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        自動(dòng)變速箱電動(dòng)油泵設(shè)計(jì)匹配探討

        2020-10-09 10:19:56徐誠(chéng)楊士先張保良王中華
        關(guān)鍵詞:排量

        徐誠(chéng) 楊士先 張保良 王中華

        摘 要:本文以自動(dòng)變速箱電動(dòng)油泵為研究對(duì)象,根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、理論計(jì)算等方法,探討電動(dòng)油泵的結(jié)構(gòu)選擇、排量計(jì)算、設(shè)計(jì)匹配等要點(diǎn)。使電動(dòng)油泵不僅能滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,而且盡量以最高效率工作。

        關(guān)鍵詞:電動(dòng)油泵;排量;設(shè)計(jì)匹配

        0 前言

        自動(dòng)變速箱是汽車重要的零部件之一。大部分自動(dòng)變速箱都利用油泵作為其換擋、離合器控制、冷卻潤(rùn)滑的動(dòng)力源。隨著國(guó)家油耗法規(guī)的要求越來越嚴(yán)格,對(duì)變速箱的傳動(dòng)效率也提出了更高的要求。油泵作為自動(dòng)變速箱能量消耗的主要零部件之一,自然得到設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。

        傳統(tǒng)的自動(dòng)變速箱油泵依靠發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),油泵隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng),能量消耗較多。而電動(dòng)油泵依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng),可以按照指令工作,按需供油,實(shí)現(xiàn)能耗的降低。

        本文根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、理論計(jì)算、性能仿真等方法,探討電動(dòng)油泵的結(jié)構(gòu)選擇、排量計(jì)算、設(shè)計(jì)匹配等要點(diǎn)。

        1 電動(dòng)油泵方案選擇

        1.1 油泵結(jié)構(gòu)選擇

        目前電動(dòng)油泵中油泵常用結(jié)構(gòu)主要有三種:外嚙合齒輪泵、內(nèi)嚙合齒輪泵、葉片泵。三種油泵的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)各不相同:外嚙合齒輪泵輸出壓力、容積效率和抗污染能力較高,但噪聲大、成本較高;內(nèi)嚙合齒輪泵容積效率、輸出壓力稍低,但成本低、噪聲較小;葉片泵噪聲最小、容積效率高但成本較高,抗污染能力較差。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇合適的油泵結(jié)構(gòu)。

        1.2 電機(jī)類型選擇

        按不同的標(biāo)準(zhǔn)分類,電機(jī)分為多種類型,如直流電機(jī)、交流電機(jī)、同步電機(jī)、異步電機(jī)、永磁電機(jī)、勵(lì)磁電機(jī)等。自動(dòng)變速箱電動(dòng)油泵推薦采用無刷直流電機(jī)(BLDCM)。主要原因有:

        (1)供電類型:BLDCM采用直流供電,可以直接使用車載電池作為電源;(2)響應(yīng)速度快:BLDCM屬于同步電機(jī),其響應(yīng)速度能達(dá)到50 ms以內(nèi),可以快速建立油壓,提高自動(dòng)變速箱的響應(yīng)速度;(3)調(diào)速范圍廣:BLDCM采用PWM方式調(diào)節(jié)輸入電壓大小,可在0到最大轉(zhuǎn)速間的任意轉(zhuǎn)速工作,為系統(tǒng)提供需要的流量;(4)轉(zhuǎn)速控制精度高:BLDCM內(nèi)置霍爾傳感器,可以精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,為自動(dòng)變速箱提供穩(wěn)定的流量和壓力;(5)效率高:BLDCM相對(duì)于異步感應(yīng)電機(jī),其轉(zhuǎn)子采用永磁體,無需電能勵(lì)磁(該損耗約占電機(jī)總損耗的20~30%);(6)噪聲?。築LDCM無電刷摩擦,噪聲小;(7)壽命長(zhǎng):BLDCM沒有電刷磨損,壽命大大延長(zhǎng),屬于免維護(hù)電機(jī)。

        2 電動(dòng)油泵設(shè)計(jì)計(jì)算

        某自動(dòng)變速箱要求工況點(diǎn)如下:

        工況點(diǎn)1:油溫20℃,輸出壓力0.8 MPa,輸出流量3 L/min,輸入電壓12 V,有效電流≤20Arms;

        工況點(diǎn)2:油溫90℃,輸出壓力0.4 MPa,輸出流量10 L/min,輸入電壓12 V,有效電流≤20Arms。

        2.1 油泵排量計(jì)算

        油泵排量計(jì)算公式:q=1000×Q/(n×ηv)

        式中:q為油泵排量(cc/rev),Q為輸出流量(L/min),n為電機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm),ηv為油泵容積效率(%)。

        參數(shù)確定:

