油泵在自動變速器降功耗提效率上的研究分析

閆亞潘，楊士先

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

油泵在自動變速器降功耗提效率上的研究分析

閆亞潘，楊士先

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

油泵是自動變速箱液壓系統的動力源。油泵在實現其功能的同時也消耗了變速箱的輸入功，其效率和排量也直接影響到變速箱的效率；通過優化油泵的結構和采用機械泵加電子泵一起供油的舉措可以有效地降低自動變速箱的功耗并提升變速器的效率。基于NEDC[1]測試工況，文章通過對某款變速箱及其變型產品的研究分析闡述油泵在降功耗提效率方面的影響。

機械油泵；電子油泵；NEDC；降功耗；提效率

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.038

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-119-03

引言

隨著自然環境日益嚴峻，國家對汽車的排放提出了更高的要求[2]，汽車企業必須通過提高整車的效率[3]降低排放來適應市場的需求。變速箱作為整車的核心零部件之一，提高自身效率對整車至關重要，而油泵作為液壓系統的動力源，占變速箱功耗損失的很大一部分。據統計，油泵功耗占變速箱損失功的30%～70%，因此，油泵的節能特性對變速箱影響重大，優化油泵結構，改善油泵供油特性，對提升變速箱效率降低排放有重要意義。

本文以國內某款自動變速箱及其變型產品為研究對象，基于NEDC循環測試工況，對搭載該款變速箱的整車進行試驗研究。在研究中，我們將該款變速箱原型的各項性能指標和測試數據當作基礎數據庫，包含變速箱的輸入功、輸出功、效率以及油泵的排量、容積效率、機械效率等。

1、電子油泵和機械油泵在自動變速箱中的應用

1.1 單一機械油泵

機械油泵作為變速箱唯一的液壓動力來源，負責整個系統的執行件工作用油，比如離合器、同步器換擋等，以及系統的冷卻潤滑用油，比如齒軸和離合器冷卻潤滑等。

1.2 機械泵和電子油泵

機械油泵和電子油泵聯合供油的方式有2種。一種是電子泵起輔助作用供油，只在發動機低轉速時工作，比如發動機轉速低于2000rpm，協同機械油泵供油，如圖2；另一種是機械油泵和電子油泵分別負責執行件和冷卻潤滑系統的供油，如圖3。

2、油泵對自動變速箱功耗的影響

2.1 油泵的功率

對于單一機械油泵（定排量），其輸入功率如公式1，輸出功率為公式2。

機械油泵的輸入功率：Hin= Ta*N/9.55 （公式1）[4]

機械油泵的輸出功率：Hout=P*Q （公式2）

注：Ta是輸入扭矩，N是油泵轉速，P是油泵負載，Q是油泵輸出流量,上述參數在特定工況下，均是已知或可測。

在特定工況下，油泵的輸入功率和輸出功率如下：

對于電子油泵（定排量），其消耗的功率等于電機的輸入功率，其輸入功率為公式3。

Hin=UI （公式3）

對于一個液壓系統中既有機械油泵又有電子油泵的組合系統，其輸入功率是不同工況下機械油泵和電子油泵輸入功率的和，即Hin=Hin電子+Hin機械。

3.2 油泵的消耗功

一個NEDC循環是1180s，如圖5，以某款自動變速箱為例，在一個NEDC循環內，其工況通過轉化采集數據如表1：

該款變速箱中油泵的排量是16.8cc/rev。油泵消耗功Win=Hin*t，（t是NEDC循環中對應工況的持續時間）。（公式4）

計算得到：該款變速箱中的油泵在一個NEDC循環內消耗功為Wa0=936850J。

而該款變速箱在一個NEDC循環內發動機輸入功為Wb0=7393773J，變速箱輸出功為Wc0=5682680J。由此可以得到變速箱的損失功為Wd0=Wb0-Wc0=1711093J。

所以，油泵消耗功占變速箱損失功的百分比為：

η油泵=100%*Wa0/( Wb0 - Wc0) （公式5）

η變速箱=100%*Wc0/Wb0

η油泵=54.75%。

η變速箱=76.86%

注：η變速箱是變速箱的功耗效率，即用來評估變速箱的碳排放，而非各檔位下的效率。

由此，可以看出油泵功耗占變速箱損失功的很大一部分。定排量泵的缺陷就是在部分工況下能量浪費嚴重。根據車輛（一般家庭用車）的實際應用，大部分工況下，發動機轉速都工作在低于4000rpm以下，主要工況轉速在1500rpm～ 3000rpm區間。那么對于定排量的大排量機械油泵在高轉速工況時必然造成諸多能量浪費。

