油泵在自動(dòng)變速器降功耗提效率上的研究分析

閆亞潘，楊士先

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

油泵在自動(dòng)變速器降功耗提效率上的研究分析

閆亞潘，楊士先

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

油泵是自動(dòng)變速箱液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源。油泵在實(shí)現(xiàn)其功能的同時(shí)也消耗了變速箱的輸入功，其效率和排量也直接影響到變速箱的效率；通過(guò)優(yōu)化油泵的結(jié)構(gòu)和采用機(jī)械泵加電子泵一起供油的舉措可以有效地降低自動(dòng)變速箱的功耗并提升變速器的效率?；贜EDC[1]測(cè)試工況，文章通過(guò)對(duì)某款變速箱及其變型產(chǎn)品的研究分析闡述油泵在降功耗提效率方面的影響。

機(jī)械油泵；電子油泵；NEDC；降功耗；提效率

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.038

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-119-03

引言

隨著自然環(huán)境日益嚴(yán)峻，國(guó)家對(duì)汽車的排放提出了更高的要求[2]，汽車企業(yè)必須通過(guò)提高整車的效率[3]降低排放來(lái)適應(yīng)市場(chǎng)的需求。變速箱作為整車的核心零部件之一，提高自身效率對(duì)整車至關(guān)重要，而油泵作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，占變速箱功耗損失的很大一部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，油泵功耗占變速箱損失功的30%～70%，因此，油泵的節(jié)能特性對(duì)變速箱影響重大，優(yōu)化油泵結(jié)構(gòu)，改善油泵供油特性，對(duì)提升變速箱效率降低排放有重要意義。

本文以國(guó)內(nèi)某款自動(dòng)變速箱及其變型產(chǎn)品為研究對(duì)象，基于NEDC循環(huán)測(cè)試工況，對(duì)搭載該款變速箱的整車進(jìn)行試驗(yàn)研究。在研究中，我們將該款變速箱原型的各項(xiàng)性能指標(biāo)和測(cè)試數(shù)據(jù)當(dāng)作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，包含變速箱的輸入功、輸出功、效率以及油泵的排量、容積效率、機(jī)械效率等。

1、電子油泵和機(jī)械油泵在自動(dòng)變速箱中的應(yīng)用

1.1 單一機(jī)械油泵

機(jī)械油泵作為變速箱唯一的液壓動(dòng)力來(lái)源，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行件工作用油，比如離合器、同步器換擋等，以及系統(tǒng)的冷卻潤(rùn)滑用油，比如齒軸和離合器冷卻潤(rùn)滑等。

1.2 機(jī)械泵和電子油泵

機(jī)械油泵和電子油泵聯(lián)合供油的方式有2種。一種是電子泵起輔助作用供油，只在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)工作，比如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于2000rpm，協(xié)同機(jī)械油泵供油，如圖2；另一種是機(jī)械油泵和電子油泵分別負(fù)責(zé)執(zhí)行件和冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)的供油，如圖3。

2、油泵對(duì)自動(dòng)變速箱功耗的影響

2.1 油泵的功率

對(duì)于單一機(jī)械油泵（定排量），其輸入功率如公式1，輸出功率為公式2。

機(jī)械油泵的輸入功率：Hin= Ta*N/9.55 （公式1）[4]

機(jī)械油泵的輸出功率：Hout=P*Q （公式2）

注：Ta是輸入扭矩，N是油泵轉(zhuǎn)速，P是油泵負(fù)載，Q是油泵輸出流量,上述參數(shù)在特定工況下，均是已知或可測(cè)。

在特定工況下，油泵的輸入功率和輸出功率如下：

對(duì)于電子油泵（定排量），其消耗的功率等于電機(jī)的輸入功率，其輸入功率為公式3。

Hin=UI （公式3）

對(duì)于一個(gè)液壓系統(tǒng)中既有機(jī)械油泵又有電子油泵的組合系統(tǒng)，其輸入功率是不同工況下機(jī)械油泵和電子油泵輸入功率的和，即Hin=Hin電子+Hin機(jī)械。

