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美国汽车工程师学会 文章编号：2011-01-0718发表于04/12/2011
汽车后驱动桥的热成像
Hai Xu, Avinash Singh ,Don Maddock ,Ahmet Kahraman and Joshua Hurley
通用汽车公司，俄亥俄州立大学
摘要
近年来，汽车生产商和供应商一直在为改进车辆传动效率做不懈努力。这是为了回应客户更好的车辆燃油经济性要求和日益严格的政府法规。汽车后桥是传动系统中的主要动力损失来源之一，因此代表了某一区域功率损失的改善对整体车辆燃油经济性有重大影响。摩擦引起的机械损失和自旋损耗因润滑剂工作温度变化而有很大差异。此外，轴承中的预载可能会因为温度波动而发生变化。润滑剂的温度，轮齿接触表面和轴承接触表面对整个车轴的功率损失，疲劳寿命和磨损性能至关重要。因此了解作为承受负载和传递速度功能的汽车后桥的温度变化是重要的。但是，对车轴热行为的定量了解是有限的，已发表的信息鲜有。本研究试图弥合这一缺口。
在本文中，汽车后驱动桥用于调查一定范围内由典型的EPA燃油经济性驾驶循环的速度和负荷条件的热行为和功率损失。测试轴在各种旋转和静止的组件上关键位置配备热电偶。无线遥测系统用于提取那些旋转热电偶的温度读数。轴测试运行在模拟风冷的测功机，测试直到润滑剂达到稳定状态。这些测试的发现将在本文中讨论。
引言
汽车驱动桥已经确定为传动系功率损失的主要来源之一【1】。它因此代表了一个潜在的动力损失减少会对整个车辆燃油经济性产生重大影响区域。后桥的动力损失主要来源于1）摩擦引起的载荷准双曲面齿轮啮合，轴承和密封件的机械损失;2）润滑剂泵搅拌和轴承预加载相关的旋转损失。运行条件下的功率损耗和在这些操作条件下达到的温度是相互依存的。机械损失（也称为与负载相关的损耗）和旋转损失（也称为负荷独立损失）随润滑剂的工作温度变化明显。此外，驱动桥和润滑剂温度上升本身是驱动桥动力损失产生热量的函数。温度变化也对轴承的预载荷有一个影响，进而影响轴承功率损失。润滑剂的工作温度与轮齿啮合和轴承处的润滑剂的温度升高也影响普通齿轮和轴承失效形式，如胶合，擦伤和磨损。因此，驱动桥的热行为对于效率和耐用性能的立场都是至关重要的。
进行精确的驱动桥损耗测量因为动力的微小差异必须精确确定而具有挑战性。自20世纪70年代以来，只有有限的几项测量驱动桥效率或功率损失的研究主要通过SAE出版物报道，【2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,9】。Hobson 【2】于1979年提出了一个实验室驱动桥效率测试程序作为SAE（美国机动车工程师学会）推荐的实验室初期工作的一部分的 【3】。他的测试结果包含各种驱动桥，润滑油和传动比并表明驱动桥效率对润滑剂的选用以及负载，速度和温度的变化非常敏感。 Porrett等人【4】开发了利用扭矩扫描的实验室驱动桥效率测试方法。测试驱动桥的差速器被锁定所以来自传动轴的所有动力都转移到了一个半轴。驱动桥动力损失由测量输入和输出的转矩和转速计算。润滑剂温度在每个测试点被控制。Katoh等人【5】提出了一个将驱动桥密封并浸入绝热水箱中利用量热仪来测量驱动桥功率损失的方法。功率损失通过测量的入口和出口水流温度和流量，假设所有的驱动桥功率损失都转化为热量排放。 Ko和Hosoi 【6】开发了一种方法从测得的润滑剂温度增量来计算驱动桥搅流损失，1988年，Winter和Wech 【7】使用了一种独特的准双曲线背靠背测试设备来研究驱动桥效率并说明了准双曲偏移和润滑剂对效率的影响。他们还报告说，基于他们的测试，合成润滑油可以显著提升驱动桥在高扭矩条件下效率，同时低粘度油无助于提高在高速范围内的效率。
图1.EPA驾驶循环驱动桥齿轮油池温度【8】
在已发表的文献中有一个缺口，直到2008年Anderson和Maddock[8]开发了驱动桥功率损失和效率的测试方法。作者提出了一个加载效率块循环，重复15次后中断驱动轴，之后作为效率测试循环运行另外三个循环。在所有这些研究【2,3,4,7-8】中，为了比较各种参数的影响，驱动轴运行油温严格控制在预定水平。然而，在车辆的实际运行中，实际的齿轮油温度水平可能与预设的有很大差异并且根据行驶条件而变化显著，如负载，速度和风速。
