一種耦合機構(gòu)的冷卻潤滑系統(tǒng)研究

趙江靈,張　雄,吳孝曦,吳為理,李千紅

(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)的冷卻潤滑系統(tǒng)研究

趙江靈,張雄,吳孝曦,吳為理,李千紅

(廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院， 廣州511434)

摘要：分析了一種新型混合動力耦合機構(gòu)冷卻潤滑系統(tǒng)的冷卻潤滑情況。該系統(tǒng)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。試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以滿足冷卻潤滑的要求。

關(guān)鍵詞：冷卻潤滑；耦合機構(gòu)；混合動力；機械泵；電動泵

隨著石油資源的缺乏和人們環(huán)保意識的提高以及越來越嚴格的環(huán)境保護法規(guī)的要求，目前迫切需要可節(jié)省能源和低排放甚至是零排放的綠色環(huán)保汽車產(chǎn)品。為此，世界各國政府以及各大汽車制造商都在加大力度開發(fā)各種不同類型的新能源汽車。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機相比，混合動力汽車是指使用兩種以上能量來源的車輛[1-4]。

冷卻潤滑系統(tǒng)的作用是保證耦合機構(gòu)在車輛各種行駛條件下實現(xiàn)對發(fā)電機和驅(qū)動電機線圈的強制油冷，滿足發(fā)電機和驅(qū)動電機的散熱需求，使齒輪嚙合面、軸承、同步零件、導(dǎo)油部位等潤滑循環(huán)良好。

冷卻潤滑系統(tǒng)是整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。目前，在市場上已投放的成熟混合動力車型中，豐田公司的Prius 采用的是雙電機的混聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)，系統(tǒng)綜合考慮了動力傳動性能指標，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和功能上的集成，做到了小型化、輕量化、智能化和模塊化。該系統(tǒng)殼體內(nèi)部采用潤滑油潤滑，在相關(guān)零部件和殼體上設(shè)置冷卻水套，通過冷卻水循環(huán)實現(xiàn)整個系統(tǒng)的冷卻[5]。比亞迪F3DM采用的也是雙電機的驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)構(gòu)型較Prius 系統(tǒng)簡單，同時采用類似Prius的潤滑冷卻方法對整個系統(tǒng)進行潤滑和冷卻。但這種潤滑冷卻系統(tǒng)的殼體需要比較復(fù)雜的工藝及制造要求，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低、成本增加，同時也增加了整個系統(tǒng)的尺寸，因此需要進一步改進。

本文提出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，形成高度集成的混合動力耦合裝置冷卻潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小了系統(tǒng)空間尺寸和部件的質(zhì)量。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。

1耦合機構(gòu)系統(tǒng)組成

如圖1所示，該混合動力系統(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，可以實現(xiàn)純電動模式、混合驅(qū)動模式以及增程模式。

耦合機構(gòu)包括發(fā)電機、驅(qū)動電機、差速器、離合器等。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)部的離合器的接合與斷開，以實現(xiàn)不同模式的切換。耦合控制器也可以控制電動油泵的轉(zhuǎn)速，以滿足不同工況下耦合機構(gòu)內(nèi)部零件的不同冷卻需求。機械泵固連在驅(qū)動電機的軸上，靠驅(qū)動電機驅(qū)動。

圖1　混合動力系統(tǒng)方案

2冷卻潤滑方法

2.1冷卻潤滑系統(tǒng)組成

如圖2所示，本文提出的混合動力汽車動力耦合裝置冷卻潤滑系統(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)包括節(jié)溫器旁通閥、機油冷卻器及油管。內(nèi)部冷卻潤滑系統(tǒng)包括吸慮器、機械泵、電動泵、液壓模塊、噴油管、電池閥、齒輪等。

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，油液就通過出油口流到節(jié)溫器旁通閥，再到機油冷卻器；待機油冷卻后，又通過入油口返回到耦合機構(gòu)內(nèi)部，如此循環(huán)。

內(nèi)部冷卻潤滑系統(tǒng)工作原理：該動力耦合機構(gòu)的內(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，再通過液壓模塊控制冷卻液的通斷、流量，并使其流入到不同的管道之中，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。

在圖2中：吸慮器的作用是過濾、清除冷卻液中的鐵削等雜質(zhì)；機械泵和電動泵的作用是為整個冷卻潤滑系統(tǒng)提供有壓力的油液；電池閥1屬泄壓閥，它的作用是控制整個油路的壓力，防止油液過壓；電池閥2的作用是控制離合器油路的通斷，當耦合控制器發(fā)出需要離合器接合的信號時接通油路；節(jié)溫器的作用是調(diào)節(jié)冷卻液的溫度，當溫度較低時，整個油路就不需要進行外循環(huán)，當溫度較高時，冷卻液就會通過節(jié)溫器流入冷卻器，冷卻后再流入耦合機構(gòu)；液壓模塊的作用是根據(jù)各個部件的不同需求分配冷卻液，控制冷卻液的流量與流速等。

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。第1種模式：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。第2種模式：耦合機構(gòu)為混和驅(qū)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，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。內(nèi)部冷卻潤滑系統(tǒng)具體的工作模式如表1所示。

表1　內(nèi)部冷卻潤滑系統(tǒng)工作模式

2.3關(guān)鍵零部件分析

2.3.1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[6-7]。

整車控制器根據(jù)當前工況發(fā)送轉(zhuǎn)速需求和使能需求信號給耦合控制器，然后耦合控制器把符合需求的信號和使能信號發(fā)送給電動泵以驅(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前的實際轉(zhuǎn)速。電動泵控制流程如圖3所示。

