（机械工程专业论文）微型汽车传动系统效率试验设计与研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特n j j n 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 嘲风灿翩( ：童秘期劾u 州 摘要 汽车传动系统是汽车底盘的核心部分，它能有效完成动力由发动机向车轮的 动力传输，改变速比特性实现变速变矩，完成转弯时左右轮的差速等工作。对汽 车传动系统的研究，关系着汽车的动力性、稳定性和燃油经济性等车辆运用指标。 随着我国汽车产业的发展，每年数以千万计的各式车辆上路飞驰，能源短缺、环 境污染等问题逐步凸现，这使得针对汽车燃油经济性的研究刻不容缓。传动系统 作为汽车传递动力的最主要环节，对其传动效率的研究十分重要。本文以某微型 汽车传动系统为研究对象，采用基于正交试验设计的试验设计方法，在传动系统 试验台架上进行传动系统效率试验，完成了传动系统试验台架的设计，制定了传 动系统效率试验方案，获得了传动系统效率试验数据，完成了试验数据处理与试 验结果分析。针对微型汽车传动系统存在的问题提出了改进建议，其研究成果对 微型汽车新车开发与已有车型改造具有一定意义。本文的研究成果如下： 为微型汽车传动系统设计一套专用试验台架。根据试验研究及用户的需要， 参考国内外相关试验设备，考虑各类试验形式，以交流电力测功机为核心，设计 了一套具备能量回馈功能的封闭式试验台架。它采用模块化的柔性设计思想，使 这一设备能够适应被试对象的变化，完成不同类型、不同布置传动系统测试工作。 制定微型汽车传动系统效率试验方案，并据此进行传动系统效率试验。根据 试验研究的目的，基于正交试验设计方法，制定了一套符合国家及行业标准，具 备一定理论支撑的试验方案。为有效节省试验投入，将试验过程分为因素初选与 传动系统效率试验两部分，综合考虑了试验指标、因素水平、试验设备、试验方 法、保障措旋，能够有效地完成微型汽车传动系统效率测试任务。 完成了传动系统效率试验数据处理与结果分析工作。根据因素初选及传动系 统效率试验方案，完成了因素初选试验数据的直观分析和传动系统效率试验数据 的方差分析。通过试验数据交互作用的分析，对影响传动系统效率各因素间耦合 问题进行了研究。 通过本文的研究验证了传动系统效率试验方案的可行性和所设计传动系统 试验台具有良好的测试性能、较高的精度，并具备传动系统效率试验的能力。 关键词：试验台架，正交试验，数据处理，传动系统，微型汽车 a b s t r a c t a u t o m o t i v ed r i v e l i n ei st h ei m p o r t a n tp a r to ft h ea u t o m o b i l ec h a s s i s ，i tc a n d e l i v e rp o w e rf r o mt h ee n g i n et ot h ew h e e l se f f e c t i v e l y , c h a n g es p e e da n dt o r q u eb y c h a n g i n gt h er a t i o ，a n dl e te a c hr o a dw h e e lt u r na ti t so w ns p e e dw h e n i ti sn e c e s s a r y s t u d yo fv e h i c l ed r i v e l i n ed i r e c t l ya f f e c t st h ea u t o m o t i v ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sl i k e d y n a m i c ，s t a b i l i t ya n df u e le c o n o m i cc h a r a c t e r s w i t ht h ec o n t i n u a ld e v e l o p m e n to f c h i n e s ea u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h e r ea r et e n so fm i l l i o n so fn e wv e h i c l ed r i v eo nr o a d e v e r yy e a r , p r o b l e m sl i k ee n e r g ys h o r t a g e sa n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o nb e c o m ew o r s e ， s oi ti si m p e r a t i v ef o ru st od r i v et h er e s e a