汽车齿轮传动系统试验检测技术及设备发展趋势

张敬彩

中国机械科学研究总院集团有限公司 北京 100044

开发试验及发展概况

传动产品开发试验，是指在传动产品设计开发过程中，在设计定型之前检验设计水平与工艺合理性所需进行的一系列试验。通过加工样机进行试验，验证、改进产品设计与工艺水平，在产品量产之前及时发现问题，提升产品的质量可靠性。

汽车变速器开发试验，总体分为台架试验和整车试验。台架试验在试验室中各种试验台上完成，主要包括耐久性试验和性能开发试验；整车试验一般在台架试验完成通过后进行，主要验证变速器在实际工况下的寿命、性能和可靠性。本文重点讲述台架试验。

台架开发试验包括两类：第一类为验证通过性试验，如整箱耐久性试验等；第二类为帮助发现问题和解决问题的试验，如综合性能试验、接触斑点试验、润滑性能试验、振动与噪声试验及换挡性能试验等。

1）第一类试验，如整箱耐久性试验是最耗时、成本最高的试验，且需要丰富的负载数据即载荷谱作为支撑。目前，国内先进的验证测试过程可模拟多种负载工况，完成这项试验的时间通常为4～6个月甚至更长。

2）第二类试验主要为性能试验，试验时间较短，可及时发现问题，更重要的是，通过前期进行第二类开发试验和基础试验，可以极大地提高整箱耐久性一次性通过率，减少整箱耐久性试验次数。

接触斑点试验可进行齿轮齿面载荷分布检测，并可用于齿轮装配后的齿轮螺旋线与齿廓精度的评估。在整箱耐久性试验之前进行接触斑点试验，可有效评价和调控齿轮的啮合品质，提高齿轮耐久性试验一次性通过率，节约试验时间和费用；在整箱耐久性试验之前进行润滑性能试验则可以有效地避免整箱试验中由于轴承润滑不足而导致的失效，同样可帮助提高整箱耐久性试验通过率。目前，接触斑点、润滑性能等试验技术已经逐步形成国家标准与企业规范，相应的国产试验台也已成熟应用（见图1）。

图1 国产汽车变速器试验台

随着用户对产品舒适性重视程度的提高，振动和噪声试验越来越受到企业的关注。尤其在汽车行业，国际先进企业将20%的研发费用消耗在解决车辆的NVH问题上。我国在该领域与发达国家差距很大，目前国内建立起来的振动和噪声试验系统基本上引入了国外的成套装备，且核心技术受制于人。但可喜的是，国内少数研发能力较强的试验测试设备研发企业，已开始自主研制出面向解决 NVH问题的试验测试系统，包括齿轮传递误差试验台和NVH试验台。传递误差试验台技术水平已完全可以满足汽车变速器企业需求，NVH试验台的研制也在较快提升过程中，有望逐步替代进口。

目前，国内汽车传动企业普遍开展了第一类开发试验，对于第二类开发试验，大型汽车传动企业也已足够重视，各项试验装备已经较为普及，而部分企业对第二类开发试验重要性的认识有待提高。

耐久性试验

1.耐久性试验发展概述

汽车传动系统耐久性试验的主要目的是，在试验台上模拟传动系统在整车上将承受的载荷工况，对传动系统中的齿轮、轴承、同步器等关键零部件进行耐久性测试，验证产品是否能够满足设计目标，属于通过性试验，因此所有企业都会配备。

耐久性试验台主要包括整箱综合耐久性试验台和同步器耐久性试验台。整箱综合耐久性试验台主要针对齿轮、轴承耐久性进行测试，同时可以进行效率、密封、温度特性及高速高温等试验。结构形式分为机械封闭式和电封闭式两大类。

机械封闭的试验台，为实现机械上的封闭，需要两个被试件同时测试，两个被试件可能会互相干扰，因此目前已很少采用。在汽车行业，为保证试验结果的可靠性，传动系统整箱综合耐久试验台一般均采用双电动机或三电动机的电封闭形式，如图2所示。

图2 电封闭式变速器及驱动桥试验台

对于普通转速条件下的变速器及驱动桥耐久性试验台，国内已完全具备研制能力。目前，国内有待发展的总成耐久性试验台，主要是用于新能源汽车减/变速器和总成的高转速试验台，一般转速要求在15 000r/min以上，因此提高了整个试验台的研制难度。在新能源汽车快速发展的推动下，国内已有部分科研院所开始了新能源汽车减/变速器总成试验台的研制，并少量投入使用。下面将就相关技术做一介绍。

