某型CVT冷卻系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)研究

劉宏偉　賈嘉　宋志剛　曾泳　程昶（北京汽車動(dòng)力總成有限公司技術(shù)中心，北京100021）

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某型CVT冷卻系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)研究

劉宏偉賈嘉宋志剛曾泳程昶
（北京汽車動(dòng)力總成有限公司技術(shù)中心，北京100021）

【摘要】針對(duì)某型CVT初始設(shè)計(jì)樣機(jī)液壓系統(tǒng)冷卻流量不足的問題，利用AMEsim搭建液壓系統(tǒng)模型，分析冷卻潤(rùn)滑回路阻尼孔、液力變矩器閥口過流面積及流量控制閥彈簧預(yù)緊力等對(duì)冷卻流量和系統(tǒng)效率的影響規(guī)律，并修改設(shè)計(jì)參數(shù)后進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。臺(tái)架試驗(yàn)及整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)結(jié)果均表明，相比初始設(shè)計(jì)樣機(jī)，改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)后樣機(jī)冷卻流量明顯提升且滿足目標(biāo)流量設(shè)計(jì)要求。

主題詞:CVT液壓系統(tǒng)冷卻流量

1　前言

CVT是一種能根據(jù)車輛行駛條件自動(dòng)連續(xù)變化速比的理想汽車變速器，能夠使傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)工作在最理想的油耗工況，有助于降低排放，是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用的一個(gè)重要方向[1～3]。在動(dòng)力傳動(dòng)過程中，CVT的油泵、閥體、液力變矩器、金屬帶帶輪組以及齒輪副都會(huì)因功率損失產(chǎn)生大量熱量，過高的油溫將降低自動(dòng)變速器油（ATF）潤(rùn)滑效果，破壞運(yùn)動(dòng)部件的配合間隙，造成密封件老化失效等問題；而過低的油溫會(huì)導(dǎo)致ATF粘度變大，降低液壓系統(tǒng)反應(yīng)速度及變速器的傳動(dòng)效率[4]。因此，需要設(shè)計(jì)合適的CVT冷卻系統(tǒng)，將變速器油溫控制在合理范圍內(nèi)。

2　CVT冷卻系統(tǒng)分析及建模

2.1冷卻流量控制原理

根據(jù)CVT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要對(duì)金屬帶帶輪組、行星輪架、液力變矩器及離合器等部位進(jìn)行強(qiáng)制冷卻；為提高溫控效果，ATF通過外置冷卻器（水冷）進(jìn)行熱量交換；各部件的冷卻流量分配可通過終端阻尼孔大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)；整機(jī)的冷卻流量水平通過液壓系統(tǒng)中的流量控制閥進(jìn)行控制，同時(shí)該閥可將過量的流量卸載，降低液壓系統(tǒng)負(fù)荷，提高效率。某CVT冷卻系統(tǒng)液壓原理如圖1所示。其液壓系統(tǒng)流量由一臺(tái)雙作用油泵（可等效為雙聯(lián)泵）提供，油泵提供的油液首先滿足一級(jí)回路帶輪速比及夾緊力液壓控制需求，過量的油液提供給液壓系統(tǒng)二級(jí)回路選擋離合器及液力變矩器鎖止離合器，之后通過液力變矩器控制閥進(jìn)入液力變矩器、冷卻器、濾油器及各潤(rùn)滑/冷卻點(diǎn)阻尼孔（液力變矩器解鎖工況）或直接通過液力變矩器控制閥進(jìn)入冷卻器、濾油器及各潤(rùn)滑/冷卻點(diǎn)阻尼孔（液力變矩器鎖止工況）；同時(shí)冷卻系統(tǒng)壓力作為流量控制閥的反饋控制壓力，起到控制冷卻壓力范圍及卸載系統(tǒng)多余油量的作用。

