等速驱动轴传动效率影响因素分析及试验研究*

莫易敏 张德来 向科鹏 陈龙龙 何 超

(武汉理工大学机电工程学院 武汉 430070)

等速驱动轴传动效率影响因素分析及试验研究*

莫易敏 张德来 向科鹏 陈龙龙 何 超

(武汉理工大学机电工程学院 武汉 430070)

传动系的阻力直接影响整车的燃油经济性，而驱动轴作为传动系中重要的零部件，为了降低某车型传动系阻力有必要对驱动轴进行研究.明确了驱动轴传动效率的影响因素，严格控制变量，采用控制变量法利用台架试验测试了不同的影响因素对驱动轴效率的影响.结果表明，驱动轴的传动效率与润滑脂的选取有较大关系，与万向节的制造精度、万向节钢球数量，以及驱动轴的输入转矩有正相关关系，与驱动轴的夹角成反比关系，而与驱动轴的输入转速则没有明确关系.

MPV(多用途汽车)；等速驱动轴；传动效率；润滑脂；夹角；转速

大部分汽车企业通过降低整车风阻、提高发动机节能性等措施来降低汽车油耗[1]，传动系的阻力的大小直接影响汽车综合油耗.驱动轴作为前置前驱车型传动系中关键的零部件，对其进行降阻研究具有较大的意义.

等速驱动轴的传动效率主要受万向节夹角、万向节节型、输入力矩和旋转速度以及润滑脂类型、万向节精度及球笼式万向节中钢珠数目等因素影响[2-4].而其中的万向节夹角、输入力矩、旋转速度等因素在汽车设计成型后更改的难度较大，因此能够优化的因素主要为万向节精度、球笼式万向节中钢珠的数目及润滑类型等[5].

1) 万向节精度 等速万向节结构复杂，性能要求较高，因而对其加工精度的要求较高.加工精度的高低将直接影响各零件的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度，进而影响等速万向节内部的摩擦力和间隙，最终影响等速驱动轴的传动效率，直接关系到整车性能.

2) 等速万向节中钢球数目 传统的六钢球球笼式等速万向节钢球数目相对较少，万向节钟形壳、星形套沟道尺寸较大，而与星形套相连接的中间轴花键分度圆尺寸较小，故传统的六钢球球笼式等速万向节体积和质量较大，传递转矩的能力有限.在满足驱动轴用CVJ的强度和耐久性的情况下，增加钢球数目能减小万向节阻力，降低力矩损失，从而有利于提高万向节传动效率.

3) 润滑类型 等速万向节内部的摩擦极其复杂，内部接触应力很高，润滑油膜的厚度属于纳米级别，因而要用特殊的润滑脂进行润滑.不同的润滑脂种类，其润滑效果不同.

等速万向节根据其结构特征，可以分为中心固定型和伸缩型，万向节内部摩擦主要由滚动摩擦和滑动摩擦组成[6-7].有两种方法可以提高万向节机械效率：从运动学角度减少滑动摩擦[8]；从摩擦学角度减少摩擦力.

为了提高效率，综合应用以上两种方法来对等速万向节进行降阻优化设计，探索影响万向节效率的各个因素对其效率的影响，并进行定量分析，从而为进一步的优化提供方向.

1 试验方案

1.1 试验设备及原理

本次试验采用通用设备来搭建台架以研究等速驱动轴传动效率的主要影响因素.试验原理见图1.动力电机模拟差速器输出的动力，磁粉制动器提供转矩，在输入端输入指定工况下的转速和转矩，测量稳态的输入输出量.

图1 试验原理示意图

1.2 试验工况

为了模拟某MPV车型在NEDC工况下驱动轴的效率，结合发动机、变速箱以及轮胎的相关参数选择输入轴转速分别取160，660，1 000 r/min三个转速以模拟NEDC中的三种稳态速度.转矩依据变速箱的输出转矩取为100，200 ,400，600，800 N·m.

另外，为了模拟该车型在直行和转弯过程的工况，选取两万向节与中间轴夹角均为3°，5°和10°三种情况进行试验以定量分析直行过程中夹角对驱动轴效率的影响.

