轴承选型对手动变速器传动效率的影响

焦红莲，张俊来

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

轴承选型对手动变速器传动效率的影响

焦红莲，张俊来

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽车变速器必须满足各种各样的要求，其中就包括高传动效率和低噪声等,而且对这些要求越来越高。因此变速器轴承的性能也必须满足更高的要求。轴承的功率损失是变速器功率损失中的重要组成部分，通过研究对比不同型式规格的轴承对变速器传动效率的影响，确定汽车变速器轴承型式改进方案。

传动效率；轴承；手动变速器；型式

Abstract:Automotive transmissions must meet a wide range of requirements, including high drive efficiency and low noise,and this requirements are getting better and better. So, the performance of transmission bearings must also meet the higher requirements.The power loss of the bearing is an important part of the transmission power loss.Through the study of different types of bearings on the transmission efficiency of the transmission, to determine the improvement of automotive transmission bearing type.

Keywords: Transmission efficiency; Bearing; Manual Transmission; Type

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-149-03

前言

汽车的发明，有效推动了人类社会的进步,同时也带来很多弊端，其主要表现形式有能源问题和环境问题。因此，整车开发对动力性、经济性指标要求也越来越高，而传动效率是其影响的一个关键因素[1]。变速器作为降低整车油耗的重要组成部分，其传动效率的提升，对整车降低油耗具有很明显的效果，而且通过降低摩擦损失，可以减少传动系统内部发热，防止温度过高，进而提高齿轮和轴承寿命，同时对NVH性能也会起到一定的效果。轴承是变速器中很重要的一个支撑旋转体的零件，轴承结构选型不同会对变速器传动效率产生影响。

1 轴承对变速器传动效率的影响[2]

轴承在运动的时候，轴承滚动体和内外圈接触面、保持架孔、润滑和密封件间存在摩擦，由摩擦阻力产生轴承的功率损失，并且阻碍运动。轴承的摩擦力矩是指由于各种摩擦因素对轴承旋转所造成的阻力矩，是轴承的一个重要性能指标。目前，计算轴承力矩的方式基本是把其分为和轴承负荷有关的 (反映了弹性滞后和局部差动滑动摩擦)和与轴承负荷无关的 (与轴承的转速、润滑油性质有关，反映了润滑油的流体动力损耗)两部分。

轴承摩擦力矩技术公式为[3]：

式中Cr——轴承总摩擦力矩；

Cv——与轴承负荷无关的摩擦力矩部分；

C1——与轴承负荷相关的摩擦力矩部分。

摩擦力矩C1与轴承所受当量载荷有关：

式中P——当量载荷，N；

f1——载荷系数；

Dm——轴承平均直径，mm；

摩擦力矩Dv主要与轴承类型、润滑剂粘度、转速和润滑方式相关：

式中v——润滑剂运动粘度，m2/s；

n——轴承转速，r/min；

f0——与轴承类型结构和润滑方式有关的经验系数；

Dm——轴承平均直径，mm。

由此可得轴承摩擦功率损失为：

式中Pb——轴承摩擦功率损失，kW；

Cr——总摩擦力矩，Nm；

nb——轴承内圈转速，r/min。

从以上计算公式可以看出，轴承功率损失的主要影响因素是轴承的结构及内部设计参数，可以看出轴承的型式规格对变速器传动效率有明显影响。本文对变速器的轴承结构及类型作为重点研究对象，通过试验的型式进行验证。

轴承效率损失主要是摩擦损失,由于各齿轮轴通过轴承安装于机座上，所以轴承的效率对变速器的传动效率影响较大，据研究，轴承的效率对变速器效率影响达27%左右[4]。轴承的效率提升基本上有两种途径，第一，改变轴承的型式，如有锥轴承改为球轴承；第二，就是对轴承的组件进行优化设计，如图1所示。

