第２期（总第１９５期） ２０１６年４月 机械工程与自动化 ＭＥＣＨ ＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴ【）ＭＡＴＩ（）Ｎ Ｎｏ．２ Ａｐｒ． 文章编号：１６７２—６４１３（２０１６）０２—０１５６－０２ 变速器拖曳扭矩的测试方法研究与应用 王顺利，刘 义，杨 林，张发勇 （陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西 西安 ７ｌＯｌ１９） 摘要：从理论上对目前常用的两个拖曳扭矩测试方法进行了详细介绍和推理，并验证了其合理性，同时给出 了两种测试方法的具体测试步骤，有利于对拖曳扭矩的准确测量和统一标准的制定。 关键词：拖曳扭矩；变速器；测试方法 中图分类号：Ｕ４６３．２ｌ２ 文献标识码：Ａ ０ 引言 变速器的换档性能直接决定着车辆换档的柔和性 和轻便性，而变速器换档性能的理论分析和设计计算 要尽可能地接近实际，就必须考虑各种因素对其的影 响，否则，将只具有定性的指导意义＿】ｊ。因此，研究变 速器换档规律，以及各种因素对变速器换档性能的影 响意义重大。其中拖曳扭矩就是影响变速器换档性能 的关键因素之一，如何准确地测量拖曳扭矩，目前没有 统一的标准，也存在很大的分歧。本文详细介绍目前 普遍采用的拖曳扭矩测试方法，从原理上对其测量方 法进行了分析，指出了各种方法的合理性和局限性，并 在实际的产品设计中予以应用。 １拖曳扭矩 转速计算法，本文将其命名为扭矩平衡试验法和自由 降速法。 ２．１扭矩平衡试验法 图１为扭矩平衡试验法的试验台架。主要由驱动 电机、扭矩测量仪、试验台支架和被试件（变速器）组成。 机 众所周知，变速器的换档性能主要决定于同步器 的容量、变速器转动零件的转动惯量和各档速比、匹配 的离合器从动盘惯量、发动机转速等因素，但在上述因 素确定的情况下，变速器内各种阻力的大小将影响同 步器换档性能的发挥。变速器内的阻力包括齿轮等转 动零件的搅油阻力、轴承阻力和变速器内的空气阻力 等。毫无疑问，上述阻力的数值较小，而且差异较大， 要单独测量难度较大，且也无必要，因为上述各阻力对 换档性能的发挥都起负面作用，所以可以通过测量其 代数和的方式来研究对换档性能的影响。关于这方面 的论述，很多文献中都有Ｌ２ ］，因此拖曳扭矩作为衡量 上述各种阻力对换档性能综合影响的指标被定义出 来。所谓拖曳扭矩，也就是变速器内所有能够使转动 零件的转速下降的阻力矩的合力矩，如式（１）所示： Ｔ，＝＝＝ ＋Ｔ ＋ ＋…． （１） 仪 图１ 扭矩平衡试验法的试验台架 其中：Ｔ，为拖曳扭矩；丁，为搅油阻力矩；Ｔ 为轴承阻 力矩；Ｌ为空气阻力矩。 ２拖曳扭矩测试方法与应用 目前关于拖曳扭矩的测量尚无统一的方法，按现 有方法进行分类，可将其归为直接扭矩测量法和间接 收稿日期：２０１５—０６—１２；修订日期：２０１６—０１—２５ 试验步骤如下： （１）将变速器安装于试验台架上，倾角为０，主箱 挂空档。 （２）设定驱动电机的转速，将变速器油温升至规 定温度（如８０℃）。 （３）将变速器输入端驱动电机的转速分别设定为 ６００ ｒ／ｍｉｎ、８Ｏ０ ｒ／ｍｉｎ、１ ０００ ｒ／ｍｉｎ、…、２ ４００ ｒ／ｍｉｎ， 并使台架匀速转动，在以上各转速条件下，分别运转 １５ Ｓ，并间隔１ ｓ采集一次扭矩测量仪的数据（共１５组 扭矩值）。用统计学的方法计算其算术平均值，作为该 转速条件下变速器的输入扭矩。 （４）对步骤（３）中测试并计算得到的输入扭矩值 进行整理，得到表１的转速一输入扭矩关系。 （５）根据匀速运动的力矩平衡原理可知，步骤（３） 中的输入扭矩即等于变速器的拖曳扭矩，即表１中各 转速下变速器的拖曳扭矩。 （６）将表１中的各数据按对数关系进行拟合，即 可得到该变速器的转速一拖曳扭矩关系曲线（对数扭 作者简介：王顺利（１９６３一），男，陕西西安人，高级工程师，本科，主要从事变速器及汽车传动系设计。 ２０１６年第２期 王顺利，等：变速器拖曳扭矩的测试方法研究与应用 ·１５７· 矩），如图２所示。 表１转速一输入扭矩关系 转速（ｒ·ｒａｉｎ ） 输入扭矩（Ｎｍ） 转速（ｒ·ｍｉｎ ） 输入扭矩（Ｎｍ） ６００ ８００ ２．２ 自由降速法 ２．６４１ ３．Ｏ５５ １ ６００ １ ８００ ４．８５ｌ ５．１２ｌ １ ０００ １ ２００ １ ４００ ３．６６７ ４．０８５ ４．５９３ ２ ０００ ２ ２００ ２ ４００ ５．２６９ ５．５６５ ５．９１２ 该方法使用标准的变速器总成换档性能试验台 架，如图３所示。该台架包括左侧的驱动端（包括模拟 整车惯量的飞轮、驱动电机、扭矩测量仪及传动轴等）、 选换档机构、被试件（变速器）和右侧的输入轴转速测 量机构等；虚框中的搅油电机等为可选组件，在主副箱 结构的变速器后副箱同步器试验中才会使用，本实验 不需要。 表１和图２是某款６速重型变速器的拖曳扭矩测 试的实测数据。从以上数据和曲线可以看出：拖曳扭 矩随着转速的升高而增大。 在分析换档性能时，将图２所示的转速一拖曳扭 矩关系代入分析模型，将使得换档性能的计算值非常 接近试验实测值。