的功率损失分别进行实验。这些测试将在控制润滑油工作温度、润滑油油量和小齿轮轴承预载荷变化的条件下进行，且这些因素对功率损失的影响将被定量分析。在控制载荷和车速的条件下被测量的功率损失可以绘制出一系列的分别以齿轮油工作温度、油量和轴承预载荷为自变量的功率损失脉谱图。利用这些脉谱图，在任意循环工况下驱动桥整体的效率或者功率损失都能通过驾驶循环中的驱动桥瞬时功率损失计算出具体数值。相似的脉谱图也适用于其它的影响因素，整个实验过程也能用于定量分析他们在任意给定循环工况中的影响。研究结果表明，通过对轴承预载荷、齿轮油量和工作温度的联合控制，被测驱动桥的效率大约能提升3%。
1 引言
为了应对消费者对高效率车辆的追求和严格的汽车排放要求，汽车代工厂商和供应商一直以来投资研发了大量从替代推进系统到优化组件标准的技术来提升汽车产品的燃油经济性。已经证实的是，汽车后驱动桥是汽车传动链中功率损失的主要来源之一[1,2]，因此驱动桥功率损失的减少空间会对整车燃油经济性造成很大的影响。驱动桥的主要功率损失来源可以通过功率损失的原理和驱动桥组件两个方面来解释，这两个方面对研究改善后桥效率的技术都具有重要作用。从功率损失机理的角度来说，后驱动桥的功率损失主要来源于由载荷决定的机械损失（受载准双曲面齿轮啮合和轴承的摩擦损失）和由速度决定的自旋损失（泵油和搅油损失、风力损失）。从驱动桥组件的角度来说，功率损失主要来源于设计和制造过程中齿轮（如传动比、准双曲面齿轮偏置、表面抛光）、轴承（如轴承的类型和预载荷）和密封圈的不合理。上述的功率损失都会受到润滑油特性、油量和工作温度的影响。为了确定当前驱动桥效率水平，评估其改善的可能性，上述各种功率损失对整个驱动桥效率的影响需要通过准确的实验测量或者合理的分析建模来定量分析，而不只是定性理解。
对驱动桥功率损失进行准确的测量很有挑战性，功率的细微变化都必须准确地测定。从19世纪70年代至今只有数目非常有限的研究从事了这项工作[3-10]。Hobson提出了一种实验室测量驱动桥效率的方法作为SAE操作规程建议[4]。他结合了包括大量驱动桥、润滑油和齿轮副传动比的实验结果证明了驱动桥的效率对润滑油的选择以及载荷、速度和温度的变化十分敏感。Porrett et al.[5]开发了一种使用了转矩扫掠技术的实验室测量驱动桥效率的方法。被测驱动桥的差速器被锁止，因而传动轴传来的全部功率都传递给了一个半轴。基于测得的输入和输出转矩和速度，驱动桥的功率损失可以得到计算，在此过程中每个测试点都对润滑油温度进行控制。Katoh et al.[6]发表了一种通过热量计来测量封闭的、浸入孤立水箱的驱动桥的功率损失的方法。在假定所有功率损失都转化为热量放出的情况下，功率损失可以通过进出水水流温度和速度来计算。Ko和Hosoi[7]研究了一种通过润滑油温升来测量驱动桥搅油损失的方法。在1988年，Winter和Wech[8]使用了一种独特的准双曲面齿轮背接试验台来研究驱动桥效率以及印证准双曲面齿轮偏置和润滑油对效的影响。他们也宣称自己的结果表明润滑油能够显著提高驱动桥在高扭矩工况下的效率，但低粘度润滑油并不能提高高速时的效率。Anderson和Maddock[9]开发了一种改良的测试驱动桥功率损失和效率的方法。他们提出了一种受载效率区块循环，在15次循环的磨合过程后进行3种不同条件的循环作为效率测试循环。最近，这篇文章[10,11]的作者使用了一种加装某些装置的汽车后驱动桥通过参考文献[9]中的过程（除了工作温度并没有保持恒定，而是允许其上升）研究了驱动桥热学性能和功率损失。驱动桥润滑油流变特性在驱动桥效率、热学性能以及寿命中有着很大的影响，参考文献[12-15]列举了大量有关驱动桥润滑油的研究旨在减少驱动桥功率损失。同时，参考文献中还有少量的有关驱动桥主要部件（比如准双曲面齿轮[16,17]、驱动桥轴承[18-20]和密封圈[21]）造成的功率损失的研究。
前述的研究工作并没有过多提及对功率损失、热学性能和耐久性有很大影响的驱动桥齿轮油油量。在功率损失方面，齿轮油油量主要影响泵油和搅油损失以及风力损失。当齿轮在油面以下啮合时，齿轮的浸没损失也不能忽略。同时，前述的研究也没有提及汽车驱动桥中的圆锥滚子轴承的轴承预载荷。这对轴承自旋损失（预载荷损失）和轴承耐久性都有影响。为了评估在既定循环中驱动桥功率损失和效率，需要对典型温度下的功率损失进一步理解，因为温度通常在燃油经济循环工况和真实驾驶工况中变化非常明显。上述即为本文的研究内容。因此，别的驱动桥功率损失的影响因素在本文中将不会提及，比如齿轮几何结构和表面抛光、针对润滑油流量管理的驱动桥壳设计、小齿轮和差速器密封圈、不同种类的轴承和不同种类的润滑油和添加剂等等。如字面所见，这几个因素中没一个都可以作为一个独立的研究主题。同时，差速器轴承的预载荷在我们的实验中保持不变，以避免引入由拆装零部件和改变驱动桥内部线路的过程产生的附加变量。
在本文中，汽车后驱动桥的功率损失会由精密功率计来测定，并且本文会研究一系列速度和载荷工况下小齿轮轴承预载荷、齿轮油工作温度和油量对其造成的影响。为了评估这些因素对驱动桥整体效率的影响，速度和载荷情况的变化不容忽视。在本文中，我们将定量分析它们在EPA燃油经济循环工况下产生的影响。我们的目标是确定轴承预载荷、油温和油量对驱动桥功率损失影响的大小，探索可能减少功率损失的技术手段，以及改善在既定驾驶循环工况下整车的燃油经济性。
2 驱动桥功率损失的测量
2.1 测量方法
本文采用的是参考文献[9]中所提出的测量方法，因此在这里不再赘述。驱动桥功率损失测定实验装置是一个功率计和一个装着开式差速器和电动马达的T型驱动桥。采用这样的装置的目的是准确地估计驱动桥效率并获取热学脉谱图。采用开式差速器是为了模仿更真实的驱动桥工作状况，并且减震器的控制策略经调整使得转速差被限制在远小于1rpm的范围内。三根轴上都使用高精度的电子扭矩计以实现扭矩的精准测量。整个系统的精度已经经过深入研究，并被证实足以用于评估该改装驱动桥功率损失存在的下降空间。有关试验台配置、测量精度和测量的可重复性的细节可见参考文献[9]。受载工况下的功率损失测量试验中的功率计示意图见图1。在空载自旋损失的测量试验中，驱动桥两端输出轴改为空置，并且改用小量程扭矩计来准确捕捉较小的自旋扭矩损失的波动。被测驱动桥使用的是典型的主减速器轴承（圆锥滚子轴承）和差速器轴承，主减速器的准双曲面齿轮普通抛光。齿轮油的型号为75W90。
图1 驱动桥效率试验台示意图[9]
更早的研究[9-11]致力于对具有正常产品特征（如轴承名义载荷和油量）的驱动桥来进行研究。本文的研究是对以往研究的扩展，研究对象是特征经过修正的驱动桥。测试矩阵见表1。贮油槽有四个给定温度：100、120、160和180°F；轴承预载荷有三个给定等级：低、中和高；油量有四个给定数值：3.5、2.5、2.0和1.5plusmn;0.1L。四个油液温度的选定是经过对EPA驾驶循环（包括城市和高速工况）获取的油温变化（见图2）进行研究后确定的。在EPA城市工况下，开始时驱动桥齿轮油温大约为70°F，最终为120°F；在高速工况下，油温持续上升至接近180°F。主动齿轮轴承预载荷随着螺母的拧紧而增大，具体大小通过扭力扳手控制。预载荷的三个等级都由汽车的产品说明书给出。图3示意性地画出了给出的四个油量在驱动桥壳中的油面高度。这些试验旨在定量分析上述因素对驱动桥功率损失和效率变化的影响。这有助于我们确定驱动桥效率的关键影响因素并制定优化驱动桥效率的方法。
表1 驱动桥实验矩阵
|
试验工况 |
油温（°F） |
预载荷等级 |
油量（升） |
|
1 |
120 |
低 |
3.5 |
|
2 |
160 |
低 |
3.5 |
|
3 |
180 |
低 |
3.5 |
|
4 |
120 |
中 |
3.5 |
|
5 |
100 |
高 |
2.5 |
|
6 |
120 |
高 |
3.5 |
|
7 |
120 |
高 |
2.5 |
|
8 |
120 |
高 |
2.0 |
|
9 |
120 |
高 |
1.5 |
|
10 |
180 |
高 |
3.5 |
|
11 |
180 |
高 |
2.5 |
|
12 |
180 |
高 |
2.0 |
|
13 |
180 |
高 |
1.5 |
本研究中使用的是典型的汽车准双曲面齿轮主减速器驱动后桥。为了同时获得驱动桥热脉谱图，该驱动桥加装了几组热电偶[11]。空载自旋损失和受载的效率都通过该驱动桥进行测定。在空载状况下，实验中将取主动齿轮转速大约为
图2 EPA驾驶循环中驱动桥油温和车速
图3 油面高度示意图
300、500、900、1600和2900rpm五个数值。在受载状况下，实验对参考文献[9]中提出的标准的29点试验进度表进行修正，见图4。图中有8条曲线，每条都代表一个与起点处近似保持一致的功率。每个恒定功率的起点都是热条件点，这样可以稳定驱动桥的热状态并且消除功率变化时的瞬时效应。图中的箭头表示了试验顺序。最终通过排除四个热条件点16、21、25和28，本文采用剩余的25个点的实验结果，见图4。
图4 标准的29点试验进度表
2.2 空载自旋损失的试验结果
图5显示
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