自動變速箱電動油泵設(shè)計匹配探討

徐誠 楊士先 張保良 王中華

摘 要：本文以自動變速箱電動油泵為研究對象，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗、理論計算等方法，探討電動油泵的結(jié)構(gòu)選擇、排量計算、設(shè)計匹配等要點。使電動油泵不僅能滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，而且盡量以最高效率工作。

關(guān)鍵詞：電動油泵;排量;設(shè)計匹配

0 前言

自動變速箱是汽車重要的零部件之一。大部分自動變速箱都利用油泵作為其換擋、離合器控制、冷卻潤滑的動力源。隨著國家油耗法規(guī)的要求越來越嚴(yán)格，對變速箱的傳動效率也提出了更高的要求。油泵作為自動變速箱能量消耗的主要零部件之一，自然得到設(shè)計人員的關(guān)注。

傳統(tǒng)的自動變速箱油泵依靠發(fā)動機驅(qū)動，油泵隨發(fā)動機轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，能量消耗較多。而電動油泵依靠電機驅(qū)動，可以按照指令工作，按需供油，實現(xiàn)能耗的降低。

本文根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗、理論計算、性能仿真等方法，探討電動油泵的結(jié)構(gòu)選擇、排量計算、設(shè)計匹配等要點。

1 電動油泵方案選擇

1.1 油泵結(jié)構(gòu)選擇

目前電動油泵中油泵常用結(jié)構(gòu)主要有三種：外嚙合齒輪泵、內(nèi)嚙合齒輪泵、葉片泵。三種油泵的結(jié)構(gòu)和性能特點各不相同：外嚙合齒輪泵輸出壓力、容積效率和抗污染能力較高，但噪聲大、成本較高;內(nèi)嚙合齒輪泵容積效率、輸出壓力稍低，但成本低、噪聲較小;葉片泵噪聲最小、容積效率高但成本較高，抗污染能力較差。設(shè)計人員可以根據(jù)設(shè)計需求選擇合適的油泵結(jié)構(gòu)。

1.2 電機類型選擇

按不同的標(biāo)準(zhǔn)分類，電機分為多種類型，如直流電機、交流電機、同步電機、異步電機、永磁電機、勵磁電機等。自動變速箱電動油泵推薦采用無刷直流電機（BLDCM）。主要原因有：

（1）供電類型：BLDCM采用直流供電，可以直接使用車載電池作為電源;（2）響應(yīng)速度快：BLDCM屬于同步電機，其響應(yīng)速度能達(dá)到50 ms以內(nèi)，可以快速建立油壓，提高自動變速箱的響應(yīng)速度;（3）調(diào)速范圍廣：BLDCM采用PWM方式調(diào)節(jié)輸入電壓大小，可在0到最大轉(zhuǎn)速間的任意轉(zhuǎn)速工作，為系統(tǒng)提供需要的流量;（4）轉(zhuǎn)速控制精度高：BLDCM內(nèi)置霍爾傳感器，可以精確控制電機轉(zhuǎn)速，為自動變速箱提供穩(wěn)定的流量和壓力;（5）效率高：BLDCM相對于異步感應(yīng)電機，其轉(zhuǎn)子采用永磁體，無需電能勵磁（該損耗約占電機總損耗的20～30%）;（6）噪聲小：BLDCM無電刷摩擦，噪聲小;（7）壽命長：BLDCM沒有電刷磨損，壽命大大延長，屬于免維護(hù)電機。

2 電動油泵設(shè)計計算

某自動變速箱要求工況點如下：

工況點1：油溫20℃，輸出壓力0.8 MPa，輸出流量3 L/min，輸入電壓12 V，有效電流≤20Arms;