r c ho nf u e le c o n o m ya n dt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c yi na u t o m o t i v e s t h ev e h i c l ed r i v e l i n ei s t h em o s tm a i nl i n kp o w e r t r a n s m i s s i o n ，i ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ho nt h ee f f i c i e n c yo fp o w e rt r a i n t h i sp a p e r m a d eo u tt h et e s tp r o j e c tb yu s i n go r t h o g o n a l e x p e r i m e n td e s i g n , c a r r i e d o u r e x p e r i m e n to nt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yt e s t - b e d ，o b t a i n e de x p e r i m e n t a ld a t aa n d a n a l y s i sr e s u l t s t h er e s e a r c hr e s u l t sc a ng i v es u g g e s t i o n sf o ri m p r o v e m e n t so fm i n i v e h i c l ed r i v e l i n e ，a n dg i v eab e n e f i c i a lb a s i sf o rd e s i g no nn e wc a ra n d e x i s t i n go n e s t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nf i v ei m p o r t a n ta s p e c t sa sf o l l o w s ： d e s i g nas p e c i a lt e s ts t a n df o rt h em i n i a t u r ea u t o m o t i v ed r i v e l i n e a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dt h en e e d so fu s e r s ，d e s i g nac l o s e dt e s ts t a n db a s e do n a ce l e c t r i cd y n a m o m e t e r r e f e r r i n gt ot h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lt e s t i n g e q u i p m e n t s ，i tp r o v i d e st h ef u n c t i o n so fe n e r g yf e e d b a c k i ta d o p t sam o d u l a r i z e d f l e x i b l ed e s i g nc o n c e p t , s ot h a tt h ed e v i c ec a nb ea d a p t e dt ot h ec h a n g e so ft h e s u b j e c t s ，t h ec o m p l e t i o no fv a r i o u st y p e s ，d i f f e r e n ta r r a n g e m e n to ft r a n s m i s s i o n s y s t e mt e s t i n g f o r m u l a t i o no fm i n iv e h i c l et r a n s m i s s i o ns y s t e me f f i c i e n c yt e s ts c h e m e ，a n d b u i l d st h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yt e s t a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a l s t u d y , d e v e l o p e das e to ft e s ts c h e m e ，b a s e do nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g