混動(dòng)變速箱液壓系統(tǒng)流量分配優(yōu)化分析

何國(guó)新，陳玉祥，王寶智

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

液壓系統(tǒng)是混合動(dòng)力變速器重要組成部分，涉及到電機(jī)、電控、離合器、軸承等部件的冷卻潤(rùn)滑，又涉及到液壓駐車、離合器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制。液壓系統(tǒng)的流量分配對(duì)混動(dòng)變速箱能否正常且高效地運(yùn)轉(zhuǎn)起到至關(guān)重要的作用。本文混動(dòng)變速箱采用雙液壓泵控制，雙電機(jī)均采用油冷結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高壓閉合油路和冷卻潤(rùn)滑油路的集成設(shè)計(jì)。

為了滿足混動(dòng)變速箱多功能、多模式的需求，液壓系統(tǒng)有不同的控制閥和流體通道進(jìn)行流量控制，因此液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。各個(gè)部件之間的流量分配是此消彼長(zhǎng)的過程，要避免出現(xiàn)流量分配不足的問題，也要避免出現(xiàn)流量偏大，設(shè)計(jì)余量過大，系統(tǒng)效率降低的問題。提升液壓系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)能力，在設(shè)計(jì)前期能進(jìn)行正確的預(yù)測(cè)，并優(yōu)化各部件所需流量到最合理水平，是非常重要的。目前，采用三維軟件對(duì)混動(dòng)變速箱冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析是比較成熟和精確的[1]。一維分析方法[2-4]也具有自己的優(yōu)勢(shì)，計(jì)算效率高，易于參數(shù)化分析，但一維往往不能非常精確體現(xiàn)液壓系統(tǒng)零部件的幾何特征。也有采用數(shù)學(xué)建模方法進(jìn)行分析，數(shù)學(xué)建模方法相比成熟軟件往往存在精度和收斂問題[5-7]。本文采用三維仿真分析方法，能考慮詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)，方法成熟，仿真精度高，可以較好地進(jìn)行復(fù)雜流體結(jié)構(gòu)的流量分配優(yōu)化分析[8]。

本文混合動(dòng)力變速箱液壓模塊冷卻潤(rùn)滑出口連接噴油管和輸入軸，用來冷卻電機(jī)和潤(rùn)滑離合器。離合器需要精準(zhǔn)高效控制，有Slipping和No slipping兩種工作模式，液壓模塊在兩種模式下通過電磁閥控制液壓回路實(shí)現(xiàn)流量分配。分別抽取兩種模式下液壓模塊內(nèi)部流體域，連接噴油管流體域，通過三維流體軟件Star-ccm+實(shí)現(xiàn)流量分配優(yōu)化分析，提升系統(tǒng)整體性能。

1 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

本文混合動(dòng)力變速箱包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)以及差減等結(jié)構(gòu)，電機(jī)冷卻方式采用噴油冷卻，噴油管的流量分配主要靠液壓模塊來控制。液壓模塊冷卻潤(rùn)滑出口連接噴油管和輸入軸，用來冷卻電機(jī)和潤(rùn)滑離合器。

1.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

混合動(dòng)力變速箱液壓模塊需滿足兩種模式（離合器Slipping和No slipping模式），不同尺寸節(jié)流孔需滿足噴油管入口（冷卻電機(jī)）和輸入軸入口（潤(rùn)滑離合器）流量分配情況。液壓模塊在離合器Slipping和No slipping模式兩種模式下通過電磁閥控制液壓回路實(shí)現(xiàn)流量分配，液壓原理簡(jiǎn)圖如圖1所示，泵1是電子液壓泵，泵2是機(jī)械液壓泵，通過控制閥1、控制閥2和控制閥3調(diào)節(jié)流量的分配，使油液通過不同的節(jié)流孔進(jìn)入相應(yīng)的部件進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑。節(jié)流孔1、2、3、4位置如圖1所示。

圖1 某變速箱雙泵液壓系統(tǒng)原理

1.2 模式及其流體域

離合器Slipping模式液壓回路如圖2所示，離合器此時(shí)所需流量大，采用雙泵同時(shí)工作。分別抽取該模式下液壓模塊內(nèi)部流體域和連接噴油管的流體域。內(nèi)部流體結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖2 離合器Slipping模式液壓回路

圖3 Slipping模式液壓模塊及噴油管流體域

雙電機(jī)冷卻回路的進(jìn)油口從機(jī)殼上部穿過，液壓系統(tǒng)通過不同的控制閥，由進(jìn)油管路到達(dá)噴油管。有不同尺寸的細(xì)小噴油孔分布在噴油管上，油液從噴油管小孔噴到電機(jī)的定子表面，給電機(jī)進(jìn)行冷卻，之后流回油底殼。