        (1)輸出流量Q作為設(shè)計(jì)輸入給定,本文以兩個(gè)工況點(diǎn)為例,記為Q1和Q2。

        (2)電機(jī)轉(zhuǎn)速n一般不作為設(shè)計(jì)輸入條件,即電動(dòng)油泵的使用方一般不會(huì)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速有特殊要求。但考慮到油泵在低轉(zhuǎn)速時(shí)容積效率會(huì)急劇下降,設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)油泵的容積效率曲線給定最低轉(zhuǎn)速nmin(本文取750 rpm)。另外考慮到油泵在高轉(zhuǎn)速時(shí)的噪聲較大,結(jié)合電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)(扭矩-轉(zhuǎn)速曲線),可以初步選定合適的最高轉(zhuǎn)速nmax(本文取5 000 rpm)。

        (3)對(duì)于容積效率ηv,如果采用成熟的油泵結(jié)構(gòu),可以根據(jù)油泵現(xiàn)有的容積效率曲線查出。如果采用新開發(fā)的油泵,可以采用CFD軟件計(jì)算出近似的容積效率值(本文取ηv1=88%,ηv2=85%)。

        工況點(diǎn)1排量要求:

        最小排量: q1 min=1 000×Q1 /(nmax×ηv1)=0.68 cc/rev

        最大排量 :q1 max= 1 000×Q1 /(nmin×ηv1)=4.65 cc/rev

        工況點(diǎn)2排量要求:

        最小排量 :q2 min=1 000×Q2 /(nmax×ηv2)=2.35 cc/rev

        最大排量: q2 max=1 000×Q2 /(nmin×ηv2)=15.69 cc/rev

        油泵合理的排量范圍即為根據(jù)兩工況點(diǎn)計(jì)算出的排量范圍的交集,即2.35 cc/rev≤q≤4.65 cc/rev。

        初步設(shè)定油泵排量為3.5 cc/rev,后續(xù)需要根據(jù)輸入電流限值、工作效率等要求進(jìn)行調(diào)整。

        2.2 油泵轉(zhuǎn)速計(jì)算

        油泵轉(zhuǎn)速計(jì)算公式:n=Q/(q×ηv)

        式中:n為電機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm),Q為輸出流量(L/min),q為油泵排量(cc/rev),ηv為油泵容積效率。

        根據(jù)初步選定的油泵排量,結(jié)合油泵轉(zhuǎn)速計(jì)算公式,計(jì)算兩個(gè)工況點(diǎn)下電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n1和n2。

        工況點(diǎn)1:n1=1 000×Q1/(q×ηv1)=974 rpm

        工況點(diǎn)2:n2=1 000×Q2/(q×ηv2)=3 361 rpm

        2.3 油泵輸入功率計(jì)算

        油泵輸入功率計(jì)算公式Pp=p×Q/(60×η)

        式中:Pp為油泵輸入功率(KW),p為油泵輸出壓力(MPa),Q為輸出流量(L/min),η為油泵總效率(%)。

        其中油泵輸出壓力p已給定,油泵總效率η可以根據(jù)總效率曲線查出(本文取η1=65%,η2=61%)。

        工況點(diǎn)1:Pp1= p1×Q1/(60×η1)=0.062 kW

        工況點(diǎn)2:Pp2= p2×Q2/(60×η2)=0.109 kW

        2.4 油泵輸入扭矩計(jì)算

        油泵輸入扭矩計(jì)算公式:T=Pp×9 550/n

        式中:T為油泵輸入扭矩(Nm),Pp為油泵輸入功率(kW),n為電機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)。

        工況點(diǎn)1:T1=Pp1×9 550/n1=0.61 Nm

        工況點(diǎn)2:T2=Pp2×9 550/n2=0.32 Nm

        2.5 選擇電機(jī)規(guī)格

        電機(jī)輸入功率計(jì)算公式:Pm=Pp/ηm

        式中:Pm為電機(jī)輸入功率,Pp為油泵輸入功率,ηm為電機(jī)效率。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)給定電機(jī)常用工況時(shí)效率為70%,初步確認(rèn)電機(jī)的規(guī)格。

        工況點(diǎn)1:Pm1= Pp1/ηm=0.088 kW=88 W

        工況點(diǎn)2:Pm2= Pp2/ηm=0.156 kW=156 W

        因此,可以初步選擇200W級(jí)的電機(jī),后續(xù)可以根據(jù)外形空間和電機(jī)特性進(jìn)行調(diào)整。

        2.6 電機(jī)與油泵的設(shè)計(jì)匹配優(yōu)化

        經(jīng)過以上計(jì)算可以初步確定油泵的排量和電機(jī)規(guī)格。然后根據(jù)初選電機(jī)的規(guī)格驗(yàn)證各工況點(diǎn)是否滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速要求、電源電流要求。在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下,盡量使電動(dòng)油泵在各工況點(diǎn)的效率達(dá)到最高。下面以某款電動(dòng)油泵的性能為例分析電機(jī)與油泵的匹配計(jì)算。