nm e t h o d ， r e l e v a n tn a t i o n a la n di n d u s t r ys t a n d a r d s ，h a v ec e r t a i nt h e o r e t i c a ls u p p o r t i no r d e rt o s a v et h ei n v e s t m e n to fe x p e r i m e n t , t h et e s tp r o c e s si sd i v i d e di n t op r i m a r yf a c t o r s c h o o s ea n dt r a n s m i s s i o ns y s t e me f f i c i e n c yt e s t ，c o n s i d e r i n gt e s ti n d e x ，f a c t o rl e v e l ， t e s te q u i p m e n t , t e s tm e t h o d s ，s a f e g u a r dm e a s u r e s ，c a ne f f e c t i v e l yc o m p l e t et h em i n i v e h i c l et r a n s m i s s i o ns y s t e me f f i c i e n c yt e s tt a s k c o m p l e t et r a n s m i s s i o ns y s t e me f f i c i e n c yt e s td a t ap r o c e s s i n ga n d r e s u l ta n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ef a c t o r so fp r i m a r i e sa n dt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo ft e s ts c h e m e ， c o m p l e t e dt h ef a c t o r so fp r i m a r yt e s td a t av i s u a la n a l y s i s ，c o m p l e t e dt h et r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c yv a r i a n c ea n a l y s i so ft e s td a t a t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ai n t e r a c t i o n a n a l y s i s ，c o m p l e t e dt h ei m p a c to ft r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya m o n gv a r i o u sf a c t o r s c o u p l i n gp r o b l e mr e s e a r c h t h r o u g ht h es t u d yo f t h i sp a p e rv e r i f i e st h ee f f i c i e n c yt e s to f t r a n s m i s s i o ns y s t e m a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m e ，v e r i f i e st h ed e s i g no fd r i v es y s t e mt e s tb e n c hw i t h g o o dp e r f o r m a n c e ，h i g ha c c u r a c ya n dw i t ht h et r a n s m i s s i o ns y s t e me f f i c i e n c yt e s t a b i l i t y k e yw o r d s ：o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，d a t ap r o c e s s i n g ，t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，m i n i v e h i c l e i i i 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 研究目的及意义1 1 2 1 研究目的1 1 2 2 研究意义2 1 3 国内外研究现状3 1 3 1 国外研究现状3 1 3 2 国内研究现状4 1 4 研究的主要内容5 1 5 本章小结6 第2 章传动系统试验台架总体设计7 2 1 传动系统试验台架工作原理7 2 1 1 传动系统试验台搭建目的与研究内容7 2 1 2 测试形式的选择9 2 2 试验台架总体设计1 2 2 2 1 台架主体1 2 2 2 2 控制部分1 4 2 2 3 辅助设备17 2 3 试验台架精度分析与计算：l8 2 3 1 误差合成理论。