混合動力變速器液壓系統開發與優化設計

【摘" 要】文章以某款混合動力變速器為對象，設計開發滿足其功能需求的液壓系統，在設計中引入有限元分析方法，通過分析發現閥體存在漏油風險，加螺栓和加筋優化后解決了此問題。說明在液壓系統的設計中引入有限元分析方法能夠在設計階段發現風險并指導優化解決問題，在中國混合動力變速器液壓系統的開發上具有重要的指導意義。

【關鍵詞】混合動力變速器;液壓系統;有限元分析

中圖分類號：U463.212" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）06-0016-04

Development and Optimization Design of Hydraulic System for Hybrid Electric Transmission

NI Shilong

（Jinrun Electrohydraulic Control System Co.，Ltd.，Changsha 410135，China）

【Abstract】This article takes a hybrid transmission as the object to design a hydraulic system that meets its functional requirements. Finite element analysis method is introduced in the design，and it is found that there is a risk of oil leakage in the valve body through analysis. This problem is solved through bolt and reinforcement optimization，indicating that the introduction of finite element analysis method in the design of hydraulic system can identify risks in the design stage and guide us to optimize and solve problems，It has important guiding significance in the development of hybrid transmission hydraulic systems in China.

【Key words】hybrid transmission;hydraulic system;finite element analysis

作者簡介

倪石龍（1983—），男，碩士，總經理兼總工程師，從事智能電液控制模塊及其測試設備研發工作。

隨著石油資源的枯竭，中國對新能源汽車的發展越來越重視，各大主機廠也不斷地投入研發力量研究新能源汽車，新能源汽車獲得了飛速發展。目前市場上燃油車、混合動力汽車和純電車同時出現。相比其他汽車，混合動力汽車因集成了燃油發動機、電機和電池系統，因此既能滿足燃油車客戶需要降低燃油消耗，提高燃油經濟性，又能滿足電車客戶使用電能的需求，因此獲得了廣大消費者的喜愛。相比傳統汽車，混合動力汽車具有成本低、低排放和低燃油消耗的特點，因此混合動力汽車成為了當今汽車研究的熱點[1]。而混合動力汽車的研發離不開混合動力變速器的研發，其成為了混合動力汽車研發非常重要的部分。而作為混合動力變速控制的核心部分，液壓控制系統更是當今研究的重點。對于混合動力變速器液壓系統的研究主要集中在變速器冷卻潤滑、執行機構的運動控制和流量分配等方面[2]。因此本文基于某款混合動力汽車為研究對象，設計開發一款滿足其變速器需求的壓力控制、離合器控制和冷卻潤滑作用的液壓系統，并對此液壓系統的閥體結構進行仿真計算和優化，使其各項性能滿足使用要求。本文開發的混合動力變速器液壓系統不但可以匹配GL8等熱銷車型，同時也可以用于其他乘用車，跟市場上主流的各整車廠推行的超級混動都可以兼容和通用，因此具有非常好的通用性。

1" 混合動力變速器液壓系統開發

1.1" 混合動力變速器結構與工作模式

本文研發的變速器液壓系統控制的混動自動變速器結構如圖1所示。變速器連接著燃油發動機、發電機和驅動電機。液壓系統控制變速器實現與它們的連接與斷開，從而實現純電模式、混動模式、發動機模式和制動能量回收等模式的切換。

各模式的切換離不開液壓系統的控制，各模式下液壓系統的控制操作如下。

1）純電模式下，液壓系統控制發動機與變速器、離合器斷開，主驅電機直接驅動車輪。此模式下如果有急加速工況，液壓系統將控制離合器閉合，發動機動力將和主驅電機共同驅動車輪。如果冷卻不夠，發動機啟動，液壓系統將控制離合器脫開，充電的同時提供冷卻液壓油。

2）混動模式下，液壓系統將控制離合器接合，發動機和電機同時工作驅動車輪。而且即使離合器斷開，發動機將帶動發電機發電，主驅電機在發電機電流和電池電流的作用下驅動車輛。

3）發動機模式下，離合器接合，發動機驅動車輛。發電機給主驅電池供電。

4）制動能量回收模式下，離合斷開，發動機和電機均不驅動車輪，此時車輪反拖主驅電機回收能量。

1.2" 液壓系統設計

根據變速器的工作模式需要，同時滿足其壓力調節、冷卻和潤滑等各方面的控制需求，本文設計開發的液壓系統原理圖如圖2所示。液壓系統的控制回路由主油路、離合控制回路和冷卻潤滑回路組成。