圖1　CVT冷卻系統(tǒng)液壓原理

2.2CVT冷卻流量影響因素理論分析

CVT在動(dòng)力傳遞過程中損失的能量大部分轉(zhuǎn)化為熱能，其需要通過冷卻系統(tǒng)帶走以防止整機(jī)及局部元件溫度過高。CVT傳動(dòng)效率損失及目標(biāo)冷卻流量確定僅通過理論計(jì)算不能得到較好的結(jié)果，依然要以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[5]。圖2所示為某型CVT傳動(dòng)損失試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由圖2可得不同速比、輸入轉(zhuǎn)速、傳遞轉(zhuǎn)矩下變速器的轉(zhuǎn)矩?fù)p失分布情況，其可做為目標(biāo)冷卻流量依據(jù)。由圖2還可知，相同速比、輸入轉(zhuǎn)速情況下，傳遞轉(zhuǎn)矩越高，傳動(dòng)損失值越大。

圖2　CVT傳動(dòng)損失特性

根據(jù)能量守恒定律，液壓油單位時(shí)間帶走的熱能：

式中，c為液壓油比熱容；ρ為液壓油密度；q為目標(biāo)冷卻流量；ΔT為冷卻器進(jìn)、出口油溫差。

依據(jù)圖2換算出傳遞最高轉(zhuǎn)矩、速比為0.42～2.40時(shí)不同輸入轉(zhuǎn)速下的目標(biāo)冷卻流量分布，如圖3所示。

冷卻回路流量滿足：

圖3　冷卻流量特性

經(jīng)過推導(dǎo)及簡(jiǎn)化可得：

式中，qpump為系統(tǒng)總輸入流量；qfcv為流量控制閥卸載流量；qother為系統(tǒng)損耗流量；lpump為單泵排量；ωpump為輸入轉(zhuǎn)速；Pcooling為冷卻壓力；Ppilot為流量控制閥開啟壓力；Pline為系統(tǒng)油壓；kspring為流量控制閥彈簧剛度；x0為流量控制閥彈簧預(yù)緊量；Apilot為流量控制閥先導(dǎo)作用面積，Cd為流量系數(shù)；Acooling為冷卻回路過流面積；αi為常數(shù)。

因不同工況下系統(tǒng)損耗能量難以準(zhǔn)確解析，并且實(shí)際液壓系統(tǒng)受溫度、泄漏、結(jié)構(gòu)布置等影響，僅依據(jù)理論推導(dǎo)不能得到準(zhǔn)確的目標(biāo)冷卻流量。但依式（2）～式（4）可知，增大Acooling和提高Ppilot均可作為提高冷卻流量的有效途徑，其與冷卻器流量值關(guān)系可由圖3表示。

2.3AMEsim模型建立

考慮到液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性及非線性，只通過理論計(jì)算得到較為準(zhǔn)確的冷卻流量特性很困難，而僅通過試驗(yàn)手段來確定合適的冷卻流量設(shè)計(jì)參數(shù)非常耗時(shí)且成本高昂。通過軟件仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方式可快速確定合適的冷卻流量設(shè)計(jì)參數(shù)。常用的仿真手段有Simulink、功率鍵合圖等。本文采用多學(xué)科復(fù)雜系統(tǒng)AMEsim建模軟件，其采用物理模型的圖形化建模方式，用戶可以采用基本元素法按照實(shí)際物理系統(tǒng)來構(gòu)建自定義模塊或仿真模型，從而使用戶從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來[6、7]。

圖4為建立的AMEsim液壓系統(tǒng)仿真模型，其中油泵轉(zhuǎn)速及電磁閥控制電流模擬特定工況輸入。

圖4　CVT液壓系統(tǒng)AMEsim模型

3　仿真及試驗(yàn)

3.1主要仿真參數(shù)

