DHT混動(dòng)變速器流量可控分配的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

李賓龍，馬靜，周章遐，王墨，張鵬

DHT混動(dòng)變速器流量可控分配的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

李賓龍，馬靜，周章遐，王墨，張鵬

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章通過研究DHT混合動(dòng)力專用自動(dòng)變速器液壓系統(tǒng)冷卻潤(rùn)滑流量下掉故障，分析影響潤(rùn)滑及電機(jī)冷卻流量分配的主要因素，并通過對(duì)故障原因進(jìn)行的交叉試驗(yàn)和仿真分析進(jìn)行問題鎖定。首先根據(jù)混合動(dòng)力變速器的需求及控制策略，確定電機(jī)冷卻及離合器各零件需求的流量及壓力，確定潤(rùn)滑及電機(jī)冷卻分配方案。根據(jù)潤(rùn)滑流量下掉故障發(fā)生的機(jī)理制定液壓系統(tǒng)油路及零件設(shè)計(jì)優(yōu)化措施使流量達(dá)到基本的實(shí)際要求，并為后續(xù)的潤(rùn)滑及電機(jī)冷卻流量分配研發(fā)提供實(shí)用性參考。

液壓控制；潤(rùn)滑控制閥；潤(rùn)滑流量；DHT混合動(dòng)力變速器

引言

混合動(dòng)力變速器電機(jī)的冷卻及機(jī)械傳動(dòng)部件的潤(rùn)滑是直接影響混合動(dòng)力變速器效率及性能的關(guān)鍵因素，目前常用的電機(jī)冷卻方式為水冷和油冷兩種，其中油冷方法因其介電常數(shù)高、散熱效果好，可以與變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)共用同一介質(zhì)，DHT變速器的冷卻和潤(rùn)滑可以高度集成一體，高效利用了變速器有限的布置空間，節(jié)能高效地達(dá)到冷卻潤(rùn)滑效果，提高變速器整機(jī)效率，油冷電機(jī)逐漸成為乘用車混動(dòng)的主流[1]。通用的VOLT、本田的I-MMD、豐田PRIUS混合動(dòng)力系統(tǒng)均采用ATF油噴淋方式冷卻電機(jī)，通過油管噴油的方式向電機(jī)繞組噴淋。DHT混合動(dòng)力專用變速器冷卻油來源于液壓系統(tǒng)。除了電機(jī)冷卻噴淋所需，液壓油還要為變速器離合器、軸承、襯套和電機(jī)潤(rùn)滑提供潤(rùn)滑油[2]。要保證冷卻潤(rùn)滑流量能有效地到達(dá)指定位置的同時(shí)提高油泵效率，需對(duì)液壓系統(tǒng)各油路的阻尼進(jìn)行合理設(shè)計(jì)從而對(duì)壓油進(jìn)行合理的分配，可使電機(jī)及機(jī)械傳動(dòng)部件工作在最理想的冷卻及潤(rùn)滑工況，液壓系統(tǒng)中的潤(rùn)滑控制油路結(jié)構(gòu)是保證自動(dòng)變速器潤(rùn)滑及冷卻流量分配的重要結(jié)構(gòu)[3]。直接影響到駕駛過程中變速器零部件壽命、變速箱動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的整車性能。

1 冷卻及潤(rùn)滑分配設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電機(jī)冷卻及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑控制油路，適用于油冷電機(jī)布置的DHT混動(dòng)專用變速器，可依據(jù)整機(jī)運(yùn)行工況通過電磁閥控制對(duì)電機(jī)冷卻流量及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑流量進(jìn)行最優(yōu)化分配調(diào)節(jié)，滿足電機(jī)不同工況下的冷卻需求，使DHT在最佳工況點(diǎn)運(yùn)行，提高其壽命及運(yùn)行效率。

