汽車自動變速箱過濾系統設計方法與試驗研究

郜可峰，張祥平，劉芳

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804)

0 引言

20世紀30年代末，液壓和液力傳動在汽車上的應用催發了真正意義上的汽車自動變速箱的出現。自汽車自動變速箱發明以來，液控變速箱一直是自動變速箱發展的主流。到20世紀70-80年代后，隨著電子控制技術的發展，電液控制變速箱得到很快的發展。因液壓傳動平穩可靠等優點，結合電子控制技術的優勢，電液控制自動變速箱一直占據著自動變速箱的主流。

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

(1)加速零件的磨損，降低變速箱內部零部件的使用壽命，從而影響整機的壽命；

(2)損傷閥等液壓件的運動間隙面等，增加泄漏，影響系統的效率和性能；

(3)導致運動類液壓件，如油泵、電磁閥等元件運動卡滯或卡死，使其功能喪失，直接影響到整車，甚至帶來安全問題。

鑒于以上原因，為降低油品污染對變速箱帶來的影響，變速箱的設計開發中，都設計有自己的過濾系統，以盡可能地降低油品污染帶來的負面影響。

1 自動變速箱常見的過濾系統類型

自動變速箱是集成了許多齒輪、軸承、軸等運動機械件、離合器、殼體、駐車機構和電液控制零部件等的復雜系統。在各零部件生產過程中和使用生命周期內，會產生大量的金屬和非金屬雜質。這些雜質在油液的環境下，會隨著油液的運動，進入到各個可能的地方。

為避免油品污染危害的發生，在設計開發自動變速箱過程中，過濾系統作為液壓控制的核心子系統需要進行充分的考慮和驗證。自動變速箱上，過濾系統集中體現在過濾器零部件上。過濾器形式繁多，在自動變速箱上，因結構布置和功能需求等原因，按照安裝位置和功能分，常見的過濾系統有以下幾種類型：吸入式濾油器、壓力側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境要求，空間結構布置，污染物的來源與類型。通常盤式過濾器布置在變速箱底部，卷筒式過濾器布置在變速箱旁邊壓力油路中，集成式過濾器布置在自動變速箱中核心零部件或模塊上。

過濾系統的設計按原理分為分流過濾、串聯過濾和并聯過濾3種形式。分流過濾是使系統中部分油液通過系統。串聯過濾是分級設置過濾器，通常上游設置較低精度過濾器，下游設置較高精度過濾器，減輕后級過濾的負擔，延長系統的使用壽命。并聯過濾是組合式并聯設置過濾器，滿足系統的流量要求。在系統的形式定義明確后，過濾系統設計的基本要求集中體現在過濾器零部件上。過濾器的技術參數規范直接影響過濾效果。通常，過濾器的 關鍵技術參數指標有下：

(1)過濾精度。分為名義精度和絕對精度，其中名義精度是指過濾器對大于某一大小的顆粒數過濾能力達到98%的精度；絕對精度是指能夠通過過濾器的最大球形顆粒尺寸。其選擇和定義通常根據良好、中等、不良和惡劣4個等級來考慮。

(2) 過濾效率。是指被濾除的污染物數目與濾除前的污染物數量之比的百分數。

(3)過濾比。又名β率，是目前廣泛使用的一個參數，指上游油液單位體積中大于某一給定尺寸的污染物粒數與下游同一尺寸的顆粒物之比，如圖2所示。

計算公式：

(1)

(4)允許壓力降。用Pa來計量；

(5)納垢容量。通常用g來計量；

(6)過濾能力。也叫通流能力，在一定壓差下的最大流量；

(7)工作壓力。過濾器允許工作的最高壓力；

(8)旁通閥開啟壓力等。

在過濾器的設計中，過濾器的能力直接取決于濾芯的過濾面積、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。在其他參數基本確定情況下，濾芯的面積是過濾器設計的關鍵技術參數，其設計選擇如下:

(2)

式中：A為濾網的面積，m2;

Q為系統設計額定流量，L/min;

μ為油液黏度，Pa·s;

α為濾芯材料的單位過濾能力,L/cm2;

