張　雄，趙江靈，吳為理，許永亮

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院， 廣州　511434)

?

一種耦合機(jī)構(gòu)的冷卻系統(tǒng)

張雄，趙江靈，吳為理，許永亮

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院， 廣州511434)

摘要：為測(cè)試在不同油溫、轉(zhuǎn)速條件下低壓油泵的外循環(huán)流量、壓力、功耗等工況參數(shù)，開(kāi)發(fā)了一款新型的混合動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)集冷卻、潤(rùn)滑功能于一體，形成高集成度的冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用機(jī)械泵和電動(dòng)油泵作為冷卻潤(rùn)滑的動(dòng)力源。通過(guò)液壓模塊分配冷卻液的流量及流速，再通過(guò)噴油管噴油和齒輪攪油來(lái)對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行冷卻?？蔀橛捅每刂破鞯臉?biāo)定、開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：冷卻潤(rùn)滑；耦合機(jī)構(gòu)；混合動(dòng)力；電動(dòng)油泵；機(jī)械泵

混合動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)至少集成了2個(gè)電機(jī)及相關(guān)的齒輪機(jī)構(gòu)。所集成的電機(jī)功率大，因此需要設(shè)計(jì)獨(dú)立的液壓系統(tǒng)保證混合動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)特定的工作模式[1-14]。

電機(jī)油冷方案在耦合機(jī)構(gòu)集成設(shè)計(jì)上比水冷方案更具優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)于含有換擋元件的混合動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)。當(dāng)電機(jī)采用油冷方案時(shí)，除了可以設(shè)計(jì)類似水冷循環(huán)的油道外，還可以將冷卻液直接噴淋到電機(jī)繞組部位對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻。冷卻液直接噴淋彌補(bǔ)了油冷介質(zhì)的低比熱缺點(diǎn)。

通用Volt增程式動(dòng)力系統(tǒng)和豐田Prius-C動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī)冷卻方案都是采用耦合機(jī)構(gòu)ATF油直接噴淋的冷卻方式[1]。通用Volt動(dòng)力系統(tǒng)在電機(jī)繞組上方布置冷卻液管，冷卻液通過(guò)管路上的油孔淋到電機(jī)繞組兩端，冷卻液直接回到油底殼。在豐田Prius混合動(dòng)力系統(tǒng)中，除了設(shè)計(jì)由行星架驅(qū)動(dòng)的機(jī)械油泵外，還充分利用了減速齒輪的泵油作用。豐田系統(tǒng)在低速純電動(dòng)行駛時(shí)減速齒輪將冷卻液甩到箱體頂部，在箱體頂部設(shè)計(jì)了可以蓄油的腔體結(jié)構(gòu)，冷卻液通過(guò)油道流到電機(jī)繞組上。在混合動(dòng)力模式時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械泵運(yùn)行將冷卻液輸送到箱體頂部對(duì)電機(jī)進(jìn)行油淋冷卻[1～2]。

本研究的目的是設(shè)計(jì)一種混合動(dòng)力汽車耦合機(jī)構(gòu)的冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)。該系統(tǒng)集潤(rùn)滑、冷卻功能于一體，形成高集成度的混合動(dòng)力耦合裝置冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用機(jī)械泵、電動(dòng)油泵作為油液潤(rùn)滑冷卻的動(dòng)力源，可以節(jié)約開(kāi)發(fā)成本、降低開(kāi)發(fā)難度。另外，測(cè)試在不同油溫、轉(zhuǎn)速條件下，低壓油泵的外循環(huán)流量、壓力、功耗等工況參數(shù)，可為油泵控制器的標(biāo)定、開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。

1耦合機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組成

如圖1所示，本混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、耦合機(jī)構(gòu)、高壓電池、整車控制器、電機(jī)控制器、耦合控制器等。機(jī)電耦合機(jī)構(gòu)集成了扭轉(zhuǎn)減振器、齒輪傳動(dòng)系、差速減速系統(tǒng)、離合器、電機(jī)系統(tǒng)，采用固定軸式傳動(dòng)型式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與發(fā)電機(jī)并排布置，通過(guò)合理控制3個(gè)動(dòng)力源(發(fā)動(dòng)機(jī)及各電機(jī))的動(dòng)力耦合輸出，可實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)、串聯(lián)、并聯(lián)和發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)等不同工作模式，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端設(shè)置有駐車機(jī)構(gòu)。