18 2 3 2 误差分析与合成2 1 2 4 本章小结。2 3 第3 章基于正交试验设计的传动系统效率测试2 4 3 1 试验设计理论2 4 3 1 1 正交试验设计方法概述。2 6 3 1 2 正交表设计2 8 3 1 3 正交试验设计的基本步骤3 0 3 2 微型汽车传动系统效率正交试验设计3 2 3 2 1 影响因素初选的试验设计。3 2 3 2 2 传动系统效率正交试验的设计3 6 3 3 基于正交试验设计的传动系统效率试验方案3 9 3 3 1 编制目的与试验目标3 9 3 - 3 2 编制依据与使用范围3 9 3 3 3 试验准备与投入设备4 0 3 3 4 试验方法与试验步骤4 0 3 3 5 试验数据处理与结果分析4 1 3 4 本章小结4 l i v 第4 章数据处理与软件实现4 2 4 1 试验数据处理与结果分析4 2 4 1 1 常用试验数据处理方法4 2 4 1 2 影响因素初选试验数据处理4 3 4 1 3 传动系统效率正交试验数据处理4 6 4 2 微型汽车传动系统效率试验软件设计5 0 4 2 1 测控软件总体设计5 0 4 2 2 数据测量程序设计，5 0 4 2 3 参数控制程序设计51 4 2 4 数据加工程序设计5 2 4 2 5 设备端口设置5 4 4 3 本章小结5 4 第5 章总结及展望5 5 5 1 总结5 5 5 2 展望5 5 致谢5 7 参考文献5 8 附录作者研究生期间参与的科研项目6 1 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 自2 0 0 2 年以来的十年间，我国汽车行业进入爆炸式增长期，产销量由十年 前的不足4 0 0 万台到2 0 1 2 年有望突破2 0 0 0 万台，近5 年连续蝉联全球产销量 第一位。可以说，过去的十年我国汽车产业完成了由小到大的过程，未来十年 将是我们实现由弱变强这一巨大跨越的机遇期。然而，巨大的成就背后，也应 该认识到快速的发展带来了一些亟待解决的问题。在技术领域中，整个产业对 外国车企的依赖严重，在市场空间上，合资车企的主导地位无法撼动，这使得 我国车企，特别是自主品牌缺乏核心技术，市场空间狭小，严重阻碍了我国汽 车产业的发展与突破【l j 。 当今汽车行业的发展，是由粗旷向紧密的发展，为满足市场竞争的需求， 汽车行业不同于制造业，仅仅从量的角度来衡量整个产业已不适宜时代发展。 现如今，我们要做的，不仅是盲目扩大产能，更需要进行技术的革新与创造。 完全依赖国外的设计、生产设备和技术已不可能满足中国人当代的汽车消费观 念。即使从整个产业的健康发展来看，国内市场达到饱和的日子也逐渐临近， 所以必须面对国内外竞争，考虑国内外市场，满足各种人群需求，从汽车的设 计、制造等环节，进行深层次革新与创造。 汽车试验测试技术是随着整个汽车行业的发展而逐步形成的，大批量、形 式结构各异、零配件数以万计的汽车通过规模化的流水线生产出来，相关产品 的性能、寿命、可靠性等，需要各式试验予以验证【2 j 。于是，汽车行业逐渐产 生了法规、设备、解决方案、场地、软件等相关试验测试手段。其中，针对动 力总成及传动系统的试验手段主要是建立在测功机基础上的各类设备，如：转 鼓试验台、燃油经济性及排放试验台、各总成试验台等。我国汽车试验测试的 发展稳步发展，建立了完整的行业标准，在试验设备上由最初的引进吸收到现 在的自主创新，从规模及质量上都在与发达国家缩小差距。 1 2 研究目的及意义 1 _ 2 1 研究目的 汽车传动系统是将动力由发动机传递到驱动轮的一个系统，一般主要包含 武汉理工大学硕士学位论文 离合器、变速器、主减速器、差速器及半轴等部件，其结构紧凑，保证汽车具 有在各种行驶条件下所必需的牵引力及车速，以及保证牵引力与车速之间协调 变化等功能，使汽车具有良好的动力性和燃油经济性；还保证汽车能倒车，以 及左、右驱动轮能适应差速要求，并视动力传递能格局需要而平稳地结合或彻 底、迅速地分离口4 1 。如果说发动机是汽车的心脏，是力量之源，那么传动系就 是这辆车的灵魂，传动系的各项性能，决定着整车的性能【5 1 。 本课题通过试验测试的方法，以某微型汽车传动系统效率最优化为目标， 以传动系统的传动比、浸油深度、润滑油粘温特性、齿轮几何尺寸及安装位置 等特性为试验因素，对微型汽车传动系统效率进行了深入研究。在保证汽车动 力性及舒适性的前提下，降低传动系统功率损失，改善传动系统效率【6 】。 