自動變速器油位試驗角度計算及試驗研究

王玲玉 張偉 樊嘉坤 于士博 李云虹

摘 要：自動變速器的油位試驗是變速器在試驗驗證階段首先開展的項目，油位的高低關(guān)系到變速器的基本功能，變速器的傳動效率，其試驗結(jié)果直接影響了后續(xù)的性能試驗和耐久試驗。文章從正向開發(fā)的思路，首先推導(dǎo)了變速器液面傾斜角度與車輛加速度和坡度的關(guān)系，然后按角度計算結(jié)果在臺架上進(jìn)行油位試驗，確定合適的加油量。最后通過變速器在整車上進(jìn)行極限駕駛工況和低溫試驗，以驗證加油量的合理性。

關(guān)鍵字：自動變速器;油位;角度計算;試驗

Abstract： The oil level test of the automatic transmission is the first project carried out during the verification phase of the transmission. The oil level is related to the basic function of the transmission and the transmissions efficiency. The test result directly affects the subsequent performance tests and durability tests. From the perspective of forward development， this paper firstly derives the relationship between the tilting angle of the transmission oil level and the vehicles acceleration and the roads slope. Then perform an oil level test on the bench according to the calculation result of the angle to determine the appropriate refueling amount. Finally， the transmission is tested on the vehicle under extreme driving and low temperature conditions to verify the rationality of the amount of fuel.

Keywords： Automatic transmission; Oil level; Angle calculation; Test

引言

近年來，我國汽車工業(yè)日益發(fā)展成熟，2019年全國乘用車產(chǎn)銷2100多萬輛，這其中有一半以上的乘用車搭載了自動變速器。隨著國內(nèi)眾多主機廠不斷加大對自動變速器研發(fā)投入，自動變速器的傳動效率也在不斷提高。影響變速器傳動效率的主要因素有齒輪攪油功率損失、齒輪嚙合功率損失、軸承功率損失、離合器摩擦損失和油泵功率損失等，其中變速器油位的高低直接影響了齒輪攪油功率損失的多少。所以，在滿足變速器內(nèi)零部件潤滑要求和液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性對油量要求的同時，要盡可能降低潤滑油的加油量，這樣不僅可降低成本，還可以減少齒輪攪油功率損失。因此，如何確認(rèn)自動變速器合理的加油量，是變速器在試驗驗證階段首先要確認(rèn)的參數(shù)。

學(xué)者對自動變速器油位試驗做了大量的研究工作。翁曉明等[1]通過仿真分析來確定合適的油位;鄭海冰等[2]從變速器系統(tǒng)設(shè)計和驗證方面來確定變速器加油量;潘道勇等[3]從液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性方面介紹了在整車極限駕駛工況下的油位試驗方法;張逸等[4]在設(shè)計階段通過CFD分析考慮到了油底殼和濾清器的設(shè)計對變速器油位的影響。

針對油位試驗傾角計算的研究較少，本文通過模型建立，推導(dǎo)了變速器液面傾斜角度與車輛加速度和坡度的關(guān)系，然后按角度計算結(jié)果在臺架上進(jìn)行油位試驗，確定合適的加油量。最后通過變速器在整車上進(jìn)行極限駕駛工況測試和低溫油位試驗，以驗證加油量的合理性。

1 試驗角度計算模型及原理

車輛在急加速和急減速等情況下會產(chǎn)生縱向加速度，在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗及高速環(huán)道試驗等情況下會產(chǎn)生橫向加速度（向心加速度），根據(jù)牛頓第二定律和力的平衡原理，可以計算出這些極限行駛工況下變速器內(nèi)潤滑油的傾斜角度，具體原理如下。

1.1 水平路面上的急加速和急減速運動

如下圖1所示，假設(shè)車輛在水平路面上以加速度a（縱向加速度）進(jìn)行勻加（減）速運動，變速器內(nèi)液面與水平路面夾角為α，假設(shè)液面上一質(zhì)點M，其質(zhì)量為m，通過力的平衡原理，可以得出：

1.2 水平路面上的勻速圓周運動

如下圖2所示，假設(shè)車輛在水平路面上繞半徑為R的圓周以向心加速度a1（橫向加速度）進(jìn)行勻速圓周運動（穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗），變速器內(nèi)液面與水平路面夾角為α1，假設(shè)液面上一質(zhì)點M，其質(zhì)量為m，通過力的平衡原理，可以得出：

同理，如果車輛繞半徑為R的圓周進(jìn)行左轉(zhuǎn)彎或者右轉(zhuǎn)彎運動時，也可以由式（4）求出潤滑油液面與水平的夾角。

1.3 坡路上的急加速和急減速運動

如下圖3所示，假設(shè)車輛在角度為θ的坡路上以加速度a2（縱向加速度）進(jìn)行勻加（減）速運動，潤滑油液面與變速器夾角為β，假設(shè)液面上一質(zhì)點M，其質(zhì)量為m，通過力的平衡原理，可以得出：

1.4 坡路上的勻速圓周運動

如下圖4所示，假設(shè)車輛在坡度為θ1繞半徑為R的圓周以向心加速度a3（橫向加速度）進(jìn)行勻速圓周運動（高速環(huán)道試驗），潤滑油液面與變速器水平夾角為β1，假設(shè)液面上一質(zhì)點M，其質(zhì)量為m，通過力的平衡原理，可以得出：

2 臺架試驗角度計算

根據(jù)1.1中推導(dǎo)的式（2），車輛在急加速情況下會產(chǎn)生縱向加速度，在這種工況下變速器內(nèi)的潤滑油會產(chǎn)生類似上坡傾斜角度。以車輛百公里全油門加速為例，常見家用轎車百公里加速時間在4.1s～17.3s之間，以下計算選擇百公里加速時間6s（某些豪華轎車加速時間）為計算值。