耦合控制器主要是根據(jù)整車控制器的要求，控制耦合機(jī)構(gòu)內(nèi)部離合器的接合與斷開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)不同的模式切換。耦合控制器也可以控制電動(dòng)油泵的轉(zhuǎn)速，以便滿足不同工況下耦合機(jī)構(gòu)內(nèi)部零件不同的冷卻需求。機(jī)械泵固連在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸上，靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸驅(qū)動(dòng)。

圖1　混合動(dòng)力系統(tǒng)方案圖

2冷卻潤(rùn)滑方法

2.1冷卻潤(rùn)滑模系統(tǒng)組成

圖2為本研究所設(shè)計(jì)的一種混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力耦合裝置冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)。該系統(tǒng)由外部冷卻系統(tǒng)和內(nèi)部冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)構(gòu)成。外部冷卻系統(tǒng)由節(jié)溫器旁通閥、機(jī)油冷卻器及油管組成。內(nèi)部冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)由吸濾器、機(jī)械泵、電動(dòng)泵、液壓模塊、噴油管、電池閥、齒輪等組成。

圖2　冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)原理

外部冷卻系統(tǒng)工作原理：在動(dòng)力耦合裝置殼體上，節(jié)溫器旁通閥與油底殼相連；當(dāng)耦合機(jī)構(gòu)內(nèi)部溫度過(guò)高，需要外部冷卻時(shí)，油液就通過(guò)出油口到節(jié)溫器旁通閥，再到機(jī)油冷卻器；待機(jī)油冷卻后，又通過(guò)入油口返回耦合機(jī)構(gòu)內(nèi)部，供循環(huán)使用。

內(nèi)部冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)工作原理：內(nèi)部冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)包含1個(gè)機(jī)械泵和1個(gè)電動(dòng)泵，機(jī)械泵通過(guò)齒輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸直連；機(jī)械泵和電動(dòng)泵將冷卻液輸入到液壓模塊中，再通過(guò)液壓模塊分配冷卻液的通斷、流量大小，流入不同的管道中，再通過(guò)相關(guān)執(zhí)行部件冷卻潤(rùn)滑耦合機(jī)構(gòu)內(nèi)部零件。

2.2冷卻潤(rùn)滑模式分析

內(nèi)部冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)包含2種模式，可根據(jù)耦合機(jī)構(gòu)運(yùn)行的模式自動(dòng)切換。

1) 耦合機(jī)構(gòu)為純電動(dòng)模式，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)不工作，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)不需要冷卻，只有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子、相關(guān)齒輪、軸承等需要冷卻，可以通過(guò)機(jī)械泵的工作，來(lái)滿足潤(rùn)滑冷卻要求；

2) 耦合機(jī)構(gòu)為混動(dòng)模式和增程模式，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)均工作，耦合機(jī)構(gòu)內(nèi)部所有零件都需要冷卻，則此時(shí)機(jī)械泵與電動(dòng)泵均參與工作，給液壓模塊供油，再通過(guò)液壓模塊將油液分配給相關(guān)管路，實(shí)現(xiàn)各個(gè)零部件的潤(rùn)滑及冷卻。具體的工作模式如表1所示。

表1　工作模式分析

2.3液壓系統(tǒng)要求

根據(jù)耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)出一種液壓系統(tǒng)，對(duì)主油路、控制油路的壓力以及冷卻潤(rùn)滑系的流量進(jìn)行了理論計(jì)算，確定了各元件的具體參數(shù)，如表2所示。

表2　液壓系統(tǒng)流量需求

根據(jù)液壓系統(tǒng)的要求，對(duì)機(jī)械泵和電動(dòng)泵進(jìn)行了選型，基本參數(shù)如表3所示。

表3　機(jī)械泵與電動(dòng)泵的參數(shù)

液壓系統(tǒng)中存在機(jī)械泵和電動(dòng)泵2個(gè)油泵供應(yīng)油液，當(dāng)機(jī)械泵無(wú)法滿足需求冷卻油液供應(yīng)時(shí)，需啟動(dòng)油泵電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)泵工作。耦合控制器計(jì)算出需求電機(jī)轉(zhuǎn)速，以CAN信號(hào)傳給油泵電機(jī)控制器進(jìn)行速度控制。

2.4關(guān)鍵零部件分析

2.4.1電動(dòng)油泵

由于液壓系統(tǒng)中機(jī)械泵的轉(zhuǎn)速與整車車速相關(guān)，在低速情況下，機(jī)械泵所能提供的液壓和流量較小，不足以控制離合器，因此需要電動(dòng)泵參與工作，以保證足夠的液壓和流量。由于受到油液溫度和整車車速的影響，電動(dòng)泵產(chǎn)生的液壓會(huì)隨之產(chǎn)生波動(dòng)。為了獲得足夠且穩(wěn)定的液壓，有必要根據(jù)油溫及車速的變化對(duì)電動(dòng)泵的動(dòng)力輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

