P1+P4混合動力變速箱液壓系統

葛成榮

(常州鐵道高等職業技術學校 軌道交通系，江蘇 常州 213011)

引言

根據P1+P4項目中電子泵的工況定義，在純電驅動工況下行駛時，變速箱的潤滑冷卻完全由電子泵保證。對電子泵而言，潤滑冷卻工況占據大部分工作周期，所以應盡量保證電子泵潤滑工況下提供合適的潤滑冷卻流量。從能量最優角度考慮，應根據不同工況下能量需求選擇合適的電子泵。

根據P1+P4項目需求，純電驅動工況下離合器冷卻潤滑流量需要大約2 L/min，齒軸冷卻潤滑流量需要大約1 L/min。根據實際物理參數建立基于AMESim的液壓系統仿真模型[1-2]，如圖1所示。在30 ℃和60 ℃工況下進行潤滑冷卻仿真，由仿真結果可得，油溫為30 ℃，電子泵總流量為6.865 L/min時，潤滑總流量可達到約2.9 L/min，滿足此時的潤滑總流量；油溫為60 ℃，電子泵總流量為9.959 L/min時，潤滑總流量可達到約3 L/min，滿足此時的潤滑總流量。

圖1 DCT360液壓系統仿真模型Fig.1 DCT360 hydraulic system simulation model

1 參數的確定

為了確定合適的液壓模塊主油壓，在原有機械泵的基礎上對換擋力、主油壓與換擋時間的關系進行摸底試驗[3-5]。選擇3個換擋最惡劣的工況進行試驗，分別為Power on 2-1掛1擋、靜態D2N退1擋和Power on 5-2掛2擋。

Power on 2-1掛1擋，測試溫度為78～85 ℃，測試內容：主油壓分別為2.0，1.5，1.2 MPa時原始換擋力MS階段以及上擋總時間。測試結果顯示主油壓2.0，1.5，1.2 MPa時，MS階段以及總掛擋時間差別不大，試驗數據如圖2所示。

圖2 Power on 2-1掛1擋時間Fig.2 Power on 2-1 hang 1 gear time

靜態D2N 退1擋，測試溫度：58～69 ℃，測試內容：主油壓為2，1.5，1.2 MPa時原始退擋力退擋時間。測試結果顯示主油壓2，1.5 MPa時，總退擋時間差別不大，主油壓1.2 MPa時，總退擋時間加長8%屬于可接收的范圍，試驗數據如圖3所示。

圖3 靜態D2N退1擋時間Fig.3 Static D2N back 1 gear time

Power on 5-2掛2擋，測試溫度： 80～87 ℃，測試內容：主油壓分別為2.0，1.2 MPa時原始換擋力MS階段以及上擋總時間。測試結果顯示主油壓由2.0 MPa 減小到1.2 MPa時，MS階段以及總掛擋平均時間變長分別為15%和12%，屬于可接受的范圍，試驗數據如圖4所示。

圖4 Power on 5-2掛2擋時間Fig.4 Power on 5-2 hang 2 gear time

試驗顯示在機械泵工作時主油壓下降到1.2 MPa，換擋時間在15%內變化，可以滿足現有控制條件下的換擋響應，如果需要減小換擋時間也可以通過減小Passive力實現。為了實現系統能量的合理分配，確定電子泵換擋時的工作壓力為1.2 MPa。

2 試驗臺的搭建

原理驗證階段，盡量沿用原有零件或標準件，以達到快速進行模型搭建的目的。根據以往經驗，在不影響測試性能的前提下，減少了2個油濾，快速進行驗證試驗臺的搭建[6-8]。

有如下工作：

(1) 電子泵的選型；

(2) 電子泵安裝位置的選擇及固定方式的設計；

(3) 電子泵入口與油底殼的接口選擇與連接設計；

(4) 電子泵出口與主油路接口位置的選擇及連接設計；

(5) 流量傳感器及壓力傳感器的選擇，安裝接口的確定。

2.1 電子泵的選擇

德昌電子泵現有集成平臺，外形尺寸φ63×151 mm，如圖5所示。直流無刷電機，供電電壓12 V，最大扭矩1.2 N·m，最大輸出功率300 W(瞬時)。擺線泵，供油壓力2.0～1.3 MPa，峰值1.5 MPa，泵排量3.96 mL/r，最大流量12.7 L/min，泵在不同溫度下的容積效率λ，如圖6所示。

