杨晓明　虞阳　江小柯　孙金其

摘 要：有三种商用车传动轴，进行传动轴的传动效率试验。通过试验数据进行对比分析，得出影响传动效率的因素有万向节夹角、档位等。试验结果显示，夹角增加时传动效率降低；转速升高时传动效率降低；在低转速传动效率趋势较平缓；在高转速传动效率下降趋势变快；转速差波动小时，扭矩差曲线也可以得到与传动效率曲线相似的规律。

关键词：商用车；传动轴；传动效率；扭矩差； 对比分析

中图分类号：U463.216 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）06-0088-05

Abstract： There are three kinds of transmission shafts for commercial vehicle， the experiment was done according to the test standard of transmission shaft transmission efficiency test. Based on the comparison and analysis of the test data， it is concluded that the factors affecting the efficiency of the transmission are the angle of the universal joint， the gear position and so on. Test results show that the transmission efficiency decreased with the angle of the universal joint increasing； it decreased with the increasing of speed； in low speed transmission efficiency trend is gentle； in high speed transmission efficiency trend decline； the fluctuations of speed difference of is small， the torque curve can also get the law similar to the transmission efficiency curves.

Key Words： Commercial vehicle； Transmission shaft； Transmission efficiency； Torque difference； Comparative analysis

1 前言

发动机与驱动轮之间的动力传递装置为传动系，传动性能的好坏将直接影响到商用车行驶性能的优劣，对商用车的性能有非常重要的影响。传动系主要是为了实现商用车的减速增扭、变速、倒档、轮间差速以及必要时中断动力传递，与发动机配合工作，能保证商用车在各种工况条件下的正常行驶。

万向传动轴一般是由万向节、传动轴和中间支撑组成。传动轴作用是在汽车行驶过程中传递转矩和旋转运动。万向传动轴是传动系统的核心部分，变速箱的动力通过传动轴接收，把动力传递给后桥，从而驱动汽车正常行驶。由于传动轴结构是两段轴式，即由3个万向节与2段轴组成，动力在经过传动轴的过程中，由于轴的材料和结构特性与万向节的存在，不可避免的会有能量的损失。由于传动轴结构本身的运动学、动力学特点，工作过程中高速旋转，当汽车行驶时，路况的不同，商用车的车轮会上下跳动，使得传动轴的2个万向节轴间夹角不为零且经常变化，从而造成传动系统的能量与效率有所损失；传动轴工作时传递扭矩与功率的不断变化不利于汽车的平稳运行。能量与效率的损失不仅会导致商用车驱动力变小、燃油消耗增加，会使万向节温度升高、润滑条件变差，严重时会造成万向节磨损、密封胶套破裂[1-4]。商用车的不平稳运行将影响经济性、乘用舒适性，甚至使元件破坏、发生事故等，可见对商用车传动轴的传动效率具有一定的研究意义[5]。

本文以三种商用车传动轴为检测对象，依据我国汽车行业标准QC/T29082-1992 《汽车传动轴总成技术条件》、美国汽车工程师学会（SAE）标准 J 901《Universal Joints and Driveshaft Nomenclature Terminology Application》和日本汽车标准化组织JASO7208标准《汽车传动轴总成试验方法》的要求，在美国宝克（BURKE）公司制造的汽车电控动力传动系实验台上[6]，分别进行了三种商用车传动轴传动效率的性能对比试验。在不同输入转速、转矩和输入与输出轴夹角的试验条件下，检测商用车传动轴输入轴和输出轴间的转速、转矩，对比分析了传动轴的传动效率。

2 试验目的

对商用车传动轴进行不同夹角状态和不同工况下的传动效率对比检测分析，目的是通过主观评价试验和统计分析计算，降低汽车油耗，提高传动效率。

传动效率是传动系统中的关键参数，传动效率的高低是评价设计的重要指标。，影响万向节传动效率的主要因素为摆角。由于商用车在行驶中路面的波动和车速的变化，摆角和转速也在剧烈转变。因此对不同摆角和不同输入转速时传动轴的传动效率研究具有重要意义，能够对传动效率特性有更加深入的了解。