1）系統主壓力回路。系統主壓力回路由主油路調節閥、主油路先導電磁閥、主油路系統安全閥和輔助蓄能器組成，用于調節液壓系統的主壓力，系統多余的流量通過主油路調節閥溢流至發電機的冷卻腔進行冷卻。

2）離合器控制回路。離合器控制回路由離合器控制電磁閥、離合器壓力安全閥和輔助蓄能器組成。離合器控制電磁閥為直驅型比例壓力閥，根據控制策略調節所需的離合器控制壓力，以實現離合器的滑摩、接合、脫開等精確控制。

3）冷卻潤滑回路。冷卻潤滑回路則由低壓油泵直接控制潤滑冷卻流量的大小，實現潤滑冷卻流量的精確控制。回路中的冷卻潤滑的背壓閥保證冷卻潤滑回路的油路壓力不超過設定值。

2" 液壓系統閥體設計與開發

液壓系統設計和定型后，需要對安裝和固定液壓系統各個液壓元件以及集成各個油路的閥體進行開發和設計。首先閥體的設計基于變速器總成上的安裝邊界條件，將各個功能元器件集成在一起，實現各個控制回路油路的功能。在實現各個油液回路功能的同時，考慮油路在各個回路中的沿程壓力損失、流速、壓力以及內部泄漏等因素。各元器件的布置、閥體與閥體的連接螺栓布置等需要豐富的設計經驗，一個好的閥體設計除了實現各個油路功能，其內部泄漏量、安裝變形、沿程壓力損失以及閥體的鑄造工藝、加工工藝性能都能滿足批量生產的需求。因此在閥體設計過程中，還需要對閥體進行有限元分析，校核其在壓力作用下是否會發生漏油等問題。

2.1" 閥體2D油道設計與螺栓初步布置

首先根據變速器總體布置，結合液壓系統閥體的安裝空間設計好閥體的總體二維輪廓尺寸，然后根據液壓系統需要布置的各元件和油道的需求設計好2D油道。布置完成的閥體2D油道布置如圖3所示。上閥體主要布置各個液壓元件，如安全閥、換向閥和蓄能器等。下閥體主要是油道的布置，用于連通各個液壓元件，形成控制油路。

閥體的2D油道布置完成后，需要根據各個油道的位置布置合理的螺栓緊固點。因為油道內充滿著高壓的液壓油，而閥體是由上下閥體通過螺栓緊固在一起，因此一旦螺栓緊固裝配不合理就會出現漏油卸壓的風險。根據各個油道的壓力情況和大致的分布情況完成的閥體螺栓布置如圖4所示。此閥體根據需要布置了15個螺栓緊固點，使用10.9級M6螺栓進行緊固，螺栓預緊力最大為14300N。

2.2" 閥體3D設計

在完成閥體的2D油路和螺栓孔布置之后，便可以進行閥體的3D油路和三維模型設計。圖5為根據2D油路布置完成的閥體3D油道設計圖，油道包含離合器油道、先導壓力油道、主油路油道和電機冷卻油道等。油道的最高壓力分布值為主油路，達到23bar。

在完成油道的設計以后，需要校核各個油道的液壓油流速是否達到設計要求。校核結果見表1，在額定工作壓力和最大流量下，各個油道的尺寸滿足最高流速要求。其中離合器油路流速5.56m/s，先導壓力流速4.44m/s，主油路流速3.97m/s，電機冷卻流速2.22m/s，冷卻油路流速2.38m/s，流速達到設計要求，滿足變速器液壓系統控制的流速需求。

確定好閥體的油道通徑后，便可進行閥體的詳細結構三維設計，完成的閥體三維模型如圖6所示。閥體由閥板、電磁閥、閥芯和隔板彈簧等組件組成。上下閥體和隔板用于安裝固定各個電磁閥、閥芯和彈簧，連通各個液壓回路的油路，同時通過螺栓緊固在一起形成一個個油道。在車速信號、油門壓力信號和制動信號等輸入信號的控制下實現各個電磁閥的控制，從而驅動各個液壓油路的切換，實現對整個液壓系統的控制。

