郜可峰，張祥平，劉芳

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

0 引言

20世紀(jì)30年代末，液壓和液力傳動(dòng)在汽車上的應(yīng)用催發(fā)了真正意義上的汽車自動(dòng)變速箱的出現(xiàn)。自汽車自動(dòng)變速箱發(fā)明以來(lái)，液控變速箱一直是自動(dòng)變速箱發(fā)展的主流。到20世紀(jì)70-80年代后，隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，電液控制變速箱得到很快的發(fā)展。因液壓傳動(dòng)平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合電子控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，電液控制自動(dòng)變速箱一直占據(jù)著自動(dòng)變速箱的主流。

作為電液控制自動(dòng)變速箱的重要傳動(dòng)和控制媒介，自動(dòng)變速箱油(ATF)在自動(dòng)變速箱中有著至關(guān)重要的作用。油液的清潔度對(duì)于變速箱的多項(xiàng)指標(biāo)都有重要的影響。有關(guān)資料表明：電液控制變速箱的整機(jī)故障中，50%～60%都直接或間接與變速箱油的污染有關(guān)。常見(jiàn)的主要危害有：

(1)加速零件的磨損，降低變速箱內(nèi)部零部件的使用壽命，從而影響整機(jī)的壽命；

(2)損傷閥等液壓件的運(yùn)動(dòng)間隙面等，增加泄漏，影響系統(tǒng)的效率和性能；

(3)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)類液壓件，如油泵、電磁閥等元件運(yùn)動(dòng)卡滯或卡死，使其功能喪失，直接影響到整車，甚至帶來(lái)安全問(wèn)題。

鑒于以上原因，為降低油品污染對(duì)變速箱帶來(lái)的影響，變速箱的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，都設(shè)計(jì)有自己的過(guò)濾系統(tǒng)，以盡可能地降低油品污染帶來(lái)的負(fù)面影響。

1 自動(dòng)變速箱常見(jiàn)的過(guò)濾系統(tǒng)類型

自動(dòng)變速箱是集成了許多齒輪、軸承、軸等運(yùn)動(dòng)機(jī)械件、離合器、殼體、駐車機(jī)構(gòu)和電液控制零部件等的復(fù)雜系統(tǒng)。在各零部件生產(chǎn)過(guò)程中和使用生命周期內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生大量的金屬和非金屬雜質(zhì)。這些雜質(zhì)在油液的環(huán)境下，會(huì)隨著油液的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入到各個(gè)可能的地方。

為避免油品污染危害的發(fā)生，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)自動(dòng)變速箱過(guò)程中，過(guò)濾系統(tǒng)作為液壓控制的核心子系統(tǒng)需要進(jìn)行充分的考慮和驗(yàn)證。自動(dòng)變速箱上，過(guò)濾系統(tǒng)集中體現(xiàn)在過(guò)濾器零部件上。過(guò)濾器形式繁多，在自動(dòng)變速箱上，因結(jié)構(gòu)布置和功能需求等原因，按照安裝位置和功能分，常見(jiàn)的過(guò)濾系統(tǒng)有以下幾種類型：吸入式濾油器、壓力側(cè)濾油器和窗式濾油器(集成安裝在其他零件上)，如圖1所示。

類型的選擇和定義通常受到以下條件的制約：核心元器件的工作環(huán)境要求，空間結(jié)構(gòu)布置，污染物的來(lái)源與類型。通常盤式過(guò)濾器布置在變速箱底部，卷筒式過(guò)濾器布置在變速箱旁邊壓力油路中，集成式過(guò)濾器布置在自動(dòng)變速箱中核心零部件或模塊上。

過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按原理分為分流過(guò)濾、串聯(lián)過(guò)濾和并聯(lián)過(guò)濾3種形式。分流過(guò)濾是使系統(tǒng)中部分油液通過(guò)系統(tǒng)。串聯(lián)過(guò)濾是分級(jí)設(shè)置過(guò)濾器，通常上游設(shè)置較低精度過(guò)濾器，下游設(shè)置較高精度過(guò)濾器，減輕后級(jí)過(guò)濾的負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。并聯(lián)過(guò)濾是組合式并聯(lián)設(shè)置過(guò)濾器，滿足系統(tǒng)的流量要求。在系統(tǒng)的形式定義明確后，過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求集中體現(xiàn)在過(guò)濾器零部件上。過(guò)濾器的技術(shù)參數(shù)規(guī)范直接影響過(guò)濾效果。通常，過(guò)濾器的 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)指標(biāo)有下：

