前置后驱车型传动系统阻力分布试验研究

李玉珍 叶春林

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

0 前言

汽车传动系统是位于发动机和车轮之间的，将发动机输出的动力传递至车轮的一系列动力传动装置的总称[1]。传动系统作为动力传输的关键部件，针对传动系统阻力的研究对提高整车效率具有重要的意义。

汽车传动系阻力测试主要包括计算仿真、道路测试、台架模拟测试3类。于洋洋[2]通过分析汽车在道路和转鼓试验台的受力推导出底盘测功机加载力的计算数学模型；仝晓平等[3]通过对比台架滑行试验与实际道路结果，分析研究了汽车的滑行距离与车轮阻滞力间关系，利用传动系统的阻滞力来评价汽车的滑行性能和指标；张宏超等[4]基于动力总成台架建立整车传动系阻力测试平台，通过阶梯式分布测试方法，研究了车辆动力总车和传动系各动力传动单元在动力输出过程中的阻力分布状况。

该文以某前置后驱车型为研究对象，利用整车测试台架对传动系统及各部件阻力进行测试，并通过比较同车型在不同磨合状态下的阻力变化情况，为目标车辆降低整车内部损耗、提升燃油利用率指明方向。

1 前置后驱车型传动系统

前置后驱车型（Front engine Rear wheel drive，FR）发动机置于汽车前部，采用后轮作为驱动轮的车型，其传动系统主要由变速器、传动轴、主减速器、差速器、半轴以及制动器等组成。图1为前置后驱车型传动系统示意图，其中影响传动系统传动效率的主要部件有变速器、后桥总成和制动器。

1.1 变速器

变速器的主要作用是改变传动比，使发动机输出的转矩和转速能在较大范围内变化[5]，即实现降速增矩；还要能够使汽车在发动机旋转方向不变的情况下，利用倒挡实现倒向行驶；也能保证在发动机在不熄火的情况下，利用空挡中断动力传输。

1.2 后桥总成

后桥总成集成了主减速器、差速器、半轴、驱动桥壳。在后桥总成中，主减速器的功用是降低转速、增大转矩，改变转矩的传递方向[6]；差速器的作用是使左右半轴可以有不同的转速，保证各种运动条件下的动力传递；半轴的作用是将动力传输给轮毂和车轮。将万向传动装置传来的发动机转矩通过主减速器、差速器和半轴等传到驱动轮，实现降速增大转矩。

1.3 制动器

制动器是通过固定元件挤压旋转元件，产生摩擦力矩，依靠路面对车轮的摩擦力实现制动，使汽车减速[7]。制动时，制动主缸的液压油进入制动油缸，通过液压作用使活塞及与之相连的制动块移动，通过制动盘与活塞的反作用力，将两侧的制动块都压在制动盘上，产生摩擦力矩使其制动。

2 阻力分布试验

2.1 试验原理

汽车在正常工作时，通常是由发动机将动力通过传动系统传递给车轮，使汽车正常行驶，实车路试试验能实时反映车辆的阻力变化情况但可重复性不高。该试验利用反拖电机带动制动盘，模拟不同的车轮转速，利用反拖电机扭矩的大小，来反映传动系统阻力，阻力越大，反拖电机带动制动盘转动所需要的扭矩也就越大。

图1 前置后驱车型传动系统示意图

为了得到整车阻力分布，可以采用逐级拆解的方法进行测试，针对前置后驱车型内部结构的特点逐级拆除某些部件后进行测试，从而获得各部件的阻力大小以及变化规律，逐级拆解测试可以分3个测试节点进行：1）传动系统总体阻力测试：踩下离合器踏板，反拖电机带动传动系统转动，记录反拖电机特定转速下的扭矩值。2）分离变速器的阻力测试：断开驱动轴，将变速器的阻力分离出来，直接测得的是制动器和轮毂轴承的阻力矩。3）后桥总成的阻力测试：断开驱动轴，同时拆除制动器卡钳，排除制动器拖滞的影响，直接测得的是后桥总成的阻力矩。

2.2 试验车型及设备

试验将针对某前置后驱车型进行阻力分布测试，试验采用的反拖电机和温度传感器的主要参数见表1，测试车辆的基本信息见表2。在整个测试过程中，传动系统阻力台架试验室室温控制在（25±1）℃。

表1 设备型号及主要参数

表2 试验车型基本参数

2.3 试验流程

一般汽车阻力测试是在转鼓试验台上利用反拖法进行，但是转鼓反拖由于设备精度的限制，往往达不到想要的效果。该试验直接将制动盘和反拖电机相连，精度比转鼓反拖法高，并且整个过程试验车辆被升降机升起，拆解过程比转鼓反拖法方便。传动系统阻力的大小受到车辆磨合、润滑、温度等多个条件影响，为了使车辆达到稳定的运行状态，需要对试验车辆进行预热，阻力测试流程包括以下5步：1）车辆选择：挑选同一生产批次的车型3台，编号分别为1#、2#和3#。2）工况点换算。根据试验车辆后轮轮胎的静态半径，将特定车速换算成车轮的转速，为了模拟车辆的实际运行状态，反拖电机转速即为车轮转速。3）车辆预热。试验前反拖电机以500 r/min～700 r/min的转速反拖整车传动系统，当变速器油温达到（80±2）℃时，预热结束，反拖电机停止工作。变速器油温可以通过安装在出油口的温度传感器监测。4）反拖测试。启动反拖电机，使变速器油温保持在（80±2）℃内。按步骤2）换算来的反拖电机转速，在操作台控制面板中输入相应的电机转速，使电机转速从0开始逐渐升高，当电机达到相应的转速5 s后能够趋于稳定，记录左右后轮反拖电机的扭矩值（达到稳定状态后10 s的平均值）。5）试验结束。完成各工况点测试后，卸下工装，恢复车辆原状态，试验结束。