3.2 油泵的消耗功

一個(gè)NEDC循環(huán)是1180s，如圖5，以某款自動(dòng)變速箱為例，在一個(gè)NEDC循環(huán)內(nèi)，其工況通過(guò)轉(zhuǎn)化采集數(shù)據(jù)如表1：

該款變速箱中油泵的排量是16.8cc/rev。油泵消耗功Win=Hin*t，（t是NEDC循環(huán)中對(duì)應(yīng)工況的持續(xù)時(shí)間）。（公式4）

計(jì)算得到：該款變速箱中的油泵在一個(gè)NEDC循環(huán)內(nèi)消耗功為Wa0=936850J。

而該款變速箱在一個(gè)NEDC循環(huán)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)輸入功為Wb0=7393773J，變速箱輸出功為Wc0=5682680J。由此可以得到變速箱的損失功為Wd0=Wb0-Wc0=1711093J。

所以，油泵消耗功占變速箱損失功的百分比為：

η油泵=100%*Wa0/( Wb0 - Wc0) （公式5）

η變速箱=100%*Wc0/Wb0

η油泵=54.75%。

η變速箱=76.86%

注：η變速箱是變速箱的功耗效率，即用來(lái)評(píng)估變速箱的碳排放，而非各檔位下的效率。

由此，可以看出油泵功耗占變速箱損失功的很大一部分。定排量泵的缺陷就是在部分工況下能量浪費(fèi)嚴(yán)重。根據(jù)車輛（一般家庭用車）的實(shí)際應(yīng)用，大部分工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速都工作在低于4000rpm以下，主要工況轉(zhuǎn)速在1500rpm～ 3000rpm區(qū)間。那么對(duì)于定排量的大排量機(jī)械油泵在高轉(zhuǎn)速工況時(shí)必然造成諸多能量浪費(fèi)。

3.3 小排量機(jī)械泵加電子油泵共同供油

以該款變速箱的變型產(chǎn)品為例，該變型產(chǎn)品主要是對(duì)供油系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，包含油泵、油道重新進(jìn)行布置和設(shè)計(jì)等。以電子泵供給執(zhí)行件用油，小排量機(jī)械油泵供給系統(tǒng)冷卻潤(rùn)滑用油來(lái)代替單一機(jī)械油泵工作，所謂的小排量機(jī)械油泵即在原來(lái)機(jī)械油泵的基礎(chǔ)上對(duì)油泵排量進(jìn)行適當(dāng)縮減，在該款變型產(chǎn)品中，小排量機(jī)械油泵的排量即減為原來(lái)機(jī)械油泵排量的2/3左右（具體排量降低多少需要根據(jù)液壓系統(tǒng)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算）。 機(jī)械油泵的容積效率和機(jī)械效率不變。

由油泵的機(jī)械效率、理論流量、負(fù)載可以推算出油泵需要的輸入扭矩Tt：

注：Qa理論流量、P油泵出口負(fù)載、n油泵轉(zhuǎn)速和η油泵機(jī)械效率。

設(shè)定降排量機(jī)械油泵的排量為V=10.5cc/rev，由此計(jì)算得到相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的理論流量是：

由(公式6)、（公式7）計(jì)算得到降排量機(jī)械泵的輸入扭矩Tt。由油泵輸入功率Hin降機(jī)械=Tt*n/9.55（公式8）可以得到降排量機(jī)械油泵在不同轉(zhuǎn)速下的輸入功率。

電子油泵的消耗功率等于電機(jī)的輸入功率：

由于電子油泵的輸入電流受油泵負(fù)載和轉(zhuǎn)速影響，并不是恒定不變的，即電子泵的輸入功率是隨著負(fù)載和轉(zhuǎn)速變化的。對(duì)于電子油泵，最簡(jiǎn)單的使用方式是使電機(jī)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速工作，輸出穩(wěn)定的流量。電子油泵的這種工作方式是配合小排量機(jī)械油泵在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)工作，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于某一數(shù)值時(shí)，電子油泵停止工作，由機(jī)械油泵單獨(dú)供油。工作模型如圖2-1，該種工作方式下的電子油泵其節(jié)能效果并不是特別好。電子油泵的另一種工作方式是電子油泵的轉(zhuǎn)速由自帶的控制器控制電機(jī)根據(jù)系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)輸出可變的流量，以滿足系統(tǒng)對(duì)流量的需求。工作模型如圖2-2，電子油泵根據(jù)系統(tǒng)需要提供執(zhí)行器工作需要的全部用油。為了便于計(jì)算，將該變型產(chǎn)品中電子油泵的功率按照恒定值處理；即，取電子油泵工作的平均功率。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算，該變型產(chǎn)品中電子油泵的平均功率Hin電子=UI=244w。