1 2 2 研究意义 能源是人类发展和进步的动力源和物质基础。伴随着改革开放的进程，我 国汽车工业发展迅猛，产销量由2 0 0 1 年的2 0 7 万辆增加到2 0 1 0 年的1 8 0 0 万辆， 保有量也在2 0 1 1 年突破l 亿辆。这些数据的激增，体现了我国经济的快速发展， 同时，也刺激着国人的神经，使我们在繁荣的背后体味着能源供应以及城市环 境污染的巨大压力。 汽车产业作为国民经济的支柱产业，在支撑着产业链、就业、消费等各个 方面的同时，也带来了巨大的燃油消耗量。2 0 1 0 年中国原油产量达2 0 3 亿吨， 同比增长6 9 ，创近年最大增幅。同期，中国石油净进口量创历史新高，达到 2 3 6 亿吨，同比增长2 0 【7 1 。至此我国石油对外贸进口的依存度将超过百分之 五十五。随着近年来中东局势、北非局势的不稳定，以及美债欧债危机的爆发， 我国石油安全形势愈发严峻。“十二五”期间，国家发改委将把提高能源利用效 率作为经济运行调节工作的重要着力点。落实到汽车行业，即要求着力解决具 体车型的燃油经济性；落实到本课题中，则是要求设计微型汽车传动系统效率 试验台，探索试验方法，改进传动效率。 在汽车的设计过程中，除去发动机的设计与选择，离合器、变速器、驱动 桥等部分的设计工作占去了整个设计任务的大部分时间与精力，而究其根源， 动力源与传动系统的匹配工作被视为整车设计中的重中之重。随着模块化思想 的引入，汽车开发中，传动系统的设计己不再局限于个别零部件的设计，而更 加注重各模块的选取及参数设置，这就促使笔者设计出一种适合整车传动系统 的综合性台架。这种模块化的柔性台架，能对不同传动系构成及布置方案，按 武汉理工大学硕士学位论文 正交试验方法进行试验，从而得到相应方案的传动系统效率，并经过一定改进， 实现汽车传动系统效率最优的目的。 伴随着计算机的发展及计算技术的进步，仿真技术取得了迅猛的发展，作 为汽车产品开发的辅助手段，具有方案灵活、信息丰富、成本低、周期短等特 点。在传动系的设计过程中，应用仿真技术可以大量节约耐久性、n v h 性能等 试验的开发时间及经费。然而，仿真技术在应用中的仍有一些不足，一言以蔽 之，任何仿真其结果的真实性都需要试验进行验证。为对仿真结果进行验证， 往往需要进行相应的台架试验进行验证削。 关于汽车传动系统的研究，已不乏研究成果。然而，从目前国内的研究现 状来看，大多数的研究主要是探索汽车动力传动系匹配，对传动系统效率的研 究则基本集中在理论层面上。运用理论分析、建模仿真和试验验证相结合的方 法，系统地研究微型汽车传动系统效率，尚不多见。因而，从实际工程的角度 出发，对微型汽车传动系统效率、影响因素、改进措施及其试验方法的研究是 汽车产业发展的必然需要。 科学研究的过程中，往往需要对某个问题进行试验研究1 9 j 。这一过程中， 经常遇到试验本身的安排以及其结果的分析问题，这需要运用科学合理的试验 设计与试验数据处理方法【l 。科学合理的试验方案设计与有效、简便的数据处 理和结果分析，不仅带来了良好的试验效果和研究所需的试验结果，同时可以 大量的节省试验的时间，节约人力、物力等试验资源【l 。反之，若设计不正确， 则会造成时间、人力、物力的浪费，甚至试验的全盘失败【l 引。因此，针对微型 汽车传动效率台架试验进行科学合理的规划、设计，是本课题必不可少的重要 环节。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 2 0 世纪初，汽车试验学随着汽车工业的发展应运而生。二战后，伴随着电 子、控制、传感器等技术的发展，汽车试验测试技术日趋完善【l 引。时至今日， 汽车试验研究已经发展成为独立的技术部门，拥有试验研究中心、试验场等， 具备从整车到各总成再到零件的各种试验技术。传动系统仿真研究方面，美国 的通用汽车公司、康明斯公司、福特汽车公司，德国的奔驰汽车公司，日本的 日产汽车公司等都开发了相应的仿真程序来研究汽车动力性与燃油经济性的关 武汉理工大学硕士学位论文 系【l 引。这些应用程序不仅能在汽车制造前较准确的预测汽车动力性与燃油经济 性的关系，还能形成“c 曲线 和“燃油经济性曲线 【1 5 】。试验台架方面，奥 地利a v l 公司在其试验室h d t t c 中配备了相应的试验台架进行传动系总成、 耐久性等各项试验；比较成熟的试验体系还有日本h o r i b a 公司传动系统试验， 用发动机或测功机，分别采用四驱、前驱、后驱的方式来驱动传动系试验台， 测试当前方式下的变速器和传动系统性能，从而为客户提供传动系耐久性、动 态性、震动和噪声方面的最优化设计；美国m t s 公司的传动系统试验台用虚拟 的发动机代替发动机实物，在高动力情况如牵引控制操作时对传动系统和零部 件进行测试，对于施加在试件的力，以及试件的电子控制信息，系统都会使用 实时模拟以提供真实的环境【4 叫5 1 。 