开发试验及发展概况
传动产品开发试验，是指在传动产品设计开发过程中，在设计定型之前检验设计水平与工艺合理性所需进行的一系列试验。通过加工样机进行试验，验证、改进产品设计与工艺水平，在产品量产之前及时发现问题，提升产品的质量可靠性。
汽车变速器开发试验，总体分为台架试验和整车试验。台架试验在试验室中各种试验台上完成，主要包括耐久性试验和性能开发试验；整车试验一般在台架试验完成通过后进行，主要验证变速器在实际工况下的寿命、性能和可靠性。本文重点讲述台架试验。
台架开发试验包括两类：第一类为验证通过性试验，如整箱耐久性试验等；第二类为帮助发现问题和解决问题的试验，如综合性能试验、接触斑点试验、润滑性能试验、振动与噪声试验及换挡性能试验等。
- 第一类试验，如整箱耐久性试验是最耗时、成本最高的试验，且需要丰富的负载数据即载荷谱作为支撑。目前，国内先进的验证测试过程可模拟多种负载工况，完成这项试验的时间通常为4～6个月甚至更长。
- 第二类试验主要为性能试验，试验时间较短，可及时发现问题，更重要的是，通过前期进行第二类开发试验和基础试验，可以极大地提高整箱耐久性一次性通过率，减少整箱耐久性试验次数。
接触斑点试验可进行齿轮齿面载荷分布检测，并可用于齿轮装配后的齿轮螺旋线与齿廓精度的评估。在整箱耐久性试验之前进行接触斑点试验，可有效评价和调控齿轮的啮合品质，提高齿轮耐久性试验一次性通过率，节约试验时间和费用；在整箱耐久性试验之前进行润滑性能试验则可以有效地避免整箱试验中由于轴承润滑不足而导致的失效，同样可帮助提高整箱耐久性试验通过率。目前，接触斑点、润滑性能等试验技术已经逐步形成国家标准与企业规范，相应的国产试验台也已成熟应用（见图1）。
随着用户对产品舒适性重视程度的提高，振动和噪声试验越来越受到企业的关注。尤其在汽车行业，国际先进企业将20%的研发费用消耗在解决车辆的NVH问题上。我国在该领域与发达国家差距很大，目前国内建立起来的振动和噪声试验系统基本上引入了国外的成套装备，且核心技术受制于人。但可喜的是，国内少数研发能力较强的试验测试设备研发企业，已开始自主研制出面向解决 NVH问题的试验测试系统，包括齿轮传递误差试验台和NVH试验台。传递误差试验台技术水平已完全可以满足汽车变速器企业需求，NVH试验台的研制也在较快提升过程中，有望逐步替代进口。
目前，国内汽车传动企业普遍开展了第一类开发试验，对于第二类开发试验，大型汽车传动企业也已足够重视，各项试验装备已经较为普及，而部分企业对第二类开发试验重要性的认识有待提高。
耐久性试验
1.耐久性试验发展概述
汽车传动系统耐久性试验的主要目的是，在试验台上模拟传动系统在整车上将承受的载荷工况，对传动系统中的齿轮、轴承、同步器等关键零部件进行耐久性测试，验证产品是否能够满足设计目标，属于通过性试验，因此所有企业都会配备。
耐久性试验台主要包括整箱综合耐久性试验台和同步器耐久性试验台。整箱综合耐久性试验台主要针对齿轮、轴承耐久性进行测试，同时可以进行效率、密封、温度特性及高速高温等试验。结构形式分为机械封闭式和电封闭式两大类。
机械封闭的试验台，为实现机械上的封闭，需要两个被试件同时测试，两个被试件可能会互相干扰，因此目前已很少采用。在汽车行业，为保证试验结果的可靠性，传动系统整箱综合耐久试验台一般均采用双电动机或三电动机的电封闭形式，如图2所示。
对于普通转速条件下的变速器及驱动桥耐久性试验台，国内已完全具备研制能力。目前，国内有待发展的总成耐久性试验台，主要是用于新能源汽车减/变速器和总成的高转速试验台，一般转速要求在15 000r/min以上，因此提高了整个试验台的研制难度。在新能源汽车快速发展的推动下，国内已有部分科研院所开始了新能源汽车减/变速器总成试验台的研制，并少量投入使用。下面将就相关技术做一介绍。
2.新能源汽车传动系统耐久性试验技术与设备
新能源汽车用变速器耐久试验台，主要用于电动汽车减/变速器总成疲劳寿命试验和性能试验（包括变速器换挡性能试验、传动效率试验、变速器振动噪声试验、变速器温度特性试验及变速器密封性能测试试验等）。
