手动变速器传动效率的影响因素分析与改善对策研究
2011-02-09张慧芳张立荣
张慧芳，张立荣
0 引言
“节能减排”是现代汽车发展的总趋势，手动变速器（以下简称“MT”）作为汽车动力总成系统的关键零部件，提高变速器传动效率是实现节能减排的重要手段之一。传动效率的提高，不仅对整车降低油耗具有很明显的效果，而且通过降低摩擦损失，可以减少变速器内部发热，防止油温过高，进而提高齿轮和轴承的寿命，同时对减小换档力，提高换档性能也会起到一定的效果。本文通过大量的试验研究，对影响传动效率的损失来源进行了分析，同时结合试验数据对无载荷损失的影响因素进行了详细剖析，并对提高手动变速器传动效率提出了改善指引。
1 变速器的传动效率定义
所谓传动效率η是指输出功率与输入功率的比值，如图1所示：
图1 传动效率η计算示意图
对手动变速器的传动效率而言，我们仅研究扭矩的传动效率即可，即通过扭矩损失∆T的大小来评价传动效率的高低。对手动变速器的传动效率，通常要求在95%以上。
2 传动效率的评价方法
传动效率η的计算公式为：
效率η＝1－∆T/T
∆T：扭矩损失
T：输入扭矩
其中损失扭矩 ∆T＝ ∆T（a）＋ ∆T（b）；
∆T（a）：指无载荷损失，即输出轴空载状态时使输入轴转动的抵抗扭矩
∆T（b）：指有载荷损失，即传递动力时，随着输入扭矩的增加而产生的扭矩损失
而损失扭矩∆T主要与三种特征参数有关，即1）输入转速N（rpm）、 2）润滑油的运动粘度μ（Cst，由润滑油种类和油温决定）、3）输入扭矩T（Nm）。它们之间的关系如图2所示：
3 变速器损失相关分析
通过试验观察和测试分析我们可以知道，变速器的损失主要来源以下几个部分：
3.1 无载荷损失∆T（a）
主要包括两部分，即回转体的润滑油搅拌损失和相对滑动的摩擦损失，其中1）润滑油搅拌损失与油量、转速和运动粘度有关，对纵置变速器FR来说，主要是中间轴的搅油损失；对横置变速器FF来说，主要是差速器齿圈的搅油损失；2）滑动体的摩擦损失包括回转体与回转体间的摩擦损失，如齿环锥面、齿轮端面等；也包括回转体与非回转体间的摩擦损失，如轴承、齿套与拨叉、油封等；
图2 损失扭矩ΔT与三种特征参数有关
3.2 有载荷损失∆T（b）
主要指扭矩传递过程中相关零件的摩擦损失，如轴承、齿轮啮合（传递扭矩的齿轮）。
以一种六速手动变速器的测试结果为例，扭矩损失的分配情况如图3所示：
图3 扭矩损失的分配示意图 (a)
其中
图3 扭矩损失的分配示意图 (b)
3.3 无载荷损失∆T（a）的影响因素
3.3.1 油量与搅油损失
以下是对三种不同变速器在三种不同油量下的传动效率测试结果：
通过上述试验结果可以看出，润滑油量减少300ml，无载荷损失会降低8%～10%，因此，在满足润滑的情况下，尽可能减少润滑油量对提高传动效率效果很明显。
图4 三种不同变速器在三种不同油量下的传动效率测试结果
3.3.2 挡油板与搅油损失
某六档手动变速器通过增加挡油板来减少齿轮的搅油损失，同样会有较明显效果。
图5 某六档手动变速器通过增加挡油板来减少齿轮的搅油损失效果图
3.3.3 齿环SNR与摩擦损失
齿环的摩擦损失与转速相关，且转速越高，损失越大，如图6所示。
图6 齿环的摩擦损失与转速的关系
图7 齿环摩擦损失的传递路径
齿环摩擦损失的传递路径如图7所示。
通过上图的传递路径可知，齿轮的摩擦损失MG与齿环的摩擦损失MR大小相同但方向相反，且齿轮的摩擦损失MG因速比的变化对输入端的影响逐渐减小，而齿环的摩擦损失MR因速比变化而增大，且与齿轮与齿环的相对转速差有关。
此外，同步器锥角对摩擦损失（油温升高）的影响，具体如图8所示：
图8 同步器锥角对摩擦损失（油温升高）的影响
4 结束语
通过以上分析，我们可以看出，无载荷状态下的搅油损失和摩擦损失对手动变速器传动效率的影响起着重要作用，通过适 当控制润滑油量、增加挡油板等措施可以大大提高传动效率；此外通过对同步器锥角等参数的优化，也可以减少齿环的摩擦损失，对提高传动效率同样有效果。
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