一種耦合機構(gòu)的冷卻系統(tǒng)

張　雄，趙江靈，吳為理，許永亮

(廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院， 廣州　511434)

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一種耦合機構(gòu)的冷卻系統(tǒng)

張雄，趙江靈，吳為理，許永亮

(廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院， 廣州511434)

摘要：為測試在不同油溫、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)，開發(fā)了一款新型的混合動力耦合機構(gòu)。該機構(gòu)集冷卻、潤滑功能于一體，形成高集成度的冷卻潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用機械泵和電動油泵作為冷卻潤滑的動力源。通過液壓模塊分配冷卻液的流量及流速，再通過噴油管噴油和齒輪攪油來對相關(guān)零部件進行冷卻?？蔀橛捅每刂破鞯臉?biāo)定、開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：冷卻潤滑；耦合機構(gòu)；混合動力；電動油泵；機械泵

混合動力耦合機構(gòu)至少集成了2個電機及相關(guān)的齒輪機構(gòu)。所集成的電機功率大，因此需要設(shè)計獨立的液壓系統(tǒng)保證混合動力耦合機構(gòu)的正常運行和實現(xiàn)特定的工作模式[1-14]。

電機油冷方案在耦合機構(gòu)集成設(shè)計上比水冷方案更具優(yōu)勢，尤其是對于含有換擋元件的混合動力耦合機構(gòu)。當(dāng)電機采用油冷方案時，除了可以設(shè)計類似水冷循環(huán)的油道外，還可以將冷卻液直接噴淋到電機繞組部位對電機進行冷卻。冷卻液直接噴淋彌補了油冷介質(zhì)的低比熱缺點。

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

本研究的目的是設(shè)計一種混合動力汽車耦合機構(gòu)的冷卻潤滑系統(tǒng)。該系統(tǒng)集潤滑、冷卻功能于一體，形成高集成度的混合動力耦合裝置冷卻潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用機械泵、電動油泵作為油液潤滑冷卻的動力源，可以節(jié)約開發(fā)成本、降低開發(fā)難度。另外，測試在不同油溫、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、開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。

1耦合機構(gòu)系統(tǒng)組成

如圖1所示，本混合動力汽車系統(tǒng)包括發(fā)動機、耦合機構(gòu)、高壓電池、整車控制器、電機控制器、耦合控制器等。機電耦合機構(gòu)集成了扭轉(zhuǎn)減振器、齒輪傳動系、差速減速系統(tǒng)、離合器、電機系統(tǒng)，采用固定軸式傳動型式，驅(qū)動電機與發(fā)電機并排布置，通過合理控制3個動力源(發(fā)動機及各電機)的動力耦合輸出，可實現(xiàn)純電驅(qū)動、串聯(lián)、并聯(lián)和發(fā)動機直驅(qū)等不同工作模式，同時在驅(qū)動電機輸出端設(shè)置有駐車機構(gòu)。

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

圖1　混合動力系統(tǒng)方案圖

2冷卻潤滑方法

2.1冷卻潤滑模系統(tǒng)組成

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

圖2　冷卻潤滑系統(tǒng)原理

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

內(nèi)部冷卻潤滑系統(tǒng)工作原理：內(nèi)部冷卻潤滑系統(tǒng)包含1個機械泵和1個電動泵，機械泵通過齒輪與驅(qū)動電機的輸出軸直連；機械泵和電動泵將冷卻液輸入到液壓模塊中，再通過液壓模塊分配冷卻液的通斷、流量大小，流入不同的管道中，再通過相關(guān)執(zhí)行部件冷卻潤滑耦合機構(gòu)內(nèi)部零件。

2.2冷卻潤滑模式分析

內(nèi)部冷卻潤滑系統(tǒng)包含2種模式，可根據(jù)耦合機構(gòu)運行的模式自動切換。

1) 耦合機構(gòu)為純電動模式，此時發(fā)動機與發(fā)電機不工作，發(fā)動機與發(fā)電機不需要冷卻，只有驅(qū)動電機的定子、轉(zhuǎn)子、相關(guān)齒輪、軸承等需要冷卻，可以通過機械泵的工作，來滿足潤滑冷卻要求；

