基于台架的整车传动系阻力梯度测试方法研究

张宏超 朱玉刚 付永刚 张有禄 刘双喜 高海洋

（中国汽车技术研究中心天津300300）

基于台架的整车传动系阻力梯度测试方法研究

张宏超 朱玉刚 付永刚 张有禄 刘双喜 高海洋

（中国汽车技术研究中心天津300300）

汽车燃油经济性越来越成为消费者所关注的问题，同时，为解决环境污染和能源安全问题，我国已发布第四阶段乘用车燃料消耗量限值法规，整车经济性成为法规约束指标。为了向整车经济性优化提供研发数据支撑，基于四驱动力总成试验平台，在动力总成台架试验室内还原了整车正常行驶状态，通过阶梯式分布测试方法，研究了车辆动力总成和传动系中各个动力传动单元在动力输出过程中的阻力分布状况，建立了整车传动系阻力梯度测试方法。研究表明，该方法可以量化各部件对于传动系自身阻力的影响，为解决传动系中效率短板提供了数据与测试方法支持。

动力总成传动系内阻力测试

引言

随着第四阶段乘用车燃料消耗量限值法规的发布，汽车燃油经济性越来越成为汽车技术发展的焦点、难点。要求除了依传统方法对发动机燃烧技术、变速器控制技术、动力总成以及整车匹配技术等大方向上进行技术改进外，传动系自身效率也成为技术改进的重要环节。

车辆传动系能量损耗大小直接影响到发动机的输出功率能否顺利传递到轮端，成为车辆前进的直接动力[1]。本文基于四驱动力总成台架，建立了虚拟整车环境，通过台架测试整车传动系统中各个组分阻力变化规律及在传动系所占比重，了解车辆在行驶过程中发动机输出功率在传动系统中的损失情况。

1 基于台架的整车测试平台

1.1 车辆传动系能量损耗

节能减耗已成为当前汽车工业发展的重要方向。图1所示为整车能量损失示意图，其中，发动机损失占62.4%，传动系损失占5.6%。随着发动机技术的不断成熟，依托发动机技术提升燃油经济性的成本越来越高。随着新能源车辆逐渐进入市场，发动机使用率占比会有所降低，此时，整车传动系统的能量损耗必然成为人们关注的重点[2]。

图1 传动系统损失

1.2 四驱动力总成台架

目前，国内关于车辆传动系统阻力测试的研究力度不足。已有的测试方法中，被测对象仅限于相对独立的测试单元，如单独的传动轴效率及阻力损失测试、单独的变速器传动效率测试、单独的发动机倒拖阻力测试等。

本文基于AVL而改造的四驱动力总成测试平台如图2所示，在实验室中还原整车原始状态，使车辆传动部件测试环境更加真实、有效。在完整的车辆状态下完成测试过程，了解各个部件的阻力分配状况，得到阻力分配比例[3]，分析动力传动系零部件开发、改善潜力。

图2 动力总成测试平台

本四驱动力总成台架可用于轻型汽车变速器、动力总成的性能试验、开发试验，整车燃料消耗量、排放、动力性试验以及整车传动系统阻力测试等；试验台架系统可测试独立的变速器系统，也可对发动机+变速器组成的动力总成进行试验。它可以连接发动机、变速器电子控制系统，使动力总成处于虚拟车辆环境中，模拟汽车道路试验工况，为自动变速器的开发试验、自动变速器控制系统验证试验等提供了丰富的测试手段。

主动测功机系统采用AVL Dyno Prime模块，它可以模拟发动机的动态工况，根据自动变速器CAN总线命令对其输出扭矩、转速进行实时调整，以真实地模拟车辆行驶过程中发动机与变速器的互动机制[4]。负载测功机系统采用AVL Dyno Train模块，包括四个测功机，以模拟四驱车辆的四驱工况。它可以灵活调整工作模式，如只用两个电机进行两驱车用自动变速器测试等。

1.3 虚拟整车环境的建立

基于动力总成台架，根据整车参数建立目标车辆的动力学模型，通过车轮支撑轴承实现传动系各轴承在实际道路状态下负载模拟，建立基于车速的通风系统以模拟道路环境下的整车散热环境。

1.3.1 道路阻力仿真测试方法

道路阻力仿真测试方法，即通过基于台架的虚拟车辆环境，对车辆油门大小进行控制来实现对发动机运行状态的监控，同时，车辆动力学模型实时运算车辆运行中的行驶阻力并通过负载电机加载到车辆轮毂上，此模式能够较好地还原车辆在道路上的行驶状态，完成车辆动力性、经济性评价及匹配任务。

1.3.2 基于整车环境的阻力梯度测试方法

阻力梯度测试方法，即通过分段式测量基于整车重量承载状态下的传动系各部件自身阻力，基于数据分析建立传动系的内阻阻力链，并通过控制负载电机转速来达到测试车辆在不同车速下的机械阻力损失水平。

2 基于整车的传动系阻力梯度测试

试验采取反拖模式，通过测功机反拖动力总成系统，用轮端扭矩法兰测量反拖阻力大小。测试工况分布见表1。

表1 测试工况分布

为了能够使所有的测试数据具有横向可比性，测试工况同时选取发动机转速为：1000r/min、2000r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min，如表1中○所表示的工况点。当测试单元不涉及发动机转速时，通过速比换算为相应的轮端转速，如表1中●所表示的工况点。