        如圖1所示,分析轉(zhuǎn)速、電流和效率是否滿足設(shè)計(jì)要求:

        (1)轉(zhuǎn)速要求:工況點(diǎn)1扭矩0.32 Nm、轉(zhuǎn)速3361 rpm,電機(jī)實(shí)際能達(dá)到3 800 rpm;工況點(diǎn)2扭矩0.61 Nm、轉(zhuǎn)速974 rpm,電機(jī)實(shí)際能達(dá)到3 300 rpm。電機(jī)轉(zhuǎn)速性能滿足設(shè)計(jì)要求且有富余。

        (2)電流要求:工況點(diǎn)1電流22 A,工況點(diǎn)2電流14 A,電源電流限值20 A。因此工況點(diǎn)1的電機(jī)電流超過了電源電流限值,不滿足設(shè)計(jì)要求,需要優(yōu)化。

        (3)效率要求:由效率曲線看出,在扭矩0.25 Nm左右時(shí)電機(jī)的效率達(dá)到最高,在扭矩0.32 Nm(工況點(diǎn)2)和0.61 Nm(工況點(diǎn)1)的工作效率較高,但如果減小扭矩,效率還有提升的空間。

        因此,建議做如下優(yōu)化:

        (1)優(yōu)化油泵排量。減小油泵排量,在相同工況點(diǎn)下可以降低油泵扭矩,達(dá)到減小電機(jī)電流的目的。同時(shí)對(duì)于此款電機(jī),減小扭矩能達(dá)到提高電機(jī)效率的效果。但需要考慮的是如果減小油泵排量,滿足相同流量時(shí)需要更高的電機(jī)轉(zhuǎn)速,而此款電機(jī)的轉(zhuǎn)速性能可以滿足提高轉(zhuǎn)速要求。因此,減小油泵排量對(duì)于此款電機(jī)是合理的可行的方案。

        將油泵排量減小為3.0 cc/rev,重新按上述方法計(jì)算:

        工況點(diǎn)1:n1=1 136 rpm,T1=0.52 Nm

        工況點(diǎn)2:n2=3 921 rpm,T2=0.27 Nm

        如圖2所示,減小油泵排量后,轉(zhuǎn)速升高(但電機(jī)滿足轉(zhuǎn)速要求),電流降低,兩工況點(diǎn)的效率提高。因此油泵排量設(shè)計(jì)為3.0 cc/rev更為合理。

        (2)優(yōu)化電機(jī)參數(shù)。如果優(yōu)化油泵排量無法滿足設(shè)計(jì)要求,可以對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。減小電機(jī)定子線圈銅線的線徑、增加線圈匝數(shù),在轉(zhuǎn)矩不變時(shí),可降低電機(jī)電流,但會(huì)導(dǎo)致最高轉(zhuǎn)速降低。如圖2所示,導(dǎo)致油泵排量無法進(jìn)一步減小的主要因素是電機(jī)最高轉(zhuǎn)速限制。如果增大電機(jī)定子線圈銅線的線徑,減少線圈匝數(shù),在轉(zhuǎn)矩不變時(shí),可以提高電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。

        本文采用成熟電機(jī),將油泵排量設(shè)計(jì)為3.0 cc/rev。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試得出結(jié)果如下:

        由表1看出,計(jì)算值與測(cè)試值誤差在10%以內(nèi)。本文所述的計(jì)算方法對(duì)電動(dòng)油泵設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

        3 結(jié)語

        本文采用理論計(jì)算和性能仿真等方式,探討了自動(dòng)變速箱電動(dòng)油泵的設(shè)計(jì)匹配方法。經(jīng)過試驗(yàn)證明,按此方法設(shè)計(jì)的電動(dòng)油泵計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果誤差較小,滿足設(shè)計(jì)要求。

        自動(dòng)變速箱電動(dòng)油泵的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的工作,還需要綜合考慮外形空間、噪聲、熱平衡、電磁兼容等要求。同時(shí)電機(jī)和油泵均是技術(shù)密度很高的零部件,要為系統(tǒng)匹配最適合的電動(dòng)油泵,還需分別對(duì)電機(jī)和油泵進(jìn)行深入研究和優(yōu)化。

        參考文獻(xiàn):

        [1]高殿榮.液壓工程師技術(shù)手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2015.

        [2]章宏甲.液壓傳動(dòng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

        基金項(xiàng)目:安徽省重點(diǎn)研究與開發(fā)項(xiàng)目-新型商用車AMT產(chǎn)品開發(fā)(201904a05020023)

        作者簡(jiǎn)介:徐誠(chéng)(1986-),男,安徽安慶人,本科,工程師,研究方向:自動(dòng)變速箱液壓元件開發(fā)。

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