No slipping模式液壓回路如圖4所示，離合器此時(shí)所需流量小，僅電子泵1工作即可滿足要求。內(nèi)部流體結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖4 離合器Noslipping模式液壓回路

圖5 Noslipping模式液壓模塊及噴油管流體域

2 仿真建模及分析

本文三維優(yōu)化仿真采用Star-ccm+軟件，該軟件能求解穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問題、流固共軛換熱問題、以及可壓縮流動(dòng)和不可壓縮流動(dòng)問題。其建模效率高，能建立層流和湍流模型、歐拉多相流模型、拉格朗日多相流模型等。通過后處理可獲得計(jì)算結(jié)果的云圖、速度矢量圖、流線圖，并且能制作動(dòng)畫，輸出任意點(diǎn)線面的流動(dòng)參數(shù)等[9]。

通過Star-ccm+仿真計(jì)算得到各個(gè)部位的壓力損失及流場(chǎng)分布，確定各個(gè)節(jié)流孔的流量。如果某些節(jié)流孔流量分配不足或流量分配過多，都說明液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案不合理，則需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

2.1 三維建模及參數(shù)設(shè)置

對(duì)液壓系統(tǒng)流道及噴油管系統(tǒng)的幾何模型進(jìn)行流體域抽取，并導(dǎo)入軟件Star-ccm+進(jìn)行CFD流體網(wǎng)格劃分[10]。對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以噴油入口到節(jié)流孔的流道為例，抽取的系統(tǒng)的流體域如圖6所示。

圖6 孔2直徑3.5 mm和孔4直徑3.5 mm仿真結(jié)果

完成網(wǎng)格劃分后，在Star-ccm+中進(jìn)行入口、出口及冷卻液的參數(shù)設(shè)置。為便于分析，在不影響精度的情況下，對(duì)油液及其流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行一定的條件簡(jiǎn)化，可認(rèn)為油液不可壓縮，忽略其熱膨脹系數(shù)及能量交換等[11]。同時(shí)，冷卻液需滿足三維定常湍流流動(dòng)的連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程。仿真的參數(shù)和邊界條件如表1所示。

表1 三維仿真參數(shù)設(shè)置

冷卻介質(zhì)采用RDL-3434冷卻油，冷卻液的參數(shù)如表2所示[12]。

表2 三維仿真參數(shù)設(shè)置

2.2 Slipping模式仿真結(jié)果

離合器Slipping模式下，主要分析節(jié)流孔2和節(jié)流孔4，當(dāng)節(jié)流孔2的直徑為3.5 mm，節(jié)流孔4的直徑為3.5 mm，仿真得到的系統(tǒng)壓力云圖如圖6所示。系統(tǒng)最大壓力出現(xiàn)在泵1入口，達(dá)到8.5 bar（1 bar=0.1 MPa）；泵2入口壓力為7.5 bar；電機(jī)噴油管入口壓力為0.24 bar。壓力損失主要出現(xiàn)在控制閥1、控制閥2和控制閥3前后。流量分配結(jié)果為：電機(jī)噴油管入口流量為9.2 L∕min，輸入軸入口流量（離合器冷卻流量）為8.8 L∕min。Slipping模式離合器冷卻流量需求為大于9.5 L∕min，電機(jī)冷卻需求為大于6 L∕min；并且考慮到實(shí)際液壓回路存在泄漏現(xiàn)象，故需要再增大輸入軸入口流量。

離合器Slipping模式下，當(dāng)節(jié)流孔2的直徑為3.5 mm，節(jié)流孔4的直徑為3 mm，仿真得到的系統(tǒng)壓力云圖如圖7所示。系統(tǒng)最大壓力出現(xiàn)在泵1入口，達(dá)到9.2 bar；泵2入口壓力為8.2 bar；電機(jī)噴油管入口壓力為0.2 bar；壓力損失主要出現(xiàn)在控制閥1、控制閥2和控制閥3前后。流量分配結(jié)果：電機(jī)噴油管入口流量為8.2 L∕min，輸入軸入口流量（離合器冷卻流量）為9.8 L∕min。該結(jié)構(gòu)滿足條件，考慮到目前液壓模塊連接輸入軸的出口壓力按0 bar輸入，實(shí)際該出口存在負(fù)載，需要有一點(diǎn)安全系數(shù)。

圖7 孔2直徑3.5 mm和孔4直徑3 mm仿真結(jié)果

離合器Slipping模式下，當(dāng)節(jié)流孔2的直徑為3.5 mm，節(jié)流孔4的直徑為2.5 mm，仿真得到的系統(tǒng)壓力云圖如圖8所示。系統(tǒng)最大壓力出現(xiàn)在泵1入口，達(dá)到10.3 bar；泵2入口壓力為9.3 bar；電機(jī)噴油管入口壓力為0.15 bar；壓力損失主要出現(xiàn)在控制閥1、控制閥2和控制閥3閥前后。