圖1 潤(rùn)滑及電機(jī)冷卻流量分配設(shè)計(jì)原理圖

如圖1所示，閥芯為控制電機(jī)冷卻流量及潤(rùn)滑流量的控制調(diào)節(jié)閥；S1電磁閥為控制NL型電磁閥，電磁閥供油來自電磁閥控制油路，通過控制電磁閥S1使流量調(diào)節(jié)閥處于不同開度進(jìn)行流量分配調(diào)節(jié)；潤(rùn)滑控制調(diào)節(jié)閥的流量來自主控制油路，電機(jī)冷卻及去cooler的潤(rùn)滑流量經(jīng)過設(shè)計(jì)為獨(dú)立油路，其中電機(jī)冷卻經(jīng)過管路及油管設(shè)計(jì)提供電機(jī)進(jìn)行冷卻；潤(rùn)滑流量經(jīng)過管路去往冷卻器，經(jīng)冷卻器冷卻后分配至不同機(jī)械傳動(dòng)部件進(jìn)行潤(rùn)滑。即S1不通電時(shí)，潤(rùn)滑調(diào)節(jié)閥右端壓力作用面無壓力，潤(rùn)滑調(diào)節(jié)閥位置偏右側(cè)，對(duì)應(yīng)的去電機(jī)冷卻油路開度大，電機(jī)冷卻流量多，去cooler潤(rùn)滑油路開度小，cooler潤(rùn)滑分配的流量少；當(dāng)S1通電時(shí)，電磁閥壓力作用到潤(rùn)滑調(diào)節(jié)閥右端，潤(rùn)滑流量調(diào)節(jié)閥偏向左側(cè)，潤(rùn)滑調(diào)節(jié)閥對(duì)應(yīng)的去電機(jī)冷卻油路開度小，電機(jī)冷卻流量少，去cooler潤(rùn)滑油路開度大，cooler潤(rùn)滑分配的流量多。出于安全目的，設(shè)計(jì)潤(rùn)滑流量旁通油路，即DHT變速器潤(rùn)滑出現(xiàn)異常時(shí)，潤(rùn)滑旁通油路也可對(duì)傳動(dòng)部件進(jìn)行潤(rùn)滑，防止主潤(rùn)滑油路出現(xiàn)異常后DHT變速器出現(xiàn)快速的損壞及功能失效。旁通油路設(shè)計(jì)上增加節(jié)流孔，如圖1中1號(hào)位置所示，避免主潤(rùn)滑油路正常時(shí)旁通油路流量過高，影響DHT混動(dòng)變速器整機(jī)效率。

按照熱模型等控制參數(shù)制定DHT潤(rùn)滑分配控制模型，TCU依據(jù)不同行駛工況下電機(jī)發(fā)熱量所需冷卻及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑流量需求，控制電磁閥S1滑流量調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行控制，以分配電機(jī)冷卻流量及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑流量，例如爬坡及高負(fù)載工況，控制電磁閥S1斷電，則潤(rùn)滑調(diào)節(jié)閥的電機(jī)冷卻油路的開度最大，供給電機(jī)冷卻的流量最大，電機(jī)被帶走的熱量最多，可使電機(jī)在高效區(qū)工作。

2 故障現(xiàn)象

基于上述DHT電機(jī)冷卻及潤(rùn)滑方案，設(shè)計(jì)DHT項(xiàng)目液壓控制模塊，可有效控制DHT混動(dòng)變速器離合器、電子換擋及駐車機(jī)構(gòu)等執(zhí)行元件，性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，但DHT混合動(dòng)力變速器項(xiàng)目閥體總成在單體性能試驗(yàn)過程中，通往COOLER冷卻器流量隨著臺(tái)架供給流量的增加出現(xiàn)流量下降的故障，在一定供給流量時(shí)回復(fù)至正常值，以2 bar為測(cè)試步長(zhǎng)分別測(cè)試不同主油壓工況均發(fā)生流量下掉問題。以80 ℃下電磁閥不通電時(shí)的潤(rùn)滑分配情況做為故障說明，如圖2所示，此時(shí)擋位為D擋。隨著供給流量的增加，潤(rùn)滑流量在供給流量為14.8 L/min時(shí)出現(xiàn)下掉，由6.5 L/min下降到最低為3.2 L/min，隨后潤(rùn)滑流量呈線性趨勢(shì)上長(zhǎng)。

