液力自動變速器通氣塞噴油機理及解決辦法

鞏明 魏存洋

摘要：通過試驗復現(xiàn)市場上液力自動變速器通氣塞噴油現(xiàn)象，結合流體力學和變速器工作原理，得出液力自動變速器通氣塞噴油機理，并給出了相應的解決辦法。

關鍵詞：液力自動變速器；流體力學；通氣塞噴油

在液力自動變速器工作時，除了內部零部件所需的潤滑壓力使變速器油溫升高外，換擋時各離合器結合所需要的控制壓力對變速器油溫升高作用更加顯著。隨著油溫的升高，變速器內腔中的氣體壓力也逐漸增大，如果沒有壓力平衡裝置，會使密封件受損，如油封、密封圈等，導致變速器漏油甚至失效，所以在設計變速器時會增加一個通氣塞來平衡變速器工作時的內腔壓力，保證變速器的正常工作。

然而，在市場上經(jīng)常出現(xiàn)通氣塞噴油現(xiàn)象，本文針對通氣塞噴油現(xiàn)象進行了復現(xiàn)試驗，結合流體力學及液力自動變速器工作原理，得出液力自動變速器通氣塞噴油機理，并給出了相應的解決辦法。

復現(xiàn)試驗

隨機挑選一臺測試合格的液力自動變速器，將其裝配在臺架試驗臺上，加注油液至標準油位。為方便觀察通氣塞噴油現(xiàn)象，本試驗用透明塑料管（帶安裝螺紋及刻度線）代替通氣塞，如圖1所示。

手動控制電動機將變速器輸入轉速按 600r/min、1000r/min、1300r/min、1500r/min、1800r/min和2100r/min分別在各擋位下（共6個前進擋）穩(wěn)定 5s，然后開始降速直至電動機停止，記錄變速器油液溫度和透明塑料管噴油情況。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，當變速器在1擋工作（變矩工況）、輸入轉速達到2100r/min、變速器油液溫度高于110℃，同時滿足上述三個條件時，在電動機停止后2～10s內，透明塑料管會發(fā)生噴油現(xiàn)象，但是噴油的概率并不高，大約在10%，監(jiān)控數(shù)據(jù)如圖2所示。

為進一步探究通氣塞噴油與輸入轉速、穩(wěn)定時間的關系，在變速器油液溫度大于110℃的前提下，手動控制電動機將變速器輸入轉速按 1500r/min、1800r/min、2100r/min分別在1擋工作（變矩工況）下穩(wěn)定30s和60s，然后開始降速直至電動機停止，觀察并記錄透明塑料管噴油高度。記錄數(shù)據(jù)見表1。

通過試驗可以得到以下結論：

1）只有在1擋（變矩工況）工作，電動機停止后通氣塞會發(fā)生噴油現(xiàn)象。

2）通氣塞噴油概率與工作穩(wěn)定時間成正比。

3）通氣塞噴油高度與變速器油液溫度、輸入轉速、輸入轉速穩(wěn)定時間成正比。

相關概念

（1）氣體的溶解度 在一定溫度和壓強下，氣體在一定量溶劑中溶解的最高量稱為氣體的溶解度，隨溫度和壓強的變化而變化。當壓強一定時，氣體的溶解度隨著溫度的升高而降低，溫度升高，氣體分子運動速度加快，容易從液面逸出；當溫度一定時，氣體的溶解度隨著壓強的增大而增大，當壓強增大時，液面上的氣體濃度增加，進入液體的氣體分子比從液面溢出的分子多，從而使氣體的溶解度升高。

（2）能量守恒定律 在流體力學中稱為伯努利效應，即流體速度加快時，物體與流體接觸的界面上的壓力會減小，反之壓力會增加。

（3）油液氣泡 油液在生產(chǎn)、儲運及出廠前的過濾工作都是在大氣壓力下進行的，因此油液中含有空氣。實踐證明，溶解于油液中的空氣對油液的物理性質沒有什么直接的影響，但溶解了一定數(shù)量的空氣、處于飽和狀態(tài)的油液，在油液壓力發(fā)生變化時，過飽和的空氣會被析出，使油液中的微氣泡聚集形成足夠大氣泡析出到系統(tǒng)中。

（4）液體表面張力 油液黏度大，表面張力小，氣泡逸出油液表面時不容易破裂，浮在油液表面，形成一層油液保護膜，油液內部的氣泡層出不窮的從油液中溢出，頂起浮在表面的氣泡，使得氣泡攜帶油液向上移動。

（5）油泵吸油 油泵吸油時，油泵齒輪旋轉，在泵入口形成負壓，油液和氣體一同被吸入油泵，經(jīng)過齒輪嚙合擠壓后形成高壓，氣體分子混入油液，一同進入變速器油道。

（6）變矩工況 變矩工況時，壓力、流速變化急劇，會產(chǎn)生大量的氣泡，變速器突然降速，油液由于慣性仍然處于流動狀態(tài)，已經(jīng)停止的變矩器三元件（渦輪、泵輪、導輪）變成阻力，油液會在接觸壁面上產(chǎn)生大量氣泡。

噴油機理

液力自動變速器開始工作時，油泵從油底殼將溶解在油液中的空氣同油液一起吸入油泵，并經(jīng)過齒輪嚙合擠壓使油液壓力升高。

當變速器在1擋變矩工況下工作，油道內的控制油液壓力達到2MPa以上，油液溫度達到110℃以上時，變速器突然制動，油泵停止工作，油液由于慣性仍然處于流動狀態(tài)，已經(jīng)停止的變矩器三元件（渦輪、泵輪、導輪）則變成了阻力。油液會在接觸壁面上產(chǎn)生大量氣泡，而且油道內的控制油液壓力急速降壓增速，氣體溶解度急速降低，油液中的氣體發(fā)生過飽和現(xiàn)象，將微氣泡聚集形成足夠大氣泡從油液中析出，攜帶油液快速向低壓區(qū)膨脹，最終從通氣塞處噴出。

解決辦法

（1）通氣塞位置 通氣塞應設置安裝在固定位置，避免處于旋轉件位置。

（2）通氣塞處的腔體形狀 采用漏斗或開闊形狀，給氣泡溢出液面后留足夠的空間，防止使用環(huán)帶、倒漏斗形狀。

（3）油液高度 油液高度盡量避免接觸任何旋轉類零件，尤其防止熱油狀態(tài)下液體膨脹、發(fā)泡，造成惡性循環(huán)。

（4）通氣塞結構 盡量采用長管型、節(jié)流型、折疊回路、迷宮回路、油氣分離網(wǎng)及分離粘接材料（陶瓷）。

（5）液壓系統(tǒng)優(yōu)化 增加溢流閥和背壓閥，減緩變速器油液壓力和流速急劇變化時油腔內的壓降率。

（6）電控系統(tǒng)優(yōu)化 增加禁止轉速進入急劇切換狀態(tài)命令。

（7）變速器油溫控制系統(tǒng)優(yōu)化 選用散熱能力強的冷卻器，使變速器工作時最高油溫盡量控制在100℃以下。

結語

由于液力自動變速器的潤滑和控制都需要大量的油液，而且變矩器工作時油液壓力和流速變化劇烈，因此通氣塞的布置在液力自動變速器中尤為重要。目前國內液力自動變速器技術水平與國外仍然存在差距，在開發(fā)時合理準確地布置通氣塞安裝位置難度較大，導致在市場上仍然有時發(fā)生通氣塞噴油現(xiàn)象。如果無法找到通氣塞噴油的根本原因，為保證車輛的正常使用，通過調整通氣塞結構也可以杜絕此問題的發(fā)生。

參考文獻：

[1] 萬耀青.自動變速器技術[M]. 北京：人民交通出版社，2017.

[2] 田晉躍.車輛自動變速器構造原理與設計方法[M]. 北京：北京大學出版社，2009.

[3] 張兆順，崔桂香. 流體力學[M]. 3版. 北京：清華大學出版社，2015.

[4] 馬文星.液力傳動理論與設計[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2004.