DCT变速箱齿轮精度对传动效率影响的研究

卢西山 郭应清 张标

摘 要：双离合自动变速箱（DCT）不仅要有优异的自动换挡性能，同时也要有较高的传动效率。本文基于某量产DCT变速箱，针对3档齿轮副通过台架试验，对比在规定工况下不同的齒轮精度以及相同精度时不同加工工艺对于变速箱传动效率的影响。试验结果表明，6级精度（磨齿）较7级、8级精度（剃齿）的3档齿轮副传递效率高约0.6%，同时，磨齿6级精度齿轮副比剃齿6级精度齿轮副的平均传动效率高约0.4%。

关键词：DCT变速箱；齿轮精度；传动效率

中图分类号：U463.212 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）17-121-03

Abstract： It is very necessary for DCT to have good performance of autoshifting and have high efficiency. This paper researches 3rd gear of some kind of DCT， by rack testing， to find the influence of efficiency from the different gear accuracy and from the same gear accuracy with different manufacturing methods. From the results of testing， we can find that， the efficiency of 6 level gear accuracy（grinding） higher than 7/8 level gear accuracy（shaving） about 0.6%.Meanwhile，the efficiency of6 level gear accuracy（grinding） higher than the same level（shaving） about 0.4%.

Keywords： DCT； Gear accuracy； Efficiency

CLC NO.： U463.212 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-121-03

前言

目前，国内外各大汽车主机厂均陆续推出搭载DCT自动变速箱的车型，客户在选购这些车型时，除了关注车辆动力性、驾驶舒适性的同时，对于车辆油耗也较为关注。DCT变速箱作为车辆传动系统重要组成部分，提升其传动效率可显著改善传动系统的整体效率，并可明显提高燃油经济性。因此，研究如何通过提高DCT变速箱的传动效率来降低车辆油耗，对于提升产品市场竞争力具有重要意义[1]。

1 变速箱传动效率和齿轮精度概述

1.1 齿轮精度对于传动效率的影响

影响DCT变速箱的传动效率的因素主要包括齿轮、轴承、密封件等的能量损失，这些损失又可分为负载和非负载功率损失。非负载功率损失主要是和转速正相关的油封阻力、搅油阻力、风阻等，负载功率损失主要是齿轮啮合、轴承运转的摩擦损失产生，即机械损失[2]。

齿轮精度作为DCT变速箱齿轴件设计时的重点考虑项目之一，除直接影响着变速箱诸如噪音、寿命等整机性能外，其对于齿轮啮合性能的影响也直接决定了变速箱的机械损失。

例如，第一组齿轮精度项目中的齿距累计总偏差Fp和径向跳动公差Fr，它们影响齿轮旋转一周过程中传动比的稳定性，对齿轮运转的准确性有较大影响，会给齿轮啮合带来低频振动，除影响NVH性能外，会在啮合中有额外不利冲击和摩擦产生；另外，第二组齿轮精度项目中的齿廓总偏差Fa和单个齿距偏差fpt都会影响齿轮啮合的瞬时传动比，给齿轮带来较高频率的激振力，从而产生更大的啮合机械损失，转速越高影响也越大；还有不同的齿轮精度要求必然会有不同齿轮表面状态，比如加工刀纹、表面光洁度以及润滑油膜等都会直接或间接的对机械损失带来不同程度的影响。

1.2 齿轮加工工艺和齿轮精度关系

不同的齿轮加工工艺可以得到不同的齿轮精度，精度要求越高加工工艺的成本也会相应提高，因此在齿轮精度设定时除考虑齿轮性能外也需考虑产品的的经济性。

在圆柱齿轮精度制中，齿轮共分13个精度等级，用数字0～12由高到低的顺序排列，0级精度最高，12级精度最低[3]。目前在汽车变速箱行业，主要的齿轮精度设定在5～9级，采用不同的工艺路线可以得到不同的齿轮精度[4，5]：

（1）普通手动变速器齿轮常用的加工工艺路线为：滚齿+剃齿+渗碳淬火，本路线由于淬火变形大，不利于齿轮表面硬度和硬化层等质量控制；

（2）部分要求较高手动和自动变速器齿轮常用的加工工艺路线为：滚齿+剃齿+渗碳淬火+珩齿，此路线可明显改善齿轮啮合性能；

（3）要求齿轮传动有较高啮合性能表现时通常采用的加工工艺路线为：滚齿+渗碳淬火+磨齿，此路线磨削后硬度稍低，但啮合性能优良。

上述3种工艺路线所能达到的最终加工状态见表1。工艺路线1的技术门槛和加工成本低，但产品质量不能得到较好的控制，早在数年前大部分国外变速箱产品就已经抛弃了这种加工方案。目前大部分手动变速器、自动变速器厂家大都在采用后两种工艺路线。

2 传动效率试验分析

通过上节分析，说明齿轮精度对于变速箱传动效率有一定程度的影响。为研究其对于变速箱传动效率的具体影响程度或趋势，可通过不同工艺路线加工出不同齿轮精度的样件，然后在同一台变速箱上进行传动效率测试，并对效率值进行对比。

