润滑因素对汽车驱动桥功率损失的影响分析研究

王旺平

摘 要：针对某型号驱动桥中准双曲面齿轮的润滑和安装方式，介绍了驱动桥中润滑油的性能要求。根据搅油损失的形成机理，分析了不同因素对驱动桥功率损失的影响，找出了主要因素。结合该型驱动桥的结构及整车工况，确定了浸油深度的范围及润滑方式，为汽车驱动桥传动优化与设计提供了理论依据。

关键词：润滑；驱动桥；功率损失；准双曲面齿轮

1 前言

汽车驱动桥是汽车行驶系中最重要的部分之一，其作用是将变速箱的输出扭矩通过传动轴传递至车轮，实现降速增矩目的[1-2]。驱动桥在传递动力的过程中存在功率损失，主要包括齿轮啮合功率损失、齿轮搅油功率损失和轴承摩擦功率损失等三个部分。

闭式齿轮传动中，润滑油的选择极为重要，其作用主要是润滑、防锈和散热。通过润滑，可在齿面间形成油膜，防止金属表面直接接触，能减少由摩损引起的功率损失[3]。驱动桥的传动效率和功率损失，与润滑油的类型、体积（深度）、温度等密不可分。针对某型号汽车驱动桥中准双面齿轮副的安装和润滑方式，分析了润滑因素对驱动桥功率损失的影响，为汽车驱动桥的优化与设计提供了理论依据。

2 驱动桥中润滑油的性能要求

汽车驱动桥在工作的过程中，传递的扭矩大，转速高，齿轮表面的接触应力高，因此对齿轮润滑油的性能要求非常苛刻。保证齿轮的良好润滑，是汽车驱动桥中润滑油选择的关键。

润滑油的粘度本质上是反应其内摩察力的大小，一定条件下，粘度越大，油膜强度越高，流动性就越差。粘度指数表示油品粘度随温度变化的程度，粘度指数越高，粘度受温度的影响越小，其粘温性能越好。润滑油的极压抗磨性能是指轮齿间形成的油膜能够承受压力和摩擦力的能力，极压抗磨性能不好，油膜容易破裂，增加齿面间的直接接触，导致齿面磨损，增加功率损耗[4]。

由于驱动桥工作条件复杂多变，因此要求润滑油在低温下有较好的流动性，又要求具有良好的粘温特性。驱动桥齿轮润滑油还应具有良好的热氧化安定性、抗泡性及较强的抗腐蚀性等。理论上，汽车驱动桥润滑油的选择要考虑负载特性、轮齿相对滑动速度和工作温度等，这些因素与驱动桥的结构和行驶工况有关。所研究的某型号汽车驱动桥采用准双曲面齿轮传动，传递扭矩大，相对滑动速度高，因此选择重负荷齿轮油（GL-5）为润滑油。

3 润滑因素对驱动桥功率损失的影响分析及参数选择

3.1 驱动桥齿轮搅油损失

齿轮搅油损失一是齿轮旋转时搅动润滑油产生的损失，二是齿轮啮合时的夹带损失。搅油损失与润滑油的粘度、齿轮模数、浸油深度以及润滑油温度有关。S Seetharaman等学者研究表明，齿轮搅油损失一是齿轮旋转带动齿轮表面上附着的润滑油而产生的功率损失，二是齿轮啮合时，由于齿面空隙处泵吸效应产生的功率损失[5]。其中第一部分功率损失包括三个方面，一是齿轮周面与润滑油之间的功率损失，二是齿侧与润滑油之间的功率损失，三是两齿面之间的润滑油产生涡旋的功率损失，S Seetharaman等学者通过理论与试验分析，分别给出这三方面损失的理论计算公式[5]。

所研究的某型号汽车驱动桥中，主动齿轮和被动齿轮均发生搅油损失，且转速成一定比例，其中被齿浸入润滑油中的体积比主齿大很多。该齿轮在驱动桥中采用标准安装方式，润滑油的运动粘度为13.5m2/s，密度为0.855kg/L，大齿轮浸油深度为齿宽的1.5倍。采用S Seetharaman等学者研究得到的理论公式，利用Matlab软件进行计算，得到了搅油损失与齿轮转速的关系曲线，其变化趋势如图1所示。