圖2 80 ℃時(shí)閥體總成單體潤(rùn)滑流量

如圖3所示為相同工況下電機(jī)冷卻的流量數(shù)據(jù)，因低供給工況下潤(rùn)滑流量較高，對(duì)應(yīng)的電機(jī)冷卻流量出現(xiàn)了異常低的情況，在潤(rùn)滑流量下掉的過程中，電機(jī)冷卻流量相反的出現(xiàn)了流量躍升，電機(jī)冷卻流量由4 L/min躍升到9 L/min。

圖3 80 ℃時(shí)閥體總成單體電機(jī)冷卻流量

液壓系統(tǒng)潤(rùn)滑流量下掉故障將影響電機(jī)冷卻的控制，無法保證電機(jī)的冷卻控制需求，嚴(yán)重甚至將導(dǎo)致對(duì)應(yīng)工況下自動(dòng)變速器離合器燒蝕、軸承壽命減少等問題。

3 故障分析

DHT混合動(dòng)力變速器的潤(rùn)滑冷卻分配系統(tǒng)是利用作用在閥芯兩端的力相等使閥芯達(dá)到平衡，閥芯一端作用力為開關(guān)式常低電磁閥產(chǎn)生的壓力和彈簧力，另一端為液壓系統(tǒng)壓力。通過電控調(diào)節(jié)電磁閥通電電流從而控制其油路通斷，改變潤(rùn)滑控制閥閥芯位置，從而改變電機(jī)冷卻和潤(rùn)滑流量開度實(shí)現(xiàn)各工況下電機(jī)冷卻和潤(rùn)滑流量不同的并聯(lián)分配方式。設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮潤(rùn)滑控制閥、彈簧、電磁閥及閥芯旁通油路。為實(shí)現(xiàn)液壓油的分配，在油路閥體墊板上還設(shè)有節(jié)流用薄壁小孔。其中潤(rùn)滑控制閥受力如下[4]：

P·1=F+P·2（1）

式中：P為自動(dòng)變速器系統(tǒng)壓力，MPa；1為系統(tǒng)壓力作用面積，mm2；F為彈簧力，N；P為電磁閥反饋壓力，MPa；2為反饋壓力作用面積，mm2。

潤(rùn)滑及電機(jī)冷卻流量分配原理如圖4所示：

1—節(jié)流孔a；2-節(jié)流孔b。

節(jié)流孔a、b均為孔徑2 mm，孔長(zhǎng)1 mm的孔。根據(jù)l/d =0.5，兩孔均為薄壁小孔[5]。

1—節(jié)流孔a；2—節(jié)流孔b。

供給流量較低時(shí)，因閥芯受彈簧力作用，液壓油優(yōu)先流入阻尼更小的節(jié)流孔a處。此時(shí)潤(rùn)滑流量共有兩處液壓油來源，一是通過節(jié)流孔a的主油路供油，二是經(jīng)潤(rùn)滑控制閥進(jìn)行分配調(diào)節(jié)的油路。當(dāng)供給流量提高時(shí)，由于節(jié)流孔a過流流量升至最大，流量通過節(jié)流孔b，此時(shí)閥芯受到彈簧力F和P自動(dòng)變速器系統(tǒng)壓力作用，向右移動(dòng)至平衡，潤(rùn)滑油僅由節(jié)流孔a油路提供，潤(rùn)滑油流量下掉。建立平衡后潤(rùn)滑流量及冷卻流量回復(fù)線性提升。根據(jù)此原理，經(jīng)過多組控制變量的試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定故障原因，在原方案的基礎(chǔ)上，重新布置a、b節(jié)流孔位置的，布置后原理圖如下所示，改善后節(jié)流孔b布置在潤(rùn)滑調(diào)節(jié)閥后端，即潤(rùn)滑調(diào)節(jié)閥的反饋?zhàn)饔脡毫υ谝罁?jù)潤(rùn)滑調(diào)節(jié)閥后端的壓力建立并進(jìn)行反饋?zhàn)饔迷跐?rùn)滑調(diào)節(jié)閥左側(cè)端面上，原有反饋油路在潤(rùn)滑調(diào)節(jié)閥前端，不經(jīng)過潤(rùn)滑調(diào)節(jié)閥，尤其在充油變化工況，潤(rùn)滑調(diào)節(jié)閥位置直接影響反饋油路作用，使cooler流量產(chǎn)生下掉故障。