工況點2：油溫90℃，輸出壓力0.4 MPa，輸出流量10 L/min，輸入電壓12 V，有效電流≤20Arms。

2.1 油泵排量計算

油泵排量計算公式：q=1000×Q/（n×ηv）

式中：q為油泵排量（cc/rev），Q為輸出流量（L/min），n為電機轉(zhuǎn)速（rpm），ηv為油泵容積效率（%）。

參數(shù)確定：

（1）輸出流量Q作為設(shè)計輸入給定，本文以兩個工況點為例，記為Q1和Q2。

（2）電機轉(zhuǎn)速n一般不作為設(shè)計輸入條件，即電動油泵的使用方一般不會對電機轉(zhuǎn)速有特殊要求。但考慮到油泵在低轉(zhuǎn)速時容積效率會急劇下降，設(shè)計時可以根據(jù)油泵的容積效率曲線給定最低轉(zhuǎn)速nmin（本文取750 rpm）。另外考慮到油泵在高轉(zhuǎn)速時的噪聲較大，結(jié)合電機的設(shè)計經(jīng)驗（扭矩-轉(zhuǎn)速曲線），可以初步選定合適的最高轉(zhuǎn)速nmax（本文取5 000 rpm）。

（3）對于容積效率ηv，如果采用成熟的油泵結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)油泵現(xiàn)有的容積效率曲線查出。如果采用新開發(fā)的油泵，可以采用CFD軟件計算出近似的容積效率值（本文取ηv1=88%，ηv2=85%）。

工況點1排量要求：

最小排量： q1 min=1 000×Q1 /（nmax×ηv1）=0.68 cc/rev

最大排量 ：q1 max= 1 000×Q1 /（nmin×ηv1）=4.65 cc/rev

工況點2排量要求：

最小排量 ：q2 min=1 000×Q2 /（nmax×ηv2）=2.35 cc/rev

最大排量： q2 max=1 000×Q2 /（nmin×ηv2）=15.69 cc/rev

油泵合理的排量范圍即為根據(jù)兩工況點計算出的排量范圍的交集，即2.35 cc/rev≤q≤4.65 cc/rev。

初步設(shè)定油泵排量為3.5 cc/rev，后續(xù)需要根據(jù)輸入電流限值、工作效率等要求進(jìn)行調(diào)整。

2.2 油泵轉(zhuǎn)速計算

油泵轉(zhuǎn)速計算公式：n=Q/（q×ηv）

式中：n為電機轉(zhuǎn)速（rpm），Q為輸出流量（L/min），q為油泵排量（cc/rev），ηv為油泵容積效率。

根據(jù)初步選定的油泵排量，結(jié)合油泵轉(zhuǎn)速計算公式，計算兩個工況點下電機的實際轉(zhuǎn)速n1和n2。

工況點1：n1=1 000×Q1/（q×ηv1）=974 rpm

工況點2：n2=1 000×Q2/（q×ηv2）=3 361 rpm

2.3 油泵輸入功率計算

油泵輸入功率計算公式Pp=p×Q/（60×η）

式中：Pp為油泵輸入功率（KW），p為油泵輸出壓力（MPa），Q為輸出流量（L/min），η為油泵總效率（%）。

其中油泵輸出壓力p已給定，油泵總效率η可以根據(jù)總效率曲線查出（本文取η1=65%，η2=61%）。

工況點1：Pp1= p1×Q1/（60×η1）=0.062 kW

工況點2：Pp2= p2×Q2/（60×η2）=0.109 kW

2.4 油泵輸入扭矩計算

油泵輸入扭矩計算公式：T=Pp×9 550/n

式中：T為油泵輸入扭矩（Nm），Pp為油泵輸入功率（kW），n為電機轉(zhuǎn)速（rpm）。

工況點1：T1=Pp1×9 550/n1=0.61 Nm

工況點2：T2=Pp2×9 550/n2=0.32 Nm

2.5 選擇電機規(guī)格

電機輸入功率計算公式：Pm=Pp/ηm

式中：Pm為電機輸入功率，Pp為油泵輸入功率，ηm為電機效率。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗給定電機常用工況時效率為70%，初步確認(rèn)電機的規(guī)格。

工況點1：Pm1= Pp1/ηm=0.088 kW=88 W

工況點2：Pm2= Pp2/ηm=0.156 kW=156 W

因此，可以初步選擇200W級的電機，后續(xù)可以根據(jù)外形空間和電機特性進(jìn)行調(diào)整。

2.6 電機與油泵的設(shè)計匹配優(yōu)化

經(jīng)過以上計算可以初步確定油泵的排量和電機規(guī)格。然后根據(jù)初選電機的規(guī)格驗證各工況點是否滿足電機轉(zhuǎn)速要求、電源電流要求。在滿足設(shè)計要求的情況下，盡量使電動油泵在各工況點的效率達(dá)到最高。下面以某款電動油泵的性能為例分析電機與油泵的匹配計算。