仿真模型不考慮變速器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中油溫變化導(dǎo)致的油液粘度變化（臺(tái)架試驗(yàn)中也采用相同的穩(wěn)定油溫控制方式），僅輸入典型油溫下ATF屬性。ATF屬性如表1所列。根據(jù)冷卻流量試驗(yàn)工況要求，樣機(jī)冷卻流量仿真及試驗(yàn)輸入?yún)?shù)設(shè)定如表2所列。

表1ATF屬性（85℃）

表2控制參數(shù)輸入

3.2設(shè)計(jì)參數(shù)影響仿真分析

3.2.1初始經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)仿真

根據(jù)CVT功率損失特性及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定該CVT目標(biāo)冷卻流量應(yīng)≥5 L/min（油泵轉(zhuǎn)速2 000 r/min）。各冷卻潤(rùn)滑回路終端阻尼孔、流量控制閥彈簧預(yù)緊量以及液力變矩器控制閥口臺(tái)階直徑等參數(shù)為整個(gè)變速器液壓系統(tǒng)的最后一級(jí)（即冷卻潤(rùn)滑回路），這些參數(shù)直接影響冷卻流量并且對(duì)液壓系統(tǒng)上級(jí)回路影響最小，因此可將其作為調(diào)節(jié)冷卻流量的設(shè)計(jì)變量。該變速器冷卻潤(rùn)滑回路的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所列。

表3冷卻系統(tǒng)初始經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)　mm

對(duì)具備表3所示設(shè)計(jì)參數(shù)的樣機(jī)進(jìn)行仿真及臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架為電機(jī)驅(qū)動(dòng)無負(fù)載臺(tái)架。樣機(jī)輸入轉(zhuǎn)速由電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)速控制；電磁閥控制通過ES592輸入開發(fā)型TCU控制；樣機(jī)采用外置水冷式熱交換器，可通過油溫傳感器反饋實(shí)時(shí)控制變速器油溫。試驗(yàn)臺(tái)架原理如圖5所示。

圖5　試驗(yàn)臺(tái)架原理示意

仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

圖6　初始經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明，表3所示設(shè)計(jì)參數(shù)樣機(jī)實(shí)際冷卻流量不足。仿真結(jié)果與試驗(yàn)值具有趨勢(shì)一致性，但計(jì)算值與試驗(yàn)值存在一定偏差，這是因?yàn)榉抡婺Ｐ蛯?duì)流體摩擦、壓力損失、泄漏等非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。考慮到冷卻流量確定需要一定的安全系數(shù)，可以先利用仿真模型計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)變更影響和規(guī)律，確定備選方案，再利用試驗(yàn)加以驗(yàn)證及確認(rèn)，進(jìn)而縮短開發(fā)時(shí)間及節(jié)省費(fèi)用。

3.2.2阻尼孔尺寸對(duì)冷卻流量影響

不同終端阻尼孔徑的冷卻流量仿真結(jié)果如圖7所示。為保證各阻尼孔流量分配比不變，各個(gè)阻尼孔尺寸遵循經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)比例。

圖7　不同終端阻尼孔徑冷卻流量及流速仿真結(jié)果

圖7顯示了終端阻尼孔徑對(duì)冷卻流量提升的貢獻(xiàn)量，但阻尼孔徑增加同時(shí)會(huì)造成流速下降。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，阻尼孔4流速應(yīng)≥5 m/s，因此阻尼孔4孔徑選取范圍為2.95 mm～3.20 mm。

3.2.3液力變矩器閥口臺(tái)階直徑對(duì)冷卻流量影響

不同液力變矩器控制閥口臺(tái)階直徑冷卻流量仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8　不同液力變矩器閥口臺(tái)階直徑冷卻流量仿真結(jié)果

由圖8可知，液力變矩器閥口臺(tái)階直徑越?。ㄟ^流面積越大）冷卻流量越高，但過小的臺(tái)階尺寸會(huì)造成液力變矩器鎖止/解鎖過程壓力沖擊變大，因此要適當(dāng)減小液力變矩器閥體臺(tái)階直徑。