圖3　電動泵控制流程

2.3.2噴油管

每個定子的側(cè)線包上方的噴油管均布12個噴油孔，單個油孔直徑為1 mm，間隔為25°，距離定子線包3～4 mm。在前后噴油管間的過渡油管上布置2個間距80 mm、直徑1 mm的噴油口，以實現(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。噴油管參數(shù)如表2所示。

圖4　噴油管與電機定子的配合情況

表2　噴油管參數(shù)

2.3.3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)油溫對循環(huán)形式進行切換，使變速器機油保持在較佳的工作溫度。節(jié)溫器旁通閥參數(shù)如表3所示。

表3　節(jié)溫器旁通閥參數(shù)

2.3.4冷卻器

機油冷卻器采用管帶式風冷結(jié)構(gòu)，冷卻器參數(shù)如表4所示。

3試驗驗證

為了對潤滑效果進行驗證，進行了臺架試驗。該臺架可進行不同角度的翻轉(zhuǎn)，以便模擬整車的平路、爬坡、下坡等不同的行駛工況。這樣可以考察在不同工況下該冷卻潤滑系統(tǒng)的工作情況是否良好[8-12]。

表4　冷卻器參數(shù)

3.1試驗條件及試驗步驟

試驗需滿足以下幾個條件：① 被測變速箱殼體透明，能在自帶電機控制器的驅(qū)動下空載運行；② 試驗臺架為傾角翻滾臺，前、后、左、右4個方向可傾角均大于31°；③ 傾角條件如表5所示。

表5　傾角條件

試驗步驟：① 將測試樣品安裝到工裝上，連成一體；② 將樣品、工裝一體吊裝到傾角翻滾臺上，并固定在平臺上；③ 在翻滾臺上安裝攝像設(shè)備，便于記錄各觀察點的潤滑情況；④ 將電機控制器的通訊線口連接到試驗控制筆記本電腦上，打開電機控制軟件；⑤ 打開傾角翻滾臺控制計算機，啟動設(shè)備，使臺架傾角可控(圖5)；⑥ 按照規(guī)定工況進行潤滑測試。

3.2試驗結(jié)果

工況條件：電動油泵和發(fā)電機定轉(zhuǎn)速，分別為1 600 r/min和 2 500 r/min,在不同的傾角條件下，驅(qū)動電機在1 500,3000 r/min轉(zhuǎn)速下進行 D檔、R檔測試，觀察耦合機構(gòu)的冷卻潤滑情況，并記錄電動泵的油壓。試驗結(jié)果如表6所示。

圖5　臺架試驗

表6　試驗結(jié)果

通過本次試驗發(fā)現(xiàn):在不同傾角的情況下，該冷卻潤滑系統(tǒng)都能很好地對發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子、驅(qū)動電機的定子和轉(zhuǎn)子、差速器、軸承、齒輪等進行潤滑冷卻。潤滑油的溫度始終在許用的溫度范圍內(nèi)。綜上所述，該冷卻潤滑系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

4結(jié)束語

試驗結(jié)果表明：該冷卻潤滑系統(tǒng)可以滿足本機構(gòu)的冷卻潤滑要求。該系統(tǒng)的優(yōu)勢為：

1) 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。

2) 當耦合機構(gòu)處于純電動工況時，只有機械泵工作，不需要對機械泵進行單獨控制就可滿足冷卻潤滑要求。在該工況下不需要電動泵及油泵控制器工作，降低了系統(tǒng)的控制難度。

3) 當耦合機構(gòu)處于混合驅(qū)動模式或增程模式時，電動油泵和機械泵均參與工作，可以通過調(diào)節(jié)油泵電機的轉(zhuǎn)速來滿足在不同工況下的冷卻潤滑需求。

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(責任編輯劉舸)

Study on Cooling and Lubricating System of a Coupling Mechanism

ZHAO Jiang-ling，ZHANG Xiong，WU Xiao-xi，WU Wei-li，LI Qian-hong

(Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automoblie Group Co., Ltd.,Guangzhou 511434, China)

Abstract:The cooling and lubricating condition of a cooling and lubricating system for a new type of hybrid power coupling mechanism was investigated. The system integrated cooling and lubricating functions together to form a high degree of integration of cooling and lubricating system. The system used a mechanical and an electric pump as the power sources. The flow volume and rate of the coolant were distributed by a hydraulic module, together with the oil injection by injecting pipe and the oil stirring by gears, and there was no need to set up in the shell of the mechanism, which reduces the difficulty to process the shell. The test proved that the system could meet the requirements of cooling and lubricating.

Key words:cooling and lubricating; coupling mechanism; hybrid power; mechanical pump; electric pump

收稿日期：2015-12-25

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：趙江靈(1987—)，男，碩士，工程師，主要從事混合動力汽車機械耦合機構(gòu)研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.005

中圖分類號：U469.72

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)05-0027-05

引用格式：趙江靈,張雄,吳孝曦,等.一種耦合機構(gòu)的冷卻潤滑系統(tǒng)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(5):27-31.

Citation format：ZHAO Jiang-ling，ZHANG Xiong，WU Xiao-xi，et al.Study on Cooling and Lubricating System of a Coupling Mechanism[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):27-31.