从图1中可以看出，搅油损失随着齿轮转速的增大而增大，且随着转速的增加，搅油损失显著增大。

3.2 搅油损失的影响因素分析

从搅油功率损失的计算公式中可以看出，齿轮的浸油深度与齿轮的直径对搅油损失有很大的影响。齿轮直径越大，浸油深度相应也较大，搅油阻力变大，功率损失增加。

浸入油液中的深度及齿轮的直径也会对搅油损失有很大的影响。当齿轮直径加大、齿轮浸油深度也会变大，浸入液面下的齿轮面积也变大，搅油阻力变大导致功率损失增大。图2为搅油齿轮转速为800rpm时，功率损失与浸油深度和齿轮直径的关系曲线。

图2 搅油功率损失与浸油深度和齿轮直径的关系曲线

搅油功率损失与润滑油的运动粘度和密度也有关，图2为搅油功率损失与润滑油的运动粘度和密度之间的关系曲线。从图中可以看出，润滑油的运动粘度和密度越大，搅油损失也越大。

驱动桥中齿轮转速由发动机、传动系统及行驶状态决定，无法主动控制。因此，为减小齿轮搅油功率损失，可从减小齿轮浸油面积和改善润滑油性能方面入手。

图3 搅油功率损失与润滑油运动粘度和密度之间的关系曲线

3.3 浸油深度的影响

齿轮润滑的目的是减小齿面间的摩擦损耗，提高传动效率。润滑油浸油深度不足时，齿面间不能充分润滑，齿面间摩擦增大，会降低传动效率。浸油深度过大时，齿轮浸油面积增大，对应的搅油损失也增大。合理的浸油深度，既能保证齿轮的充分润滑，又能降低齿轮搅油损失，提高驱动桥传动效率。

机械设计理论表明，齿轮浸油深度应不低于半个齿宽。对所研究的某汽车驱动桥中的准双面齿轮齿面宽度可知，其浸油深度应不低于28mm。利用UG软件的内空间计算器，对该型号汽车驱动桥进行了分析，得到了其内部空间体积（润滑油体积）与垂直高度（油面高度）的关系曲线，如图4所示。

根据分析，选取三组润滑油体积，对应的油面高度和浸油深度如表1所示。

表1 三组润滑油体积与油面高度和浸油深度之间的关系

3.4 润滑油种类的影响

驱动桥中准双曲面齿轮的疲劳寿命，即与齿面的接触应力有关，也跟润滑油因素有关。准双曲面齿轮副在其传动系统中的润滑条件最恶劣，若选用润滑油油膜强度不够，能引起齿面粘结，出现齿面胶合，降低齿轮寿命。根据《重负荷车辆齿轮油》标准规定，驱动桥中准双曲面齿轮的润滑，选用GL-5，其粘度分为75W、80W/90、85W/90、85W/140、90和140等牌号。驱动桥中润滑油粘度与温度的关系曲线如图5所示。

根据搅油损失的分析，润滑油的运动粘度和密度是影响驱动桥功率损失的最重要的因素。最终选择驱动桥齿轮润滑油型号为GL-5 90和GL-5 75W/90，为后续的试验研究提供了参考。

4 结束语

通过分析某型汽车驱动桥中准双面齿轮的润滑方式，利用Matlab软件计算了不同条件下驱动桥功率损失，得到最佳的齿轮润滑方式和润滑参数，为汽车传动系统的优化与设计提供了理论依据。

参考文献

[1]陈家瑞.汽车构造[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]徐志生.汽车理论（第4版）[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]康明艳.润滑油生产与应用[M].北京： 化学工业出版社，2012.

[4]冯龙龙.环保型汽车齿轮润滑油润滑性能及机理研究[D].沈阳理工大学，2013.

[5]S Seetharaman，A Kahraman. Oil Churning Power Losses of a Gear Pair Experiments and Model Validation[J].Journal of Tribology. 2009，131（2）：1-10.