百公里加速平均加速度為：

根據(jù)1.1中推導(dǎo)的式（2），車輛在急減速情況下會產(chǎn)生縱向加速度，在這種工況下變速器內(nèi)的潤滑油會產(chǎn)生類似下坡傾斜角度。以車輛百公里急制動為例。常見家用轎車百公里急剎車距離為36m～49m之間，以下計算選擇百公里急剎車距離38m為計算值。

百公里制動平均減速度為：

制動過程中，潤滑油液面與水平面夾角為：

根據(jù)1.2中推導(dǎo)的式（4），車輛在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗時會產(chǎn)生橫向加速度（左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎），在這種工況下變速器內(nèi)潤滑油會產(chǎn)生左右傾斜角度。根據(jù)GBT 6323-2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗時車輛的最大橫向加速度a1為6.5m/s2。

所以穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)過程中，潤滑油液面與水平面夾角為：

根據(jù)1.3中推導(dǎo)的式（7），參考某款家用轎車在30%（坡度16.7°）的坡路上進(jìn)行全油門起步，根據(jù)實測值，加速度為1.4m/s2左右。

所以坡路上全油門起步過程中，潤滑油液面與變速器水平夾角為：

根據(jù)1.4中推導(dǎo)的式（10），當(dāng)車輛在進(jìn)行高速環(huán)道試驗（交通部汽車試驗道路橫向最大傾角42°）等情況下會產(chǎn)生橫向加速度（向心加速度），在這種工況下變速器內(nèi)潤滑油會產(chǎn)生左傾斜角度，參考某款家用轎車實測值，高速環(huán)道試驗時橫向加速度為3.8m/s2左右。

所以車輛在高速環(huán)道試驗時，潤滑油液面與變速器水平夾角為：

通過上述（12）（14）（15）（16）（17）計算推理結(jié)果，當(dāng)車輛分別具有縱向加速度和橫向加速度時，變速器潤滑油液面與變速器水平方向夾角總結(jié)如下：

3 臺架油位試驗

變速器的臺架油位試驗即確定變速器的最少加油量。通過上一章節(jié)內(nèi)容，我們得出了變速器潤滑油液面在整車極限駕駛工況下與變速器水平方向的夾角。通常我們在變速器專用的單體測試臺架（雙軸翻轉(zhuǎn)試驗臺，可模擬變速器在縱向和橫向的翻轉(zhuǎn)運動）來實現(xiàn)極限駕駛工況下的潤滑油液面與變速器水平方向極限傾角。

當(dāng)變速器在極限傾角下產(chǎn)生吸空現(xiàn)象時，由于液壓泵吸入過多空氣，會導(dǎo)致液壓系統(tǒng)主油壓產(chǎn)生急劇波動或下降，因此，采用主油壓波動值作為評價指標(biāo)可以直觀地判斷變速器是否存在吸空現(xiàn)象，從而判斷加油量是否不足。如下圖5所示，A區(qū)域主油壓波動值1bar左右，未發(fā)生吸空;當(dāng)變速器傾斜角度繼續(xù)加大到B區(qū)域時，主油壓波動值7bar左右，發(fā)生吸空。

通過在雙軸翻轉(zhuǎn)試驗臺按照表1所計算結(jié)果來模擬極限傾角，得出當(dāng)變速器不發(fā)生吸空時變速器的最低油位，也就是變速器的最少加油量。

4 整車油位試驗

通過上一章節(jié)的臺架油位試驗，我們得出了變速器的最少加油量。按照最少加油量加油，進(jìn)行整車極限駕駛工況測試，主要包括：百公里加速，百公里制動，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)，30%坡道全油門起步和高速環(huán)道試驗。在以上所有工況下，均按照整車能夠?qū)崿F(xiàn)安全行駛的最大縱向加速度和最大橫向加速度進(jìn)行試驗，要求變速器不得發(fā)生吸空現(xiàn)象。

由于潤滑油的密度和粘度受溫度影響很大，溫度越低，密度和粘度越高。這就導(dǎo)致了低溫比高溫情況下，相同質(zhì)量的潤滑油，體積更少（油位更低）且流動性更差（回油更慢）。所以，除了進(jìn)行整車極限駕駛工況測試，在最少加油量下，我們還要進(jìn)行整車低溫油位試驗。整車低溫油位試驗主要參考相關(guān)整車寒區(qū)試驗方法，要求在寒區(qū)試驗各工況下，變速器不得發(fā)生吸空現(xiàn)象。

5 總結(jié)

自動變速器的加油量影響到變速器的傳動效率和整車行駛的可靠性，是變速器試驗驗證階段的第一步。本文從正向開發(fā)的角度，建立了變速器液面傾斜角度與車輛加速度和坡度的關(guān)系。通過臺架油位試驗初步確認(rèn)了變速器的最少加油量，并且通過整車極限駕駛工況測試和整車低溫油位試驗驗證加油量的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 翁曉明，王英，王中華，等.雙離合變速器油位的研究[J]，機械工程師， 2016 （10）：87-89.

[2] 鄭海冰，王中華，等.自動變速器加油量的研究[J]，汽車實用技術(shù)， 2017（13）：47-49.

[3] 潘道勇，唐燕旺，李向兵，等.WDCT液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的整車測試方法[J]，汽車實用技術(shù)，2019 （16）：168-170.

[4] 張逸，凌振國，等.自動變速器油位設(shè)計及驗證[J]，起重運輸機械， 2014 （11）：10-13.