電子油泵和降排量機(jī)械油泵的功率和，即該變速箱中油泵的總功率和總功：

在一個(gè)NEDC循環(huán)內(nèi)，結(jié)合表一，計(jì)算得到組合泵的總功為Wa0'=636612J。

3.4 油泵能源消耗降低率

定義：油泵能源消耗降低率，在一個(gè)NEDC循環(huán)內(nèi)，原機(jī)械油泵的消耗功和組合泵（本文中電子油泵和降排量機(jī)械油泵一起工作的統(tǒng)稱）的消耗功之差與原機(jī)械油泵消耗功的百分比。

能源消耗降低率Ed=100%*（Wa0-Wa0'）/ Wa0（公式12）

測(cè)得數(shù)據(jù)曲線如下：

3.5 優(yōu)化油泵設(shè)計(jì)和供油結(jié)構(gòu)對(duì)變速箱功耗效率的影響

已測(cè)得一個(gè)NEDC循環(huán)內(nèi)，原機(jī)械油泵的消耗總功為Wa0，組合泵的消耗總功是Wa0'，采用原機(jī)械油泵時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入功為Wb0，輸出功為Wc0。

則采用組合泵時(shí)，按照變速箱輸出功不變（變速箱的輸出功決定于其負(fù)載），其發(fā)動(dòng)機(jī)輸入功為

Wb0'=[Wb0-(Wa0 -Wa0')]/η變速箱=7003144（J公式13）

采用雙泵后變速箱功耗效率：

η'變速箱=100%* Wc0/Wb0'（公式14）

由（公式12）、（公式14）和已測(cè)得數(shù)據(jù)，計(jì)算得到η'變速箱=81.14%。即變速箱的功耗效率由原來(lái)的76.86%經(jīng)過(guò)優(yōu)化油泵設(shè)計(jì)和供油結(jié)構(gòu)后提高到現(xiàn)在的81.14%，變速箱功耗效率提高了4.28%。

3、結(jié)論

本文以國(guó)內(nèi)某款自動(dòng)變速箱為例，闡述了油泵對(duì)自動(dòng)變速箱的功耗損失具有重大影響；以其變型產(chǎn)品為參照對(duì)象，論證了通過(guò)優(yōu)化油泵結(jié)構(gòu)、改善供油回路可以很大程度提高自動(dòng)變速箱的功耗效率。

[1] GB18352[1].3-2005輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法.

[2] GB19578-2014乘用車燃料消耗量限值；GB27999乘用車燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo).

[3] 余志生.汽車?yán)碚揫第三版].清華大學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社.2000.4.

[4] 宋建安 趙鐵柱.液壓傳動(dòng).世界圖書出版公司,2004.6.

The influence of oil pump on decreasing energy and improving efficiency for the Automatic Transmission

Yan Yapan, Yang Shixian
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

The oil pump is the power of the Automatic Transmission’s hydraulic system. It also consume energy of the Automatic Transmission when the oil pump makes its function. Its efficiency and Capacity have influence on the efficiency of the Automatic Transmission. By improving oil pump structure and adopting the machineing pump with the electronic pump to provide oil , it is able to decrease availably the consumed energy of the Automatic Transmission and improve the its efficiency. Based on the NEDC[1]situation, The paper expatiates the influence of oil pump on decreasing energy and improving efficiency, by researching the someone automatic transmission and its changed product.

Machineing pump; Electronic pump; NEDC; Decreasing energy; Improving efficiency

U467.3

A

1671-7988(2016)10-119-03

閆亞潘（1987-），男，中級(jí)工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，從事變速箱設(shè)計(jì)研發(fā)。