如圖1所示，分析轉(zhuǎn)速、電流和效率是否滿足設(shè)計要求：

（1）轉(zhuǎn)速要求：工況點1扭矩0.32 Nm、轉(zhuǎn)速3361 rpm，電機實際能達(dá)到3 800 rpm;工況點2扭矩0.61 Nm、轉(zhuǎn)速974 rpm，電機實際能達(dá)到3 300 rpm。電機轉(zhuǎn)速性能滿足設(shè)計要求且有富余。

（2）電流要求：工況點1電流22 A，工況點2電流14 A，電源電流限值20 A。因此工況點1的電機電流超過了電源電流限值，不滿足設(shè)計要求，需要優(yōu)化。

（3）效率要求：由效率曲線看出，在扭矩0.25 Nm左右時電機的效率達(dá)到最高，在扭矩0.32 Nm（工況點2）和0.61 Nm（工況點1）的工作效率較高，但如果減小扭矩，效率還有提升的空間。

因此，建議做如下優(yōu)化：

（1）優(yōu)化油泵排量。減小油泵排量，在相同工況點下可以降低油泵扭矩，達(dá)到減小電機電流的目的。同時對于此款電機，減小扭矩能達(dá)到提高電機效率的效果。但需要考慮的是如果減小油泵排量，滿足相同流量時需要更高的電機轉(zhuǎn)速，而此款電機的轉(zhuǎn)速性能可以滿足提高轉(zhuǎn)速要求。因此，減小油泵排量對于此款電機是合理的可行的方案。

將油泵排量減小為3.0 cc/rev，重新按上述方法計算：

工況點1：n1=1 136 rpm，T1=0.52 Nm

工況點2：n2=3 921 rpm，T2=0.27 Nm

如圖2所示，減小油泵排量后，轉(zhuǎn)速升高（但電機滿足轉(zhuǎn)速要求），電流降低，兩工況點的效率提高。因此油泵排量設(shè)計為3.0 cc/rev更為合理。

（2）優(yōu)化電機參數(shù)。如果優(yōu)化油泵排量無法滿足設(shè)計要求，可以對電機參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。減小電機定子線圈銅線的線徑、增加線圈匝數(shù)，在轉(zhuǎn)矩不變時，可降低電機電流，但會導(dǎo)致最高轉(zhuǎn)速降低。如圖2所示，導(dǎo)致油泵排量無法進(jìn)一步減小的主要因素是電機最高轉(zhuǎn)速限制。如果增大電機定子線圈銅線的線徑，減少線圈匝數(shù)，在轉(zhuǎn)矩不變時，可以提高電機的最高轉(zhuǎn)速。

本文采用成熟電機，將油泵排量設(shè)計為3.0 cc/rev。經(jīng)過試驗測試得出結(jié)果如下：

由表1看出，計算值與測試值誤差在10%以內(nèi)。本文所述的計算方法對電動油泵設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

3 結(jié)語

本文采用理論計算和性能仿真等方式，探討了自動變速箱電動油泵的設(shè)計匹配方法。經(jīng)過試驗證明，按此方法設(shè)計的電動油泵計算與試驗結(jié)果誤差較小，滿足設(shè)計要求。

自動變速箱電動油泵的設(shè)計是一個系統(tǒng)的工作，還需要綜合考慮外形空間、噪聲、熱平衡、電磁兼容等要求。同時電機和油泵均是技術(shù)密度很高的零部件，要為系統(tǒng)匹配最適合的電動油泵，還需分別對電機和油泵進(jìn)行深入研究和優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

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基金項目：安徽省重點研究與開發(fā)項目-新型商用車AMT產(chǎn)品開發(fā)（201904a05020023）

作者簡介：徐誠（1986-），男，安徽安慶人，本科，工程師，研究方向：自動變速箱液壓元件開發(fā)。