圖8 孔2直徑3.5 mm和孔4直徑2.5 mm仿真結(jié)果

流量分配結(jié)果：電機(jī)噴油管入口流量為7 L∕min，輸入軸入口流量（離合器冷卻流量）為11 L∕min。Slipping模式離合器冷卻流量需求為大于9.5 L∕min，電機(jī)冷卻需求為大于6 L∕min，該結(jié)構(gòu)初步評(píng)估滿足條件，節(jié)流孔4尺寸可以按2.5~3 mm設(shè)計(jì)。

2.3 No slipping模式仿真結(jié)果

離合器No slipping模式下，主要分析節(jié)流孔1和節(jié)流孔4對(duì)流量分配的影響，當(dāng)節(jié)流孔1的直徑為2.5 mm，節(jié)流孔3的直徑為4 mm，仿真得到的系統(tǒng)壓力云圖如圖9所示。系統(tǒng)最大壓力出現(xiàn)在泵1入口，達(dá)到8.5 bar；電機(jī)噴油管入口壓力為0.33 bar；壓力損失主要出現(xiàn)在控制閥1、控制閥3前后。流量分配結(jié)果：電機(jī)噴油管入口流量為11.8 L∕min，輸入軸入口流量（離合器冷卻流量）為6.2 L∕min。No slipping模式離合器冷卻流量需求為大于6.5 L∕min，電機(jī)冷卻需求大于10.5 L∕min，考慮到實(shí)際液壓回路存在泄漏現(xiàn)象，考慮到目前液壓模塊連接輸入軸的出口壓力按0 bar輸入，實(shí)際該出口存在負(fù)載，電機(jī)噴油管入口分配的流量會(huì)大于11.8 L∕min、離合器的流量會(huì)變小，不滿足設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)流孔的設(shè)計(jì)。

圖9 孔1直徑2.5 mm和孔4直徑4 mm仿真結(jié)果

離合器No slipping模式下，當(dāng)節(jié)流孔1的直徑為3 mm，節(jié)流孔3的直徑為4 mm，仿真得到的系統(tǒng)壓力云圖如圖10所示。系統(tǒng)最大壓力出現(xiàn)在泵1入口，達(dá)到7.7 bar；電機(jī)噴油管入口壓力為0.27 bar；壓力損失主要出現(xiàn)在控制閥1、控制閥3前后。流量分配結(jié)果：電機(jī)噴油管

圖10 孔1直徑3 mm和孔4直徑4 mm仿真結(jié)果

入口流量為10.7 L∕min，輸入軸入口流量（離合器冷卻流量）為7.3 L∕min。該結(jié)構(gòu)節(jié)流孔1滿足設(shè)計(jì)要求。

3 仿真優(yōu)化結(jié)果

由前面分析可知，在Slipping和No slipping兩種模式及不同的節(jié)流孔尺寸下，仿真得到了液壓系統(tǒng)給電機(jī)分配的流量、離合器分配的流量、兩個(gè)泵的入口壓力以及噴油管的噴油壓力。仿真分析結(jié)果如表3所示。

表3 仿真分析結(jié)果

在離合器Slipping模式下，經(jīng)過優(yōu)化分析，最后確定節(jié)流孔2和節(jié)流孔4分別采用3.5 mm和2.5 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。在離合器No slipping模式下，經(jīng)過優(yōu)化分析，最后確定節(jié)流孔1和節(jié)流孔3分別采用3 mm和4 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

在不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和總流量的情況下，通過三維分析方法，確定了液壓系統(tǒng)節(jié)流孔尺寸，實(shí)現(xiàn)了混動(dòng)變速箱液壓系統(tǒng)的流量分配優(yōu)化。

（1）Slipping模式，初始方案輸入軸入口流量8.8 L∕min，不滿足大于9.5 L∕min的目標(biāo)，優(yōu)化方案輸入軸入口流量增加到11 L∕min，滿足目標(biāo)要求。

（2）No slipping模式，初始方案輸入軸入口流量6.2 L∕min，不滿足大于6.5 L∕min的目標(biāo)，優(yōu)化方案輸入軸入口流量增加到7.3 L∕min，滿足目標(biāo)要求。

（3）通過三維仿真得到混動(dòng)變速箱液壓系統(tǒng)流量分配特性，并優(yōu)化流量分配，可減少試驗(yàn)次數(shù)，提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可預(yù)見性，對(duì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有非常重要的指導(dǎo)意義。