(1)過(guò)濾精度。分為名義精度和絕對(duì)精度，其中名義精度是指過(guò)濾器對(duì)大于某一大小的顆粒數(shù)過(guò)濾能力達(dá)到98%的精度；絕對(duì)精度是指能夠通過(guò)過(guò)濾器的最大球形顆粒尺寸。其選擇和定義通常根據(jù)良好、中等、不良和惡劣4個(gè)等級(jí)來(lái)考慮。

(2) 過(guò)濾效率。是指被濾除的污染物數(shù)目與濾除前的污染物數(shù)量之比的百分?jǐn)?shù)。

(3)過(guò)濾比。又名β率，是目前廣泛使用的一個(gè)參數(shù)，指上游油液?jiǎn)挝惑w積中大于某一給定尺寸的污染物粒數(shù)與下游同一尺寸的顆粒物之比，如圖2所示。

計(jì)算公式：

(1)

(4)允許壓力降。用Pa來(lái)計(jì)量；

(5)納垢容量。通常用g來(lái)計(jì)量；

(6)過(guò)濾能力。也叫通流能力，在一定壓差下的最大流量；

(7)工作壓力。過(guò)濾器允許工作的最高壓力；

(8)旁通閥開(kāi)啟壓力等。

在過(guò)濾器的設(shè)計(jì)中，過(guò)濾器的能力直接取決于濾芯的過(guò)濾面積、濾芯自身的材料特性、油品的黏度、濾芯前后壓差和油中污染物程度。在其他參數(shù)基本確定情況下，濾芯的面積是過(guò)濾器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，其設(shè)計(jì)選擇如下:

(2)

式中：A為濾網(wǎng)的面積，m2;

Q為系統(tǒng)設(shè)計(jì)額定流量，L/min;

μ為油液黏度，Pa·s;

α為濾芯材料的單位過(guò)濾能力,L/cm2;

Δp為壓力差，Pa。

2 汽車自動(dòng)變速箱過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

因汽車自動(dòng)變速箱過(guò)濾系統(tǒng)的特殊性(結(jié)構(gòu)空間緊湊、精度要求高等)，在進(jìn)行過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要滿足以下要求：

(1)滿足自動(dòng)變速箱液壓系統(tǒng)及其子零件的要求，包括功能、性能;

(2)具有足夠大的過(guò)濾能力和足夠小的壓力損失;

(3)過(guò)濾器自身及其罩殼的具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和有在極限條件下的抗油壓破壞能力，并視需要設(shè)置旁通閥;

(4)對(duì)ATF油品的抗腐蝕性和兼容性;

(5)不同溫度條件下的穩(wěn)定性;

(6)結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單緊湊，便于在變速箱上的布置;

(7)便于維修、更換。

3 油品污染的實(shí)際工程案例

在自動(dòng)變速箱的開(kāi)發(fā)中，油品污染帶來(lái)自動(dòng)變速箱最直接的致命傷害性元器件通常為油泵和電磁閥，重則帶來(lái)泵卡滯或卡死，直接使車輛自動(dòng)變速箱喪失動(dòng)力，輕則帶來(lái)效率的下降、泄漏加大等。而后者直接使閥喪失操控性。在某一款自動(dòng)變速箱開(kāi)發(fā)中，液壓系統(tǒng)、電磁閥對(duì)控制油液的清潔度要求為ISO21/16/13等級(jí)(依照ISO4406標(biāo)準(zhǔn))，對(duì)等于Nas 1638 7級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。采用較清潔的油液(NAS 7級(jí))和較臟的油液(NAS 10級(jí))環(huán)境在相同的溫度和條件下進(jìn)行測(cè)試，電磁閥的對(duì)比控制曲線如圖3和圖4所示。

測(cè)試和試驗(yàn)表明：當(dāng)油品發(fā)生污染、無(wú)法滿足電磁閥的工作環(huán)境要求時(shí)，電磁閥的控制電流根本無(wú)法控制其輸出壓力。其原因是閥芯的運(yùn)動(dòng)受到雜質(zhì)顆粒物的嚴(yán)重干擾。若發(fā)生在車輛變速箱上，將嚴(yán)重影響車輛的換檔過(guò)程、駕駛操控，在特定工況下將直接影響人車安全。

下面結(jié)合自動(dòng)變速箱開(kāi)發(fā)中的一個(gè)具體案例來(lái)說(shuō)明過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：在某款自動(dòng)變速箱的液控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，液壓油與潤(rùn)滑油品共用，總量約3 L，系統(tǒng)采用液壓蓄能裝置，系統(tǒng)的額定流量為2 L/min，最大的允許壓力降為10 000 Pa,系統(tǒng)前段采用高壓小排量泵，對(duì)油品的清潔度要求為Nas1638 標(biāo)準(zhǔn) 10級(jí)，后段采用插裝式電磁閥，精度要求為Nas1638標(biāo)準(zhǔn)7級(jí)，為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)濾系統(tǒng)。