该类试验台具有以下三个重要特点。
- 转速高 与传统自动和手动燃油车变速器相比，转速高是新能源汽车减/变速器的最大特点。试验台驱动电动机转速不低于15 000r/min，在汽车变速器试验台中属于最高级别的转速需求。因此，该试验台研制的关键是通过高速回转轴精密设计和优化试验台总体结构，降低试验台激振能量和提高试验台吸振、抗振能力，确保试验台在所有试验转速范围内不会产生共振和在强迫振动下的低振幅。
- 精度高 该类试验台一般需要进行效率等性能试验，因此转矩、转速测量精度和控制精度要求高。
- 可靠性高 由于变速器耐久试验台需要24h×7d连续运行，故无人值守的高可靠连续运转性能是其关键。因此需要在机械系统、电控系统和软件系统可靠性保证方面有扎实的技术基础和工程经验。
图3所示的新能源汽车减/变速器总成耐久性试验台，是国内某知名传动系统试验设备研制单位为国内第三方检测机构研制的。
该试验台代表了我国目前新能源汽车变速器试验台的先进水平，关键技术如下。
- 优化结构布局，保证试验台的高可靠性。充分考虑高速输入端和低速输出端的技术特点，针对高速输入端，实现高刚性设计，结构简单，有利于抑制高频振动。
- 通过仿真分析，实现试验台机械系统抗振设计。方案设计开始就采用CAE仿真分析软件对关键部件，如驱动端高速轴系，进行强度、刚度和振动模态分析和吸振能力分析，提高高速轴系回转精度、动平衡级别和台体、基座结构及重量，因此可以实现：有效避开共振区域，保证试验台轴系自身不会发生共振；减小不平衡产生的强迫振动激振力；减少试验台的整体振动响应及其对周边设施的影响。
- 高速回转轴精密设计与制造。针对15 000r/min高速主轴，回转精度将保证达到≥0.005mm及更高的高精度。
- 电动机支座高刚度设计。为保证试验台的高抗振性能，高速驱动电动机支座设计为一体化结构。
- 高可靠测控系统。采用专业软件进行系统安全等级设计分析。采用 PILZ PAScal SOFTWARE对试验台的安全性能进行设计分析，根据专业软件设计分析结果，结合试验台实际设计安全防护系统，保证人机安全，减少停机时间。
性能开发试验
汽车传动系统性能开发试验包括接触斑点试验、润滑试验、传递误差、NVH试验、效率试验、温度特性、高速高温及轴密封等。
其中效率试验、温度特性、高速高温及轴密封等总成性能试验，可以在耐久性试验台上完成。接触斑点试验、润滑试验、传递误差、NVH试验和换挡性能试验则需要专门的试验设备来完成。
下面将主要介绍接触斑点试验、润滑试验、NVH测试及换挡性能测试方法与试验设备。
1.接触斑点测试技术与设备
汽车变速器/驱动桥在实际工况载荷情况下，齿轮接触斑点的优劣，将直接影响齿轮的承载能力和噪声水平，因此对于任何一款新研发或改进的传动产品，必须首先进行变速器加载情况下的齿轮接触斑点试验。
汽车传动系统齿轮接触斑点试验，是生产企业进行传动系统正向开发和质量保障不可缺少的开发试验环节。汽车传动系统接触斑点试验旨在考核不同载荷水平下齿面接触的实际情况与变化规律，验证齿轮齿向修形、齿廓修形及系统变形等设计参数的合理性，并以此为基础找出齿形、轴系、壳体等整个变速器设计中的缺陷和不足，并通过改进设计，提升齿轮箱的承载能力和寿命，降低变速器的工作噪声（见图4）。
接触斑点试验台不仅可以完成上述接触斑点试验，还可用于变速器承载情况下的密封性检验，检查变速器在受载变形状态下是否存在漏油问题，以避免变速器在使用过程中的漏油现象。
接触斑点试验台的技术关键是：保证可以获得不同加载水平下的齿轮接触斑点。普通疲劳寿命试验台或性能试验台一般采用缓慢加载方式，所呈现的齿轮接触斑点是不同载荷水平下接触斑点的叠加，不仅不能反映不同加载水平下齿轮的实际接触印痕情况，还可能误导设计人员。
要获得不同载荷水平下齿面接触的实际情况与变化规律，变速器接触斑点试验台必须满足以下技术要求。
- 可以实现不同载荷水平的自由设定，能实现先加载、后起动，在试验过程中能保持同一载荷水平。
- 在满足很低的输入转速下，实现无级调速及稳定运转，使得试验时不必加入润滑油，便于齿面试验涂料的保护从而形成清晰的接触斑点。
