手动变速器传动效率影响因素分析与优化

林 嘉 陈茂胜 陈 卓 邱 敏

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

0 引言

近年来，全球能源紧张的问题和汽车尾气排放所带来的环境污染问题日益严重，变速器作为汽车传动系统的关键零部件，其效率的高低直接影响了整车的油耗性能。Höhn B[1]等研究了不同黏度等级的变速器润滑油对变速器传动效率的影响，然后通过试验比较了深沟球和圆锥滚子轴承的优劣和差异。袁光前[2]等基于油膜厚度和摩擦因数分析了齿轮啮合滚动功率损失和滑动功率损失与两者的对应关系，得到了各齿轮参数对齿轮啮合热功率损失的影响规律，发现滚动功率损失与油膜厚度呈正相关关系。

该文分析了手动变速器传动效率的主要影响因素，通过试验探究齿轮精度、轴承游隙、润滑油及加注量等对变速器传动效率的影响，并制定了变速器传动效率优化方案，力求达到提升变速器传动效率的目标，减少了变速器总成摩擦阻力、提高传动效率。

1 变速器传动效率影响因素分析

1.1 齿轮的影响

变速器通过齿轮啮合传递动力的过程中，存在2种摩擦损失，1种是在啮合点处齿轮的速度存在差异，齿面之间存在相对滑动而产生的滑动摩擦损失。另一种是啮合齿轮在弹性润滑状态下所接触的齿廓部分的动压油膜分布不均而产生滚动摩擦功率损失。

齿轮作为变速器重要零件，其制造精度会直接影响变速器的工作性能。变速器齿轮采用渐开线齿轮，当齿轮精度达不到设计要求时，齿面并不是理想的渐开线曲面，不能保证良好的传动比，还会使变速器产生冲击、噪声等现象。

1.2 轴承的影响

变速器中轴承所造成的功率损失主要来源于轴承的摩擦力矩，轴承游隙会严重影响轴承的摩擦力矩。

轴承游隙是指在没有承受载荷的工况下，轴承内外圈间可以产生的最高位移量，中心轴方向上的最大移动量叫轴向游隙。轴承游隙不仅决定了轴承摩擦力矩的大小，还对轴承的负载排布、温升、使用期限以及机构的工作运转精度等指标产生了直接影响，图1为深沟球轴承径向游隙示意图。

图1 深沟球轴承径向游隙

轴承游隙值按照国家标准规定可以分为3组：基本组（0组）、小游隙组（2组）和大游隙组（3组、4组、5组）。游隙过大会使轴承的负荷面积变小，受力位置的应力增加，相应的疲劳寿命下降。太大的游隙还会降低机构的运转精度，增加机构的振动和噪声。游隙过小时可能产生负游隙（过盈），使摩擦生热量增加，温度升高，从而导致轴承摩擦力矩大量增加，严重影响了整车燃油经济性，甚至导致轴承抱死[3]。

1.3 润滑油的影响

润滑油功率损失是变速器功率损失重要的组成部分。影响润滑油功率损失的因素很多，不仅与润滑油黏度、齿轮的结构参数有关，还与齿轮浸油深度、转速等相关。润滑油功率损失可以分为2类：1） 单齿和周围润滑油间的相互作用引起的功率损失。2）齿轮在啮合过程中吸入或挤出润滑油造成的功率损失。

对于手动变速器来说，润滑油所造成的功率损失主要是润滑油黏度和润滑油加注量。在汽车启动阶段，较低的润滑油黏度能减小起动时的搅油阻力，便于汽车能够迅速起动。随着汽车逐渐运行平稳，变速器内部温度升高，此时需要润滑油有较高的黏度，以满足汽车变速器的正常润滑。此外，一定的润滑油量是保证变速器飞溅润滑的基础，如果润滑油量过少，就可能导致齿轮过热而产生胶合现象；但是浸入润滑油中的齿轮体积与齿轮浸入润滑油深度的平方成正比，即搅油功率损失与齿轮浸入润滑油深度的平方成正比，过多的润滑油会降低变速器传动效率。