3 技术要求

3.1 检测概况：试验设备与原理

3.3 传动轴的试验状态

3.3.1 传动轴工作状态

当汽车在不平路面行驶的过程中，由于路面冲击车轮使悬架系统振动，造成变速器输出轴与后桥输出轴轴线的相对位置经常发生变化。

3.3.2 万向节夹角的选取

试验万向节夹角角度根据传动轴跳动图的上下跳动的极限位置及最大摆角，进行选取，在试验过程中第一万向节（在车上安装状态从前面算）处夹角一直保持为0度，第二万向节与第三万向节处设置相等夹角，分别为0?-0?-0?、0?-2?-2?、0?-4?-4?、0?-6?-6?和0?-8?-8?度，夹角的偏转方向均呈Z型布置状态。如图1所示：

4 传动轴传动效率试验数据

4.1 样件1的传动效率

样件1在试验过程中，六档工况对应的0?-4?-4?、0?-6?-6?、0?-8?-8?以及五档工况对应的0?-8?-8?的转矩传感器读数波动较大，这是由于高速档时转速过高容易引起样件抖动而产生转矩不稳现象。为防止样件破坏，停止试验，没有获得试验结果。其他夹角状态和载荷工况下的传动效率结果列于表3：

可见：1）传动轴的整体传动效率较高，都在99%以上。2）随着档位的升高，传动效率有变小的趋势，但是变化趋势较平缓。3）随着夹角的增大，各档位传动效率略有降低。4）与其他档位相比，六档的两组效率数据出现反常增加的情况。补做两组试验，六档的传动效率仍然高于同夹角状态下的五档效率。

4.2 样件2的传动效率

样件2在试验过程中，六档工况在0?-0?-0?的时候转矩波动就很大，因此后面就没有做此工况。另外，一档工况和五档工况在0?-6?-6?和0?-8?-8?的状态下也出现类似的转矩波动问题，也没有获得试验数据。可见，不仅高转速工况会出现试验不稳定状况，在转速较低的大转矩工况也会出现试验状态不稳定的情况。样件2各夹角状态和载荷工况下的传动效率结果列于表4：

根据表5数据可以看出：1）传动轴的整体传动效率较高，都在98%以上。2）随着档位的升高，传动效率有变小，且高档区变小的趋势较快。3）随着夹角的增大，各档位传动效率降低，但变化很小。4）与样件1相比，低档的传动效率更高，但高档位传动效率下降的幅度更大，因此四、五档的传动效率要低于样件1。

4.3 样件3的传动效率

样件3的传动效率结果列于表5。因为六档工况转矩波动很大而没有进行此工况试验，因此在表中没有体现。另外，一档、二档在0?-6?-6?和0?-8?-8?的状态下以及五档在0?-4?-4?、0?-6?-6?、0?-8?-8?状态也出现类似的转矩波动问题，也没有获得试验数据。

在样件3的试验中，个别档位的试验结果出现夹角增大时传动效率反而增加的情况，与常理相悖。为此，对这几个档位有问题的夹角状态进行多次试验测量，但数据反常的现象依然存在。

根据图表数据可以看出：1）在获得试验结果的工况下，传动轴的整体传动效率较高，基本都在99%以上。2）随着档位的升高，传动效率有变小的趋势，且高档区变小的趋势较快。3）随着夹角的增大，各档位传动效率总体上是在降低的，但1、2、3档的0?-4?-4?传动效率略高于0?-2?-2?的效率，四档的0?-8?-8?效率高于0?-6?-6?效率，与常识相反。4）样件3的低档传动效率较高，高档传动效率下降幅度较大，其变化趋势与样件2的相类似。五档传动效率比样件2的相应值稍高，但在试验过程中转矩波动较大。

5 传动轴传动效率试验分析

5.1 传动效率的计算

输入、输出测功机各有一个转矩和转速传感器（图8），其测量值分别是传动轴两端的转矩和转速。由于传动轴样件在试验过程中满足双十字轴万向节等速传动条件，因此可以认为输入、输出端的转速总是相等的。这样，传动轴的传动效率就变成了它输出端转矩与输入端转矩的比值。

对于转矩传感器来说，其测量值等于转矩真实值、零漂和传感器测量误差的和。其中，零漂可以在没有加载的状态下读出并且假设在本实验状态下保持不变；传感器误差也可以近似测量出。这样就可以得到传动轴样件两端的真实转矩T入、T出，而传动轴的传动效率就等于二者的比值，即η= T出/T入。

试验中，轴的夹角状态有5种。试验工况根据等速驱动轴在车上6种档位的使用工况决定。

理论上等速驱动轴0°夹角试验传动效率为100%，实际汽车行驶的状态和试验中都存在误差，误差主要来源于传动轴万向节结构中的细微间隙，万向节与联结件之间的细微间隙，这都是影响驱动轴传动效率的因素。

通过试验测量得到的各轴0°夹角状态传动效率很接近100%，所以，在试验数据的处理过程中，设定每一根轴的零夹角状态传动效率为100%，而用其他夹角状态的传动效率与之其的比值作为它们的效率。

汽车的行驶速度的要求，是通过变速箱改变传动比，车速可变快或变慢，此试验设备就是模拟变速箱，来设定各档位的转矩和转速，这样就能模拟出商用车相应档位的状态。

5.2 传动轴输入与输出的扭矩差分析

根据试验数据，每个传动轴的三档和四档有全套的数据，所以本文中仅绘出三档和四档传动轴输入与输出的扭矩差曲线，见图2及图3。通过试验数据分别绘出夹角0?-0?-0?；0?-2?-2?；0?-4?-4?；0?-6?-6?；0?-8?-8?时输入与输出轴间的转矩差随传动轴转速变化的曲线。由于传动轴的传动效率等于输出轴的功率除以输入轴的功率，功率又等于扭矩和转速的乘积，转速差的波动范围很小在几转内，所以效率的大小主要与扭矩差有关，因此扭矩差曲线中也可以得到与效率曲线的相似的规律。随着轴间夹角的加大，扭矩差也在逐渐加大，在扭矩、转速和轴间夹角相同情况下，样件1比样件2和样件3的扭矩差要大，而且样件1和样件2在不同夹角时的扭矩差波动也比较大，对比三档和四档，样件3的数据比较趋于平稳。

6 结束语

通过传动轴在不同试验工况下进行的传动效率的试验分析，由分析结果可知

传动轴的传动效率较高，在此次工况下能达到98%以上，夹角增加导致传动效率降低，相同样件的相同档位下，万向节夹角变大则传动效率会降低，但在本次试验的夹角范围内传动效率值变化不大；

转速升高导致传动效率降低的趋势，在低转速的传动效率下降的趋势较平缓，高转速的传动效率下降趋势变快。夹角比转速对传动效率的影响大；输出转速的波动将叠加至最大，相对误差可能达到2%以上，严重影响传动轴的性能。

从样件3的0?-2?-2?试验数据中分析，转速增加使得传动效率降低，最低车速时传动效率达到99.96%，最高车速时传动效率为98.99%，它们相差0.97%，说明转速对传动效率影响不大。

三个样件相比较，样件1的传动效率值比较稳定，获得的试验数据点相对较多，初步判断这是与采用弹性连轴器有关。样件2和样件3的传动效率基本相近，变化趋势也基本一致，低档传动效率较高，高档传动效率下降幅度较大。

转速差的波动范围很小在几转内，所以效率的大小主要与扭矩差有关，因此扭矩差曲线中也可以得到与效率曲线的相似的规律。

参考文献：

[1]Rory Johnson.High Speed Fixed Constant Velocity Joint for Automotive Driveshaft Applieations.SAE 980834.

[2]Gareth Fish and James Cole.Tribology and lubrication requirements of constantvelocityjoints[C]. SAEpaper，1998（0835）：1-10.

[3]Akira Wakita and Keisuke Sane.Hish Efficiency Compact Fixed Comtant VelocityUniversal Joints（EBJ）[c]. SAEpaper.1999.01（0738）：1-5.

[4]覃刚，张云清，昌林.球笼式等速万向节动力学仿真分析系统的开发 [J]. 轴承，2003（7）：4-7.

[5]Yamamoto T。Matsuda T，Okano N. Efficiency of Constant Velocity Universal Joints. SAE 930906.

[6]马天飞，王登峰，郝春光，等.轿车等速驱动轴传动效率的试验研究[J].汽车，技术，2009（7）：36-40.