2.1 试验概况

试验对象为某款DCT变速箱，针对剃齿工艺加工挑选出的不同齿轮精度（6级、7级、8级）的3档齿轮副进行效率测试，并和磨齿工艺的6级精度的3档齿轮副效率进行对比。试验使用同一个变速箱，通过更换3档齿轮副实现试验目的。效率试验测试方法主要参考了双离合器变速箱试验行业标准以及汽车变速箱行业标准中的效率试验部分[6]，试验过程为：

（1）将变速箱安装在台架输入电机上，连接输出轴，按要求加注DCT润滑油；

（2）连接数据监控采集设備，按照试验大纲标准调节主油路压力，设定冷却阀流量；

（3）变速箱磨合完成后，启动输入电机，调整输入转速至怠速工况；

（4）挂入试验档位，并结合相应离合器，提升离合器压力至要求值；

（5）设定控温装置控制温度，待油温升到工况温度后，控制输入电机升至试验工况表中的某一扭矩，采集试验数据，提升输入电机转速来采集不同转速下的传动效率；

（6）试验完成后降低输入电机转速至怠速。

试验台架搭建如图1所示：

2.2 试验结果分析

试验完成以后，通过对试验数据（包括转速、扭矩、温度等）的采集、整理，计算得到装配有不同齿轮精度的3档齿轮副的传动效率，效率计算公式：

图2到图6分别为在80℃时不同转速、扭矩下，装配了6级（磨齿）、6级（剃齿）、7级（剃齿）、8级（剃齿）齿轮精度的DCT变速箱的3档齿轮副的传动效率对比情况：

在60℃及100℃时均和以上结果有相同趋势。从图2到图6及表2数据中的传动效率结果对比看出：

2.2.1 在中低转速区（800rpm～4000rpm）时

1）低扭矩（0.2～0.4Tmax时），7、8级精度的齿轮传动效率接近，同时6级剃齿和6级磨齿的齿轮传动精度差别也很小，整体上，7、8级精度较6级精度效率低0.4%左右。究其原因，即使转速不高，但在低扭矩时，变速箱机械效率损失占总效率损失的比重较小，大部分效率损失由是前文提到的非负载功率损失。

2）当扭矩增大时，机械损失的比重逐渐在效率损失中提高，并且和加载扭矩值正相关，这点可以从曲线的斜率上得到印证：随着加载扭矩值的增加，效率值的变化随转速的提高在减小，亦即曲线变得平滑，也就说明随转速产生的损失在总的能力损失中占比降低。

3）在较高的扭矩段（0.8Tmax以上）的中等转速（3000rpm左右）时，6级剃齿的效率比7、8级剃齿效率仅高约0.1%～0.18%左右，但6级磨齿较7、8级剃齿高约0.54%～0.61%（数据见表2），因此在高扭矩段剃齿工艺本身产生的精度差异对于效率的影响不大，而磨齿工艺由于其工艺特点（前文中提到的可以产生较好刀纹、表面光洁度及润滑油膜等）对效率产生较大的提高。

2.2.2 在高转速区（4000rpm以上）

当转速上升至4000rpm以后，尤其上升至6000rpm时，此时齿轮精度或加工工艺的区别对于效率的影响已不明显，因为此时传动效率主要由和转速相关的非负载损失决定。

3 结论

本文通过台架试验，对比了由不同加工工艺（剃齿、磨齿）制造的6、7、8级齿轮在装配到同一台变速箱上的传动效率，从测试情况看，在不同试验温度下，6级精度（磨齿）较7级、8级精度（剃齿）的3档齿轮副传递效率高0.6%左右，7级精度、8级精度之间的传递效率差距较小，同时，磨齿6级精度齿轮副比剃齿6级精度齿轮副的传动效率平均高约0.4%。可以看出，磨齿工艺提高齿轮各精度指标项，同时提高了齿面粗糙度，这些是负载功率损耗的重要影响因素。因此，齿轮精度越高，啮合性越好，振动及冲击载荷也越小，且齿面粗糙度值越低，齿轮啮合摩擦损失越小，变速箱的传动效率越高。

参考文献

[1] 叶芳，颜宇，王霞.浅谈提高汽车燃油经济性的措施[J].现代企业教育，2013（14）：308.

[2] 张有禄.关于机械式变速箱传动效率影响因素的探讨[J].机械工程与自动化，2008，（5）：182-186.

[3] GB/T 10095.1，圆柱齿轮精度制第1部分：轮齿同侧齿面偏差的定义与允许值[S].

[4] 张君.剃齿工艺的现状及其与磨齿工艺的比较[J].经济技术协作信息，2007（30）：78.

[5] 章晓，曹凤琼.渐开线圆柱齿轮精度设计的经济性研究[J].机械研究与应用，2007（20）：44-46.

[6] QCT/568.1，汽车机械式变速器总成台架试验方法，第一部分：微型[S].