分析：由于液壓油與潤(rùn)滑油共用，齒輪軸系在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程會(huì)生成大量的金屬顆粒物進(jìn)入油液，且系統(tǒng)不同級(jí)段對(duì)過(guò)濾的精度等級(jí)要求差異很大，同時(shí)涉及到整車的壽命，因而，該過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用分級(jí)串聯(lián)過(guò)濾形式。下級(jí)采用網(wǎng)式濾清器，上級(jí)采用卷筒式濾清器。因?yàn)橛鸵涸谑褂眠^(guò)程中不停地循環(huán)，因而系統(tǒng)為循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)。根據(jù)液壓系統(tǒng)的要求，前端下級(jí)網(wǎng)式過(guò)濾器的精度要求為50～90 μm (設(shè)計(jì)按90 μm進(jìn)行)，后端上級(jí)的精度要求為5～10 μm(因已經(jīng)有一級(jí)分擔(dān)，設(shè)計(jì)按5 μm進(jìn)行)。選取過(guò)濾的材質(zhì)，根據(jù)耐久性需求并根據(jù)公式(1)

計(jì)算出所需過(guò)濾器的作用面積，并根據(jù)過(guò)濾器在變速箱中的結(jié)構(gòu)布置空間設(shè)計(jì)過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)形狀。

結(jié)合以上分析過(guò)程，過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

(1)過(guò)濾系統(tǒng)的原理形式選擇；

(2)過(guò)濾系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式定義；

(3)過(guò)濾系統(tǒng)的精度定義；

(4)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的計(jì)算；

(5)過(guò)濾器的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

此例中的過(guò)濾系統(tǒng)原理布置圖如圖5所示。

4 自動(dòng)變速箱過(guò)濾系統(tǒng)的試驗(yàn)

自動(dòng)變速箱過(guò)濾系統(tǒng)的試驗(yàn)通常分為零部件試驗(yàn)、變速箱總成試驗(yàn)和整車試驗(yàn)3個(gè)等級(jí)。其中，主要的零部件試驗(yàn)和對(duì)應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 過(guò)濾系統(tǒng)零件主要試驗(yàn)內(nèi)容

針對(duì)上文案例中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，對(duì)一級(jí)過(guò)濾后和二級(jí)過(guò)濾后的油液進(jìn)行測(cè)試，對(duì)不同粒子的測(cè)試分析結(jié)果如圖6—7所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：該過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)吸濾精度為90 μm，隨顆粒變大，過(guò)濾效率明顯增加，顆粒大小為50 μm時(shí)，借助表面吸附作用，效率已達(dá)50%～80%。對(duì)取樣過(guò)濾后油液測(cè)試表明，可以滿足油泵要求的Nas1638 標(biāo)準(zhǔn) 10級(jí)；從壓濾試驗(yàn)可以看到：當(dāng)精度為5 μm時(shí)，過(guò)濾效率為99.8%，對(duì)于大于20 μm的顆粒過(guò)濾精度為100%，過(guò)濾后的油液清潔度測(cè)量結(jié)果顯示達(dá)到Nas1638標(biāo)準(zhǔn)7級(jí)精度要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的分級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)能有效保證系統(tǒng)要求。

以上的試驗(yàn)內(nèi)容項(xiàng)中，過(guò)濾效率和能力的試驗(yàn)是在多循環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行的，對(duì)于工作環(huán)境較惡劣或是對(duì)清潔度非常敏感的系統(tǒng)，起初的油液環(huán)境和污染會(huì)直接傷害液壓系統(tǒng)的性能或?qū)е潞诵牧悴考АＲ虼藛未瓮ㄟ^(guò)過(guò)濾效率試驗(yàn)(Single Pass Test)也是直接考核過(guò)濾系統(tǒng)能力的一個(gè)重要試驗(yàn)方法。如表2所示，相同程度的Nas 1638標(biāo)準(zhǔn)11 級(jí)原始油，10 μm的過(guò)濾器與5 μm的過(guò)濾器的對(duì)比單次通過(guò)性試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。

從試驗(yàn)結(jié)果看：對(duì)循環(huán)油路系統(tǒng)，既使多次通過(guò)試驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到相近的過(guò)濾效果，不同過(guò)濾精度的過(guò)濾器單次通過(guò)過(guò)濾效果和能力差異卻相差很大。對(duì)敏感的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)和定義過(guò)程中，除了考慮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)試驗(yàn)外，單次通過(guò)效率試驗(yàn)亦非常重要。