驱动桥润滑剂的流变特性在驱动桥热行为，效率和寿命等方面中起着重要作用， 可以找到有关开发或测试驱动桥流液的研究 【10，11，12，13，14，15，16，17，18，19】。这些研究的目的在于降低驱动桥工作油温或提高效率。使用低粘度油通常可以减少旋转损失和提高驱动桥效率，但其导致在高负荷时的温度会更高可能会对齿轮和轴承寿命产生不利影响。据悉，驱动桥效率和寿命都可以通过精心研制的需要根据具体情况量身定制的多级润滑油平衡或优化，先不讨论润滑剂的车桥，在一项关于后桥冷却性能的实验性研究中 ，Ogino et al【20】得出平整车辆底板降低气流阻力和阻止降低底板下风速是一个减少驱动桥齿轮油温的有效的方法。
这些前面提到的研究工作限制了它们在驱动桥功率损失或效率和油温的范围。驱动桥组件的温度变化，如齿轮和轴承温度，没有得到解决。车桥油温根据EPA驾驶循环显着的变化如图1 [8]所示 。图1显示了齿轮在美国环保局的城市周期起始油温约为70°F（约21°C），并于城市周期的结束时达到约120°F（约49°C）。在高速循环期间，齿轮油温持续上升并达到170°F以上（约77℃）。因此， 在EPA驾驶循环期间齿轮和轴承部位的预期温度变化可以很大。这些温度在特定的真实行驶条件下的全负荷车桥工作时将会更高并且这对不仅是功率损失期望而且持久性期望都是重要的。因此，理解车辆驱动桥的温度变化范围作为工作负载和车速的函数是重要的。
在本文中，我们将探讨汽车后桥的热敏特性，目标在于了解车桥的不同部位的温度分布，在给定的运行条件下达到稳态润滑剂温度和确定主要的驱动桥功率损失来源。 将使用车辆后驱动桥通过实验研究在典型的EPA燃油经济性驾驶循环一定范围的速度和负荷条件下热行为和功率损失。
测试方法
以前关于开发标准测试程序的研究【8】围绕着在严格控制恒定齿轮油温条件下的效率测量。本文中的研究是以前的工作的延伸相同的测功机配置在这里已调整，但油池温度允许升高。测功机配置的原理图如图2所示。如图所示，增加了三个鼓风机来模拟风冷。这些鼓风机放置在测试轴前面并面向差速器支架。吹风速度设置为模拟车辆底板下的风速。油温允许升高直至达到稳定状态。为了这项研究的目的，稳定状态由温度曲线的0.1°斜率定义，即每10分钟上升1°F（约0.56°C）。然后测试再继续运行一分钟以验证稳定状态已经达到。然
后外部冷却系统在开始下一步测试点之前开启以冷却润滑油。测试期间不使用外部液压系统。
图2.车桥热图测功机
本研究中其余测试使用的是与【8】中的相同的方法，所以在此仅作简要描述。车桥热图和功率损失测试是在配有开式差速器和电动机的“T”型测功机上进行的，以获得一个精确的车桥热图数值。一个开式差速器是用来模拟更真实的车桥操作条件，减震器控制用来限制速度差远远小于1 rpm。精密数字扭矩测量仪用于所有三个传动轴以便于精确测量转矩。系统的精度已研究并发现足以评估由于驱动桥改进导致的潜在的功率损失降低。测试台配置的细节，测量精度和可重复性可以在【8】中找到。没有载荷旋转损失测试，两个车桥输出轴空载并使用低容量扭矩计来精确测量捕获较小的旋转扭矩损失变化。
测试是在车辆后桥上进行的。四组热电偶安装在测试轴【21】上测量各种转速下的温度变化和固定轴组件。七个旋转热电偶安装在小齿轮齿（P1-2），小齿轮轴（P5）和小齿轮头和尾轴承内圈的位置（P3-4和P6-7）如图3所示。还有七个旋转热电偶安装在齿轮齿（D1-2）上的，差速器（D5）和差速器轴承内座圈位置（D3-4和D6-7），如图4所示。图5显示了九个载体盖上的热电偶（L1-9），其中L2对应载体盖的上侧，L6在下侧。图6通过不同视图说明了十五载体上的热电偶（C1-15），其中C1-4和C5-8安装在差速器轴承和小齿轮轴承外圈的位置。 C9-12位于在C13-15位于底部时，位于载体顶部。一个无线遥测系统被用来提取旋转热电偶P1-7和D1-7温度读数。旋转热电偶由仪器公司安装。高速数字数据采集系统是用于小齿轮热电偶P1-7。数据收集系统用于差速器壳和环形齿轮（D1-7）上的旋转热电偶，是基于微波的遥测系统。仪表轴如图7所示有关轴仪表和数据的采集和处理可以在[21]中找到。
图3.小齿轮上的旋转热电偶（P1-P7）
图4.环齿和差速器壳上的旋转热电偶（D1-D7）
图5.支架壳上的固定热电偶（L1-L9）
图6.壳体不同位置的固定热电偶（C1-C15）
图7. 壳体不同位置的固定热电偶（C1-C15）