2.新能源汽车传动系统耐久性试验技术与设备

新能源汽车用变速器耐久试验台，主要用于电动汽车减/变速器总成疲劳寿命试验和性能试验（包括变速器换挡性能试验、传动效率试验、变速器振动噪声试验、变速器温度特性试验及变速器密封性能测试试验等）。

该类试验台具有以下三个重要特点。

（1）转速高 与传统自动和手动燃油车变速器相比，转速高是新能源汽车减/变速器的最大特点。试验台驱动电动机转速不低于15 000r/min，在汽车变速器试验台中属于最高级别的转速需求。因此，该试验台研制的关键是通过高速回转轴精密设计和优化试验台总体结构，降低试验台激振能量和提高试验台吸振、抗振能力，确保试验台在所有试验转速范围内不会产生共振和在强迫振动下的低振幅。

（2）精度高 该类试验台一般需要进行效率等性能试验，因此转矩、转速测量精度和控制精度要求高。

（3）可靠性高 由于变速器耐久试验台需要24h×7d连续运行，故无人值守的高可靠连续运转性能是其关键。因此需要在机械系统、电控系统和软件系统可靠性保证方面有扎实的技术基础和工程经验。

图3所示的新能源汽车减/变速器总成耐久性试验台，是国内某知名传动系统试验设备研制单位为国内第三方检测机构研制的。

图3 新能源汽车减/变速器总成耐久性试验台

该试验台代表了我国目前新能源汽车变速器试验台的先进水平，关键技术如下。

1）优化结构布局，保证试验台的高可靠性。充分考虑高速输入端和低速输出端的技术特点，针对高速输入端，实现高刚性设计，结构简单，有利于抑制高频振动。

2）通过仿真分析，实现试验台机械系统抗振设计。方案设计开始就采用CAE仿真分析软件对关键部件，如驱动端高速轴系，进行强度、刚度和振动模态分析和吸振能力分析，提高高速轴系回转精度、动平衡级别和台体、基座结构及重量，因此可以实现：有效避开共振区域，保证试验台轴系自身不会发生共振；减小不平衡产生的强迫振动激振力；减少试验台的整体振动响应及其对周边设施的影响。

3）高速回转轴精密设计与制造。针对15 000r/min高速主轴，回转精度将保证达到≥0.005mm及更高的高精度。

4）电动机支座高刚度设计。为保证试验台的高抗振性能，高速驱动电动机支座设计为一体化结构。

5）高可靠测控系统。采用专业软件进行系统安全等级设计分析。采用 PILZ PAScal SOFTWARE对试验台的安全性能进行设计分析，根据专业软件设计分析结果，结合试验台实际设计安全防护系统，保证人机安全，减少停机时间。

性能开发试验

汽车传动系统性能开发试验包括接触斑点试验、润滑试验、传递误差、NVH试验、效率试验、温度特性、高速高温及轴密封等。

其中效率试验、温度特性、高速高温及轴密封等总成性能试验，可以在耐久性试验台上完成。接触斑点试验、润滑试验、传递误差、NVH试验和换挡性能试验则需要专门的试验设备来完成。

下面将主要介绍接触斑点试验、润滑试验、NVH测试及换挡性能测试方法与试验设备。

1.接触斑点测试技术与设备

汽车变速器/驱动桥在实际工况载荷情况下，齿轮接触斑点的优劣，将直接影响齿轮的承载能力和噪声水平，因此对于任何一款新研发或改进的传动产品，必须首先进行变速器加载情况下的齿轮接触斑点试验。

汽车传动系统齿轮接触斑点试验，是生产企业进行传动系统正向开发和质量保障不可缺少的开发试验环节。汽车传动系统接触斑点试验旨在考核不同载荷水平下齿面接触的实际情况与变化规律，验证齿轮齿向修形、齿廓修形及系统变形等设计参数的合理性，并以此为基础找出齿形、轴系、壳体等整个变速器设计中的缺陷和不足，并通过改进设计，提升齿轮箱的承载能力和寿命，降低变速器的工作噪声（见图4）。