整車控制器根據(jù)當(dāng)前工況，發(fā)送轉(zhuǎn)速需求和使能需求給耦合控制器，然后耦合控制器把符合需求的信號(hào)和使能信號(hào)給電動(dòng)泵，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)電動(dòng)泵控制器通過(guò)反饋同轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)，向整車控制器反饋當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速?？刂屏鞒倘鐖D3所示。

圖3　電動(dòng)泵控制流程

2.4.2噴油管

每個(gè)定子的側(cè)線包上方噴油管均勻分布12個(gè)噴油孔，單個(gè)油孔直徑1 mm，間隔25°。距離定子線包3～4 mm。前后噴油管間的過(guò)渡油管布置2個(gè)間距80 mm、直徑1 mm的噴油口，實(shí)現(xiàn)定子鐵芯冷卻。噴油管和電機(jī)定子的配合情況如圖4所示，噴油管的相關(guān)參數(shù)如表4所示。

圖4　噴油管與電機(jī)定子

發(fā)電機(jī)噴油管驅(qū)動(dòng)電機(jī)噴油管內(nèi)徑/mm77壁厚/mm11流量/(L·min-1)89噴油口直徑/mm11電機(jī)定子噴油口/個(gè)2525軸承副噴油口/個(gè)46齒輪副噴油口/個(gè)22

2.4.3節(jié)溫器旁通閥

機(jī)油冷卻器調(diào)溫器旁通閥總成(節(jié)溫器旁通閥)根據(jù)油溫對(duì)大小循環(huán)進(jìn)行切換，使變速器機(jī)油保持在較佳的工作溫度。節(jié)溫器旁通閥的相關(guān)參數(shù)如表5所示。

表5　節(jié)溫器旁通閥參數(shù)

3試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建了1個(gè)臺(tái)架，對(duì)低壓油泵的性能進(jìn)行檢測(cè)，為低壓油泵的標(biāo)定及制定控制策略提供依據(jù)。臺(tái)架實(shí)物，如圖5所示。

圖5　測(cè)試臺(tái)架

3.1試驗(yàn)條件及試驗(yàn)步驟

對(duì)G-MC節(jié)溫器旁通閥進(jìn)行改裝，使外循環(huán)打開(kāi)。在節(jié)溫器進(jìn)出口處各安裝1個(gè)溫度傳感器h和壓力傳感器，管路中段安裝1個(gè)流量傳感器。將各傳感器接入混動(dòng)臺(tái)架數(shù)采系統(tǒng)。原理如圖6所示。

圖6　臺(tái)架原理

在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)與耦合機(jī)構(gòu)內(nèi)部的2個(gè)電機(jī)(發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī))均不參與工作。因?yàn)闄C(jī)械泵與發(fā)電機(jī)的輸入軸連接，發(fā)電機(jī)不工作，故機(jī)械泵轉(zhuǎn)速為0，也不參與工作。

本試驗(yàn)的節(jié)溫器經(jīng)過(guò)改裝，在試驗(yàn)過(guò)程中一直為全開(kāi)狀態(tài)，所以可以視為節(jié)溫器出口的壓力與低壓油泵出口壓力一致，和節(jié)溫器出口流量與低壓油泵出口流量相等。

啟動(dòng)測(cè)試臺(tái)架機(jī)油溫控裝置，對(duì)旁通閥入口溫度進(jìn)行控制。測(cè)試不同溫度(20，50，70，100，120 ℃)、不同的油泵轉(zhuǎn)速(1 980,3 196,4 011 r/min)下的油泵出口壓力、出口流量、油泵的功率變化情況。

3.2試驗(yàn)結(jié)果

不同溫度、不同的油泵轉(zhuǎn)速下的油泵出口壓力、出口流量、油泵的功率變化情況如表6～8所示。

表6　低壓油泵出口壓力測(cè)試結(jié)果　kPa

對(duì)測(cè)試結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：

1) 因冷卻液的黏度隨溫度的變化而變化，溫度越高，冷卻液的黏度越小。低壓油泵出口壓力隨油溫的升高而降低；

2) 低壓油泵出口壓力隨油泵轉(zhuǎn)速的升高而升高。

表7　低壓油泵出口流量測(cè)試結(jié)果　(L·min-1)

