變速箱葉片泵在高溫高壓下容積效率的優(yōu)化*

景 玲,楊昌林

(重慶紅宇精密工業(yè)集團有限公司，重慶 402760)

0 引 言

在國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大的過程中，葉片泵的體積小，容效高以及低噪音低等特點使得倍受青睞。另外，由于葉片泵在高溫高壓下容效高的特點，在CVT變速箱中占據(jù)一定優(yōu)勢。但是隨著國內(nèi)對汽車零部件更精細化的研究，要使得葉片泵減小排量，減小機械損耗，同時又要求在高溫高壓下滿足流量，對油泵性能存在巨大挑戰(zhàn)。現(xiàn)針對變速箱葉片泵在高溫高壓下容積效率的問題進行了優(yōu)化設(shè)計，分別從內(nèi)部泄漏和外部泄漏兩部分著手分析研究，通過對配油盤卸油槽及油泵蓋結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，得出卸油槽可以有效緩解高壓沖擊，且泵蓋強度對端面間隙有很大影響，在空間允許情況下需加強軸向厚度，此方法最終達到了變速箱工況要求，解決了葉片泵在高溫高壓下容積效率的問題。

1 問題分析

葉片泵通過一定速比與發(fā)送機相關(guān)，當(dāng)發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時，雙作用葉片泵轉(zhuǎn)速范圍從怠速～1 500 r/min，油泵雙出口同時給變速箱供油，當(dāng)發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速時，雙作用葉片泵轉(zhuǎn)速范圍從1 500～6 000 r/min，油泵單出口給變速箱供油。目前油泵在高溫120 ℃，高壓45～60 bar時，在各個轉(zhuǎn)速下，雙泵(雙1#，雙2#，雙3#)和單泵(單1#，單2#，單3#)容積效率明顯下降，低于對標(biāo)件的測量值，單雙出口測試如圖1、2所示。

圖1 單泵容效低于對標(biāo)要求

圖2 雙泵容效低于對標(biāo)要求

油泵總成在高溫高壓下容效明顯降低，表明此工況下發(fā)生較明顯的泄漏，油泵泄漏分為外部泄漏和內(nèi)部泄露，所以從兩方面分析問題：①因為在高溫高壓工況下產(chǎn)生問題，油泵蓋材料為鋁件，在高溫高壓下可能會發(fā)生變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和油泵蓋的端面間隙加大，更多的變速箱油泄漏到軸孔造成外部泄漏，還有跟多的油品從高壓腔通過端面間隙流回到低壓腔，造成內(nèi)部泄露；②在高壓工況下，油泵的高、低壓腔壓力差較大，葉片從低壓到高壓吸油口旋轉(zhuǎn)的過程中(如圖3)，會被瞬間的高壓將油品壓回低壓腔，造成內(nèi)部泄露。

圖3 高、低壓腔

2 措施及結(jié)果

2.1 端面間隙分析與解決

轉(zhuǎn)子與油泵蓋之間的端面間隙是影響泄漏的重要因素之一，大部分泄漏來自端面間隙的影響，間隙越大泄漏越大，容積效率越低，端面間隙越小，容積效率越高，但是會造成端面摩擦增大，扭矩也增大，并且油泵蓋端面和轉(zhuǎn)子的端面的機加工藝要求很高，所以端面間隙不是越小越好，在合理間隙的情況下，保證間隙穩(wěn)定會確保容效不會突變。對于在高溫高壓下，油泵蓋在壓力的作用下，沿軸向往外拉伸，且高溫會引起熱變形，加重油泵蓋的變形量，從而嚴重影響端面間隙的穩(wěn)定，導(dǎo)致油品從端面泄漏到軸孔，造成油泵的外部泄漏，還有一部分油品在端面間隙增大的情況下，從高壓腔流入低壓腔，而出口與高壓腔相連，造成內(nèi)部泄漏，即一部分油品在油泵內(nèi)部循環(huán)而沒有出去，嚴重影響容積效率。