2 主要影响因素试验研究

2.1 齿轮精度对传动效率的影响

目前，轻型汽车变速器的齿轮精度等级一般为5～8级。根据变速器齿轮的传动条件和技术要求，并考虑其使用的经济性，分别测试目标变速器在使用7和8级精度齿轮下的变速器传动效率，测试方法参照行业标准QC/568.1—2011执行，2种齿轮精度下不同档位的传动效率和综合效率分别如图2所示。

从图2中可以看出，变速器的齿轮精度等级从8级提升到7级后，各档位下变速器的效率均有提升，提升幅度为0.1%～0.29%。分析可得，提高齿轮的精度等级后，齿轮的载荷分布更均匀，传递运动的准确性和稳定性更好，减少了齿轮的振动冲击带来的能量损失。

图2 不同齿轮精度下变速器各档效率

2.2 轴承游隙对传动效率的影响

针对某手动变速器，其原始游隙选择为0组（0.005 mm～0.020 mm），通过计算得到其工作游隙的平均数值为-0.004 mm＜0 mm，说明该轴承在承载工作状态下有很大可能性处于负游隙，这样会导致内、外圈沟道和球体之间的摩擦损失加重，轴承温度升高，使用寿命降低，对传动效率产生不良影响。现将该变速器的5个深沟球轴承由0组游隙改为3组游隙（0.013 mm～0.028 mm），并制作样件与原变速器进行传动效率试验对比，测试结果如图3所示。

图3 不同游隙轴承的变速器各挡效率

由图3可知，将深沟球轴承游隙由0组增大到3组后，1～5挡传动系统平均效率分别提高了0.2%，0.2%，0.2%，0.4%，0.2%。分析其原因，轴承在选择3组游隙后，其工作游隙平均值为0.005 mm﹥0，增大了轴承游隙，从而降低了内、外圈沟道与球体之间的摩擦损失，满足了实际轴承工作游隙偏向正值的要求，因此该变速器的传动效率也得到了相应的提高。

2.3 润滑油对传动效率的影响

2.3.1 润滑油黏度的影响

目标变速器采用GL-490润滑油，为了探究不同黏度润滑油对变速器传动效率的影响，分别选用黏度等级较低的2款润滑油进行传动效率对比试验。3款润滑油的基本参数和和粘温特性曲线分别如表1和图4所示，传动效率测试结果见表2。

表1 变速器润滑油基本参数

由表2可知，随着润滑油黏度的降低，变速器的传动效率均有所上升，使用GL-475W/90对CN100变速器的综合评价效率提升效果最明显，综合评价效率可以由96.57%提高到96.98%，效率值提高了0.41%。分析可知润滑油的黏度越小时，液体的内摩擦力越小，克服液体的内摩擦所需要的功率也越少，即搅油损失也越低。

图4 变速器润滑油黏度-温度曲线

表2 变速器传动效率测试结果

2.3.2 润滑油加注量的影响

对获取到的33661个肉鸡IP进行分析定位发现，其中33555个肉鸡IP位于中国。对国内的肉鸡IP定位进行汇总分析，得出以下部分肉鸡在国内部分省份的分布情况。位于江苏和浙江的肉鸡IP较多，分别为5961个和5899个。从地理分布上看，肉鸡IP多位于沿海城市，我国的沿海城市从北到南依次为山东省、江苏省、浙江省、福建省和广东省，这五个省份的肉鸡数量均位列前十。

为了探究润滑油量对变速器传动效率的影响，在目标变速器润滑容量范围内选取不同的润滑油油量，测试不同润滑油量下的传动效率，试验结果见表3。

表3 不同润滑油量下的传动效率

由表3可知，变速器传动效率随着润滑油加注量的增加而提升，达到一定值后又开始下降。分析其原因，在润滑油注入量较少时，变速器润滑状态较差，各个零件间的摩擦损失较大，传动效率相对较低；随着润滑油加注量的增加，变速器润滑状态得到了改善，各个零件间的摩擦损失降低，传动效率随之提高；但是，随着润滑油加注量进一步提高，齿轮的搅油功率损失逐渐变大，传动效率下降。因此，手动变速器润滑油的加注量存在一个最优范围。