上世纪初，为解决试验条件不均匀给试验设计带来的困难，各国专家为此 不懈努力，其中英国的学者r a f i s h e r 利用均衡排列的拉丁方，较好的完成了 这一难题的攻克，提出了方差分析法，创立了试验设计( d e s i g no f e x p e r i m e n t s ) u 。五十年后的日本，田口玄一博士在试验设计的基础上创造了“正交试验设 计”方法。2 0 世纪9 0 年代初，田口玄一创造并推行了稳健型技术开发设计， 是一种带有重大创新思想的试验优化方法l l 引。 1 3 2 国内研究现状 我国汽车试验起步较晚，2 0 世纪5 0 年代随汽车工业的建立而发展起来， 但在各方面取得较大进步则始于改革开放。经济建设和汽车工业的蓬勃发展为 汽车试验提供了大量的强度、寿命和性能方面的试验方法，广大研究人员进行 了试验方法的研究和试验法规的制定，还进行了许多基础性的研究工作，如车 身车架的有限元分析，路面谱、载荷谱、车辆地面力学、操纵稳定性、随机数 据处理、可靠性研究等。在试验的基础建设上除了积极引进国外的先进技术和 设备外，我国还研究和创造了一批拥有自主知识产权的试验设备和仪器、仪表， 建立了大型现代化试车场，为我国汽车工业的进一步发展提供了有力的试验手 段和可靠的理论依据。 传动系统及其中各总成的效率试验，国内相关研究较多，但主要集中在对 变速器、驱动桥的参数优化及与动力源的匹配。如研究金属带式无级变速传动 装置的东北大学的程乃士、孙德志等人，通过对摩擦系数的试验分析，对其传 动效率做了分析及试验研究，并提出了提高金属带式兀级传动变速器效率的途 径。重庆大学的王熙等人针对变速器的具体挡位传动结构建立了变速器传动效 4 武汉理工大学硕士学位论文 率的理论分析模型，计算的各挡位汽车变速器的传动效率与试验测试结果有较 好的一致性，为汽车变速器传动效率的计算预测和汽车动力传动系统的优化匹 配提供了依据。对于整个传动系统的传动效率，重庆大学的秦大同等人对长安 c v 6 型轿车建立了整个传动系统的传动效率模型，并进行了试验验证，其他的 针对针对汽车整个传动系统的效率研究较少，对微车这方面的研究更是少见。 我国在试验设计方法方面的研究开始与国际接轨，并逐步提出具有创见的 新观点、新方法。之后的数十年间，中国科学院统计数学研究室的的研究人员 在“正交试验设计”的基础上，产生了大量新观点、新理论和新方法，编写了 一套较为适用且常用的正交表，创立了符合中国国情、简单易懂的正交试验设 计法，使多因素优化的方式方法从早期欧美式的艰涩方法中逐步脱颖而出1 1 2 1 。 1 4 研究的主要内容 本文以汽车试验学为基础，设计并运用传动系统试验台架，结合正交试验 设计方法，对微型汽车传动系统效率进行试验与分析，提出传动系及其中各总 成的改进方案，为传动系统优化设计和汽车开发提供参考。本文研究的基本内 容如下： 1 ) 试验台架的设计与搭建。根据试验研究和用户的需要，基于交流电力测 功机，设计一个专用的封闭式微型汽车传动系统试验台。本试验台参考国内和 国际测试设备，具有能量回馈的功能；采用模块化的、灵活的设计理念，使设 备能够适应变化的科目，完成对不同类型，不同层次的传动系统的测试工作。 这部分工作主要集中在测试形式与测功机的选择，台架主体和控制及辅助系统 的设计以及试验台架精度计算等。 2 ) 基于正交试验设计方法的微型汽车传动系统效率试验。制定微型汽车传 动系统效率测试方案，并完成传动效率试验。根据试验研究，运用正交试验设 计方法，开发出一套符合国家和行业相关标准的测试方案，具有一定的理论支 撑。为有效节省试验投入，将试验过程分为因素初选与传动系统效率试验两部 分，综合考虑了试验指标、因素水平、试验设备、试验方法、保障措施，能够 有效地完成微型汽车传动系统效率测试任务。 3 ) 试验结果分析与试验软件开发。根据因素初选和传动效率的试验方案， 完成了影响因素初选试验数据的直观分析，以及传动效率试验数据的方差分析。 通过试验数据分析，研究了影响传输效率的各种因素之间的耦合问题。利用c 撑 语言，设计了简单的具有良好交互性的台架试验软件。 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章介绍了我国汽车行业的发展现状，主要论述了微型汽车传动系统传动 效率台架试验的研究目的与意义；全面地概括了微型汽车传动系统效率研究这 一领域的国内外研究现状；阐述了为什么要进行微型汽车传动系统效率台架试 验，并给出了研究的方式方法及技术路线。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章传动系统试验台架总体设计 2 1 传动系统试验台架工作原理 汽车测试技术的发展使得汽车各部分的相关测试与试验都已比较普遍，为 研究传动系统效率，本节借鉴了各总成的试验方案，如q c t5 6 8 1 _ 2 0 1 1 汽车 机械式变速器总成台架试验方法第一部分：微型。这一标准涉及了机械式变 速器传动效率试验，驱动桥也有与此类似的试验标准。