一种驱动桥效率应用方法的研究

张华鹏，沈铁军，代向升

一种驱动桥效率应用方法的研究

张华鹏，沈铁军，代向升

（中国第一汽车集团有限公司 研发总院，吉林 长春 130011）

驱动桥效率随输入扭矩、转速的变化而时刻变化，为提高其在整车性能计算应用中的准确度，通过对驱动桥瞬态下系统阻力矩变化规律的探索，建立驱动桥阻力矩与输入扭矩、转速的变化公式，实现动态工况下驱动桥效率的精确计算。通过对现有几组驱动桥阻力矩结果准确度的验证，表明通过阻力矩法建立的驱动桥瞬态效率计算公式在简化系统计算难度的同时，提高了整车性能计算精度，并可推广到传动系其他系统效率计算中，也可简化驱动桥效率试验测点数量。

驱动桥效率；阻力矩法；精确计算；阻力矩计算公式

在过去的20年里，受能源危机、全球变暖等外部因素影响，汽车使用能耗、污染的关注度越来越高。基于车辆能耗的分析模型也在不断完善，以便能够精确模拟车辆使用工况，寻找各种降低车辆使用能耗、污染物的手段[1-3]。

驱动桥作为驱动系统重要组成部分，其效率是汽车性能计算中重要的影响因素，其在不同驱动力、不同转速下的表现均不同[4]，尤其在低扭矩区，其敏感度极高，如果没有足够多的试验结果，往往很难确认其瞬态效率，这直接影响整车动态性能计算精度[5-6]。

本文从驱动桥阻力扭矩试验结果入手，通过分析不同扭矩、转速下驱动桥阻力扭矩变化规律，建立瞬态下驱动桥阻扭矩与输入扭矩、转速的变化公式，实现动态工况下驱动桥效率的精确计算。

1 驱动桥效率一般表现形式

驱动桥效率0是指驱动桥输出功率T与输入功率0的比值，驱动桥传动效率越高，说明驱动桥能量消耗越少，转化为车辆的有用功率越多。

通过功率与扭矩、转速之间换算关系，可以整理为驱动桥输入扭矩0与效率0、主减速比0、输出扭矩T之间的计算公式：

在驱动桥台架试验中，通过测功机分别测量驱动桥输入扭矩0、转速0、输出扭矩T、转速T，驱动桥效率试验台如图1所示，通过式（3），即可获得对应驱动桥的效率map图，如图2所示。

图1 驱动桥效率试验台

图2 一款驱动桥效率map图

图3 不同转速下输入扭矩与效率图

从图中可以发现，不同转速、不同扭矩下，驱动桥效率并不相同，尤其在低扭矩区，效率下降极为明显，在图3中，也更直观地体现了这一点。

2 阻力矩法驱动桥效率计算概念说明

因驱动桥工作时，需要额外消耗能量，来克服驱动桥自身阻力，这些阻力主要包括齿轮啮合阻力、轴承及油封摩擦阻力、齿轮搅油阻力（受机油温度、粘度、加油量影响）、润滑油泵阻力（如果配备）。这些阻力以力矩形式直接影响驱动桥有效输出扭矩。

故此尝试用阻力矩来替代效率值，建立不同输入转速0下，阻力矩R和输入扭矩0的曲线关系，来探索更为简单有效的驱动桥效率表达方法。此时效率0可以按式（4）表示：

3 阻力矩法驱动桥效率计算方法建立

以图1驱动桥效率图为例，将其转化为图4所示的各转速下输入扭矩与阻力矩之间关系图。

图4 各转速下输入扭矩与阻力矩关系图

从图4可以发现各转速下，输入扭矩与阻力矩之间线性度极高，与轴交点不为零，这符合驱动桥本身特点，驱动桥阻力是固有存在的，没有一定的初始力矩，是无法推动驱动桥动起来。随转速增加，斜率值不断减小，但初始力矩值却不断增大。

故此可对各转速下输入扭矩与阻力矩进行线性回归分析，获得各转速下驱动桥阻力矩与输入力矩之间的线性公式：

R=∙0+（5）

图5 输入转速与斜率、启动扭矩关系图

将各输入转速0下式（5）的斜率及启动扭矩用图示法进行处理，得到图5所示的输入转速分别与斜率、启动扭矩关系图。

基于图5，可以通过线性回归法，分别建立输入转速0与斜率，输入转速0与启动扭矩的线性关系式（6）、式（7）。并将式（6）、式（7）代入式（5），获得瞬态下驱动桥阻力矩式（8）。