3 优化方案与验证

3.1 制定优化方案

由上述分析可知，手动变速器的功率损失主要来自齿轮、轴承和润滑油等零件，为了减少变速器的功率损失，提高变速器的传动效率，该文针对变速器传动效率的主要因素提出的优化方案见表4。

表4 传动效率主要影响因素优化方案

3.2 整车油耗试验验证

变速器传动效率的大小直接影响了整车的燃油经济性，对比优化前后的整车NEDC油耗数据，可以作为变速器传动效率优化效果的评价手段[4]。选择国内搭载手动变速器的某车型将原状态与主要影响因素优化状态的油耗进行对比测试，对变速器的优化效果进行评估。

3.2.1 试验流程

以下为试验流程：1） 车辆预处理。试验车运行3个郊区循环单元获取车辆的滑行阻力系数。2） 浸车。将试验车置于温度25 ℃的恒温室内6 h以上，使发动机油温和冷却液温度达到的室温为（0±2） ℃。3） 排放物测试。将试验车的滑行阻力系数、道路阻力系数、车辆当量惯量输入测试系统，确定油温与胎压无异常，启动车辆，按照已经设置好的NEDC循环进行测试。4） 数据采集与记录。通过测试系统对采集的气体进行分析计算。5） 整车油耗计算。通过计算机按照碳含量换算得出整车的燃油消耗量。6）滑行距离测试。对油耗试验结束后的试验车在底盘测功机上进行50 km/h的空档滑行距离测试。

3.2.2 试验结果分析

试验车原始状态市区和郊区油耗为7.14 L/100 km和5.02 L/100 km，而优化后分别为7.01 L/100 km和4.82 L/100 km；试验车原始状态百公里综合油耗5.797 L/100 km，而优化后为5.617 L/100 km，油耗下降了0.18 L/100 km；无论是市郊区油耗还是综合油耗，下降均﹥3%。由此可以看出，对变速器传动效率主要影响因素进行优化，能够明显地降低试验车油耗，提升试验车的燃油经济性。

在油耗试验结束后，50 km/h的空档滑行距离测试结果如图6所示。

由图6可知，试验车原始状态与优化后的4次滑行距离波动幅度在10 m以内，标准差都在3%左右，同样拥有较好的一致性。原始状态50 km/h的空档滑行距离平均为574.1 m，优化后滑行距离为665.4 m，优化后滑行距离增加了91.35 m，说明该优化方案降低了试验车传动部件阻力，提高了传动系统的传动效率。

图5 优化前后油耗对比

图6 优化前后试验车的滑行距离

4 结语

变速器传动效率主要受齿轮、轴承和润滑油的影响，通过传动效率台架试验和轴承摩擦力矩试验对变速器传动效率的主要影响因素进行研究，结果表明：1） 提高变速器齿轮精度级别，可以使齿轮的载荷分布更均匀，减少了齿轮的振动冲击带来的能量损失，当齿轮精度由8级提升至7级时，各档位下变速器的效率均有提升，提升幅度为0.1%～0.29%。2） 轴承游隙会影响变速器传动效率，相较于0组游隙，采用3组游隙可以提高变速器传动效率，提升效果达到0.4%。3） 变速器油的黏度等级和加注量都会影响变速器传动效率。试验表明，降低润滑油黏度等级，可以降低齿轮搅油损失；另外，变速器油的加注量存在最优范围，在此范围内既能保证变速器的润滑又能降低其功率损失。

针对手动变速器传动效率主要因素，制定优化方案，通过整车NEDC油耗试验和滑行距离测试发现，优化方案可以降低变速器的摩擦损失，提高变速器的传动效率，减少了整车油耗。