结合这些试验标准，本 节将就传动系统台架的搭建进行探讨。 2 1 1 传动系统试验台搭建目的与研究内容 1 微型汽车传动系统优化问题的总结 根据国内外相关研究及前期调研，对于微型汽车传动系统得出以下结论， 概括如下： 功率损失是表征传动系统状况的重要指标，是研究微型汽车传动系统的主 要方向。传动系统中的功率损失主要来自于传动系统各部件，包括变速器、万 向联轴器、驱动桥在内的部件的功率损失 1 6 1 。这些部件中，变速器及驱动桥的 功率损失相对其他部件较大，占整个传动系统功率损失的比重也是最大的。理 论上功率损失与传动系统效率成反比，功率损失越大，传动效率降低越低。功 率损失同样意味着摩擦磨损程度的加剧，摩擦磨损的加剧又带来发热的加剧。 功率损失的加剧还意味着润滑油质量的急剧下降，从而带来润滑条件的不断恶 化，使得润滑油换油提前。当功率损失较大、系统散热不佳时，齿轮、轴承、 离合器膜片弹簧等部件的使用寿命会极大的缩短，情况严重的甚至导致相关部 件及总成无法完成设计的功用。 传动系统机械效率： 叼2 篆圳毗 = r v o 一= ( 1 一r t ) w o ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中，为传动系统总功率，即输入功率；孵为传动系统传递的有用功， 即输出功率；为相应的功率损失。由上式知，传动系统功率损失为总功与有 用功的差，而传动系统效率为有用功与总功的商，因此功率损失的测试对于传 武汉理工大学硕士学位论文 动系统效率的研究至关重要。 汽车传动系统对评定汽车的动力性、燃油经济性、制动性、操控稳定性、 平顺性以及通过性等主要指标都有着重大意义。调研发现，传动系统阻力大与 传动系统效率低为多数自主车型传动系统的主要症结。汽车传动系统阻力可分 为机械阻力与液力阻力。机械阻力主要来源于部件及零件，如齿轮传动副、油 封、轴承等处的摩擦阻力，即机械阻力所带来的功率损失主要与所研究机构中 啮合齿轮对数以及传动设备中传递的扭矩等因素有关。液力阻力主要有润滑油 的搅动、旋转零件间表面摩擦等。液力阻力与润滑油的牌号、品质、温度、浸 油深度、旋转部件转速等有关。 传动装置的功率损失取决于系统传递的功率和系统效率，因此探讨传动装 置各个部件的功率损失与传动装置输入输出的关系，对明确功率损失的组成、 形成机理和损失大小的影响因素，从而对功率损失进行预估预测和指导传动装 置的研制与试验是十分重要的。轴承的功率损失主要来源于其摩擦力矩，同时 带来一定的发热，导致温升失效。所以轴承的摩擦力矩为轴承重要性能指标【l 7 j 【l 引。齿轮传动是通过两齿轮轮齿啮合传递动力和运动的，具有传动平稳、精确、 结构紧凑、寿命长、效率高等优点。通常情况下，主减速器圆锥齿轮效率高于 传动比相同、尺寸相近的圆柱齿轮，且螺旋锥齿轮、直齿锥齿轮、零度锥齿轮 的机械效率趋于相同。有研究表明，轴承的类型、零件的同轴度、齿轮齿面表 面粗糙度、润滑油等因素决定了成套装配的齿轮副的效率。制造的精度及装配 的细致度对于齿轮副传动效率也有一定影响，在精细的制造及合适的装配的情 况下，齿轮副效率达到9 6 以上，甚至超过9 9 t 1 9 2 1 1 。 影响传动系统正常工作的还有一些常见故障，在其优化过程中，避免这些 故障也是传动系统研究必不可少的环节。离合器故障主要有打滑、分离不彻底、 发抖、发响等，产生原因为膜片弹簧弹力不足，从动盘不平或扭矩减震器松动， 操纵机构松动，从动盘花键毂磨损严重等；机械变速器故障有跳档、异响、乱 档、换档困难、漏油等，产生原因为拨叉轴凹槽位置错误、拨叉磨损及其自锁 钢球磨损、轴承或齿轮严重磨损、拨叉固定螺栓松动等；万向节故障有传动轴 振动、噪声、启动撞击及滑行异响，产生原因为零件磨损、材料质量不佳、加 工缺陷等；驱动桥故障有异常响声、漏油及过热，产生原因为主从动锥齿轮轴 承磨损过度、油面过低、主从动锥齿轮啮合印迹不正确、锥齿轮轴承预紧度不 足、行星齿轮牙齿磨损、油封磨损、齿轮油型号错误、轴承预紧度过大等【2 2 】。 2 微型汽车传动系统优化的研究方法 武汉理工大学硕士学位论文 针对以上传动系统优化的问题，为提高传动系统效率，降低功率损失，国 内外相关研究一般围绕着道路整车试验、室内台架试验、计算机建模仿真。 本文针对微型汽车传动系统基本情况，考虑所有研究方法优缺点，选择运 用室内台架试验方法，搭建传动系统试验台架进行相关研究。 3 试验台架搭建目的与研究内容 检测传动系中对传动系统效率影响最大的环节，得出影响因素排序，更好 的研究传动系统相关性能。助力企业完成传动系统改造，协助完成新产品研发 工作等。 2 1 2 测试形式的选择 汽车测试技术从上世纪5 0 年代开始逐步发展与完善，从早期的靠直观感觉， 如听、看、摸，对汽车进行直观的“测试 ，到现在随着各种先进设备、先进技 术的不断引入，汽车测试技术逐步发展、创新，汽车测试技术已在汽车工程领 域取得了令人瞩目的成就。 