Δp為壓力差，Pa。

2 汽車自動變速箱過濾系統的設計

因汽車自動變速箱過濾系統的特殊性(結構空間緊湊、精度要求高等)，在進行過濾系統設計時，首先需要滿足以下要求：

(1)滿足自動變速箱液壓系統及其子零件的要求，包括功能、性能;

(2)具有足夠大的過濾能力和足夠小的壓力損失;

(3)過濾器自身及其罩殼的具有足夠的結構強度和有在極限條件下的抗油壓破壞能力，并視需要設置旁通閥;

(4)對ATF油品的抗腐蝕性和兼容性;

(5)不同溫度條件下的穩定性;

(6)結構盡可能簡單緊湊，便于在變速箱上的布置;

(7)便于維修、更換。

3 油品污染的實際工程案例

在自動變速箱的開發中，油品污染帶來自動變速箱最直接的致命傷害性元器件通常為油泵和電磁閥，重則帶來泵卡滯或卡死，直接使車輛自動變速箱喪失動力，輕則帶來效率的下降、泄漏加大等。而后者直接使閥喪失操控性。在某一款自動變速箱開發中，液壓系統、電磁閥對控制油液的清潔度要求為ISO21/16/13等級(依照ISO4406標準)，對等于Nas 1638 7級標準。采用較清潔的油液(NAS 7級)和較臟的油液(NAS 10級)環境在相同的溫度和條件下進行測試，電磁閥的對比控制曲線如圖3和圖4所示。

測試和試驗表明：當油品發生污染、無法滿足電磁閥的工作環境要求時，電磁閥的控制電流根本無法控制其輸出壓力。其原因是閥芯的運動受到雜質顆粒物的嚴重干擾。若發生在車輛變速箱上，將嚴重影響車輛的換檔過程、駕駛操控，在特定工況下將直接影響人車安全。

下面結合自動變速箱開發中的一個具體案例來說明過濾系統的設計：在某款自動變速箱的液控系統設計開發中，液壓油與潤滑油品共用，總量約3 L，系統采用液壓蓄能裝置，系統的額定流量為2 L/min，最大的允許壓力降為10 000 Pa,系統前段采用高壓小排量泵，對油品的清潔度要求為Nas1638 標準 10級，后段采用插裝式電磁閥，精度要求為Nas1638標準7級，為該系統設計過濾系統。

分析：由于液壓油與潤滑油共用，齒輪軸系在運轉過程會生成大量的金屬顆粒物進入油液，且系統不同級段對過濾的精度等級要求差異很大，同時涉及到整車的壽命，因而，該過濾系統的設計采用分級串聯過濾形式。下級采用網式濾清器，上級采用卷筒式濾清器。因為油液在使用過程中不停地循環，因而系統為循環過濾系統。根據液壓系統的要求，前端下級網式過濾器的精度要求為50～90 μm (設計按90 μm進行)，后端上級的精度要求為5～10 μm(因已經有一級分擔，設計按5 μm進行)。選取過濾的材質，根據耐久性需求并根據公式(1)

計算出所需過濾器的作用面積，并根據過濾器在變速箱中的結構布置空間設計過濾器的結構形狀。

結合以上分析過程，過濾系統的設計分為以下幾個關鍵步驟：

(1)過濾系統的原理形式選擇；

(2)過濾系統的結構形式定義；

(3)過濾系統的精度定義；

(4)關鍵技術參數的計算；

(5)過濾器的具體結構設計。

此例中的過濾系統原理布置圖如圖5所示。

4 自動變速箱過濾系統的試驗

自動變速箱過濾系統的試驗通常分為零部件試驗、變速箱總成試驗和整車試驗3個等級。其中，主要的零部件試驗和對應的國際標準如表1所示。

表1 過濾系統零件主要試驗內容

針對上文案例中設計的系統，對一級過濾后和二級過濾后的油液進行測試，對不同粒子的測試分析結果如圖6—7所示。

試驗結果表明：該過濾系統的設計吸濾精度為90 μm，隨顆粒變大，過濾效率明顯增加，顆粒大小為50 μm時，借助表面吸附作用，效率已達50%～80%。對取樣過濾后油液測試表明，可以滿足油泵要求的Nas1638 標準 10級；從壓濾試驗可以看到：當精度為5 μm時，過濾效率為99.8%，對于大于20 μm的顆粒過濾精度為100%，過濾后的油液清潔度測量結果顯示達到Nas1638標準7級精度要求。試驗結果表明：設計的分級過濾系統能有效保證系統要求。