3.2.4流量控制閥彈簧預(yù)緊量對(duì)冷卻流量及冷卻壓力影響

不同流量控制閥彈簧預(yù)緊量仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9　不同流量控制閥彈簧預(yù)緊量仿真結(jié)果

由圖9可知，彈簧預(yù)緊量越大，冷卻流量及冷卻壓力均明顯提高，但冷卻壓力過高會(huì)造成系統(tǒng)最低設(shè)定油壓失效。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，冷卻壓力設(shè)定范圍為0.5～0.7 MPa（油泵轉(zhuǎn)速2 000～5 500 r/min），因此彈簧預(yù)緊量選取范圍為3.3～4.2 mm。

3.3設(shè)計(jì)參數(shù)修改后仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果作出設(shè)計(jì)更改，參數(shù)如表4所列。

表4更改后控制參數(shù)輸入　mm

分別對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)采取表4所示措施A，措施A、B，措施A、B、C進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，臺(tái)架試驗(yàn)及仿真對(duì)比結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，同時(shí)采取措施A、B、C的樣機(jī)能滿足冷卻流量設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

圖10　冷卻流量臺(tái)架試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

由于液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，冷卻流量增加會(huì)使流量控制閥切換轉(zhuǎn)速延后（即單、雙泵供油模式切換點(diǎn)延后），使得系統(tǒng)效率有所下降。系統(tǒng)改進(jìn)前、后消耗功率對(duì)比如圖11所示?？芍?，采取措施A、B、C之后，樣機(jī)單雙泵切換點(diǎn)會(huì)延后100 r/min，在某些工況下會(huì)造成系統(tǒng)能耗有所增加。

圖11　系統(tǒng)改進(jìn)前、后消耗功率對(duì)比

對(duì)最終改進(jìn)樣機(jī)進(jìn)行整車熱轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)。轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理如圖12所示，可知該試驗(yàn)臺(tái)可實(shí)時(shí)模擬風(fēng)阻、滾阻、坡道、溫度及濕度環(huán)境。

設(shè)計(jì)更改后的CVT樣機(jī)整車熱轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。可知，設(shè)計(jì)更改后的冷卻系統(tǒng)能滿足各種極限工況冷卻要求。

圖12　整車熱轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)示意

表5整車熱轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4　結(jié)束語

建立某型無級(jí)變速器液壓系統(tǒng)AMEsim仿真模型，分析終端阻尼孔徑、液力變矩器閥口過流面積、流量控制閥彈簧預(yù)緊量等參數(shù)對(duì)冷卻系統(tǒng)冷卻流量影響規(guī)律，對(duì)以上設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改并通過臺(tái)架試驗(yàn)和仿真對(duì)比驗(yàn)證了冷卻流量提升效果，通過整車熱轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)修改方案的可行性。

參考文獻(xiàn)

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7付永領(lǐng)，齊海濤.LMS Imagine.Lab AMEsim系統(tǒng)建模和仿真實(shí)例教程.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年11月1日。

Simulation and Experimental Research of a CVT Cooling System

Liu Hongwei,Jia Jia,Song Zhigang,Zeng Yong,Cheng Chang
（Technology Center of Beijing Automotive Powertrain Co.,Ltd.,Beijing 100021）

【Abstract】Insufficient cooling flow is found in the hydraulic system of a CVT initial design prototype,to eliminate this defect,AMEsim is used to establish a hydraulic system model to analyze the effect law of cooling lubrication circuit damping hole,hydraulic torque converter valve port orifice area and spring preload of flow control valve on cooling flow and system efficiency,then the modified design parameters are subjected to simulation and test for verification.The results from bench and vehicle tests indicate that compared with the prototype of initial design,cooling flow of the modified CVT prototype increases obviously,which satisfy the target flow design requirement.

Key words:CVT,Hydraulic system,Cooling flow

中圖分類號(hào):U463.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）03-0005-04