图1 轴承组件优化图

本文主要针对变速器轴承的选型提升轴承的传动效率，轴承组件由轴承设计者进行深入优化，本文不做缀述。变速器常用轴承圆柱滚子轴承摩擦系数最低，传动效率最高，应优先选用。但其存在的最大缺点为不能承受轴向载荷。深沟球轴承传动效率稍低，但可以承受一定量的轴向载荷，且成本最低，可以弥补圆柱滚子轴承的不足[5]。圆锥滚子轴承摩擦系数最大，传动效率最低，但载荷能力最强，且可以承受较大的轴向载荷。目前该六速变速器的输出轴和差速器均采用圆锥滚子轴承，传动效率较低。经过分析，可以采用图 2方案：

图2 轴承替代方案

选定轴承后对变速器强度进行校核，计算结果如图3。

图3 强度校核

根据计算结果，齿轮各挡的SF≥1；各挡的SH≥0.75；齿轮强度满足满足要求。同时对轴承损伤率进行分析，结果见图4。

图4 轴承损伤率校核

由此可以看出齿轴件强度满足，输出轴后轴承与差速器后轴承损伤率＞50%，该替代方案可行。

根据经验数据，可以看出球轴承相比锥轴承在传动效率方面优势较为明显。如图5-图6。

图5 球轴承与锥轴承的摩擦阻力对比

图6 球轴承与锥轴承的能量损失对比

2 试验验证

对轴承改进前后的变速器进行传动效率对比试验，具体试验步骤按《变速器传动效率试验规范》进行。

（1）变速器进行磨合；

（2）磨合后变速器用试验油进行清洗，按用量要求重新加注试验油，正确安装；

（3）试验按由低挡到高挡的挡位顺序，在规定油温下，按要求加载，依次记录不同转速下各挡位的传动效率。

此次试验对象采用国内自主品牌某6速手动变速器。该变速器齿轮采用磨齿工艺，传动效率较高。

变速器的具体参数见表1。

表1 变速器参数表

根据试验条件，选取2400rpm和3600rpm处进行数据处理，主要对变速器的3个挡位进行了对比试验，试验结果如图7-图9。

图7 1档2400rpm效率对比

图8 1档3600rpm效率对比

图9 2档2400rpm效率对比

图10 2档3600rpm效率对比

图11 3档2400rpm效率对比

图12 3档3600rpm效率对比

通过以上试验数据可以看出，轴承替代方案对变速器传动效率的提升是有效可行的，在轴承选用方面，选用节圆直径小的轴承可以减小摩擦损失，提高传动效率，并且要选用制造精度高的高性能轴承。变速器改进轴承型式后，变速器综合传动效率提升1%左右。

3 结语

1）应用文中论述的变速器传动效率测定方法，通过对轴承型式替代，分析试验数据，最终确定替代方案可行，最终得出结论，轴承型式对变速器传动效率有明显影响。

2）在选用轴承替代方案时，要对变速器齿轴强度及轴承损伤率进行验证。最后通过对变速器三个挡位不同转速下的效率测试，验证了在该变速器上选择的相关轴承替代的方案是有效的。

3）本文未就轴承结构、轴承参数、密封结构及润滑脂品种选型做深入研究，有待做进一步探讨。

[1] 张有禄.关于机械式变速器传动效率影响因素的探讨[J].机械工程与自动化,2008.

[2] 高勇.微型汽车变速器传动效率的影响因素分析及试验研究[D].武汉:武汉理工大学,2013.

[3] 张有禄.机械式汽车变速器试验方法与应用[J].机械工程与自动化,2009.

[4] 王熙,秦大同,胡明辉等.汽车变速器传动效率理论建模与实验测试[J].机械传动.

[5] 王书玲.浅谈提高汽车燃油经济性的几点措施[J].黑龙江交通科技.

Influence of Bearing Selection on Transmission Efficiency of Manual Transmission

Jiao Honglian, Zhang Junlai
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

U463.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-149-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.051

焦红莲，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。