在简单计算时，取各档位在经济转 速（约１ ４５０ ｒ／ｍｉｎ）时对应的拖曳扭矩替代整个换档 过程的拖曳扭矩，可以快速、简单地计算同步器的换档 性能，并且其计算值与实测值也具有很高的一致性。 目 Ｚ ＼ 辑 转速／（ｒ·ｍｉｎ ） 图２转速一拖曳扭矩关系曲线 固定飞轮 可拆飞轮 图３变速箱总成同步器换档性能试验台 其试验步骤如下： （１）将变速器（试件）安装于试验台上，倾角为０， 采用后驱方式，在变速器输入轴上安装已知惯量的实 车离合器从动盘或模拟惯量盘。 （２）将变速器挂入某档位（如５档），设定试验台 架的驱动转速（该转速无特殊要求），进行搅油升温，直 到变速器的油温达到指定温度（如８０℃），并稳定。 （３）将变速器挂入某档位（如３档），根据该档速 比ｉ和式（２）重新设定试验台架的驱动转速 。（即变速 器输出轴的转速）： ｎ ——－： 均斜率Ｋ，并设 （ｋｇ·ｍ。）为离合器从动盘惯量Ｊ （ｋｇ·ｍ ）和变速器所有转动零件转换到其输入轴上 的转动惯量Ｊ （ｋｇ·ｍ。）之和，则： Ｋ一 ｃ ＋瓮＋瓮 ． ㈣ Ｊ—ｊ ｃ＋ｊ ｇ 其中：Ａｎ 、Ａｎ。、Ａｎ。分别为３组测量的转速差，一般 取从２ ０００ ｒ／ｍｉｎ到１ ０００ ｒ／ｍｉｎ的转速差；ＡＴ１、△ 和△ 分别为３组转速差对应的时间差，ｍｓ。则拖曳 扭矩计算公式为： Ｔｆ：＝＝ · ． （５） ． ． （２）Ｌ Ｚ （４）待转速稳定后，将变速器摘至空档，使变速器 自由降速至怠速，测量并记录变速器输入轴转速随时 间的下降曲线，如图４所示。 ２ ２ １ １ ｘ ．ｓ ＼ 埤 ０ 时间／ｉｓ 根据上述测试步骤和分析方法，对某轻型变速器 （３档）进行了拖曳扭矩的相关测试，得到该变速器在 ８Ｏ℃油温下的拖曳扭矩值为１．９８ Ｎ·ｍ（转化到输入 轴处）。 由图４和式（５）可以得出：在高转速范围段内曲线 的斜率较大，拖曳扭矩值也较大，而随着转速的降低， 斜率逐渐变小，拖曳扭矩值也在减小。这与扭矩平衡 试验法的测量结果相吻合，并与定性分析结果相一致。 根据上述分析可知，因为在拖曳扭矩的计算公式 中没有与相关档位速比的联系，所以对某款变速器而 图４输入轴转速随时间下降的曲线 （５）重新挂人该档位，重复步骤（４）的操作，测得３ 组以上类似图４所示的数据和曲线。 （６）将变速器分别挂人其他档位，重复步骤（３）～ （５）的操作，可分别得到由各档位摘到空档时变速器输 入轴转速随时间下降的曲线。 根据步骤（５）中测量的数据和曲线，得到曲线的平 言，采用自由降速法测量拖曳扭矩时，不管使用哪个档 位进行测量，拖曳扭矩都应相等。然而，由于在不同档 位时变速器的振动、润滑及摩擦状态不同，测量出的拖 曳扭矩会有稍许差异。所以可以看到２种测试方法都 可以较为准确地测量拖曳扭矩，但也存在各自的优势 和缺点： （下转第１６Ｏ页） · １６Ｏ · 机械工程与自动化 ２０１６年第２期 当裂纹超过２０ ｍｍ后，裂纹的扩展速率明显加快，因 此应对大于２０ ｒｎｒｎ的裂纹重点监控。 ５ 结语 （１）预测裂纹的形成寿命十分重要，如果这可以 Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎｇ－ｙｏｎｇ，ＰＥＮＧ Ｗｅｉ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｈａｎｄｌｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｃｒａｎｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅｒｎ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｃｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｒｏｕｔｅ ｗａｓ ｄｅｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ａｎｄ ｓｏｍｅ ｔｈｅｏｒｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗａｓ ｄｏｎｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｏｕｔｅ．Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｎｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ，ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｌｉｆｅ ｗａｓ ｄｅｄｕｃｅｄ ｕｓｉｎｇ ｄａｍａｇｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｇｒｏｗｔｈ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｅ ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｌｉｆｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｎｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｅｓｔｉ— ｍａｔｅｄ ｍｏｒｅ ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ．Ｉｔ ｈａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｍｅａｎｉｎｇ ｆｏｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｄａｍａｇｅ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｏｆ ｃｒａｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｒａｎｅ ｂｏｘ ｇｉｒｄｅｒ；ｆａｔｉｇｕｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ；ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ；ｃｒａｎｅ （上接第１５７页） （１）扭矩平衡法是一种直接测量法，具有易于理 解、台架简单、试验前无需知道变速器零件的转动惯量 值等优势，但存在对测试仪器分辨率要求高、测试误差 变化大、测试过程长等缺点。该方法适合中小企业对 拖曳扭矩较大的中重型变速器的拖曳扭矩的测量。 （２）自由降速法是一种间接测量法，具有测试方 法简单、测试时间短、对仪器精度要求较低等优点，但 台架相对复杂，且试验前需要有准确的变速器零件的转 动惯量值。该方法更适合大型企业和研究机构对各种 变速器（尤其是轻微型变速器）的理论研究和设计分析。 ３结语 本文对提出的扭矩平衡法和自由降速法进行了详 细介绍、分析、对比和验证，得出的拖曳扭矩与转速、档 位的一些关系具有普遍意义，有利于两种方法在业界 的应用与普及。 参考文献： ［１］张发勇．同步器常用概念及其在设计中的应用［Ｊ］．机械 工程与自动化，２０１０（３）：２０３—２０４． ［２］刘惟信．汽车设计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００１． ［３３ 申永胜．机械原理教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社， １９９９． ［４］ 黄旦中．轿车变速器同步器设计和研究［Ｄ］．上海：同济大 学，２００２：１—４． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｄｒａｇ Ｔｏｒｑｕｅ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ＷＡＮＧ Ｓｈｕｎ－ｌｉ，ＬＩＵ Ｙｉ，ＹＡＮＧ Ｌｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ｆａ－ｙｏｎｇ （Ｓｈａａｎｘｉ Ｆａｓｔ Ｇｅａｒ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ’ａｎ ７ｉ０１１９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａＰｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａｎｄ ｄｅｄｕｃｅｓ ｔｗｏ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｄｒａｇ ｔｏｒｑｕｅ ｉｎ ｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅｉｒ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ· Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ Ｄｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔＷＯ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｂｅｎｅｆｉｔ ｔｈｅ ｅｘａｃｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｒａｇ ｔｏｒｑｕ ａｎｄ ｍａｋｅ ａ ｕｎｉｔｅｄ ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｄｒａｇ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｒａｇ ｔｏｒｑｕｅ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ
