P1+P4混合動(dòng)力變速箱液壓系統(tǒng)

葛成榮

(常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 軌道交通系，江蘇 常州 213011)

引言

根據(jù)P1+P4項(xiàng)目中電子泵的工況定義，在純電驅(qū)動(dòng)工況下行駛時(shí)，變速箱的潤(rùn)滑冷卻完全由電子泵保證。對(duì)電子泵而言，潤(rùn)滑冷卻工況占據(jù)大部分工作周期，所以應(yīng)盡量保證電子泵潤(rùn)滑工況下提供合適的潤(rùn)滑冷卻流量。從能量最優(yōu)角度考慮，應(yīng)根據(jù)不同工況下能量需求選擇合適的電子泵。

根據(jù)P1+P4項(xiàng)目需求，純電驅(qū)動(dòng)工況下離合器冷卻潤(rùn)滑流量需要大約2 L/min，齒軸冷卻潤(rùn)滑流量需要大約1 L/min。根據(jù)實(shí)際物理參數(shù)建立基于AMESim的液壓系統(tǒng)仿真模型[1-2]，如圖1所示。在30 ℃和60 ℃工況下進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻仿真，由仿真結(jié)果可得，油溫為30 ℃，電子泵總流量為6.865 L/min時(shí)，潤(rùn)滑總流量可達(dá)到約2.9 L/min，滿(mǎn)足此時(shí)的潤(rùn)滑總流量；油溫為60 ℃，電子泵總流量為9.959 L/min時(shí)，潤(rùn)滑總流量可達(dá)到約3 L/min，滿(mǎn)足此時(shí)的潤(rùn)滑總流量。

圖1 DCT360液壓系統(tǒng)仿真模型Fig.1 DCT360 hydraulic system simulation model

1 參數(shù)的確定

為了確定合適的液壓模塊主油壓，在原有機(jī)械泵的基礎(chǔ)上對(duì)換擋力、主油壓與換擋時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行摸底試驗(yàn)[3-5]。選擇3個(gè)換擋最?lèi)毫拥墓r進(jìn)行試驗(yàn)，分別為Power on 2-1掛1擋、靜態(tài)D2N退1擋和Power on 5-2掛2擋。

Power on 2-1掛1擋，測(cè)試溫度為78～85 ℃，測(cè)試內(nèi)容：主油壓分別為2.0，1.5，1.2 MPa時(shí)原始換擋力MS階段以及上擋總時(shí)間。測(cè)試結(jié)果顯示主油壓2.0，1.5，1.2 MPa時(shí)，MS階段以及總掛擋時(shí)間差別不大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 Power on 2-1掛1擋時(shí)間Fig.2 Power on 2-1 hang 1 gear time

靜態(tài)D2N 退1擋，測(cè)試溫度：58～69 ℃，測(cè)試內(nèi)容：主油壓為2，1.5，1.2 MPa時(shí)原始退擋力退擋時(shí)間。測(cè)試結(jié)果顯示主油壓2，1.5 MPa時(shí)，總退擋時(shí)間差別不大，主油壓1.2 MPa時(shí)，總退擋時(shí)間加長(zhǎng)8%屬于可接收的范圍，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 靜態(tài)D2N退1擋時(shí)間Fig.3 Static D2N back 1 gear time

Power on 5-2掛2擋，測(cè)試溫度： 80～87 ℃，測(cè)試內(nèi)容：主油壓分別為2.0，1.2 MPa時(shí)原始換擋力MS階段以及上擋總時(shí)間。測(cè)試結(jié)果顯示主油壓由2.0 MPa 減小到1.2 MPa時(shí)，MS階段以及總掛擋平均時(shí)間變長(zhǎng)分別為15%和12%，屬于可接受的范圍，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 Power on 5-2掛2擋時(shí)間Fig.4 Power on 5-2 hang 2 gear time

試驗(yàn)顯示在機(jī)械泵工作時(shí)主油壓下降到1.2 MPa，換擋時(shí)間在15%內(nèi)變化，可以滿(mǎn)足現(xiàn)有控制條件下的換擋響應(yīng)，如果需要減小換擋時(shí)間也可以通過(guò)減小Passive力實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的合理分配，確定電子泵換擋時(shí)的工作壓力為1.2 MPa。

2 試驗(yàn)臺(tái)的搭建

原理驗(yàn)證階段，盡量沿用原有零件或標(biāo)準(zhǔn)件，以達(dá)到快速進(jìn)行模型搭建的目的。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在不影響測(cè)試性能的前提下，減少了2個(gè)油濾，快速進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)的搭建[6-8]。

有如下工作：

(1) 電子泵的選型；

(2) 電子泵安裝位置的選擇及固定方式的設(shè)計(jì)；

(3) 電子泵入口與油底殼的接口選擇與連接設(shè)計(jì)；

(4) 電子泵出口與主油路接口位置的選擇及連接設(shè)計(jì)；

(5) 流量傳感器及壓力傳感器的選擇，安裝接口的確定。

2.1 電子泵的選擇

德昌電子泵現(xiàn)有集成平臺(tái)，外形尺寸φ63×151 mm，如圖5所示。直流無(wú)刷電機(jī)，供電電壓12 V，最大扭矩1.2 N·m，最大輸出功率300 W(瞬時(shí))。擺線泵，供油壓力2.0～1.3 MPa，峰值1.5 MPa，泵排量3.96 mL/r，最大流量12.7 L/min，泵在不同溫度下的容積效率λ，如圖6所示。

圖5 德昌電子泵外形Fig.5 Appearance of Dechang electronic pump

圖6 德昌電子泵不同溫度下的容積效率Fig.6 Volumetric efficiency of Dechang electronic pumps at different temperatures

精進(jìn)電機(jī)+紅宇油泵，外形尺寸φ86×197 mm，如圖7所示。直流無(wú)刷電機(jī)，供電電壓288 V，最大扭矩4 N·m，最大輸出功率1 kW(瞬時(shí))。擺線泵，供油壓力0.35～1.35 MPa，峰值2.0 MPa，泵排量8.5 mL/r，最大流量25.5 L/min，泵在不同溫度下的容積效率λ如圖8所示。

圖7 精進(jìn)電機(jī)+紅宇油泵外形Fig.7 Appearance of Jingjin motor and Hongyu oil pump

圖8 精進(jìn)電機(jī)+紅宇油泵不同溫度下的容積效率Fig.8 Volumetric efficiency of Jingjin motor and Hongyu oil pump at different temperatures

從效率方面對(duì)比分析，2款電子泵平臺(tái)在各轉(zhuǎn)速下，壓力為0.5 MPa時(shí)，效率均能80%以上。流量為換擋主油壓力1.2 MPa時(shí)，效能也能保持在70%以上。在30 ℃工況下，要能滿(mǎn)足潤(rùn)滑流量要求，德昌電子泵轉(zhuǎn)速為1600 r/min，精進(jìn)電機(jī)+紅宇油泵轉(zhuǎn)速為918 r/min。在60 ℃工況下，要能滿(mǎn)足潤(rùn)滑流量要求，德昌電子泵轉(zhuǎn)速為2100 r/min，精進(jìn)電機(jī)+紅宇油泵轉(zhuǎn)速為1428 r/min。

從能量消耗方面分析，德昌電子泵峰值功率為300 W，精進(jìn)電機(jī)+紅宇油泵峰值功率為1 kW，在能滿(mǎn)足系統(tǒng)能量需求的情況下選擇德昌電子泵更經(jīng)濟(jì)。

從外形尺寸方面分析，德昌電子泵在直徑和長(zhǎng)度

方面均優(yōu)于精進(jìn)電機(jī)+紅宇油泵。

從供電方式上面分析，德昌電子泵采用12 V供電，普通的汽車(chē)蓄電池就能供電，精進(jìn)電機(jī)+紅宇油泵需要288 V的高壓直流供電。供電接口可根據(jù)主機(jī)廠需求匹配，兩者無(wú)明顯區(qū)別。

所以綜合以上分析，2種電子泵均能滿(mǎn)足該次試驗(yàn)要求，在遵循尺寸盡量小和能量最節(jié)約的前提下該方案最終選擇德昌電子泵。

2.2 電子泵安裝位置的選擇及固定方式的設(shè)計(jì)

油泵的安裝位置參考泵入口位置和殼體可安裝點(diǎn)共同決定，經(jīng)對(duì)比360B產(chǎn)品離殼有1個(gè)工藝安裝面，可用于安裝電子泵如圖9a所示。采用兩半圓合抱住電子泵，如圖9b所示。

圖9 電子泵安裝位置Fig.9 Installation position of electronic pump

2.3 電子泵入口與油底殼的接口選擇與連接的設(shè)計(jì)

選擇油底殼放油螺紋孔作為電子泵吸油口見(jiàn)圖10a，接頭形式見(jiàn)圖10c。泵吸油口至泵入口管路見(jiàn)圖10b，泵入口接頭形式見(jiàn)圖10d。

圖10 電子泵入口與油底殼的接口Fig.10 Interface between electronic pump inlet and oil pan

2.4 電子泵出口與主油路接口位置的選擇及連接設(shè)計(jì)

圖11a為電子泵出油口示意圖，因泵端無(wú)良好的固定接口，故設(shè)計(jì)1對(duì)拉索固定于下側(cè)面的2個(gè)通孔處，見(jiàn)圖11b，試驗(yàn)完成后考慮改進(jìn)接口形式。

圖11 電子泵出口與主油路接口Fig.11 Electronic pump outlet and main oil circuit interface

進(jìn)入閥體的接口考慮放在高壓油濾處。因原油濾殼體結(jié)構(gòu)較薄，不適宜在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，故需要重新設(shè)計(jì)以便布置壓力傳感器和進(jìn)油接口。油濾殼體形狀見(jiàn)圖12a，進(jìn)油接口見(jiàn)圖12b。

圖12 油濾殼體及進(jìn)油接口Fig.12 Oil filter housing and oil inlet interface

2.5 流量傳感器及壓力傳感器的選擇，安裝接口的確定

根據(jù)系統(tǒng)的最大工作流量、壓力選用流量和壓力傳感器，最終選用流量量程為20 L/min的流量傳感器見(jiàn)圖13a，壓力量程為1.3 MPa的壓力傳感器和安裝接口見(jiàn)圖13b、圖13c所示。

圖13 流量傳感器及壓力傳感器Fig.13 Flow sensor and pressure sensor

按照以上步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，三維模型效果圖見(jiàn)圖14a，裝在AVL臺(tái)架上的DCT360 P1+P4項(xiàng)目變速箱見(jiàn)圖14b。

圖14 DCT360 P1+P4項(xiàng)目變速箱外形圖Fig.14 Gearbox outline drawing of DCT360 P1+P4 project

3 試驗(yàn)情況

3.1 電子泵潤(rùn)滑試驗(yàn)

設(shè)定主油路油壓為0.5 MPa，調(diào)定電機(jī)轉(zhuǎn)速，監(jiān)測(cè)油溫、流量和壓力等參數(shù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。該表顯示電子泵轉(zhuǎn)速在2000 r/min時(shí)，齒輪冷卻流量能達(dá)到1.1 L/min，和理論計(jì)算比較接近。

表1 潤(rùn)滑試驗(yàn)(I=0 mA)Tab.1 Lubrication test (I= 0 mA)

表2 潤(rùn)滑試驗(yàn)(I=1 mA)Tab.2 Lubrication test (I=1 mA)

為給后期潤(rùn)滑閥電流選擇提供參考，在不同電子泵轉(zhuǎn)速下，給定不同潤(rùn)滑流量閥電流測(cè)定對(duì)應(yīng)的齒軸流量[9]，如圖15所示。

圖15 潤(rùn)滑閥不同電流下齒軸冷卻流量Fig.15 Gear shaft cooling flow under different currents of lubrication valve

3.2 靜態(tài)換擋

在AVL臺(tái)架上進(jìn)行靜態(tài)換擋性能測(cè)試，調(diào)定電子泵的轉(zhuǎn)速，在不同轉(zhuǎn)速下監(jiān)測(cè)油溫、油壓和流量等參數(shù)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 靜態(tài)換擋試驗(yàn)Tab.3 Static shift test

換擋設(shè)定為壓力從0.5 MPa(潤(rùn)滑壓力)切換到1.2 MPa(目標(biāo)換擋壓力)同時(shí)進(jìn)行換擋動(dòng)作，換擋時(shí)間曲線見(jiàn)圖16、圖17。

