電氣化背景下的自動變速器效率提升關(guān)鍵技術(shù)研究

徐占 葉珂羽 楊俊 宋建軍 唐佳慧

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

0 引言

隨著消費者對汽車需求持續(xù)增長以及對汽車動力性、經(jīng)濟性要求越來越高，在國家節(jié)能減排法規(guī)日益嚴格的背景下，汽車朝著電氣化和混動化發(fā)展，傳統(tǒng)燃料車、常規(guī)混合動力車及插電式混合動力車占有巨大市場份額[1]。《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》明確了節(jié)能車和新能源車向著高效率技術(shù)進化[2]。自動變速器作為動力源和車輪之間動力傳遞的執(zhí)行系統(tǒng)，在各種類型傳動、混合動力及部分純電動車型中均有應(yīng)用。

除了傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)降油耗技術(shù)，還需要應(yīng)用大量的電氣化技術(shù)，來達成油耗目標。應(yīng)用自動變速器效率提升關(guān)鍵技術(shù)將持續(xù)助力電氣化乘用動力傳遞效率和整車經(jīng)濟性提升。本文以一汽集團某型高效自動變速器產(chǎn)品為例，分析、闡述傳統(tǒng)和新能源自動變速器系統(tǒng)效率損失產(chǎn)生機理及提升效率的關(guān)鍵技術(shù)。

1 自動變速器效率損失分析

作為傳動部件，在傳遞發(fā)動機動力的過程中，其效率損失分為以下4類：執(zhí)行動作消耗損失、機械摩擦損失、液壓損失和載荷相關(guān)損失。

1.1 執(zhí)行動作消耗損失

目前，電動執(zhí)行器已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于自動變速器系統(tǒng)。例如電動液壓控制閥體中的動力源電動泵，液壓控制閥體中的電磁閥以及用于換擋或離合器控制的電動執(zhí)行機構(gòu)，都需要通過電機直接驅(qū)動，這樣就會產(chǎn)生電能轉(zhuǎn)化及傳輸損失。其中，電磁閥電能損失較小，可忽略不計。電機和電動泵的損失則與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制方法均有直接關(guān)系，除了選擇高效電機及電動泵外，系統(tǒng)控制策略也會直接影響到系統(tǒng)效率。

1.2 機械摩擦損失

自動變速器中廣泛存在的機械摩擦損失包括：軸承摩擦損失、撥叉摩擦損失、齒輪摩擦損失、同步器摩擦損失、離合器滑動摩擦損失。其中，同步器和離合器為摩擦元件，通過其摩擦作用實現(xiàn)功能為有益摩擦，設(shè)計目標為元件達到期望的摩擦特性及扭矩容量。軸承、撥叉、齒輪摩擦損失則應(yīng)盡量減少。

1.3 液壓損失

液壓損失包括離合器拖曳損失、液壓系統(tǒng)過供流量損失、液壓系統(tǒng)泄漏損失、齒輪攪油損失。

離合器拖曳[3]受潤滑油流量、相對轉(zhuǎn)速、潤滑油黏度、離合器分離間隙和溝槽影響。定量研究表明，離合器拖曳損失與潤滑油黏度和流量成正比[3-4]。系統(tǒng)過供流量損失指系統(tǒng)提供流量超過應(yīng)用需求帶來的損失。液壓系統(tǒng)不可避免存在泄漏，如滑閥及電磁閥泄漏、換擋活塞泄漏、離合器活塞泄漏等也會產(chǎn)生液壓損失。齒輪攪油損失是齒輪傳動時克服潤滑油黏性阻力引起的功率損失，主要和齒輪幾何參數(shù)、齒輪轉(zhuǎn)速、潤滑油物性參數(shù)、浸油深度有關(guān)，目前主要通過齒輪修形和低黏度潤滑油介質(zhì)的應(yīng)用降低齒輪攪油損失[5]。

1.4 載荷相關(guān)損失

自動變速器系統(tǒng)中的載荷損失主要有齒輪嚙合損失、鏈條和帶傳動變形損失、軸扭轉(zhuǎn)損失。

這類損失屬于機械損失范疇，無法完全避免，只能通過機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新材料的應(yīng)用進行降低。

2 自動變速器效率提升技術(shù)

對于特定自動變速器系統(tǒng)來說，上述損失會同時出現(xiàn)，某些執(zhí)行部件會同時包含多種損失類型。如何從機械結(jié)構(gòu)到控制策略聯(lián)合設(shè)計，最大程度減少變速器損失，進而提升其效率，需要根據(jù)特定的變速器結(jié)構(gòu)進行分析。下面以一汽集團高效自動變速器產(chǎn)品為例，剖析自動變速器效率提升關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及策略優(yōu)化