測(cè)試結(jié)果分析，有以下結(jié)論：

1) 低壓油泵出口流量受油溫變化影響不明顯；

2) 低壓油泵出口流量隨油泵轉(zhuǎn)速的升高而升高。

表8　低壓油泵功率測(cè)試結(jié)果　W

對(duì)測(cè)試結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

1) 低壓油泵出口功耗隨油溫的升高而降低；

2) 低壓油泵出口功耗隨油泵轉(zhuǎn)速的升高而升高。

4結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)冷卻系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)了多功能集成的液壓系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)可以同時(shí)滿足電機(jī)冷卻、離合器的冷卻潤(rùn)滑、離合器的分離與結(jié)合，以及齒輪潤(rùn)滑的功能。

本冷卻系統(tǒng)主要通過(guò)液壓模塊分配冷卻液的流量及流速，再通過(guò)噴油管噴油和齒輪攪油來(lái)對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行冷卻，不需要在殼體上設(shè)置很多復(fù)雜的管道，降低了殼體的加工難度。

通過(guò)測(cè)試不同溫度、不同的油泵轉(zhuǎn)速下的油泵出口壓力、出口流量、油泵的功率的變化情況，為油泵控制器的標(biāo)定、開(kāi)發(fā)，提供數(shù)據(jù)支持，對(duì)油泵控制器的開(kāi)發(fā)具有非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓瑩.深度混合動(dòng)力變速箱液壓系統(tǒng)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2013.

[2]倪金鵬.混合動(dòng)力變速箱液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2011(8)：116-118.

[3]汪東坪.混合動(dòng)力變速箱液壓控制及優(yōu)化[J].汽車科技，2013(1)：5-9.

[4]潘世艷，陳明，張小矛，等.徐政一種弱混混合動(dòng)力汽車?yán)鋮s系統(tǒng)布置研究[J].上海汽車， 2016(1)：16-20.

[5]羅念寧，趙立軍，姜繼海，等.一種混聯(lián)式液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)及控制策略[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2014,42(9):134-139

[6]吳海康.新型混合動(dòng)力車用電動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014(9)：134-139.

[7]汪東坪.混合動(dòng)力變速箱液壓控制及優(yōu)化[J].汽車科技，2013(1)：5-9.

[8]王義春.混合動(dòng)力車輛冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(1)：44-47.

[9]潘國(guó)揚(yáng)，石曉輝，郝建軍，等． 新型無(wú)級(jí)變速器( CVT) 技術(shù)解析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2015(2):30-35．

[10]蔣科軍，何仁，劉文光，等.雙轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)動(dòng)力耦合系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方法[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015(6)：627-633.

[11]尤銀剛，羅映，孔慶祥． 雙離合變速器建模仿真及分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2015(5):6-11．

[12]何仁，束馳.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力切換協(xié)調(diào)控制綜述[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014(4)：373-379.

[13]劉振軍，秦大同，葉明，等.車輛雙離合器自動(dòng)變速傳動(dòng)技術(shù)研究進(jìn)展分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005(11)：161-164.

[14]吳光強(qiáng)，楊偉斌，秦大同．雙離合器自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].機(jī)械工業(yè)學(xué)報(bào)，2007，43(2)：13-14.

(責(zé)任編輯劉舸)

Study on Cooling System of a Coupling Mechanism

ZHANG Xiong，ZHAO Jiang-ling，WU Wei-li，XU Yong-liang

(Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Automotive Engineering Institute,Guangzhou 511434, China)

Abstract:This paper introduced a newly developed hybrid power coupling mechanism which integrates cooling and lubricating functions together to reach a high degree of integration. The mechanism adopted a hydraulic module to redistribute coolant’s flow volume and rate together with the injecting pipe’s lubricating oil injection and the gear’s stirring to the oil to achieve related parts’ cooling state. The purpose of this paper is to investigate the oil’s flow volume of external cycle, pressure, power performance under different oil temperature and pump speed to offer statistical support to the calibration and development for the oil pump controller.

Key words：cooling and lubricating; coupling mechanism; hybrid power; electric pump; mechanical pump

收稿日期：2016-02-24

基金項(xiàng)目：廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院科研項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：張雄(1983—)，男，工程師，主要從事新能源汽車研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.006

中圖分類號(hào)：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8425(2016)06-0032-06

引用格式：張雄，趙江靈，吳為理，等.一種耦合機(jī)構(gòu)的冷卻系統(tǒng)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(6):32-37.

Citation format：ZHANG Xiong，ZHAO Jiang-ling，WU Wei-li，et al.Study on Cooling System of a Coupling Mechanism[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):32-37.