图4 接触斑点测试帮助实现齿轮修形优化和解决承载与噪声问题

接触斑点试验台不仅可以完成上述接触斑点试验，还可用于变速器承载情况下的密封性检验，检查变速器在受载变形状态下是否存在漏油问题，以避免变速器在使用过程中的漏油现象。

接触斑点试验台的技术关键是：保证可以获得不同加载水平下的齿轮接触斑点。普通疲劳寿命试验台或性能试验台一般采用缓慢加载方式，所呈现的齿轮接触斑点是不同载荷水平下接触斑点的叠加，不仅不能反映不同加载水平下齿轮的实际接触印痕情况，还可能误导设计人员。

要获得不同载荷水平下齿面接触的实际情况与变化规律，变速器接触斑点试验台必须满足以下技术要求。

1）可以实现不同载荷水平的自由设定，能实现先加载、后起动，在试验过程中能保持同一载荷水平。

2）在满足很低的输入转速下，实现无级调速及稳定运转，使得试验时不必加入润滑油，便于齿面试验涂料的保护从而形成清晰的接触斑点。

作为一项汽车传动系统设计开发必须要做的试验，接触斑点试验已被众多汽车变速器企业所认可，国内已具备该类试验设备的研制能力，可以完全满足国内及外资企业需求。

针对用户需求，接触斑点试验台可采用电动机+摩擦制动器、双电动机或三电动机的整体布局结构。图5所示，汽车变速器齿轮接触斑点试验台是国内试验设备研发单位为国内汽车变速器企业自主研制的。

图5 汽车变速器接触斑点试验台

试验台具备以下技术特点。

1）单一转矩水平测试。为了获得待测转矩水平下的接触斑点，测试系统能够在开始运转前加载至待测转矩，测试得到的印痕不受加载过程中其他转矩水平印痕的影响，测试结果真实可靠。

2）稳定性好。试验台低速稳定性好，测试过程中能够保持转速、转矩稳定；转速稳定性优于±0.1r/min，转矩稳定性优于±1%FS。

3）零速带载起动。试验台配备高端变频控制器，通过专有矢量控制技术，实现大转矩带载起动。

4）高精转矩检测。试验台配备高精度转矩传感器，转矩测量精度±0.05%FS；转矩信号闭环反馈控制系统，实现精准控制。

5）试验转矩标定。试验台配备试验转矩标定系统，预先采集被试件各挡位转矩与控制电流的相关曲线并拟合，获得标定系数，实现测试过程中精准加载。

6）自主知识产权。试验台操作控制软件为自主研发，具有软件著作权。

7）支撑设计软件。试验台测试结果可用于齿轮设计模拟软件验证，实现对变速器NVH问题的主动预防，准确诊断和支撑齿轮及变速器设计。

2.润滑测试技术与设备

润滑试验在汽车传动产品开发过程中非常重要，是在进行疲劳寿命试验之前笔者强烈建议进行的一项试验。该试验的目的是检查变速器/驱动桥各回转部件（特别是轴承）是否工作在良好的润滑条件下。良好的润滑条件是这些零部件设计寿命计算时的假设条件，如果润滑条件达不到，则零部件寿命将严重缩短。也就是说，在进行疲劳寿命试验时，零部件将很快失效。但这种失效不是这些零部件寿命的真实反映。因此，要保证疲劳寿命试验能够准确地检测出变速器回转部件的真实寿命，必须首先进行润滑试验，检查和改进润滑情况，直至达到要求。

用于进行润滑试验的试验设备为倾斜润滑试验台，试验台需依据可模拟变速器在不同工况下的姿态和油温，进而测试变速器在不同姿态和油温下各轴承位和观察点的油量、流量和温升，用于新产品开发过程中进行润滑、温升特性和空载损耗功率试验。润滑试验台属于空载满转速试验台。

该类试验台国内已完全具备研制能力，图6所示为典型的汽车变速器润滑试验台。

图6 汽车变速器润滑试验台

3.振动/噪声（NVH）测试技术与设备

汽车传动系统NVH试验的目的是测试其振动/噪声特性，包括振动/噪声的实际声压级、噪声场及其与机械参数和电参数的关系等，用于分析和研究振动/噪声源、频谱与能量分布、声品质（响度、尖锐度等）、激励响应与传播、相关参数的相互影响和内在规律，结合传递误差测试机相关数据处理软件，对传动系统振动/噪声产生的根源进行诊断，为降低产品振动/噪声水平或出现概率、优化系统设计及提高动力总成的舒适性提供基础数据和研究手段。