2.1.1 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理及損失來源

某液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)動力源為一機械油泵，由發(fā)動機直接驅(qū)動，轉(zhuǎn)速和發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速相同。經(jīng)主油路壓力調(diào)節(jié)提供用于換擋執(zhí)行及離合器執(zhí)行的較高壓力液壓油，以及用于軸齒潤滑和離合器潤滑冷卻的較低壓力冷卻潤滑油。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理簡單，但由于主油路需求為高壓力-低流量液壓油，而潤滑油路需求為高流量-低壓力液壓油，因此為同時滿足系統(tǒng)對主油路和潤滑油路的需求，必須增大機械油泵排量使系統(tǒng)同時滿足高流量和高壓力，高壓力-低流量與高流量-低壓力之外部分為系統(tǒng)功率浪費區(qū)，如圖2。同時，油泵轉(zhuǎn)速無法和發(fā)動機轉(zhuǎn)速解耦，會造成大量壓力、流量浪費。

圖1 兩級壓力回路耦合的典型液壓系統(tǒng)示意

圖2 壓力回路耦合液壓系統(tǒng)功率消耗示意

為了實現(xiàn)液壓系統(tǒng)按需供油（Power-on-de?mand），盡可能避免為了同時滿足最大壓力和最大流量帶來的供油過剩，實現(xiàn)壓力需求和流量需求解耦，高效變速器液壓控制模塊采用雙壓力回路技術(shù)，并配合按需供油控制技術(shù)實現(xiàn)效率提升。

2.1.2 雙壓力回路技術(shù)

圖3為2種形式的獨立雙壓力回路液壓系統(tǒng)示意圖。圖3（a）所示液壓系統(tǒng)通過2個電機控制高壓、低壓2個電動泵，分別為高低壓系統(tǒng)提供需求的壓力和流量。圖3（b）所示液壓系統(tǒng)采用了電動雙聯(lián)泵技術(shù)，用一個電機為2個排量不同的電動泵為系統(tǒng)供油，同樣可實現(xiàn)高壓力與大流量潤滑解耦，從而提升液壓系統(tǒng)效率。

圖3 獨立雙壓力回路液壓系統(tǒng)示意

由于變速器執(zhí)行器并非一直動作，因此在高壓油路中加入蓄能器，輔助實現(xiàn)高壓油路壓力保持，并為液壓系統(tǒng)提供需要的流量，是提高效率的有效設(shè)計方案。

2.1.3 按需供油控制技術(shù)

由于變速器低壓冷卻潤滑油為持續(xù)性的需求，因此可根據(jù)潤滑油流量最大需求進行電機和電動泵的匹配，在不同需求下，通過調(diào)節(jié)電動泵轉(zhuǎn)速實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。

變速器高壓液壓油則為非持續(xù)性需求，高壓壓力保持在一定的范圍內(nèi)即可。當需要高壓液壓油時，蓄能器快速提供需要的液壓油，可基于不同的策略實現(xiàn)高壓壓力控制，達到按需供油要求。

假設(shè)滿足高壓系統(tǒng)正常工作的壓力為3.5～6.0 MPa，以下為2種高壓系統(tǒng)按需供油控制策略。

（1）電動泵間歇工作策略

將系統(tǒng)壓力上、下限分別設(shè)置為Pmin和Pmax，采用區(qū)間閉環(huán)控制方案。當壓力到達下限值Pmin=3.5 MPa時，則令電動泵以高效轉(zhuǎn)速ω運轉(zhuǎn)，為蓄能器充油，直至壓力達到上限值Pmax=6.0 MPa，電動泵停止運轉(zhuǎn)。隨著系統(tǒng)泄漏及執(zhí)行機構(gòu)開始動作，高壓系統(tǒng)壓力將逐漸降低，達到Pmin時，再次啟動電動泵，如此往復。電動泵間歇工作仿真如圖4。

（2）電動泵連續(xù)工作策略

選取Pmin和Pmax之間的一個系統(tǒng)控制目標壓力Pmid。初始，令電動泵以高效轉(zhuǎn)速ω快速建立主油壓至目標壓力Pmid，然后采用比例積分微分（Proportional In?tegral Differential，PID）控制電動泵轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對蓄能器連續(xù)補油，使得主油路壓力保持在Pmid附近，電動泵連續(xù)工作仿真如圖5。

2 種控制策略均能滿足高壓系統(tǒng)按需供油，根據(jù)電機和電動泵系統(tǒng)效率（圖6），可以看出電動機連續(xù)工作方式可使得系統(tǒng)更多地運行于高效區(qū)，對于提升系統(tǒng)總效率，該種方式更優(yōu)。

圖6 電動泵效率與工作點

2.2 降低攪油與離合器拖曳損失

2.2.1 典型自動變速器油箱

典型自動變速器設(shè)計中，齒輪與控制閥體處于同一油腔，為了保證車輛加減速、轉(zhuǎn)向等工況下油泵可靠吸油，潤滑油加油量有冗余，使加油量增多。但是，這也加劇了齒輪攪油損失與離合器拖曳損失（圖7）。

圖7 典型自動變速器油箱及其油液高度示意

2.2.2 獨立雙油腔技術(shù)