3" 閥體有限元分析與優化

閥體設計完成后，閥體的機械性能決定著整個液壓系統的成功與失敗，如果在油壓和螺栓預緊力的作用下，油路的油道發生變形導致油道的流速不順暢，甚至出現漏油、閥體強度不足開裂等問題，都將帶來嚴重問題和故障，導致整個液壓系統設計失敗。因此在閥體三維設計完成后，需要對閥體進行有限元計算，校核其強度、剛度和面壓力等指標是否滿足設計要求。

3.1" 閥體網格劃分

根據計算的需要摘取出所需的三維結構數模，然后根據三維結構數模完成網格模型的劃分。完成的閥體網格模型如圖7所示。因為閥體通過鑄造一體成型，結構復雜，適合使用四面體網格進行劃分。螺栓通過RB2+梁單元的形式進行連接，單元數量達到1285100個。

3.2" 閥體材料、工況與邊界加載

上下閥體為ADC12材質，彈性模量為70000MPa，其屈服極限為155MPa;隔板為B340LA材質，彈性模量為210000MPa，屈服強度為340MPa。閥體的載荷主要包括螺栓預緊力、油道的內部壓力和油溫升高時的溫度載荷。因此設置閥體的工況為施加預緊力14300kN，油道內部壓力，溫度23℃和120℃。在計算時，直接固定閥體的下部固定座位置，然后施加上述工況的載荷進行計算。

3.3" 閥體有限元分析結果評價與優化

定義好分析工況和材料后，對有限元模型進行求解計算。有限元分析結果云圖如圖8所示。從結果可看出上下閥板在紅圈區域面壓力小于油道壓力2.15MPa，存在漏油的風險。隔板兩面均未出現接觸壓力小于0.0001MPa的區域，說明仍為接觸狀態，未出現零件分離產生間隙的現象。閥孔的徑向相對變形小于0.015mm，主要為熱變形引起，對滑閥的性能以及油道泄漏基本沒有影響。

上下閥板紅圈區域面壓小，建議在此區域增加螺栓緊固，增加區域的面壓力，同時加筋加強，提高此區域的強度和剛度。最終根據優化建議設計完成的閥體結構如圖9所示。

4" 液壓系統試驗測試

液壓系統和閥體設計優化完成后，對實物進行生產制造和試驗測試。首先生產制造出閥體的各個零部件，采購回各個液壓零件后，搭建用于測試的液壓試驗平臺。搭建完成的試驗平臺如圖10所示。

經過測試，各個工況下輸出的油壓均達到了標準值，響應速度和壓損也滿足設計要求，閥體在最大油壓下沒有出現漏油的問題，說明閥體經過有限元分析評估后存在的問題經優化改進后沒有發生。在試驗測試中，閥體一次性測試成功，表明液壓系統的設計除了理論設計外，還需引入有限元分析手段對其進行評估與優化。如果沒有引入有限元分析方法，閥體設計完成后，需要進行實物測試后才能發現問題，同時缺乏理論數據，解決問題非常依賴經驗和知識?，F經計算機虛擬分析后，可以在設計階段指出閥體存在的風險，然后提出優化改進建議，確保實物不會出現問題，一次性設計成功，提高了產品設計的成功率，節省了時間和成本，提高了研發效率。

5" 結論

本文以某款混合動力變速器為對象設計，開發了滿足其需求的液壓系統。在液壓系統的設計中引入了閥體三維設計、閥體2D與3D油道設計和油道流速分析，特別是在閥體的設計中引入了計算機有限元分析，評估了閥體的面壓和變形，發現了閥體有些地方存在面壓過低、螺栓預緊壓力不足，有漏油風險。通過在此處增加一顆螺栓預緊，同時在此處加筋加強解決了漏油的問題。后經試驗驗證閥體沒有出現漏油和油道流速異常壓損過大的問題，說明在液壓系統的設計中引入有限元分析手段能夠在設計階段評估閥體的漏油和油道變形的風險，并指導優化解決此問題，提高產品設計的成功率，節省時間和成本，提高研發效率，對混合動力變速器液壓系統的開發具有重要的指導意義。

參考文獻：

[1] 鄧智勛. 雙電機混合動力變速器液壓系統動態特性分析及改進[D]. 湘潭：湘潭大學，2019.

[2] 何國新，陳玉祥，王寶智. 混動變速器液壓系統流量分配優化分析[J]. 機電工程技術，2022（3）：275—278.

（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2023-12-08