无负载测试（也称为旋转损耗测试）和负载测试（也被称为效率测试）与仪表轴一起执行。 在无负载条件下，测试以四个小齿轮速度水平进行，即500,900,1600和2900rpm。 对于加载的测试，如测试时间表所示，图8（a）是基于标准的29/20测试开发的如图8（b）所示【8】中提出的时间表。 一共有九个测试点是29/20测试计划的子集。输入小齿轮的速度，扭矩和功率在这九个点上列在表1中。在执行测试计划之前，这一点车轴通过标准29/20循环多次进行磨合。
表1.9点加载测试时间表
图8.测试时间表a）本次研究的9点测试时间表，b）标准29/20测试时间表【8】
结果与讨论
旋转损失测试
在图9中，小齿轮速度和空载时的功率损失绘制出针对测试时间的45mph模拟风速的旋转损耗测试。 在每次测试开始时，功率损失处于最高水平，并逐渐下降直至达到稳定状态条件。 图10显示了相应的在四个小齿轮测试速度条件时驱动桥齿轮油温变化。 在每个速度下，齿轮油温首先迅速增加，然后逐渐增加当系统达到稳定状态时形成达到高水平。之后， 车桥被冷却到27°C左右，在开始下一个速度测试前，以300 rpm的小齿轮速度运转。
图9和图10清楚地显示了给定的运转条件下润滑剂温度和相应的旋转损失之间的相互依赖性。 在给定的速度下，旋转功率损失随着温度升高而降低。 图表也表明，正如预期的那样，旋转损失随着我们速度的增加而增加。 但存在润滑剂温度作为功率损失增加的后果而相应的增加，并且这具有减小功率损失幅度的效果。 这个效果显然不包括在恒温测试中，因此这些测试会在高速时高估旋转损失（当相比于真实世界的行驶条件）。 这些变化的温度测试因此添加了可用于估算车辆的实际功率损失的有用信息。
图9.空载45mph模拟风速旋转损失测试小齿轮速度和旋转功率损失
图10.空载45mph迷你风速旋转测试下车桥齿轮油温变化
图11显示了盖子上各位置热电偶的温度以及类似的轴上油液在这些速度下流动的速度，如通过聚碳酸酯表面所看到的【8】。载体盖上的温升基本上是由于随着环形齿轮携带油并将其抛出，油在壳体周围流动。伴随着齿圈转速的增加，油底壳油位下降。在图11（a#39;）中，在500 rpm时，齿圈开始带油并且有仍然是可见的油位，而在图（b#39;）中在2900rpm时，没有油位是可见的。测试结果表明所有载体盖的热电偶都比油更冷。但是，那温度读数确实证实了油流状况。表面上的最高温度位置随着速度变化。图11（a）和（b）是分别为500和2900 rpm的小齿轮速度表面温度读数。在500转，那里只有非常有限的油量达到载体上部位置，如图11（a#39;）所示。因此，更高载体位置的温度L2和L7低于温度较低的位置，L6和L9。热电偶L6具有最大值温度读数而热电偶L3在某个中间值。在2900转时，由于大部分油正在绕齿轮循环，L2和L7的温度变得接近L6的温度。 L7实际上成为在盖子上最热的位置而位置L3也变得比位置L9热。在这两种速度下，L1是最冷的位置，可能是因为没有太多油流到那个位置。
图12比较了空载旋转损失测试下齿轮油温与每个热电偶组的温度的最大值。 P7，D7，C7和L4代表每组的最高温度。 例如，小齿轮尾部轴承位置的热电偶P7比小齿轮和其他所有小齿轮轴承位置温度高。 D7和D6，差速器轴承右侧内圈上的两个热电偶，比齿轮齿更热且大约相同的温度，所以D7用来表示的这个比较的最大值。 这些结果使其有意义，即空载条件下齿轮齿上几乎不产生热量，但轴承有预载荷，因此摩擦引起了损失，即使在旋转损失测试中。
C7和C8，小齿轮头轴承外圈上的两个热电偶，具有相同的温度并且C7在图中使用。 简单起见，使用L4来表示盖子上的最高温度（L7在2900转最热，L4在900和1600时最热，而L6 在500转最热，其中的变化在图12中的差别是微不足道的）。 图12表明其中所有轴组件，D7具有最高温度并且是比齿轮油温度高约7°C。P7也是在各种速度下比齿轮油更热。载体盖始终低于油温。载体在低速（500rpm和900rpm）时比油温更热，而低于高速（1600rpm和2900rpm）时油温。
图11. 空载旋转损失测试45mph模拟风速a）500rpm和b）2900rpm时载体表面温度变化
图12.空载旋转损失测试45mph模拟风速齿轮油温和最高油温对比
图13. 空载旋转损失测试45mph模拟风速小齿轮温度变化
图14. 空载旋转损失测试45mph模拟风速齿轮和差速器壳温度变化
所有7个小齿轮热电偶的温度都来自空载旋转损耗测试如图13所示。虽然小齿轮尾部轴承位置P7高速时是最热的，每个测试点的温度变化范围不超过6°C。 在齿圈和差速器上，温度
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