2.1.1 油泵蓋的設(shè)計優(yōu)化

對于葉片泵總成而言，油泵體是在殼體之內(nèi)的，受殼體結(jié)構(gòu)的支撐，不易變形，而油泵蓋一般位于殼體外部，與殼體用螺釘緊固連接，定、轉(zhuǎn)子在油泵蓋上的投影區(qū)域無支撐，而此區(qū)域的變形直接影響端面間隙，所以設(shè)計3種結(jié)構(gòu)方案對比擇優(yōu)(如圖4)。

圖4 前蓋優(yōu)化方案

由上圖可知，方案1，在前蓋背面做了加強筋，不僅可以為油泵減重，但前蓋正面受到高壓油的沖擊，利用加強筋結(jié)構(gòu)來減小變形量；方案2，將前蓋分為兩部分，前蓋及配油盤，這種結(jié)構(gòu)在螺釘拉緊或平面度不好時，避免了端面間隙不均勻，并且可以將正面的高壓油的壓力更均勻的分散在前蓋上，但工程量產(chǎn)時，加工和管理成本高；方案3，將整個油泵蓋加厚取代加強筋，成本低，但重量略高。

2.1.2 理論計算及結(jié)果

對3種方案分別進行了結(jié)構(gòu)分析，對于CVT變速箱葉片泵，油壓最高為6 MPa，結(jié)果如圖5所示。

圖5 在相同工況下個方案變形情況

由上圖可知，在相同工況下，在前蓋影響端面間隙的中心位置上，變形量最大的是方案1的前蓋，變形量達到了0.024 mm，幾乎將油泵總成的端面間隙增加了一倍，且泄漏量是端面間隙的3次冪關(guān)系，會導(dǎo)致較嚴重的泄漏；方案2的前蓋是呈現(xiàn)分體式的，但工作部位的中心位置變相量達到0.008 5 mm，而方案3前蓋中心的變形量為0.004 2 mm，故方案3是最優(yōu)方案，可以避免端面間隙增加急劇，控制油品泄漏兩，對提高整個葉片泵總成的容積效率有較大幫助。

2.2 配油盤設(shè)計優(yōu)化

造成泄漏的另一個重要因素是完全的內(nèi)部泄露，油泵在高溫高壓工況下，高壓腔的油品直接壓回到低壓腔，從而減小出油量，容積效率降低嚴重。葉片泵的進出油口結(jié)構(gòu)由配油盤決定，進油口與低壓腔相連，出油口會加負載成為高壓腔，而當(dāng)葉片把油品從低壓腔帶到高壓腔的一瞬間造成低壓腔回油，要使得低壓腔平穩(wěn)過渡到高壓腔，需要將葉片運送過來的油腔逐漸加壓，故將配油盤上的高壓腔提前少量引入高壓油可解決此問題，如圖6在配油盤的卸荷槽尾部與封閉段低壓腔相通，達到逐漸平穩(wěn)增壓的效果，避免瞬間高壓，造成油泵的內(nèi)部泄露。

圖6 配油盤優(yōu)化設(shè)計

3 試驗驗證

綜合內(nèi)部泄露和外部泄漏兩個重點，分別對雙作用葉片泵的前蓋以及配油盤進行了優(yōu)化，且其他設(shè)計沒有變動，端面間隙也保持原有設(shè)計，隨后完成了高溫高壓(120 ℃、60 bar)下的試驗驗證，與相同工況下的對標(biāo)件對比，容積效率改善顯著，如圖7、8所示。

圖7 雙泵容積效率對比

圖8 單泵容積效率對比

4 結(jié) 語

針對變速箱油泵工況，主要通過對油泵總成的內(nèi)部泄露和外部泄漏的理論分析，對端面間隙以及配有盤的高低壓腔進行優(yōu)化設(shè)計，并基于ansys平臺的理論分析，得出泵蓋強度對端面間隙有很大影響，在空間允許情況下要加強軸向厚度，最終通過流量-扭矩性能試驗，實現(xiàn)了容效的提高，達到變速箱工況要求。