兩擋混合動(dòng)力自動(dòng)變速器液壓系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

祝建仁，鄭書(shū)瑞

（1.湖南金潤(rùn)電液控制系統(tǒng)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205；2.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411100）

前言

隨著國(guó)家政策對(duì)油耗限值的逐漸嚴(yán)格，各大汽車廠家和配套企業(yè)都加大了對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)投入，以往國(guó)內(nèi)的混合動(dòng)力變速箱的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要依靠國(guó)外液壓系統(tǒng)專業(yè)企業(yè)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品配套，為突破國(guó)外對(duì)這方面的技術(shù)封鎖[1-2]，針對(duì)國(guó)內(nèi)某企業(yè)開(kāi)發(fā)的商用兩檔混合動(dòng)力自動(dòng)變速器，通過(guò)對(duì)自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)和功能需求進(jìn)行分析和計(jì)算，設(shè)計(jì)了該混合動(dòng)力自動(dòng)變速器的液壓系統(tǒng)模塊，并通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠滿足該自動(dòng)變速器的控制要求。

1 自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)原理及功能要求

該商用兩擋混合動(dòng)力自動(dòng)變速器原理結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 自動(dòng)變速器原理結(jié)構(gòu)

具體工況需求如下：

（1）純電動(dòng)工況。

動(dòng)力由TM電機(jī)通過(guò)兩擋機(jī)構(gòu)的1擋將動(dòng)力傳向齒圈，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)靜止，ISG電機(jī)隨轉(zhuǎn)發(fā)電。

（2）混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)工況。

此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，ISG電機(jī)發(fā)電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)TM助力，此工況下要實(shí)現(xiàn)擋位的切換。助力，此工況下要實(shí)現(xiàn)擋位的切換。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)。

此時(shí)車輛處于高速巡航模式，ISG電機(jī)鎖止，發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)。

制動(dòng)器與換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)：

（1）制動(dòng)器。

工作扭矩：300 N·M，液壓缸所需最低油壓：12 bar。

（2）換擋機(jī)構(gòu)。

2 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

根據(jù)兩擋自動(dòng)變速器的功能需求，液壓系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能有[3-4]：

（1）兩擋變速器的兩個(gè)擋位控制；

（2）制動(dòng)器的控制；

（3）冷卻潤(rùn)滑的壓力流量控制；

（4）緊急制動(dòng)后能保證變速箱能夠換擋4～5次。

因此通過(guò)對(duì)工況和功能要求的分析，設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)原理圖如下圖2所示。

圖2 商用兩擋自動(dòng)變速器液壓原理圖

液壓系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)：

（1）系統(tǒng)安全閥設(shè)計(jì)開(kāi)啟壓力20 bar；

（2）系統(tǒng)調(diào)壓閥壓力7～17 bar；

（3）潤(rùn)滑限制壓力閥開(kāi)啟壓力4 bar；

（4）系統(tǒng)最大流量30 L/min。

該液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)：

根據(jù)工況分析，該自動(dòng)變速箱只有在換擋和制動(dòng)時(shí)才需要高壓液壓油來(lái)實(shí)現(xiàn)換擋和制動(dòng)，出于節(jié)能考慮，設(shè)置系統(tǒng)高壓/低壓切換ON/OFF閥，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能的目的。

在車輛高速緊急制動(dòng)時(shí)，蓄能器內(nèi)的油壓能夠保證換擋 執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠動(dòng)作4～5次。

3 液壓系統(tǒng)AMEsim仿真

根據(jù)該液壓原理圖和設(shè)計(jì)的各閥芯參數(shù)，建立的仿真模型如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)AMEsim仿真模型

該商用兩擋自動(dòng)變速器在滿足功能要求和安裝邊界條件下設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)模塊如下圖4所示。

圖4 液壓系統(tǒng)模塊

通過(guò)對(duì)上述AMEsim模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定后其仿真結(jié)果如下：

系統(tǒng)壓力特性仿真曲線如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)壓力特性曲線

仿真參數(shù)設(shè)定為0 s～7.5 s階段，高低壓切換ON/OFF 閥不工作，系統(tǒng)處于高壓運(yùn)行工況，7.5 s～10 s為ON/OFF閥動(dòng)作，系統(tǒng)處于低壓節(jié)能狀態(tài)[5]。

通過(guò)仿真曲線可以看出當(dāng)高低壓切換閥不動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)壓力能夠穩(wěn)定在17 bar左右，當(dāng)高低壓切換閥動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)壓力能夠保持在設(shè)計(jì)的低壓7.1 bar左右 ，滿足設(shè)計(jì)要求； 換擋閥1壓力曲線如下圖6所示：

圖6 換擋閥1壓力特性曲線

曲線中0 s～1.5 s為電磁閥死區(qū)無(wú)壓力輸出，1.5 s～4.5 s為壓力上升區(qū)，4.5 s～8.5 s為壓力下降區(qū)，8.5 s～10 s電磁閥死區(qū)，從上述圖6曲線可以得出換擋閥1輸出曲線與設(shè)計(jì)相符，能夠滿足換擋要求；

換擋閥2壓力曲線如下圖7所示：

圖7 換擋閥2壓力特性曲線

曲線中0 s～1.5 s為電磁閥死區(qū)無(wú)壓力輸出，1.5 s～4.5 s為壓力上升區(qū)，4.5 s～8.5 s為壓力下降區(qū)，8.5 s～10 s電磁閥死區(qū)，從上述圖7曲線可以得出換擋閥2輸出曲線與設(shè)計(jì)相符，能夠滿足換擋要求；

制動(dòng)器壓力曲線如下圖8所示：

圖8 制動(dòng)器壓力特性仿真曲線

潤(rùn)滑壓力曲線如下圖9所示：

圖9 潤(rùn)滑壓力特性仿真曲線

從圖9中可以看出，潤(rùn)滑壓力相對(duì)比較穩(wěn)定，能夠穩(wěn)定輸出在3.5 bar左右的壓力，能夠保證變速箱內(nèi)各部件得到充分的潤(rùn)滑冷卻[6]，其滿足設(shè)計(jì)要求。

4 樣件測(cè)試試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)的液壓模塊，試制的A樣件并在液壓系統(tǒng)綜合測(cè)試臺(tái)上對(duì)其主要功能進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，A樣件圖如下圖10所示。

圖10 樣件測(cè)試圖

通過(guò)對(duì)樣件的功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相符。驗(yàn)證的所開(kāi)發(fā)的液壓模塊原理正確，能夠滿足該自動(dòng)變速器控制要求。

由于試驗(yàn)條件所限只對(duì)液壓模塊各控制壓力進(jìn)行了測(cè)試，未對(duì)其做綜合性能檢測(cè)。由于A樣件階段主要為功能驗(yàn)證，因此目前測(cè)試試驗(yàn)項(xiàng)目能夠驗(yàn)證該液壓模塊滿足設(shè)計(jì)要求。能夠?qū)崿F(xiàn)各工況下對(duì)系統(tǒng)壓力和擋位以及制動(dòng)器的控制要求，同時(shí)潤(rùn)滑壓力和流量也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)變速箱結(jié)構(gòu)和工況分析，設(shè)計(jì)的兩擋自動(dòng)變速器液壓系統(tǒng)原理，并根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求的參數(shù)和邊界條件，對(duì)液壓模塊的3D進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了AMEsim仿真計(jì)算，其仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的液壓模塊能夠滿足該自動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)試制的A樣件進(jìn)行了臺(tái)架測(cè)試試驗(yàn)，其結(jié)果與仿真計(jì)算相符，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。