為提高變速器效率，設(shè)計齒輪箱與控制閥體處于2個獨立的油腔（圖8），其中閥體油腔液面較高，以滿足各工況下的電動泵吸油要求，齒輪腔液面較低，可有效降低齒輪攪油損失及離合器拖曳損失。

圖8 獨立雙油腔結(jié)構(gòu)及其油液高度示意

2.2.3 “干油箱”技術(shù)

將油底殼內(nèi)的潤滑油通過油泵輸送至齒輪箱頂部的“干油箱”內(nèi)（圖9），再經(jīng)潤滑油噴管給齒輪、同步器、軸承進行潤滑。可在保證同步器、軸齒持續(xù)穩(wěn)定潤滑的同時，進一步降低齒輪箱潤滑油液面高度，減少攪油及拖曳損失。

圖9 獨立雙油腔+“干油箱”結(jié)構(gòu)及其油液高度示意

2.2.4 低黏度液壓油技術(shù)

變速器液壓油的黏度對減小系統(tǒng)摩擦、承受機械載荷能力、散熱都有直接的影響，進而影響系統(tǒng)效率[6]。文獻[6]還通過試驗表明：液壓油黏度降低會使變速器系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機械載荷阻尼減小，進而提升效率，并利用此特性提出了一種液壓油黏度測試方法。

福斯、殼牌等油品公司分別對液壓油黏度和攪油損失進行了充分研究，并得出降低液壓油黏度有利于提高傳動效率的結(jié)論[7-8]。同時，液壓油黏度降低也有利于減少離合器拖曳損失[3]。因此，高性能的低黏度油成為傳動系潤滑油的應(yīng)用趨勢。

除此之外，變速器液壓油的黏度作為一個重要指標，所選取的低黏度液壓油還需要同時滿足軸齒潤滑保護、材料相容性、熱和氧化穩(wěn)定性、抗微點蝕性能、剪切穩(wěn)定性、抗泡沫特性等一系列性能指標，才能滿足應(yīng)用要求。

2.3 降低系統(tǒng)摩擦

2.3.1 低摩擦軸承技術(shù)

典型自動變速器軸承設(shè)計主要考慮提升軸向支撐、軸系剛度及耐久性，多采用圓錐滾子軸承。隨著技術(shù)進步，設(shè)計時通過優(yōu)化擋位布置提升系統(tǒng)剛度，對軸承的剛度要求減弱。低摩擦深溝球+圓柱管子軸承，角接觸圓錐滾子+圓錐滾子軸承均被變速器系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，有效減少了摩擦損失，達到效率提升效果（圖10）。

圖10 不同類型軸承摩擦損耗對比

2.3.2 齒輪修形技術(shù)

在軸齒傳動效率優(yōu)化過程中，通過優(yōu)化設(shè)計齒輪參數(shù)來提高軸齒傳動效率。在保證設(shè)計結(jié)構(gòu)空間的前提下，齒寬和螺旋角設(shè)計較大值，降低齒面接觸應(yīng)力。采用小模數(shù)設(shè)計，通過變位系數(shù)、壓力角和齒頂高的綜合優(yōu)化設(shè)計，降低齒輪嚙合相對滑移率和滑移速度，減少嚙合損失。合理設(shè)計齒側(cè)間隙和齒面粗糙度，保證潤滑油膜處于最佳潤滑狀態(tài)。

根據(jù)變速器實際載荷譜受力情況，綜合比較不同軸承選型對傳動效率的影響程度，在保證耐久性的前提下，通過合理的軸承選型和軸承預緊優(yōu)化，優(yōu)化軸齒傳動效率。

2.4 低泄漏電磁閥技術(shù)

典型液壓系統(tǒng)主油路壓力通過電控可變節(jié)流孔式壓力先導閥進行控制，其工作原理是通過一個可變節(jié)流孔，通過泄漏進行主油路壓力調(diào)節(jié)。隨著新一代電磁閥技術(shù)進步，功率密度更大、泄漏更小的比例壓力電磁閥和比例流量電磁閥得到了廣泛應(yīng)用（圖11）。低泄漏電磁閥技術(shù)使得液壓系統(tǒng)泄漏損失大大降低，從而減少了系統(tǒng)供油需求，進而減小了系統(tǒng)供油功率需求，達到提升效率的效果。

圖11 電磁閥泄漏量降低示意

3 總結(jié)

對于電氣化乘用車，傳動系統(tǒng)效率提升是技術(shù)主線，對于降低整車能耗至關(guān)重要。

自動變速器效率提升主要通過液壓系統(tǒng)原理及控制策略優(yōu)化、降低攪油損失、降低系統(tǒng)摩擦實現(xiàn)，主要包含雙壓力回路技術(shù)、按需提供流量控制技術(shù)、獨立雙油腔技術(shù)、“干油箱”技術(shù)、低黏度液壓油技術(shù)、低摩擦軸承技術(shù)、齒輪修形技術(shù)、低泄漏電磁閥技術(shù)。以上技術(shù)的組合應(yīng)用，可有效提升傳統(tǒng)及新能源自動變速器效率。