常见的汽车测试的形式有：整车、台架、软件三种形式，为满足传动系统 效率测试的需求，本节分析以上各种形式的优劣，结合某微型汽车生产企业项 目要求，选择合理的试验形式，以完成相关测试方案与试验台架的设计工作。 1 整车试验 整车试验，顾名思义就是将汽车当作一个完整的试验对象进行相关试验， 整车试验一般包括底盘输出功率的测定、车辆仪表校验、整车噪声测定、整车 排放及污染物测定、整车密闭性试验等。因为整车试验的试验对象是整车，所 以整车试验比较适合已有车型的各类测试、新车开发的后期，即己完成造型， 需进行造型测试的阶段。 整车试验的优势在于，对任何已有车型及新开发已造型车型，能够实现实 时的跟踪试验，即在条件允许情况下，整车厂家可随时进行抽样检测，完成各 项标定及测试工作。而且，相对其他测试方式而言，整车试验的试验效果具有 较好的说服力。由于整车试验的对象为完整的车辆，在试验过程中，整车的各 部分都对试验结果产生相应的影响，最终的试验结果必定是整车各部分共同作 用的结果，对于车辆最终的交付对象而言，这种结果是极具说服力的。 整车试验的劣势有两点：成本高、试验环境要求高和影响因素复杂。整车 试验之所以成本高，主要来源于其试验要求比较高。一般的整车试验需在相应 试验场所进行，如：道路测试、风洞试验、试验场测试、环境控制室。其中道 9 武汉理工大学硕士学位论文 路测试、试验场测试需要在整车试验场进行，这种试验场动辄占地十数平方公 里，投入十数亿资金，其试验要求之高可见一斑。同样，风动试验、环境控制 室试验都需要耗费极大的人力物力，并且需要长期的技术及工程积累，才能完 成这些大型的试验项目工程。同时，当需要进行车辆中各类总成或部件试验时， 整车试验的优势就无法发挥了试验结果受到各种无关或相关程度较低的因 素的影响，导致试验结果的失真，甚至得不到需要的试验结果。此外，各种环 境因素对于整车的影响也必须考虑在试验之中，而环境因素又是不可控因素， 因此整车试验也面临着高投入低产出的困境，但不可否认的是，这种试验形式 对于产品终端的消费者的说服力却是毋庸置疑的。 2 台架试验 台架试验是指汽车开发过程中或出厂前后，进行的某些模拟试验，因为这 种试验一般都在模拟实际工况的台架上进行，故名为台架试验。汽车试验台架 一般有转鼓试验台及其配套环境控制室与排气分析系统、发动机旋转测试台架、 发动机磨合试验台、变速器总成试验台、驱动桥总成试验台、惯性式离合器性 能试验台等。 台架试验具有针对性强、可控性高、安全经济的优点。首先，在研究车辆 各部分总成或部件时，如采用整车试验，则无法凸显被研究对象的特点，而采 取台架试验方案，则可就被试对象进行深入的研究。其次，整车试验过程中， 各种环境因素或被试车辆相关条件无法实现实时、精确的控制，而台架试验则 可对相关的各种因素、条件进行有效的控制，这一点对于试验的进行十分重要。 再次，一般情况下，台架试验都在室内进行，相对整车试验而言，不安全因素 较少，即使发生突发情况，可随时实施应急方案实现停机，这说明台架试验是 安全可靠的。最后，从经济角度考虑，台架试验所需台架相对整车试验所需试 验场而言，既省时又省力，能在短期、低投入的情况下，得出针对被试对象的 试验结果。因此，台架试验非常适合对发动机、变速器、驱动桥等重要总成进 行独立研究。 台架试验也存在相应的劣势，如：对测功机、传感器、测控系统要求较高， 能耗大等缺点。测功机是各类台架试验应用最多的一类测试设备，由于其既可 作为负载装置吸收功率，又可作为原动机输出功率，因此常用于各类发动机试 验台架及各类总成试验台架。因为台架试验的对象已经细化到总成、部件、乃 至零件，所以其对测功机的精度要求也非常高。此外，大量非电物理量的测量 与控制工作，使得台架试验对测控系统的要求逐步提高，需要高昂的费用及精 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 密的测控技术作为其基础。各类传感器，如：温度传感器、流量传感器、压力 传感器、扭矩传感器、转速传感器等的应用极大的增加了台架试验的成本，在 搭建台架的同时无形中增加了其技术的实现难度。由于各种台架试验都需要发 动机及其类似原动机作为其动力源，所以台架试验的能耗较大，这也是近年来 汽车测试界主要关注及努力解决的问题。 3 软件仿真 计算机仿真技术是随着计算机技术发展起来的一种通过建立被仿真系统模 型，并对其进行模拟动态试验的综合性技术。国内外汽车行业对计算机仿真技 术的应用都十分重视，其在动力传动系统的研究中作用突出。国外各车企都开 发了独立的计算机仿真程序，典型的仿真软件有：通用汽车的g p s i m 、康明斯 的v m s 、福特汽车的t o f e p 、日产汽车的c s v f e p 、奔驰汽车的t r a s c o 等。 通用的汽车软件有a d a m s 虚拟样机分析软件，a n s y s 、a b a q u s 、m s c 等有 限元分析软件，基于m a t l a b 的电动汽车高级仿真软件a d v i s o r 以及a v l 公司