摘要：該文通過(guò)對(duì)一款重卡驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，提升了傳動(dòng)效率，降低了整車油耗，并對(duì)改進(jìn)前后的驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率及整車油耗做了試驗(yàn)和對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明，中橋效率提升了1.72%，后橋效率提升了2.28%，整車油耗降低了1.5 L，在一定程度上有利于促進(jìn)其他車型驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率的提升。

關(guān)鍵詞：重卡驅(qū)動(dòng)橋；傳動(dòng)效率；設(shè)計(jì)優(yōu)化；試驗(yàn)對(duì)比

作者簡(jiǎn)介：

段傳勝，北京福田戴姆勒汽車有限公司工程師，研究方向?yàn)槠囼?qū)動(dòng)橋；

陳夢(mèng)，北京福田戴姆勒汽車有限公司工程師，研究方向?yàn)槠囼?qū)動(dòng)橋。

驅(qū)動(dòng)橋作為功率、能量傳動(dòng)鏈的重要一環(huán)，提升驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率對(duì)降低能耗起著至關(guān)重要的作用。本文通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋主減速器齒輪、軸承、油封設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，導(dǎo)入齒輪油及油液管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)斷開提升機(jī)構(gòu)等方式，提升了驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率，降低了整車燃油消耗[1-3]。

1 驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率概念及影響因素

1.1 驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率概念

驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率η是指驅(qū)動(dòng)橋的輸出功率Po與驅(qū)動(dòng)橋的輸入功率Pi的比值，即η=Po/Pi，η越大，代表傳動(dòng)效率越高，驅(qū)動(dòng)橋能量消耗越少，驅(qū)動(dòng)橋的具體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋的具體構(gòu)成

1.2 影響驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率的因素

通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的傳遞路徑和功率消耗進(jìn)行分析可知，影響傳動(dòng)效率的主要因素為齒輪的嚙合精度、軸承齒輪摩擦副、轉(zhuǎn)動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、攪油功率損失等。

2 驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率提升改進(jìn)方案

2.1驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率提升改進(jìn)方案

根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率的影響因素，從以下3個(gè)方面對(duì)驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1.1提升精度，降低摩擦阻力

將雙曲線齒輪的齒輪精度由8級(jí)提升至7級(jí)，增加表面光潔度，同時(shí)對(duì)齒輪進(jìn)行修形，使其接觸面積增大，減小齒輪副嚙合的傳動(dòng)誤差，增加重疊系數(shù)，使傳動(dòng)更加平穩(wěn)。原材料采用高純度的低淬透性鋼材，并利用熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化：100%壓淬，每批料盤都開展平面度檢測(cè)[4-5]。

低摩擦軸承的精度由P0級(jí)提高到P6級(jí)。優(yōu)化軸承粗糙度，內(nèi)圈滾道粗糙度、滾子外徑粗糙度由0.16μm提升至0.1 μm，外圈滾道粗糙度由0.2 μm提升至0.125 μm，滾子球基面粗糙度由0.32 μm提升至0.25 μm，內(nèi)圈大擋邊粗糙度由0.4 μm提升至0.2 μm。工作面型線柔性過(guò)渡，優(yōu)化了工作面凸度的位置和形狀、對(duì)數(shù)曲線及內(nèi)圈大擋邊與滾動(dòng)體接觸面積。

采用低摩擦油封。在對(duì)橡膠密煉時(shí)增加低摩擦添加劑，優(yōu)化唇口結(jié)構(gòu)，降低抱軸力。本方案采用的是氟橡膠，其具有耐老化、耐熱、耐油特征，幾乎適用于所有的潤(rùn)滑油、燃料油，在含極壓添加劑的油中不易硬化，同時(shí)在油封密煉時(shí)增加了一種低摩擦系數(shù)添加劑，以增強(qiáng)橡膠的硬度。同時(shí)，還優(yōu)化了骨架唇形，腰部細(xì)，追隨性好，剛度高，同軸度好，抱軸力更小。