圖5 德昌電子泵外形Fig.5 Appearance of Dechang electronic pump

圖6 德昌電子泵不同溫度下的容積效率Fig.6 Volumetric efficiency of Dechang electronic pumps at different temperatures

精進電機+紅宇油泵，外形尺寸φ86×197 mm，如圖7所示。直流無刷電機，供電電壓288 V，最大扭矩4 N·m，最大輸出功率1 kW(瞬時)。擺線泵，供油壓力0.35～1.35 MPa，峰值2.0 MPa，泵排量8.5 mL/r，最大流量25.5 L/min，泵在不同溫度下的容積效率λ如圖8所示。

圖7 精進電機+紅宇油泵外形Fig.7 Appearance of Jingjin motor and Hongyu oil pump

圖8 精進電機+紅宇油泵不同溫度下的容積效率Fig.8 Volumetric efficiency of Jingjin motor and Hongyu oil pump at different temperatures

從效率方面對比分析，2款電子泵平臺在各轉速下，壓力為0.5 MPa時，效率均能80%以上。流量為換擋主油壓力1.2 MPa時，效能也能保持在70%以上。在30 ℃工況下，要能滿足潤滑流量要求，德昌電子泵轉速為1600 r/min，精進電機+紅宇油泵轉速為918 r/min。在60 ℃工況下，要能滿足潤滑流量要求，德昌電子泵轉速為2100 r/min，精進電機+紅宇油泵轉速為1428 r/min。

從能量消耗方面分析，德昌電子泵峰值功率為300 W，精進電機+紅宇油泵峰值功率為1 kW，在能滿足系統能量需求的情況下選擇德昌電子泵更經濟。

從外形尺寸方面分析，德昌電子泵在直徑和長度

方面均優于精進電機+紅宇油泵。

從供電方式上面分析，德昌電子泵采用12 V供電，普通的汽車蓄電池就能供電，精進電機+紅宇油泵需要288 V的高壓直流供電。供電接口可根據主機廠需求匹配，兩者無明顯區別。

所以綜合以上分析，2種電子泵均能滿足該次試驗要求，在遵循尺寸盡量小和能量最節約的前提下該方案最終選擇德昌電子泵。

2.2 電子泵安裝位置的選擇及固定方式的設計

油泵的安裝位置參考泵入口位置和殼體可安裝點共同決定，經對比360B產品離殼有1個工藝安裝面，可用于安裝電子泵如圖9a所示。采用兩半圓合抱住電子泵，如圖9b所示。

圖9 電子泵安裝位置Fig.9 Installation position of electronic pump

2.3 電子泵入口與油底殼的接口選擇與連接的設計

選擇油底殼放油螺紋孔作為電子泵吸油口見圖10a，接頭形式見圖10c。泵吸油口至泵入口管路見圖10b，泵入口接頭形式見圖10d。

圖10 電子泵入口與油底殼的接口Fig.10 Interface between electronic pump inlet and oil pan

2.4 電子泵出口與主油路接口位置的選擇及連接設計

圖11a為電子泵出油口示意圖，因泵端無良好的固定接口，故設計1對拉索固定于下側面的2個通孔處，見圖11b，試驗完成后考慮改進接口形式。

圖11 電子泵出口與主油路接口Fig.11 Electronic pump outlet and main oil circuit interface

進入閥體的接口考慮放在高壓油濾處。因原油濾殼體結構較薄，不適宜在此基礎上進行改進，故需要重新設計以便布置壓力傳感器和進油接口。油濾殼體形狀見圖12a，進油接口見圖12b。

圖12 油濾殼體及進油接口Fig.12 Oil filter housing and oil inlet interface

2.5 流量傳感器及壓力傳感器的選擇，安裝接口的確定

根據系統的最大工作流量、壓力選用流量和壓力傳感器，最終選用流量量程為20 L/min的流量傳感器見圖13a，壓力量程為1.3 MPa的壓力傳感器和安裝接口見圖13b、圖13c所示。

圖13 流量傳感器及壓力傳感器Fig.13 Flow sensor and pressure sensor

按照以上步驟進行設計，三維模型效果圖見圖14a，裝在AVL臺架上的DCT360 P1+P4項目變速箱見圖14b。

圖14 DCT360 P1+P4項目變速箱外形圖Fig.14 Gearbox outline drawing of DCT360 P1+P4 project

3 試驗情況

3.1 電子泵潤滑試驗

設定主油路油壓為0.5 MPa，調定電機轉速，監測油溫、流量和壓力等參數，試驗數據見表1、表2。該表顯示電子泵轉速在2000 r/min時，齒輪冷卻流量能達到1.1 L/min，和理論計算比較接近。