整機(jī)的耐久試驗(yàn)和整車的耐久試驗(yàn)通常作為自動(dòng)變速箱過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效性的必要和有效考核手段。在考核過(guò)程中，階段性地對(duì)油品的理化特性和污染程度進(jìn)行分析，用以支持過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考核。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)束后，需要對(duì)過(guò)濾器的過(guò)濾能力、納垢容量等指標(biāo)進(jìn)行分析，通常，這需要專業(yè)的過(guò)濾器制造商來(lái)完成。

表2 10 μm過(guò)濾器與5 μm過(guò)濾器的單次通過(guò)性試驗(yàn)對(duì)比

5 自動(dòng)變速箱油品清潔度污染控制的輔助措施

過(guò)濾系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和驗(yàn)證能很好地起到防止液壓系統(tǒng)因油品污染帶來(lái)的問(wèn)題。然而，要想徹底避免問(wèn)題，單靠過(guò)濾系統(tǒng)還不夠。在變速箱的子零件設(shè)計(jì)和制造、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、裝配和測(cè)試的各個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)盡可能地避免和減少油品的污染。以下作為自動(dòng)變速箱在開(kāi)發(fā)中的有效方法：

(1)設(shè)計(jì)上，盡可能減少長(zhǎng)彎折的油道，盡量不要把摩擦性強(qiáng)的零件設(shè)計(jì)在變速箱的濕腔，盡可能少用難脫屑的機(jī)加工金屬材料；

(2)制造上，提高閥體等零件的制造質(zhì)量。改進(jìn)閥體油道的加工工藝，使閥體油道在加工過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺和加工缺陷大幅減少，并加強(qiáng)清洗、檢測(cè)等防止毛刺金屬屑的產(chǎn)生。同時(shí)改進(jìn)齒軸類等零件的清洗等清潔度控制；

(3)裝配上，加強(qiáng)裝配環(huán)境和工具方法的管理，避免過(guò)程污染。同時(shí)注意油品的管理，新油入庫(kù)前進(jìn)行檢測(cè)，取油時(shí)注意取油器具的清潔和取油方法的規(guī)范；油品注意密閉保存，且存放溫度需控制適當(dāng)；定期對(duì)庫(kù)存油料進(jìn)行取樣化驗(yàn)等。

(4)檢測(cè)上，整機(jī)下線檢測(cè)，對(duì)整機(jī)進(jìn)行一定循環(huán)數(shù)的磨合，同時(shí)進(jìn)行油液的循環(huán)過(guò)濾，使齒軸、殼體及其他零件表面及在磨合中產(chǎn)生的雜質(zhì)進(jìn)入油液中。磨合結(jié)束后，將較臟的油液從變速箱中放出，起到前期有效降低污染的作用。

(5)使用上，根據(jù)使用環(huán)境和工況的不同，一般的自動(dòng)變速箱的油品和過(guò)濾器需要在6～10萬(wàn)公里進(jìn)行一次更換。今年來(lái)，許多廠家開(kāi)發(fā)出車輛終生免維護(hù)的過(guò)濾系統(tǒng)和油品。但車輛在使用過(guò)程中產(chǎn)生的油品污染和油品的老化問(wèn)題在所難免，為安全和性能的有效保證，建議該種車輛自動(dòng)變速箱在10-12萬(wàn)公里進(jìn)行一次油品和過(guò)濾系統(tǒng)的更換。若過(guò)濾系統(tǒng)的布置不方便進(jìn)行售后的更換，至少進(jìn)行油品的更換。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于某自動(dòng)變速箱的開(kāi)發(fā)實(shí)例，分析了油品污染對(duì)自動(dòng)變速箱液壓系統(tǒng)的危害。說(shuō)明了過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)變速箱的重要性，同時(shí)分析了自動(dòng)變速箱的過(guò)濾系統(tǒng)類型和關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。之后，結(jié)合實(shí)例，闡明了自動(dòng)變速箱過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。并結(jié)合實(shí)際案例，說(shuō)明了自動(dòng)變速箱過(guò)濾系統(tǒng)的試驗(yàn)開(kāi)發(fā)過(guò)程。最后，簡(jiǎn)要說(shuō)明了除過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，進(jìn)行自動(dòng)變速箱油品污染控制的其他輔助手段。文中研究?jī)?nèi)容對(duì)自動(dòng)變速箱過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及整機(jī)開(kāi)發(fā)具有直接的借鑒和指導(dǎo)意義。

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