3 试验结果分析

3.1 传动系统冷、热态阻力分布对比

根据测试结果计算在不同车速下各试验车传动系统各部件的阻力值，分别绘制传动系统冷、热态阻力分布图，如图2、图3所示。

图2 各试验车冷态阻力分布

由图2可知，3台试验车的冷态阻力均随车速的升高而升高。从整体来看，变速器阻力占比为25%～30%，几乎不随车速发生改变。后桥总成阻力占比为60%～65%，会随车速的升高而升高。制动器阻力占比约为10%，其中，试验车2#、3#制动器冷态阻力几乎不随车速发生改变，试验车1#制动器冷态阻力存在波动。分析其原因可能是在未采取制动动作时，后桥制动蹄片与制动鼓存在接触。

图3 各试验车热态阻力分布

由图3可知，3台试验车的热态阻力均随车速的升高而升高。变速器的热态阻力会随着车速的升高而升高，阻力占比也随之升高，可以看出，转速越高变速器阻力越高，且阻力上升速度越快。对于后桥总成，热态阻力也随着车速的升高而升高，阻力为占比约为80%左右；对于制动器，试验车1#、2#随着车速的升高而逐渐降低，在高速阶段几乎为0，试验车3制动器阻力变化趋势试验车1#、2#一致，但是制动器阻力远高于正常值，可能是后桥制动蹄片与制动鼓存在接触。

3.2 磨合距离对传动系统阻力分布的影响

经过测试试验发现试验车1#和2#的传动系统阻力中制动器阻力均占比较小，但是试验车3#却占比较大，推测是试验车3#制动器的加工或装配精度导致的，因此选择试验车3#探究新车磨合距离对传动系统阻力分布的影响，分别在新车、磨合300 km和磨合1 000 km的状态下，利用上述设计的阻力测试方法与测试设备测量并记录该车的阻力分布，其热态阻力分布如图4所示。

从图4（a）和图4（b）中可以看出，试验车3#在磨合300 km之后，制动器的阻力值明显减小，但在传动系统阻力的整体占比依然很高，从图4（a）、图4（b）和图4（c）中可以看出，随着磨合距离的增加，制动器的阻力值进一步减小，说明磨合距离越长，制动器的阻力在传动系统整体阻力的占比越小；另外，随着磨合距离的增加，拆除传动轴后阻力值下降明显，且速度越高，阻力值下降得越明显，该现象可能是由于速度越高，变速器内齿轮的搅油损失越大所导致的。

为了进一步探究传动系统中不同部件阻力受磨合距离的影响，分别绘制出磨合前后的整车阻力图、拆蹄片阻力图和断轴阻力图，如图5所示。

由图5（a）中可以看出，试验车3#随着磨合里程的增加，整车的阻力值不断减小，并且前300 km磨合的效果比后700 km磨合的效果要明显；由图5（b）可以看出，在拆除制动蹄片后，试验车3#在磨合前后的阻力值差并不明显，初步怀疑为变速器或者后桥总成中某些部件已出现故障，需要进一步研究；由图5（c）可以看出，断开传动轴在磨合300 km之后，与新车相比阻力值有一定幅度的降低；而继续磨合至1 000 km时，后桥的阻力值反而增大并且接近新车阻力值，说明后桥中已有部件出现故障。

由此我们可以得出：随着磨合里程的增加，试验车3#在整车、拆蹄片后以及拆除传动轴后的阻力值均显著减小；试验车3#在磨合1 000 km后出现了在拆除制动蹄片及断开传动轴后阻力值较磨合300 km略高的现象，是由于后桥总成中的某零件已经被磨坏，导致局部阻力增加；在整车条件下，试验车3#在新车时的阻力值比磨合1 000 km后的阻力值高出30%以上，而拆除制动蹄片后，2种状态下的阻力值却相差不大，说明制动蹄片对于传动系统的传动效率的影响较大。

4 结论

图4 试验车3#热态阻力分布

图5 磨合前后整车和部件阻力图

该文通过对前置后驱车型传动系统结构进行理论分析和阻力分布试验探究，得到如下结论：1）前置后驱车型传动系统冷、热态阻力均随车速的升高而升高，其中变速器冷态阻力不随车速的变化而变化，热态阻力会随车速的升高而升高，制动器冷、热态阻力不随车速而发生改变。2）在前置后驱车型传动系统冷态阻力中，变速器阻力占比约为25%～30%，后桥总成阻力占比约为60%～65%，制动器阻力占比约为10%；在热态阻力中，变速器阻力占比约为10%～20%，后桥总成阻力占比约为80%，制动器阻力占比很小。3）随着磨合距离的增加，传动系统阻力会逐渐减小，其中新车制动器随磨合距离的增加下降较为显著，磨合300 km后最高降幅可达20%左右，磨合1 000 km后最高降幅度可达27%左右。4）随着车速的升高，在传动系统阻力中变速器阻力占比会相应增大，这是由于随着车速的升高，变速器内齿轮的搅油功率损失会增加而导致的。