表1 潤滑試驗(I=0 mA)Tab.1 Lubrication test (I= 0 mA)

表2 潤滑試驗(I=1 mA)Tab.2 Lubrication test (I=1 mA)

為給后期潤滑閥電流選擇提供參考，在不同電子泵轉速下，給定不同潤滑流量閥電流測定對應的齒軸流量[9]，如圖15所示。

圖15 潤滑閥不同電流下齒軸冷卻流量Fig.15 Gear shaft cooling flow under different currents of lubrication valve

3.2 靜態換擋

在AVL臺架上進行靜態換擋性能測試，調定電子泵的轉速，在不同轉速下監測油溫、油壓和流量等參數，監測結果見表3。

表3 靜態換擋試驗Tab.3 Static shift test

換擋設定為壓力從0.5 MPa(潤滑壓力)切換到1.2 MPa(目標換擋壓力)同時進行換擋動作，換擋時間曲線見圖16、圖17。

圖16 各上擋時間曲線Fig.16 Time curve of each upshift

圖17 各脫擋時間曲線Fig.17 Time curve of each off-gear

3.3 倒拖換擋

在AVL臺架上進行倒拖換擋性能測試，選擇不同的輸出軸轉速，以代表不同車速。輸出軸轉速分別設定為887.4，500, 211 r/min，在3個不同轉速下分別進行對應的6擋、4擋和1擋的上擋和退擋試驗。

1) 倒拖換擋(輸出887.4 r/min)

調定電子泵的轉速，在不同轉速下監測油溫、油壓和流量。換擋設定壓力從0.5 MPa(潤滑壓力)切換到1.2 MPa(目標換擋壓力)，同時進行換擋動作，監測結果見表4，換擋時間曲線見圖18。

表4 倒拖換擋(輸出887.4 r/min)Tab.4 Reverse drag shift (output 887.4 r/min)

如圖18所示，溫度為70 ℃電子泵轉速為2000 r/min時，齒軸冷卻流量為1.2 L/min，能夠滿足潤滑需求。887.4 r/min(對應車速120 km/h)倒拖工況下，可以正常上6擋，換擋時間最長接近1 s。

圖18 倒拖換擋時間(輸出887.4 r/min)Fig.18 Reverse drag shift time (output 887.4 r/min)

2) 倒拖換擋(輸出500 r/min )

調定電子泵的轉速，在不同轉速下監測油溫、油壓和流量。換擋設定壓力從0.5 MPa(潤滑壓力)切換到1.2 MPa(目標換擋壓力)，同時進行換擋動作，監測結果見表5，換擋時間曲線見圖19。

圖19 倒拖換擋時間(輸出500 r/min)Fig.19 Reverse drag shift time (output 500 r/min)

表5 倒拖換擋(輸出500 r/min)Tab.5 Reverse drag shift (output 500 r/min)

如圖19所示，500 r/min倒拖工況下，可以正常上4擋，換擋時間比較穩定，為0.7 s。

3) 倒拖換擋(輸出211 r/min)

調定電子泵的轉速，在不同轉速下監測油溫、油壓和流量。換擋設定壓力從0.5 MPa(潤滑壓力)切換到1.2 MPa(目標換擋壓力)，同時進行換擋動作，監測結果見表6，換擋時間曲線見圖20。

表6 倒拖換擋(輸出211 r/min)Tab.6 Reverse drag shift (output 211 r/min)

圖20 倒拖換擋時間(輸出211 r/min)Fig.20 Reverse drag shift time (output 211 r/min)

如圖20所示，211 r/min倒拖工況下，可以正常上1擋，換擋時間與電子泵呈拋物線關系，最短時間為4.9 s(3200 r/min)。

4 結論

樣機經過電子泵潤滑試驗、靜態換擋試驗、倒拖試驗，均能滿足變速箱工作所需的潤滑冷卻與各種工況下的換擋需求。根據目前的試驗數據，潤滑工況下電子泵轉速為2000 r/min比較合理，換擋工況下電子泵轉速為3000 r/min換擋時間較短。

P1+P4混合動力變速箱樣機設計緊密結合模型仿真和原有試驗數據，保證了樣機設計的準確性和高效性。設計時先根據AMESim仿真結果確定流量需求，再通過試驗數據確定主油壓，最終確定能源系統和各相關附件系統[10-12]。