以上的試驗內容項中，過濾效率和能力的試驗是在多循環系統中進行的，對于工作環境較惡劣或是對清潔度非常敏感的系統，起初的油液環境和污染會直接傷害液壓系統的性能或導致核心零部件失效。因此單次通過過濾效率試驗(Single Pass Test)也是直接考核過濾系統能力的一個重要試驗方法。如表2所示，相同程度的Nas 1638標準11 級原始油，10 μm的過濾器與5 μm的過濾器的對比單次通過性試驗對比結果。

從試驗結果看：對循環油路系統，既使多次通過試驗能達到相近的過濾效果，不同過濾精度的過濾器單次通過過濾效果和能力差異卻相差很大。對敏感的系統，在設計和定義過程中，除了考慮國際標準的常規試驗外，單次通過效率試驗亦非常重要。

整機的耐久試驗和整車的耐久試驗通常作為自動變速箱過濾系統設計有效性的必要和有效考核手段。在考核過程中，階段性地對油品的理化特性和污染程度進行分析，用以支持過濾系統設計的考核。試驗驗證結束后，需要對過濾器的過濾能力、納垢容量等指標進行分析，通常，這需要專業的過濾器制造商來完成。

表2 10 μm過濾器與5 μm過濾器的單次通過性試驗對比

5 自動變速箱油品清潔度污染控制的輔助措施

過濾系統的合理設計和驗證能很好地起到防止液壓系統因油品污染帶來的問題。然而，要想徹底避免問題，單靠過濾系統還不夠。在變速箱的子零件設計和制造、運輸、儲存、裝配和測試的各個環節都應盡可能地避免和減少油品的污染。以下作為自動變速箱在開發中的有效方法：

(1)設計上，盡可能減少長彎折的油道，盡量不要把摩擦性強的零件設計在變速箱的濕腔，盡可能少用難脫屑的機加工金屬材料；

(2)制造上，提高閥體等零件的制造質量。改進閥體油道的加工工藝，使閥體油道在加工過程中產生的毛刺和加工缺陷大幅減少，并加強清洗、檢測等防止毛刺金屬屑的產生。同時改進齒軸類等零件的清洗等清潔度控制；

(3)裝配上，加強裝配環境和工具方法的管理，避免過程污染。同時注意油品的管理，新油入庫前進行檢測，取油時注意取油器具的清潔和取油方法的規范；油品注意密閉保存，且存放溫度需控制適當；定期對庫存油料進行取樣化驗等。

(4)檢測上，整機下線檢測，對整機進行一定循環數的磨合，同時進行油液的循環過濾，使齒軸、殼體及其他零件表面及在磨合中產生的雜質進入油液中。磨合結束后，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，根據使用環境和工況的不同，一般的自動變速箱的油品和過濾器需要在6～10萬公里進行一次更換。今年來，許多廠家開發出車輛終生免維護的過濾系統和油品。但車輛在使用過程中產生的油品污染和油品的老化問題在所難免，為安全和性能的有效保證，建議該種車輛自動變速箱在10-12萬公里進行一次油品和過濾系統的更換。若過濾系統的布置不方便進行售后的更換，至少進行油品的更換。

6 結束語

基于某自動變速箱的開發實例，分析了油品污染對自動變速箱液壓系統的危害。說明了過濾系統對自動變速箱的重要性，同時分析了自動變速箱的過濾系統類型和關鍵的技術參數。之后，結合實例，闡明了自動變速箱過濾系統的設計過程。并結合實際案例，說明了自動變速箱過濾系統的試驗開發過程。最后，簡要說明了除過濾系統的設計和試驗，進行自動變速箱油品污染控制的其他輔助手段。文中研究內容對自動變速箱過濾系統的設計開發及整機開發具有直接的借鑒和指導意義。

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