3.3 小排量機械泵加電子油泵共同供油

以該款變速箱的變型產品為例，該變型產品主要是對供油系統進行了優化設計，包含油泵、油道重新進行布置和設計等。以電子泵供給執行件用油，小排量機械油泵供給系統冷卻潤滑用油來代替單一機械油泵工作，所謂的小排量機械油泵即在原來機械油泵的基礎上對油泵排量進行適當縮減，在該款變型產品中，小排量機械油泵的排量即減為原來機械油泵排量的2/3左右（具體排量降低多少需要根據液壓系統需求進行設計計算）。 機械油泵的容積效率和機械效率不變。

由油泵的機械效率、理論流量、負載可以推算出油泵需要的輸入扭矩Tt：

注：Qa理論流量、P油泵出口負載、n油泵轉速和η油泵機械效率。

設定降排量機械油泵的排量為V=10.5cc/rev，由此計算得到相應轉速下的理論流量是：

由(公式6)、（公式7）計算得到降排量機械泵的輸入扭矩Tt。由油泵輸入功率Hin降機械=Tt*n/9.55（公式8）可以得到降排量機械油泵在不同轉速下的輸入功率。

電子油泵的消耗功率等于電機的輸入功率：

由于電子油泵的輸入電流受油泵負載和轉速影響，并不是恒定不變的，即電子泵的輸入功率是隨著負載和轉速變化的。對于電子油泵，最簡單的使用方式是使電機穩定在某一轉速工作，輸出穩定的流量。電子油泵的這種工作方式是配合小排量機械油泵在發動機低轉速時工作，當發動機轉速大于某一數值時，電子油泵停止工作，由機械油泵單獨供油。工作模型如圖2-1，該種工作方式下的電子油泵其節能效果并不是特別好。電子油泵的另一種工作方式是電子油泵的轉速由自帶的控制器控制電機根據系統需要調節轉速來輸出可變的流量，以滿足系統對流量的需求。工作模型如圖2-2，電子油泵根據系統需要提供執行器工作需要的全部用油。為了便于計算，將該變型產品中電子油泵的功率按照恒定值處理；即，取電子油泵工作的平均功率。根據統計分析和計算，該變型產品中電子油泵的平均功率Hin電子=UI=244w。

電子油泵和降排量機械油泵的功率和，即該變速箱中油泵的總功率和總功：

在一個NEDC循環內，結合表一，計算得到組合泵的總功為Wa0'=636612J。

3.4 油泵能源消耗降低率

定義：油泵能源消耗降低率，在一個NEDC循環內，原機械油泵的消耗功和組合泵（本文中電子油泵和降排量機械油泵一起工作的統稱）的消耗功之差與原機械油泵消耗功的百分比。

能源消耗降低率Ed=100%*（Wa0-Wa0'）/ Wa0（公式12）

測得數據曲線如下：

3.5 優化油泵設計和供油結構對變速箱功耗效率的影響

已測得一個NEDC循環內，原機械油泵的消耗總功為Wa0，組合泵的消耗總功是Wa0'，采用原機械油泵時發動機的輸入功為Wb0，輸出功為Wc0。

則采用組合泵時，按照變速箱輸出功不變（變速箱的輸出功決定于其負載），其發動機輸入功為

Wb0'=[Wb0-(Wa0 -Wa0')]/η變速箱=7003144（J公式13）

采用雙泵后變速箱功耗效率：

η'變速箱=100%* Wc0/Wb0'（公式14）

由（公式12）、（公式14）和已測得數據，計算得到η'變速箱=81.14%。即變速箱的功耗效率由原來的76.86%經過優化油泵設計和供油結構后提高到現在的81.14%，變速箱功耗效率提高了4.28%。

3、結論

本文以國內某款自動變速箱為例，闡述了油泵對自動變速箱的功耗損失具有重大影響；以其變型產品為參照對象，論證了通過優化油泵結構、改善供油回路可以很大程度提高自動變速箱的功耗效率。

[1] GB18352[1].3-2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法.

[2] GB19578-2014乘用車燃料消耗量限值；GB27999乘用車燃料消耗量評價方法及指標.

[3] 余志生.汽車理論[第三版].清華大學.機械工業出版社.2000.4.

[4] 宋建安 趙鐵柱.液壓傳動.世界圖書出版公司,2004.6.

The influence of oil pump on decreasing energy and improving efficiency for the Automatic Transmission

Yan Yapan, Yang Shixian
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

The oil pump is the power of the Automatic Transmission’s hydraulic system. It also consume energy of the Automatic Transmission when the oil pump makes its function. Its efficiency and Capacity have influence on the efficiency of the Automatic Transmission. By improving oil pump structure and adopting the machineing pump with the electronic pump to provide oil , it is able to decrease availably the consumed energy of the Automatic Transmission and improve the its efficiency. Based on the NEDC[1]situation, The paper expatiates the influence of oil pump on decreasing energy and improving efficiency, by researching the someone automatic transmission and its changed product.

Machineing pump; Electronic pump; NEDC; Decreasing energy; Improving efficiency

U467.3

A

1671-7988(2016)10-119-03

閆亞潘（1987-），男，中級工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，從事變速箱設計研發。