NVH测试时，被试件应置于消声室内的抗振地基上，试验台驱动、加载设备原则上应处于消声室之外，通过穿墙长轴实现驱动和加载，驱动、加载设备的噪声及振动需做到有效隔离。而且，为了全面测试各种工况下传动系统的振动噪声情况，试验系统加载、运转能力需要能够覆盖被试件整个转矩、转速范围，因此为满功率试验测试系统，功率水平与整箱综合耐久性试验台相同。

由于需要穿墙长轴系设计，研制难度相比耐久性试验台难度高。特别是对于新能源汽车减/变速器NVH测试所需高转速测试系统，其技术难度更高。因此该领域目前以国外进口设备为主。国内企业已成功研制出了6000r/min以下普通转速NVH试验系统，并开始研制16 000～20 000r/min的新能源汽车传动系统NVH试验台。

图7所示如典型NVH试验系统组成原理示意图。

图7 汽车变速器NVH试验台机械系统原理

对标试验

对标试验是以目标竞争产品为试验对象，进行所有开发试验，获得目标产品的性能指标，以便在设定产品设计目标时予以参考。国外制造商在进行产品设计之前，通常经过详细调查市场上竞争产品的技术水平，结合本公司的技术实力、零部件供应商的设计和制造水平等，形成新开发产品的整体目标，并将整体目标分解到各个相关系统和零部件上，为了完成这些工作，就需要进行充分的对标试验。制造商一般会购买性能优良的目标竞争产品对其进行评价与测试，并形成测试数据提供给决策部门，最终形成既具有一定竞争力又成本可控的产品。

该类试验同样在大型、先进汽车传动企业中比较受重视，而不少企业对其重视程度和投入还较低，有待进一步加强。

所涉及的试验测试技术、方法与设备与开发试验基本相同，在此不再赘述。

下线检测

1.下线试验及其发展概况

下线检测，即产品生产过程中，设置在生产线终端，对准备出厂的产品抽样或者全部进行各方面性能检测。下线检测是产品走向市场的必经环节，通过对产品各方面性能进行测试、分析与评价，可有效发现并淘汰不合格的产品，保证产品出厂的合格率。

汽车变速器是制造业批量最大的复杂传动产品，在汽车的传动系统中扮演着重要角色，直接关系到传动质量的好坏，对汽车操控性、安全性、舒适性及可靠性都有重要影响。因此，国内外汽车变速器企业普遍配备出厂前下线检测，对每台产品进行出厂前检测，以期控制出厂产品的质量一致性。

目前，国内大部分企业仍采用空载下线检测，产品在试验台上空载运转，试验人员主观判断。这种检测可以检测出产品装配过程中出现的严重问题，如零件错装、零件严重超差等造成变速器运转、换挡卡滞等问题；检测人员也会主观判定一下运行噪声的大小，但由于缺乏客观判定依据以及评定标准，较难保证产品出厂质量的一致性，特别是振动/噪声性能问题，无法发现传动系统受载后才能表现出的问题，如受载后振动/噪声的水平、密封性等问题，对出厂产品质量的把关有一定的局限性。

发达国家的车企对生产线终端试验非常重视，出厂质量的严格把关，成为其售出产品质量和信誉保证，试验数据的大量积累和应用促进其产品质量水平不断提升。国内企业已普遍认识到加载、智能产线终端试验的重要性，部分大型、先进的汽车变速器生产企业已开始逐步将产品下线检测设备升级为加载测试试验台，同时配备故障监测与质量分析系统。

2.典型下线试验测试设备

加载运行下线试验台已逐渐成为汽车传动系统生产线终端下线试验设备的发展趋势。国内专业试验设备研制单位，逐步开始重视汽车变速器下线检测设备的研发，因此推动下线试验设备水平的快速提升。图8所为机械科学研究总院中机生产力促进中心为国内顶级变速器制造企业最新研制的全功能下线试验台，可实现被试件自动对接、装卡、自动加载、自动换挡、快速振动/噪声测试和故障诊断等功能。经过机械工业权威机构组织行业专家鉴定，结论为其性能和功能达到国际先进产品的水平。