=1∙0+1（6）

=2∙0+2（7）

R=(1∙0+1)∙0+2∙0+2（8）

将式（8）代入式（4），即可获得基于阻力矩法驱动桥效率式（9）。

为确保分析方向准确，本文又校核了三种驱动桥产品阻力值，如图6、图7所示。经过校验，不同驱动桥产品，仍然符合该规律，可以用同样方法获得瞬态下驱动桥效率公式。

图6 瞬态下驱动桥阻力矩推导-案例2

图7 瞬态下驱动桥阻力矩推导-案例3

4 基于阻力矩法驱动桥效率公式的校验

以上述三款驱动桥为例，将通过阻力矩法获得的驱动桥阻力矩与原试验结果进行对比，确认各测点误差浮动是否满足要求，如图8－图10所示。

经校核，除个别点（阻力偏差较大点）其余各测点误差均满足要求。

图8 驱动桥阻力公式校核-案例1

5 阻力矩法效率计算的应用展望

基于阻力矩法求得的驱动桥效率公式，可以大幅简化驱动桥效率map应用难度，提高整车经济性计算中各瞬态点计算精度，更准确反映车辆实际状态。如图11所示，案例1中驱动桥在中国汽车行驶工况中，绝大多数工况点输入扭矩分布在±300 Nm区间范围内，是效率急剧波动区域（50%～90%之间），提高效率计算精度意义重大。

图11 驱动桥输入扭矩、转速变化-CHTC

从图11的整车经济性分析工况角度，驱动桥输入扭矩在整个分析过程中存在大量反拖工况，对于驱动桥来说，因反拖工况占比较低，从经济性角度，准双曲面驱动桥反齿面加工精度要低于正齿面加工精度（当前国内主流准双曲面齿轮加工默认原则），故此反拖工况驱动桥阻力要更大一些，如图12所示，案例1中各转速下输入扭矩与阻力矩关系图（含反拖工况）。通过阻力矩法也可以获得精确反拖工况效率公式。

图12 各转速下输入扭矩与阻力矩关系图

驱动桥作为典型传力部件，其效率计算方法具有普适性，可以向变速箱、分动器等传力部件进行扩展，提高传动系统效率计算精度。因笔者手头仅一款变速箱效率数据，不能代表所有变速箱分析结论，但从各挡位阻力矩与输入力矩的关系图（见图13）看，仍然具备线性关系，可做线性回归处理。

图13 一款变速箱阻力矩关系图-2挡

基于驱动桥阻力矩与输入扭矩线性关系的特点，在驱动桥效率试验中，可以大幅缩减测点数量，缩减试验周期，而试验精度不受影响。如图14所示，将案例1中划删除线的数据去掉，减少试验中测点数据，通过阻力矩法处理后，仍可得到阻力矩法下效率公式，如图15所示。

图15 瞬态下驱动桥阻力矩推导-简化后

6 总结

基于阻力矩法建立的驱动桥效率计算公式，可实现动态工况下驱动桥效率的精确计算。应用该方法所获得的驱动桥效率公式，可实现不同工况下驱动桥效率动态求解，大幅提高了整车性能计算精度。

该方法还可推广到传动系其他系统效率计算中。基于阻力矩法的驱动桥效率计算原理，也可简化驱动桥效率试验测点数量，缩减试验周期及后续数据处理难度。

[1] 刘刚,吕文芝,朱江苏,等.基于重型商用车传统系统效率的换挡策略研究[J].汽车工程师,2021(10):10- 15.

[2] 姚哲皓,刘金,刘华军,等.商用车驱动桥传动效率分析与计算[C]//2021中国汽车工程学会年会论文集(7).北京:机械工业出版社,2021:23-28.

[3] 杨升,陈奇锋,段宇,等.重型商用车驱动桥传动效率优化的思路与实践[J].汽车实用技术,2021,46(17): 98-100.

[4] 曾重元,高铁石,王志广.驱动桥效率提升对CHTC- LT工况油耗影响分析[C]//2020中国汽车工程学会年会论文集(5).北京:机械工业出版社,2020:317-320.

[5] 王恩鹏,张林涛,王勇哲,等.油温对驱动桥传动效率影响测试研究[J].时代汽车,2020(16):137-138,144.

[6] 何卫,覃兰珺,满兴家,等.基于NEDC的汽车驱动桥传动效率测试工况研究[J].汽车实用技术,2019,44 (8):112-114.

Study on the Application Method of Drive Axle Efficiency

ZHANG Huapeng, SHEN Tiejun, DAI Xiangsheng

( R&D Institute, China First Automobile Group Company Limited, Changchun 130011, China )

The efficiency of the drive axle changes constantly with changes in input torque and speed.In order to improve its accuracy in vehicle performance calculation applications, by exploring the variation law of the system resistance torque under transient conditions of the drive axle, a formula for the variation of the drive axle resistance torque and input torque and speed is established to achieve accurate calculation of the drive axle efficiency under dynamic working conditions. By verifying the accuracy of several existing sets of drive axle resistance torque results,it is shown that the transient efficiency calculation formula of the drive axle established through the resistance torque method not only simplifies the difficulty of system calculation, but also improves the accuracy of vehicle performance calculation.It can be extended to the efficiency calculation of other system efficiency calculation, and can also simplify the number of test points for drive axle efficiency.

Drive axle efficiency;Resistance moment method;Accurate calculation;Resistance moment calculation formula

U462.3

A

1671-7988(2023)20-82-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.016

张华鹏（1980－），男，高级工程师，研究方向为汽车整车总布置，E-mail:zhanghuapeng@faw.com.cn。