2) 耦合機構(gòu)為混動模式和增程模式，發(fā)動機、發(fā)電機、驅(qū)動電機均工作，耦合機構(gòu)內(nèi)部所有零件都需要冷卻，則此時機械泵與電動泵均參與工作，給液壓模塊供油，再通過液壓模塊將油液分配給相關(guān)管路，實現(xiàn)各個零部件的潤滑及冷卻。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)耦合機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計出一種液壓系統(tǒng)，對主油路、控制油路的壓力以及冷卻潤滑系的流量進行了理論計算，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，對機械泵和電動泵進行了選型，基本參數(shù)如表3所示。

表3　機械泵與電動泵的參數(shù)

液壓系統(tǒng)中存在機械泵和電動泵2個油泵供應(yīng)油液，當(dāng)機械泵無法滿足需求冷卻油液供應(yīng)時，需啟動油泵電機帶動電動泵工作。耦合控制器計算出需求電機轉(zhuǎn)速，以CAN信號傳給油泵電機控制器進行速度控制。

2.4關(guān)鍵零部件分析

2.4.1電動油泵

由于液壓系統(tǒng)中機械泵的轉(zhuǎn)速與整車車速相關(guān)，在低速情況下，機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，電動泵產(chǎn)生的液壓會隨之產(chǎn)生波動。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電動泵的動力輸出進行調(diào)節(jié)，以滿足設(shè)計要求[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和使能信號給電動泵，以驅(qū)動電動泵運轉(zhuǎn)。同時電動泵控制器通過反饋同轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的頻率信號，向整車控制器反饋當(dāng)前的實際轉(zhuǎn)速。控制流程如圖3所示。

圖3　電動泵控制流程

2.4.2噴油管

每個定子的側(cè)線包上方噴油管均勻分布12個噴油孔，單個油孔直徑1 mm，間隔25°。距離定子線包3～4 mm。前后噴油管間的過渡油管布置2個間距80 mm、直徑1 mm的噴油口，實現(xiàn)定子鐵芯冷卻。噴油管和電機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　噴油管與電機定子

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

2.4.3節(jié)溫器旁通閥

機油冷卻器調(diào)溫器旁通閥總成(節(jié)溫器旁通閥)根據(jù)油溫對大小循環(huán)進行切換，使變速器機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試驗驗證

搭建了1個臺架，對低壓油泵的性能進行檢測，為低壓油泵的標(biāo)定及制定控制策略提供依據(jù)。臺架實物，如圖5所示。

圖5　測試臺架

3.1試驗條件及試驗步驟

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

圖6　臺架原理

在試驗過程中，發(fā)動機與耦合機構(gòu)內(nèi)部的2個電機(發(fā)電機和驅(qū)動電機)均不參與工作。因為機械泵與發(fā)電機的輸入軸連接，發(fā)電機不工作，故機械泵轉(zhuǎn)速為0，也不參與工作。

本試驗的節(jié)溫器經(jīng)過改裝，在試驗過程中一直為全開狀態(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。

啟動測試臺架機油溫控裝置，對旁通閥入口溫度進行控制。測試不同溫度(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試結(jié)果　kPa

對測試結(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試結(jié)果　(L·min-1)

測試結(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　低壓油泵功率測試結(jié)果　W

對測試結(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

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

本冷卻系統(tǒng)主要通過液壓模塊分配冷卻液的流量及流速，再通過噴油管噴油和齒輪攪油來對相關(guān)零部件進行冷卻，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。

通過測試不同溫度、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、開發(fā)，提供數(shù)據(jù)支持，對油泵控制器的開發(fā)具有非常重要的意義。

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(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

基金項目：廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院科研項目

作者簡介：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：U469.72

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)06-0032-06

引用格式：張雄，趙江靈，吳為理，等.一種耦合機構(gòu)的冷卻系統(tǒng)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(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.