3 传动系阻力试验及分析

车辆动力总成及传动系统阻力按部件可分为发动机内阻力、变速器阻力、传动轴阻力、轮毂阻力等。通过使用阻力梯度的概念，解析各部件在不同工况下的阻力情况，为提高系统效率提供数据支撑。

3.1 动力总成系统阻力

试验过程中，使离合器处于结合状态，不同的变速器分别挂入相应档位[5]。动力总成系统阻力变化趋势如图3所示。

图3 发动机+传动系阻力

由图3可知，随着发动机转速的增大，动力总成系统阻力损失随之增大；随着挡位的增大，动力总成系统的传动阻力损失亦随之增大。由系统内转速升高导致各轴承连接处的摩擦损失和变速器箱体内搅油阻力损失增大，成为影响动力总成系统内部阻力变化的重要因素。

3.2 传动系阻力

传动系阻力损失即为能量由发动机输出之后的能量消耗。试验过程中完全踩下离合器踏板，使变速器完全脱离发动机[6]。传动系统阻力变化趋势如图4所示。

图4中的传动系阻力变化趋势与图1的趋势基本相同，此时的能量损失基本在变速器搅油阻力损失以及变速器内的齿轮啮合引起的能量损失上。

以上二者的阻力损失差即为发动机内的反拖阻力损失。

3.3 轮毂及制动残余阻力

图4 传动系阻力

将驱动轴卸下，使轮毂与变速器脱离开，单纯地测量出轮毂阻力。轮毂阻力主要由轮毂轴承内阻力以及轮毂与刹车片之间的制动残余力组成，因此，需测量出轮毂卸下刹车片的阻力以及带有刹车片的轮毂阻力，二者之差即为车辆轮毂上损失的制动残余阻力。轮毂轴承阻力的变化趋势如图5所示，轮毂与刹车片之间的制动残余力的变化趋势如图6所示。

图5 轮毂轴承阻力

图6 制动残余力

图5 与图6分别表示各个档位下车辆轮毂轴承及制动残余力损失功率特性，其中轮毂轴承损失规律较为明显且与之前趋势相一致；由于制动残余力相对较小，测量误差占比相对较大，导致损失曲线相对紊乱，但基本趋势依然明显。

图7-图11分别表示一至五档时各阻力（摩擦功）占比的变化趋势。

图7 一档摩擦功占比

图8 二档摩擦功占比

图9 三档摩擦功占比

图10 四档摩擦功占比

图11 五档摩擦功占比

从这些图中可见，各个档位下，发动机摩擦阻力远远大于其他阻力，其中在一档下的阻力占比均超过80%，部分转速下甚至达到90%。但随着档位的增大，发动机摩擦阻力所占的比重逐渐降低，其他各阻力占比随之增大，其中变速器+驱动轴阻力变化最为明显，此阻力成为除发动机阻力外最大的阻力。轮毂轴承阻力变化不大，但在五档低转速下依然占到10%左右的比重。作为传动系阻力中最小的阻力，制动残余力与其他传动系阻力相比微乎其微,仅占总阻力的2%左右，基本可以忽略。

4 结论

1）建立了基于动力总成台架的整车传动系阻力测试平台，为整车传动系阻力测试及阻力梯度分析提供了必要的测试手段。

2）整车传动系各部件阻力大小均随档位及转速的增大而变小，但制动残余力存在测试误差。

3）传动阻力占比大小为：发动机摩擦阻力＞变速器+驱动轴阻力＞轮毂轴承阻力＞制动残余力。发动机摩擦阻力在传动系阻力中占有绝对比重（超过75%），制动残余力阻力相对较小，可以忽略。

1余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009

2杨立昆，李和言，马彪，等.车辆传动系统分类与演变规律研究[J].机械设计与研究，2013，29（4）：42-47

3Chris Manzie,Harry Watson,Saman Halgamuge，etl.Fuel economy improvements for urban driving：Hybrid vs.intelligent vehicles.Transportation Research Part C,2007,15：1-16

4李宗帅，董春，刘颜，等.国内外电力测功机发展现状[J].电机与控制应用，2007，34（5）：1-4

5葛胜迅，汪旭明，白俊超，等.发动机阻力矩测试方法研究[J].汽车科技，2013（5）：29-32

6Zhan Zhangsong,Yang Zhengjun,Liu Xingchun,et al.Optimization design and match research of vehicle powertrain parameters[J].Automobile Technology,2007(3):17-20

Research on Resistance Test Method of Vehicle Drive System

Zhang Hongchao,Zhu Yugang，Fu Yonggang,Zhang Youlu,Liu Shuangxi,Gao Haiyang
China Automotive Technology and Research Center(Tianjin,300162,China)

Automobile fuel economy became an issue consumers concerned and China has published the fourth stage passenger car fuel consumption limits for environmental issues and energy security.In order to provide data to optimize the vehicle economy performance,this paper simulated the normal vehicle driving state in 4WD powertrain bench lab and studied the resistance distribution in powertrain system and drive line with cascade test methods.The research shows that this method can quantify the self-resistance contributions of transfer unit in driveline system and provide the data and testing support for vehicle economy optimization.

Powertrain,Drive line,Self-resistance,Test

U463.21

A

2095-8234（2016）05-0008-04

2016-07-29）

张宏超（1981—），男，博士，主要研究方向为内燃机与动力总成电控技术及测试技术。