圖16 各上擋時(shí)間曲線Fig.16 Time curve of each upshift

圖17 各脫擋時(shí)間曲線Fig.17 Time curve of each off-gear

3.3 倒拖換擋

在AVL臺(tái)架上進(jìn)行倒拖換擋性能測(cè)試，選擇不同的輸出軸轉(zhuǎn)速，以代表不同車(chē)速。輸出軸轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為887.4，500, 211 r/min，在3個(gè)不同轉(zhuǎn)速下分別進(jìn)行對(duì)應(yīng)的6擋、4擋和1擋的上擋和退擋試驗(yàn)。

1) 倒拖換擋(輸出887.4 r/min)

調(diào)定電子泵的轉(zhuǎn)速，在不同轉(zhuǎn)速下監(jiān)測(cè)油溫、油壓和流量。換擋設(shè)定壓力從0.5 MPa(潤(rùn)滑壓力)切換到1.2 MPa(目標(biāo)換擋壓力)，同時(shí)進(jìn)行換擋動(dòng)作，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4，換擋時(shí)間曲線見(jiàn)圖18。

表4 倒拖換擋(輸出887.4 r/min)Tab.4 Reverse drag shift (output 887.4 r/min)

如圖18所示，溫度為70 ℃電子泵轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)，齒軸冷卻流量為1.2 L/min，能夠滿(mǎn)足潤(rùn)滑需求。887.4 r/min(對(duì)應(yīng)車(chē)速120 km/h)倒拖工況下，可以正常上6擋，換擋時(shí)間最長(zhǎng)接近1 s。

圖18 倒拖換擋時(shí)間(輸出887.4 r/min)Fig.18 Reverse drag shift time (output 887.4 r/min)

2) 倒拖換擋(輸出500 r/min )

調(diào)定電子泵的轉(zhuǎn)速，在不同轉(zhuǎn)速下監(jiān)測(cè)油溫、油壓和流量。換擋設(shè)定壓力從0.5 MPa(潤(rùn)滑壓力)切換到1.2 MPa(目標(biāo)換擋壓力)，同時(shí)進(jìn)行換擋動(dòng)作，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5，換擋時(shí)間曲線見(jiàn)圖19。

圖19 倒拖換擋時(shí)間(輸出500 r/min)Fig.19 Reverse drag shift time (output 500 r/min)

表5 倒拖換擋(輸出500 r/min)Tab.5 Reverse drag shift (output 500 r/min)

如圖19所示，500 r/min倒拖工況下，可以正常上4擋，換擋時(shí)間比較穩(wěn)定，為0.7 s。

3) 倒拖換擋(輸出211 r/min)

調(diào)定電子泵的轉(zhuǎn)速，在不同轉(zhuǎn)速下監(jiān)測(cè)油溫、油壓和流量。換擋設(shè)定壓力從0.5 MPa(潤(rùn)滑壓力)切換到1.2 MPa(目標(biāo)換擋壓力)，同時(shí)進(jìn)行換擋動(dòng)作，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6，換擋時(shí)間曲線見(jiàn)圖20。

表6 倒拖換擋(輸出211 r/min)Tab.6 Reverse drag shift (output 211 r/min)

圖20 倒拖換擋時(shí)間(輸出211 r/min)Fig.20 Reverse drag shift time (output 211 r/min)

如圖20所示，211 r/min倒拖工況下，可以正常上1擋，換擋時(shí)間與電子泵呈拋物線關(guān)系，最短時(shí)間為4.9 s(3200 r/min)。

4 結(jié)論

樣機(jī)經(jīng)過(guò)電子泵潤(rùn)滑試驗(yàn)、靜態(tài)換擋試驗(yàn)、倒拖試驗(yàn)，均能滿(mǎn)足變速箱工作所需的潤(rùn)滑冷卻與各種工況下的換擋需求。根據(jù)目前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，潤(rùn)滑工況下電子泵轉(zhuǎn)速為2000 r/min比較合理，換擋工況下電子泵轉(zhuǎn)速為3000 r/min換擋時(shí)間較短。

P1+P4混合動(dòng)力變速箱樣機(jī)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合模型仿真和原有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，保證了樣機(jī)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和高效性。設(shè)計(jì)時(shí)先根據(jù)AMESim仿真結(jié)果確定流量需求，再通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定主油壓，最終確定能源系統(tǒng)和各相關(guān)附件系統(tǒng)[10-12]。