图8 汽车变速器全功能下线试验台

该试验台解决了国内传统下线试验台存在的问题。

1）采用机器人自动换挡，解决了传统试验台无法采用有力的技术手段控制换挡过程，存在工人违反工艺操作漏挂挡位、检测时间不够导致故障总成流出的现象。

2）加载测试，解决了高低挡转换故障、选/换挡卡滞等常见故障，以及在变速器空载试验状态下故障表现不明显、不易被检出的问题。

3）各种开关自动操作，解决了原有试验台采用手工检测各压力开关的通断而容易导致漏检，或将工作不稳定的开关误认为合格而导致的故障流出问题。

4）增加了测试数据存储分析功能，解决了原有试验台无试车检测记录存储功能而造成的无法有效监控试车过程和进行产品质量追溯的问题。

运行监测

运行监测是指在已经投入使用的传动产品上，安装一定的监测系统，实时监测产品运行情况，提早预警故障，并记录运行过程载荷谱，以便为产品设计改进提供积极指导。目前，运行监测少量应用于大型重载车辆的变速器等运维成本较高的产品，也有部分汽车传动企业，以采集实际运行载荷谱为目的，开展了变速器装车运行过程中转矩信息采集。

目前，国内在运行监测方法上进行了大量研究，形成了振动、温度、磨损等状态量的在线监测和故障诊断方法，但大部分还处在试验或完善阶段，且针对性不强。多数企业虽渴望投入运行监测系统，但因投资过大望而止步。因此，进一步研发新的状态监测方法，降低软硬件的开发成本，是全面实现在线监测的关键。我国在这方面才刚刚起步，还有很长的路要走。随着故障机理和失效准则的研究，多源信息融合及大数据应用技术的发展，汽车传动产品运行过程监测将得到更广泛的推广。

结语

近十年来，随着试验检测技术的提升，我国汽车行业试验装备的驱动与加载技术、控制技术、传感器技术和数据分析技术均有了较大发展。

目前，在加载测试试验台中，驱动与加载技术普遍采用变频电动机，满足了试验中较大范围的调速/调力要求，并实现了电能内循环，解决了传统测功机的大量耗能和发热问题。控制技术中普遍采用计算机和PLC实现试验过程的自动控制、数据存储及实时显示，操作软件的人机交互性和鲁棒性有较大改善；数据分析方法和能力有极大提升；传感器技术成熟，能够实现全面的试验测试和在线监测。但目前高端的高速高性能变频电动机、变频控制器及高端传感器等均由国外产品垄断，充分显示出我国基础零部件的短板。

展望未来，我国汽车齿轮传动试验与检测技术及装备将朝着以下几个方向发展。

（1）高端化 目前，我国汽车齿轮传动行业在试验标准与规范上还远落后于国外，绝大多数企业也未能建立系统的企业试验体系、标准和规范，试验设备的精度和可靠性偏低。因此，按照产品质量升级和试验的高标准要求，试验装备从驱动加载系统、控制系统、测量系统到数据分析系统，均在向专业化、高可靠、高精度的高端化发展，为企业产品的正向设计与开发提供可靠的试验数据与技术支持。为适应新能源汽车高端齿轮传动产品的试验测试需要，打破国外的垄断，需要研制一批具有自主知识产权的高速、大功率、全功能测试设备与NVH测试系统。

（2）平台化 国外先进的试验设备供应商利用灵活的硬件搭配和高效的软件开发环境，通过模块化设计，为用户创建适合各类应用的解决方案，形成测试通用平台。未来的试验与检测平台不仅能涵盖各类试验环节的试验装备，而且相互间形成数据传递与信息共享，不仅节省各个试验阶段的成本与时间，更提升可扩展性，有助于满足多种快速变化的需求，以适应新技术发展带来的测试挑战。

（3）智能化 展望未来，试验装备智能化是大势所趋的发展方向。通过结合基于机器学习的智能监测技术、硬件在环技术、智能传感器感知及自学习质量评价等关键技术，加快智能控制系统的开发和专家系统（数据库与知识库）的丰富与完善，有效推动汽车齿轮智能试验检测装备向实用化发展。

随着我国汽车行业的快速发展，汽车传动系统试验与检测技术水平得到了空前推进。通过自主研发和引进技术的消化吸收，我国自主研制的测试装备水平不断提高，但仍与国际先进水平有一定差距。因此，我们应不断加强汽车传动系统试验测试技术研究和装备研制，以满足我国汽车行业发展的迫切需要，促进该领域向：高、精、智、发展，向国际先进水平看齐。