纯电动变速器传动效率分析与修正方法研究

刘 波，李王英

（麦格纳动力总成（江西）有限公司，江西 南昌 330013）

引言

变速器作为汽车传动系统的重要组成部分，其传动功率损失对整车的燃油经济性有较大的影响，通过建立变速器传动功率损失预测模型，预测变速器传动效率，是合理设计变速器，提高变速器传动效率不可或缺的重要环节。有很多学者对变速器的效率仿真分析做了理论计算和实验研究[1-2]，对于效率提升方案也做了很多研究，通过适当的增大游隙可以减小深沟球轴承摩擦功率损失，提升变速器的传动效率[3]。优化变速器内腔体和油量提高变速箱的效率[4]等。

本文以纯电动变速器为例，利用MASTA软件，根据ISO/ TR14179—2标准分析其效率谱，并与试验测试结果对比，对低扭高速差异较大的效率结果进行评估和修正。

1 效率计算基本理论

设变速器输入功率为PA，功率损耗为PV，则这个变速器的效率η为：

一般情况下，变速器的功率损失主要由齿轮的负载损耗和与转速相关的空载损耗，轴承的负载损耗和与转速相关的空载损耗，以及油封、油泵、同步器等其他机械件的功率损失。

本文研究的是纯电动变速器，如图1所示。结构相对简单，只有一个挡位，无同步器，油泵等，只需要考虑齿轮、轴承和油封的功率损失即可。通过多例仿真分析与试验结果的对比，本文选用ISO/TR 14179—2标准[5]，因为该标准计算的平均值，以及同一油温和扭矩，不同转速下的效率变化曲线斜率结果更接近。

图1 纯电动变速器结构

对于纯电动变速器而言，功率损失占比最大的是齿轮，而且不同的分析理论结果差异较大，轴承功率损失不同分析理论之间差异较小。所以本文就齿轮效率计算相关参数影响进行探讨评估。

齿轮与转速有关的空载损耗，主要是由浸入润滑油的齿轮产生的。如图2本案例中档位齿轮都在润滑油液面之上，主减齿轮只有大齿轮浸在润滑油中，所以空载损耗由该齿轮产生，产生的扭矩损失TH如式（2），产生的功率损失PVZ0如式（3）。

图2 变速器润滑油液面

式（2）中Csp为浸油系数；C1与C2是齿宽和浸油深度相关的系数；vt为齿轮旋转的切线速度；vt0为齿轮旋转的参考切线速度，取值为10 m/s；n为主减齿轮小齿轮转速。

he2为主减大齿轮的浸油深度；hc为齿轮中心点到浸油最低点的距离；lh为整个润滑油系统的长度，he0=10 mm，b0=10 mm。

与负载相关的齿轮功率损耗PVZP：

式中PA为输入功率；μmz为平均摩擦系数；HV轮齿损耗系数。

对于锥齿轮，可以采用当量直齿轮计算，F为齿轮端面上的法向力；b为工作齿宽；vΣ为齿轮总速度；ρ为等效曲率半径；ηoil为润滑油的动力粘度；Ra为平均粗糙度，为两个齿轮粗糙度的平均值，由于粗糙度对摩擦系数计算结果影响较大，需要根据实际零件加工工艺准确定义。XL为润滑油系数，对于矿物油，一般取1。

上式中μ为齿轮的速比，z1为主动齿轮的齿数；βb为基圆螺旋角；εa为端面重合度；ε1，ε2分别为小齿轮、大齿轮的重合度。

2 变速器效率测试试验

如图3所示为变速器效率测试台架，效率测试试验需要使用的仪器是输入端扭矩速度传感器，输出端扭矩速度传感器和温度传感器。对测试设备的精度有要求，转速控制在±1 r/min，扭矩控制在0.5‰的变动范围内，温度在0.1%变化范围内。

图3 效率测试台架

试验的油温取（20±5）℃、（60±5）℃、（80±5）℃，转速从1000 rpm到12000 rpm，每隔1000 rpm测试一次，扭矩测试点参考图5横坐标，总共11个扭矩测试点。

图5 输入扭矩为5 Nm不同转速时的效率曲线

如图4所示，测试或仿真分析油温均为80 ℃，每个扭矩对应的效率结果为所有转速点的平均值。两台变速器的测试结果与CAE仿真分析结果对比可知，输入扭矩30 Nm以上效率结果差异较小，而30 Nm以下的结果差异较大。由公式（8）所示，与负载相关的齿轮功率损耗PVZP与啮合摩擦系数μmz直接成比例，而该系数是受载强度和节线速度的函数，按标准计算vΣ时，节线速度vt≤50 m/s，受载强度F/b≥150 N/mm。对于电动箱低扭高速工况，超出了标准适用范围以外，从而导致低估了啮合效率损耗，效率结果偏大。

图4 变速器试验与CAE仿真效率结果对比

3 低扭矩效率修正

由于低扭时CAE仿真分析与测试结果相差较大，实际怠速或是反拖工况时，低扭使用频率较高，而且低扭段的效率对整个变速器的热管理仿真分析很重要，所以需要根据测试结果对＜30 Nm的仿真分析结果进行修正。

图6 输入扭矩为10 Nm不同转速时的效率曲线

对比图5到图7，仿真分析的结果在低转速与测试结果很接近，转速越高差异越大，整体的斜率与测试结果差异较大。比如输入扭矩为5 Nm时，仿真分析的斜率为-0.0002，而试验结果平均为-0.0013，输入扭矩为20 Nm时，仿真分析的斜率为－9E－06，而试验结果平均为-0.003。输入扭矩为5 Nm和20 Nm时，两台试验箱的结果趋势一致，斜率相当。而输入扭矩为10 Nm时，两台试验箱的结果有一定差异，斜率差异较大，对比5 Nm和20 Nm的测试结果，10 Nm时斜率理论分析在-0.006左右。所以对于低扭高转速的效率结果可以考虑通过调整斜率进行修正。

4 结论

纯电动变速器相比传统燃油车的多挡位变速器，挡位少，结构简单，但是工作转速范围更大，从常规的12000 rpm，甚至到20000 rpm。这给效率分析以及测试带来挑战，本文分析对比发现对于低扭矩高转速工况，仿真分析结果会低估了齿轮的功率损失，使得计算的效率结果偏高。根据仿真分析与试验结果的对比，提出了调整曲线斜率方法进行修正，为类似变速器的效率仿真预测提供参考。