4 建模仿真分析

AMESim是一款液壓、機(jī)械系統(tǒng)建模仿真及動(dòng)力學(xué)分析的軟件?？梢詫?duì)混合動(dòng)力變速器液壓系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行有效的模擬仿真分析。利用AMESim液壓仿真庫，在AMESim軟件中對(duì)上述方案中前后兩種節(jié)流孔布置建立仿真模型如圖6、圖8所示。通過分析仿真結(jié)果對(duì)故障分析進(jìn)行理論上的驗(yàn)證，縮短開發(fā)周期及開發(fā)成本。

圖6 改善前潤(rùn)滑及電機(jī)冷卻流量分配仿真模型

圖7 改善前潤(rùn)滑及系統(tǒng)供給流量

DHT混合動(dòng)力變速器液壓系統(tǒng)通過機(jī)械泵及電子泵供油。機(jī)械油泵的轉(zhuǎn)速隨發(fā)動(dòng)機(jī)變化而變化，電子泵轉(zhuǎn)速通過電控控制，當(dāng)油泵轉(zhuǎn)速變化時(shí)，液壓系統(tǒng)的供給流量隨之變化。其壓力隨主調(diào)壓閥電磁閥電流控制。潤(rùn)滑和電機(jī)冷卻流量與電機(jī)溫度、車速等多個(gè)因素相關(guān)。為了驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，輸入電信號(hào)對(duì)該模型進(jìn)行仿真，得到如圖7所示潤(rùn)滑流量、系統(tǒng)供給流量曲線。工作過程中，COOLER流量在供給流量為15 L/min時(shí)存在幅值為3.5 L的下掉。電機(jī)冷卻流量則產(chǎn)生3.5 L左右的上升。供給流量升高至16 L后，二者恢復(fù)接近于線性上升，與實(shí)際樣機(jī)的故障表現(xiàn)吻合。

圖8 改善后潤(rùn)滑及電機(jī)冷卻流量分配仿真模型

將潤(rùn)滑調(diào)節(jié)閥左側(cè)反饋油壓設(shè)計(jì)到潤(rùn)滑調(diào)節(jié)閥后端反饋，反饋油路的節(jié)流孔等參數(shù)不變，建立如圖8所示的仿真模型，輸入與整改前模型相同電信號(hào)，對(duì)改善后模型進(jìn)行仿真分析，得到如圖9所示潤(rùn)滑流量、系統(tǒng)供給流量曲線。

圖9 改善后潤(rùn)滑及系統(tǒng)供給流量

從以上兩模型仿真結(jié)果可以看出，采用重新布置節(jié)流孔后潤(rùn)滑流量隨系統(tǒng)供給流量線性上升，滿足設(shè)計(jì)需求。潤(rùn)滑效果良好且滿足變速器電機(jī)冷卻需求。

5 對(duì)策驗(yàn)證及設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過以上仿真結(jié)果制定閥體墊板零件的改進(jìn)方案，改變節(jié)流孔b位置至節(jié)流孔a后端，并進(jìn)行樣件制作。對(duì)更改后的閥體總成進(jìn)行單體性能試驗(yàn)。臺(tái)架自帶油泵模擬變速器機(jī)械泵給閥體單體提供液壓油。在給定的擋位、油溫、液壓油供給流量的條件下模擬閥體總成在變速器中的運(yùn)行工況。并通過壓力傳感器及流量計(jì)測(cè)量經(jīng)過閥體總成分配潤(rùn)滑及電機(jī)冷卻流量。閥體工裝可與更改前共用，無需進(jìn)行相應(yīng)變更。試驗(yàn)臺(tái)架如圖10所示：