1.3 试验方法

为了探寻各个因素对等速驱动轴传动效率的影响程度，将试验对象设置为七组，各相同量均保证为同一批次合格产品，其参数见表1.

表1 试验分组情况

X型球笼式万向节和Y型球笼式万向节的制造精度一致，区别仅在于钢球数目，X型球笼式万向节具有六个钢球，Y型具有八个钢球.优质三球销式万向节的制造和装配精度高于常规万向节.I型润滑脂为该MPV车型原厂使用的类型， II型和III型润滑脂均为委托专业机构进行调配的高性能润滑脂[9].表2为三种润滑脂的特征参数.

表2 3种润滑脂参数

本实验在室温下进行，为了保证数据的可靠性，试验数据全部为驱动轴在对应工况下预热10 min后开始测量.试验过程如下：

将驱动轴装夹在测试系统上，保证等速驱动轴处于零夹角(0°,-0°)状态，将驱动电机转速设置为1 000 r/min，转矩设置为100 N·m，充分磨合和预热后，使其工作状态趋于稳定，测量出传感器的零点漂移量.使试验台空转，记录输入、输出转矩传感器的读数，从而得到该测试系统的摩擦阻力矩.

按上述设定的工况，对七组由不同万向节或润滑脂组成的等速驱动轴加载，记录稳态下每个测试样件在各种夹角状态下的测试数据(测试三次，取平均值)，去除摩擦阻力矩的影响.

2 数据分析

输入轴和输出轴的功率分别等于它们的对应转速和转矩的乘积，等速驱动轴的传动效率定义为输出功率与输入功率之比[10]，则该等速驱动轴的传动效率计算公式为

式中：n1，n2为输入和输出轴的转速，r/min；T1，T2为输入和输出轴的转矩，N·m.

2.1 润滑脂种类对驱动轴综合效率的影响

在统计不同夹角、不同的转速时各驱动轴的综合效率时，各驱动轴的效率的变化趋势存在着一定的相似性，以内外侧夹角均为3°(3°,-3°)、输入转速为160 r/min为例，统计不同输入转矩下各轴的效率的平均值，见图2.由图2可知，B组的效率明显高于A组和C组，E组的效率明显高于D组和F组.说明II型润滑脂的性能好于I型和III型.由表2中3种润滑脂的性能参数可以看出，II型润滑脂的摩擦系数优于I型和III型，这可能是影响驱动轴综合效率的关键性能.

图2 各组驱动轴的综合效率

2.2 制造精度对驱动轴效率的影响

驱动轴的制造精度受制造设备的影响很大，而国内生产驱动轴的厂家资质参差不齐，为了量化制造精度对驱动轴效率的影响，选用某知名企业的普通精度驱动轴和提高精度的优质驱动轴来进行对比分析.

由于曲线变化存在一定的相似性，比较内外侧夹角均为3°(3°,-3°)、输入转速为160 r/min时组E和组G中驱动轴传动效率的差异，见图3.由图3可知，采用提高三球销式制造精度的E组的传动效率明显高于普通级别的G组，效率提高约0.1%，另外，由于未对球笼式进行精度提高改进，如果提高整根驱动轴的精度，其传动效率的变化会更加明显.

图3 三球销式万向节制造精度对效率的影响

2.3 钢球数目对驱动轴效率的影响

由于钢球承受的载荷与钢球数目有反比关系，因此，钢球数目越少，球笼式万向节的阻力越大，因而实测驱动轴的效率越低.图4为G组和B组驱动轴在内外侧夹角均为3°(3°,-3°)、输入转速为160 r/min时不同转矩工况下的效率图.由于图4中G组和B组的变量仅为外侧万向节的滚珠数目，在不同的转矩下，G组的效率都较B组高，说明球笼式万向节的钢球数目越多，等速驱动轴阻力越小，其效率越高.

图4 钢球数目对传动效率的影响

2.4 夹角对驱动轴效率的影响

图5为当转速为160 r/min，转矩为100 N·m时，A组至F组在三种等夹角状态下的传动效率曲线图.由图5可知，当夹角变大时，驱动轴的效率变低.这使得我们设计驱动轴的安装角度时，尽量保证较小夹角以提升驱动轴效率进而提升整车燃油经济性.