作为一项汽车传动系统设计开发必须要做的试验，接触斑点试验已被众多汽车变速器企业所认可，国内已具备该类试验设备的研制能力，可以完全满足国内及外资企业需求。
针对用户需求，接触斑点试验台可采用电动机 摩擦制动器、双电动机或三电动机的整体布局结构。图5所示，汽车变速器齿轮接触斑点试验台是国内试验设备研发单位为国内汽车变速器企业自主研制的。
试验台具备以下技术特点。
- 单一转矩水平测试。为了获得待测转矩水平下的接触斑点，测试系统能够在开始运转前加载至待测转矩，测试得到的印痕不受加载过程中其他转矩水平印痕的影响，测试结果真实可靠。
- 稳定性好。试验台低速稳定性好，测试过程中能够保持转速、转矩稳定；转速稳定性优于±0.1r/min，转矩稳定性优于±1%FS。
- 零速带载起动。试验台配备高端变频控制器，通过专有矢量控制技术，实现大转矩带载起动。
- 高精转矩检测。试验台配备高精度转矩传感器，转矩测量精度±0.05%FS；转矩信号闭环反馈控制系统，实现精准控制。
- 试验转矩标定。试验台配备试验转矩标定系统，预先采集被试件各挡位转矩与控制电流的相关曲线并拟合，获得标定系数，实现测试过程中精准加载。
- 自主知识产权。试验台操作控制软件为自主研发，具有软件著作权。
- 支撑设计软件。试验台测试结果可用于齿轮设计模拟软件验证，实现对变速器NVH问题的主动预防，准确诊断和支撑齿轮及变速器设计。
2.润滑测试技术与设备
润滑试验在汽车传动产品开发过程中非常重要，是在进行疲劳寿命试验之前笔者强烈建议进行的一项试验。该试验的目的是检查变速器/驱动桥各回转部件（特别是轴承）是否工作在良好的润滑条件下。良好的润滑条件是这些零部件设计寿命计算时的假设条件，如果润滑条件达不到，则零部件寿命将严重缩短。也就是说，在进行疲劳寿命试验时，零部件将很快失效。但这种失效不是这些零部件寿命的真实反映。因此，要保证疲劳寿命试验能够准确地检测出变速器回转部件的真实寿命，必须首先进行润滑试验，检查和改进润滑情况，直至达到要求。
用于进行润滑试验的试验设备为倾斜润滑试验台，试验台需依据可模拟变速器在不同工况下的姿态和油温，进而测试变速器在不同姿态和油温下各轴承位和观察点的油量、流量和温升，用于新产品开发过程中进行润滑、温升特性和空载损耗功率试验。润滑试验台属于空载满转速试验台。
该类试验台国内已完全具备研制能力，图6所示为典型的汽车变速器润滑试验台。
3.振动/噪声（NVH）测试技术与设备
汽车传动系统NVH试验的目的是测试其振动/噪声特性，包括振动/噪声的实际声压级、噪声场及其与机械参数和电参数的关系等，用于分析和研究振动/噪声源、频谱与能量分布、声品质（响度、尖锐度等）、激励响应与传播、相关参数的相互影响和内在规律，结合传递误差测试机相关数据处理软件，对传动系统振动/噪声产生的根源进行诊断，为降低产品振动/噪声水平或出现概率、优化系统设计及提高动力总成的舒适性提供基础数据和研究手段。
NVH测试时，被试件应置于消声室内的抗振地基上，试验台驱动、加载设备原则上应处于消声室之外，通过穿墙长轴实现驱动和加载，驱动、加载设备的噪声及振动需做到有效隔离。而且，为了全面测试各种工况下传动系统的振动噪声情况，试验系统加载、运转能力需要能够覆盖被试件整个转矩、转速范围，因此为满功率试验测试系统，功率水平与整箱综合耐久性试验台相同。
由于需要穿墙长轴系设计，研制难度相比耐久性试验台难度高。特别是对于新能源汽车减/变速器NVH测试所需高转速测试系统，其技术难度更高。因此该领域目前以国外进口设备为主。国内企业已成功研制出了6000r/min以下普通转速NVH试验系统，并开始研制16 000～20 000r/min的新能源汽车传动系统NVH试验台。
图7所示如典型NVH试验系统组成原理示意图。
作者： 张敬彩
单位: 中国机械科学研究总院集团有限公司
本文已在《汽车工艺师》杂志
2022 年 第四期 “汽车观察” 栏目 P20-P26 发表。
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