采用雙聯(lián)橋中橋斷開、后橋提升技術(shù)：在常規(guī)中橋總成主減速器的基礎(chǔ)上增加動(dòng)力分離裝置，在常規(guī)后橋總成主減速器的基礎(chǔ)上增加提升裝置，在車輛半載或空載時(shí)通過(guò)提升后橋降低滾阻，通過(guò)斷開中后橋減少傳動(dòng)鏈。工作原理為：動(dòng)力分離裝置不充氣時(shí)，滑動(dòng)嚙合套在回位彈簧的作用下與主動(dòng)圓柱齒輪分離，主動(dòng)圓柱齒輪不工作，后貫通軸無(wú)動(dòng)力輸出，動(dòng)力分離裝置充氣時(shí)，通過(guò)拔叉將滑動(dòng)嚙合套與主動(dòng)圓柱齒輪接合，將動(dòng)力傳遞至后貫通軸。

2.1.2優(yōu)化齒輪油及管理系統(tǒng)

通過(guò)潤(rùn)滑及平衡油溫試驗(yàn)，重新優(yōu)化車橋加油量，中后橋分別減少1 L油量，以減少齒輪攪油功率損失。通過(guò)對(duì)道路載荷譜、坡度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，模擬驅(qū)動(dòng)橋在整車工況下的姿態(tài)角，在保證齒輪、軸承充分潤(rùn)滑，達(dá)到油面設(shè)計(jì)要求的情況下，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬試驗(yàn)。優(yōu)化后的結(jié)果表明：中橋總成主減速器和后橋總成主減速器都可以減少1 L油量，減少了齒輪攪油功率損失[6-8]。

采用從動(dòng)齒輪擋油罩結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)油液分離，減少齒輪攪油功率損失。在橋殼與主減速器運(yùn)行的腔體內(nèi)，增加一款擋油罩，將其安裝在橋殼上，通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，在擋油罩底部設(shè)計(jì)一個(gè)圓孔（圖2），當(dāng)齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，改進(jìn)前需要攪動(dòng)整個(gè)橋殼主減腔體下半部分的齒輪油，改進(jìn)后，只需攪動(dòng)擋油罩內(nèi)部的齒輪油，就可減少攪油功率損失。同時(shí)，齒輪油可通過(guò)圓孔進(jìn)行腔體內(nèi)外轉(zhuǎn)換，以免油溫過(guò)高。

圖2 驅(qū)動(dòng)橋齒輪擋油罩

采用高性能低黏度齒輪油，由GL-5 85W-90改為SAE 75W-85，降低攪油力。齒輪油是在齒與齒之間的接觸面上的，它能夠形成連續(xù)堅(jiān)韌的油膜，同時(shí)也具備高油性，可使傳動(dòng)機(jī)件之間維持有韌性的邊界油層，以免傳動(dòng)機(jī)件受到磨損，可預(yù)防擦傷。此外，齒輪油還具備良好的粘溫特性，這樣可以保證動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦損耗較小，減少齒輪攪油損失[9]。

2.1.3降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

差殼被齒一體化激光焊接可實(shí)現(xiàn)降重10 kg。改進(jìn)前的左差速器殼、右差速器殼與從動(dòng)錐齒輪是三明治式通過(guò)螺栓連接的分體結(jié)構(gòu)，重量大約是95 kg，改進(jìn)后的左差速器殼與從動(dòng)錐齒輪整體鍛造成型，然后與右差速器殼連接，重量大約是85 kg，整個(gè)過(guò)程減少了左差速器殼與從動(dòng)錐齒輪重疊部分的質(zhì)量，共實(shí)現(xiàn)降重10 kg，降低了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

將某油潤(rùn)滑免維護(hù)輪端改為脂潤(rùn)滑免維護(hù)輪端結(jié)構(gòu)，減小了軸承跨距，實(shí)現(xiàn)了降重30 kg。改進(jìn)前使用的是某油潤(rùn)滑免維護(hù)輪端，由于結(jié)構(gòu)限制，油潤(rùn)滑免維護(hù)輪端的輪轂內(nèi)軸承和外軸承中間由一個(gè)軸承隔套隔開，軸承跨距為147.5 mm，使得橋殼軸管、輪轂、半軸的軸向長(zhǎng)度比較大，因此質(zhì)量較重。改為脂潤(rùn)滑免維護(hù)輪端后，輪轂內(nèi)外軸承無(wú)需用軸承隔套隔開，軸承跨距只有62.9 mm，使得橋殼軸管、輪轂、半軸的軸向長(zhǎng)度比較小，因此質(zhì)量較輕，共實(shí)現(xiàn)降重30 kg，降低了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[10]。

3 驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比

3.1 傳動(dòng)效率測(cè)試方法

模擬整車運(yùn)行工況，在車橋輸入端加載不同的輸入扭矩和輸入轉(zhuǎn)速，計(jì)算出相應(yīng)的輸入功率Pi，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)傳感器讀出輸出扭矩、輸出轉(zhuǎn)速和輸出功率Po，計(jì)算出傳動(dòng)效率η=Po/Pi，根據(jù)道路載荷譜，設(shè)定出n個(gè)不同輸入扭矩和轉(zhuǎn)速在整車運(yùn)行過(guò)程中的占比（f1，f2，f3......fn），最后對(duì)每個(gè)不同的輸入扭矩轉(zhuǎn)速進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算出綜合傳動(dòng)效率值η=（η1×f1+η2×f2+η3×f3+ηn×fn）/n，如表1所示。

表1 傳動(dòng)效率測(cè)試方法

3.2 改進(jìn)前傳動(dòng)效率試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)傳動(dòng)效率測(cè)試方法，分別對(duì)中后橋傳動(dòng)效率改進(jìn)前和改進(jìn)后進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如下：

第一，對(duì)中橋總成傳動(dòng)效率進(jìn)行試驗(yàn)，選取2件性能、型號(hào)完全一致的中橋樣品，分別對(duì)其進(jìn)行編號(hào)：中橋2500005-A（改進(jìn)前）、中橋2500005-B（改進(jìn)后）。對(duì)2件中橋樣品輸入轉(zhuǎn)速和輸入扭矩分別賦值：140、210；400、280；400、1000；680、320；680、1320；950、450；950、1150；1080、150；1080、1100，分析得出改進(jìn)前后的中橋總成傳動(dòng)效率分別為94.97、96.69。

第二，根據(jù)傳動(dòng)效率測(cè)試方法，對(duì)改進(jìn)后的中后橋傳動(dòng)效率進(jìn)行測(cè)試，選取2件性能、型號(hào)完全一致的后橋樣品，分別對(duì)其進(jìn)行編號(hào)：后橋2400005-A（改進(jìn)前）、后橋2400005-B（改進(jìn)后）。對(duì)2件后橋樣品輸入轉(zhuǎn)速和輸入扭矩分別賦值：140、210；400、280；400、1000；680、320；680、1320；950、450；950、1150；1080、150；1080、1100，分析得出后橋總成傳動(dòng)效率改進(jìn)前后分別為95.24、97.52。

3.3 傳動(dòng)效率測(cè)試結(jié)果對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出，中橋傳動(dòng)效率提升了1.72%，后橋傳動(dòng)效率提升了2.28%，如表2所示。

表2 傳動(dòng)效率測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 整車油耗試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比

為進(jìn)一步分析驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率對(duì)整車油耗的影響，在整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了油耗測(cè)試，為確保油耗試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，嚴(yán)格控制了試驗(yàn)邊界條件和試驗(yàn)程序，包括環(huán)境溫度、輪胎壓力、暖機(jī)方式、制動(dòng)方式、速度分配等，最終保證只有驅(qū)動(dòng)橋是變量[11-12]。結(jié)果顯示，裝改前驅(qū)動(dòng)橋的整車百公里油耗是30.2 L，裝改后驅(qū)動(dòng)橋的整車百公里油耗是28.7 L，整車百公里油耗降低了1.5 L。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一系列驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明相關(guān)措施是切實(shí)可行的，為后續(xù)其他車橋平臺(tái)傳動(dòng)效率的提升提供了借鑒與參考。當(dāng)然，改進(jìn)與優(yōu)化是無(wú)止境的，本文也存在很多未考慮到的方面，例如零偏置錐齒輪、精準(zhǔn)潤(rùn)滑限流技術(shù)等，這也是筆者后續(xù)的研究方向。

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