图5 三种等夹角状态下的传动效率曲线图

2.5 转速对驱动轴效率的影响

由于规律存在相似性，选取输入转矩为100 N·m，驱动轴两端夹角均为10°(10°,-10°)的工况进行分析见图6.由图6可知，驱动轴的效率和转速之间没有明确的关系.

图6 转速对驱动轴效率的影响

2.6 输入力矩对驱动轴的影响

内、外万向节夹角均为3°时，对七组等速驱动轴在三种转速下的效率进行分析，曲线见图7.由图7可知，传动效率随转矩的增大和增大.

图7 输入力矩对驱动轴的影响

3 结 论

1) 润滑脂对驱动轴的影响很大，选用II型润滑脂能较大提升驱动轴效率，从润滑脂的参数可以看出，其SRV摩擦系数直接与驱动轴效率相关.

2) 提高驱动轴的制造精度能能提升其效率，但是幅度不大，因此此项改进应综合考虑成本等因素.

3) 球笼式万向节的钢球数目越多，驱动轴阻力越小，其效率越高.

4) 当夹角变大时，驱动轴的效率变低，这要求在设计传动系时应考虑驱动轴的安装夹角.

5) 驱动轴的输入力矩对驱动轴的效率影响较大，输入力矩越大，其效率越高.

6) 驱动轴的转速对驱动轴的效率的影响不是太明显.

[1]章德平.微型汽车半轴支撑轴承性能优化及相关理论与试验研究[D].武汉：武汉理工大学,2015.

[2]闵德瑞,赵云,杨曙光,等.基于虚拟样机技术的汽车等速驱动轴传动效率的分析[J].机械设计,2016,33(4):60-63.

[3]马天飞,王登峰,郝春光,等.轿车等速驱动轴传动效率的试验研究[J].汽车技术,2009(7):37-40.

[4]LEE C H, POLYCARPOU A A. A phenomenological friction model of tripod constant velocity (CV) joints[J]. Tribology International,2010,43:844-858.

[5]闵德瑞,赵云,黄风立,等.球笼式等速万向节轻量化优化设计[J].机械设计与制造,2014(7):136-138.

[6]YOSHITAKA S, ATSUSHI M, TAKEO Y. Ball behavior analysis of rzeppa constant velocity joint[J]. SAE Technical Paper,2016(1):55-58.

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[8]KOZLOWSKI K, MONDRAGON E. Fixed center constant velocity joint with different funnel offsets[J]. United States Patent 8414405,2013.

[9]宗明，欧阳秋.汽车等速万向节润滑脂的研制与应用[C].中国汽车工程学会燃料与润滑油分会第十二届年会论文集,2015.

[10]滕达，王登峰.等速传动轴传动效率的虚拟样机分析与试验研究[J].机械设计与制造,2013(7):18-21.

Analysis and Experimental Research on Influence of Transmission Efficiency for Constant Velocity Drive Shaft of Car

MO Yimin ZHANG Delai XIANG Kepeng CHEN Longlong HE Chao

(SchoolofMechanicalandElectricEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

The resistance of the driveline directly affects the fuel economy of vehicle. In order to reduce the resistance of the driveline, it is necessary to intensively study the drive shaft which is an important part in the driveline. Firstly the factors which influence the transmission efficiency of the drive shaft are identified and the variables are controlled strictly. Besides, using the control variation method the influences which the different factors have made on the efficiency of the drive shaft have been tested with the bench test. The result shows that the transmission efficiency of the drive shaft has a lot to do with the selection of the grease, and is positively related with the accuracy of manufacturing and the number of steel balls of the universal joint and the input torque of the drive shaft. However it is negatively related with the angle of the drive shaft, and has no specific relationship with the input rotational velocity of the drive shaft.

multi-purpose vehicle; CVJ(s); transmission efficiency; grease; angle; rotational velocity

2017-06-05

*校企合作基金项目资助(LZ-TDC-JSYJ-2014-0015)

U463.216

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.009

莫易敏(1960—)：男，教授，博士生导师，主要研究领域为摩擦学、机电一体化