圖10 閥體單體性能測(cè)試臺(tái)架

試驗(yàn)條件及試驗(yàn)設(shè)備如下：

表1 閥體總成性能臺(tái)架試驗(yàn)條件

項(xiàng)目試驗(yàn)條件項(xiàng)目試驗(yàn)條件 試驗(yàn)用油ATF油控制溫度/℃80 ±3 試驗(yàn)臺(tái)架AT閥體性能試驗(yàn)臺(tái)油泵7cc/rev

表2 閥體總成性能臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備

設(shè)備名稱型號(hào)測(cè)量范圍精度等級(jí)廠家 油量供給單元F-PVR23?94?RAA?310.4～80 L/min±0.5 %FSAUTOMAX 溫度傳感器Pt1000～200 ℃0.65 ℃AUTOMAX XCP控制器定制 聯(lián)合電子 CAN通訊模塊ES590 ETAS 壓力傳感器SSN257C?GR11NA5G600～2 bar0.5級(jí)吉林艾斯克

為了驗(yàn)證本文提出的分配方式有效性，在閥體性能測(cè)試臺(tái)架上進(jìn)行了不同系統(tǒng)油壓情況下的潤(rùn)滑冷卻分配的試驗(yàn)驗(yàn)證。圖11、圖12分別為更改后潤(rùn)滑流量和電機(jī)冷卻流量曲線。與更改前試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可見在供給流量為15 L/min時(shí)，不同主油壓下潤(rùn)滑流量均未出現(xiàn)下掉現(xiàn)象，呈現(xiàn)出近線性變化關(guān)系，與仿真結(jié)果趨勢(shì)相近，也符合設(shè)計(jì)要求，故障原因鎖定，為反饋端設(shè)計(jì)在前端還是后端對(duì)潤(rùn)滑調(diào)節(jié)閥工作狀態(tài)產(chǎn)生的影響。

圖11 性能臺(tái)架潤(rùn)滑流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖12 性能臺(tái)架電機(jī)冷卻流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 總結(jié)

潤(rùn)滑及電機(jī)冷卻流量的合理分配，是影響到DHT整車效率和經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一。通過建立液壓系統(tǒng)的仿真模型，能夠分析油路流量分配特性，為液壓系統(tǒng)的功能性驗(yàn)證提供參考及依據(jù)。經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，與仿真分析模型的結(jié)果基本吻合。且滿足變速器對(duì)各處冷卻潤(rùn)滑流量的需求。本文積累了潤(rùn)滑及電機(jī)冷卻流量的可控分配的調(diào)查驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)混合動(dòng)力專用變速器的研究提供了技術(shù)支持。

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Research on Design Optimization of Controllable Distribution of Lubrication and Cooling Flow of DHT Hybrid Transmission

LI Binlong, MA Jing, ZHOU Zhangya, WANG Mo, ZHANG Peng

（Center of Technology, Harbin Dongan Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd., Heilongjiang Harbin 150060）

This paper studies the failure of the cooling lubrication flow of the hydraulic system of the DHT hybrid trans- mission, analyzes the main factors that affect the lubrication and motor cooling flow distribution, and locks the problem through the cross-test and simulation analysis. First, according to the requirements of the control strategy, determine the flow and pressure required by the motor cooling and clutch components, and determine the lubrication and motor cooling distribution plan. According to the mechanism of the failure of the lubrication flow, the hydraulic system oil circuit and parts design optimization measures are formulated to make the flow meet the actual requirement, and provide practical reference for the subsequent research and development of lubrication and motor cooling flow distribution.

Hydraulic control; Lubrication control valve; Lubrication flow; DHT hybrid transmission

U463.212

A

1671-7988(2021)23-36-05

U463.212

A

1671-7988(2021)23-36-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.010

李賓龍，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心。