DHT混動變速器流量可控分配的設計優化研究

李賓龍，馬靜，周章遐，王墨，張鵬

DHT混動變速器流量可控分配的設計優化研究

李賓龍，馬靜，周章遐，王墨，張鵬

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章通過研究DHT混合動力專用自動變速器液壓系統冷卻潤滑流量下掉故障，分析影響潤滑及電機冷卻流量分配的主要因素，并通過對故障原因進行的交叉試驗和仿真分析進行問題鎖定。首先根據混合動力變速器的需求及控制策略，確定電機冷卻及離合器各零件需求的流量及壓力，確定潤滑及電機冷卻分配方案。根據潤滑流量下掉故障發生的機理制定液壓系統油路及零件設計優化措施使流量達到基本的實際要求，并為后續的潤滑及電機冷卻流量分配研發提供實用性參考。

液壓控制；潤滑控制閥；潤滑流量；DHT混合動力變速器

引言

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

1 冷卻及潤滑分配設計

設計電機冷卻及傳動機構潤滑控制油路，適用于油冷電機布置的DHT混動專用變速器，可依據整機運行工況通過電磁閥控制對電機冷卻流量及傳動機構潤滑流量進行最優化分配調節，滿足電機不同工況下的冷卻需求，使DHT在最佳工況點運行，提高其壽命及運行效率。

圖1 潤滑及電機冷卻流量分配設計原理圖

如圖1所示，閥芯為控制電機冷卻流量及潤滑流量的控制調節閥；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使流量調節閥處于不同開度進行流量分配調節；潤滑控制調節閥的流量來自主控制油路，電機冷卻及去cooler的潤滑流量經過設計為獨立油路，其中電機冷卻經過管路及油管設計提供電機進行冷卻；潤滑流量經過管路去往冷卻器，經冷卻器冷卻后分配至不同機械傳動部件進行潤滑。即S1不通電時，潤滑調節閥右端壓力作用面無壓力，潤滑調節閥位置偏右側，對應的去電機冷卻油路開度大，電機冷卻流量多，去cooler潤滑油路開度小，cooler潤滑分配的流量少；當S1通電時，電磁閥壓力作用到潤滑調節閥右端，潤滑流量調節閥偏向左側，潤滑調節閥對應的去電機冷卻油路開度小，電機冷卻流量少，去cooler潤滑油路開度大，cooler潤滑分配的流量多。出于安全目的，設計潤滑流量旁通油路，即DHT變速器潤滑出現異常時，潤滑旁通油路也可對傳動部件進行潤滑，防止主潤滑油路出現異常后DHT變速器出現快速的損壞及功能失效。旁通油路設計上增加節流孔，如圖1中1號位置所示，避免主潤滑油路正常時旁通油路流量過高，影響DHT混動變速器整機效率。

按照熱模型等控制參數制定DHT潤滑分配控制模型，TCU依據不同行駛工況下電機發熱量所需冷卻及傳動機構潤滑流量需求，控制電磁閥S1滑流量調節閥開度進行控制，以分配電機冷卻流量及傳動機構潤滑流量，例如爬坡及高負載工況，控制電磁閥S1斷電，則潤滑調節閥的電機冷卻油路的開度最大，供給電機冷卻的流量最大，電機被帶走的熱量最多，可使電機在高效區工作。

2 故障現象

基于上述DHT電機冷卻及潤滑方案，設計DHT項目液壓控制模塊，可有效控制DHT混動變速器離合器、電子換擋及駐車機構等執行元件，性能指標滿足設計要求，但DHT混合動力變速器項目閥體總成在單體性能試驗過程中，通往COOLER冷卻器流量隨著臺架供給流量的增加出現流量下降的故障，在一定供給流量時回復至正常值，以2 bar為測試步長分別測試不同主油壓工況均發生流量下掉問題。以80 ℃下電磁閥不通電時的潤滑分配情況做為故障說明，如圖2所示，此時擋位為D擋。隨著供給流量的增加，潤滑流量在供給流量為14.8 L/min時出現下掉，由6.5 L/min下降到最低為3.2 L/min，隨后潤滑流量呈線性趨勢上長。

圖2 80 ℃時閥體總成單體潤滑流量

如圖3所示為相同工況下電機冷卻的流量數據，因低供給工況下潤滑流量較高，對應的電機冷卻流量出現了異常低的情況，在潤滑流量下掉的過程中，電機冷卻流量相反的出現了流量躍升，電機冷卻流量由4 L/min躍升到9 L/min。

圖3 80 ℃時閥體總成單體電機冷卻流量

液壓系統潤滑流量下掉故障將影響電機冷卻的控制，無法保證電機的冷卻控制需求，嚴重甚至將導致對應工況下自動變速器離合器燒蝕、軸承壽命減少等問題。

3 故障分析

DHT混合動力變速器的潤滑冷卻分配系統是利用作用在閥芯兩端的力相等使閥芯達到平衡，閥芯一端作用力為開關式常低電磁閥產生的壓力和彈簧力，另一端為液壓系統壓力。通過電控調節電磁閥通電電流從而控制其油路通斷，改變潤滑控制閥閥芯位置，從而改變電機冷卻和潤滑流量開度實現各工況下電機冷卻和潤滑流量不同的并聯分配方式。設計時主要考慮潤滑控制閥、彈簧、電磁閥及閥芯旁通油路。為實現液壓油的分配，在油路閥體墊板上還設有節流用薄壁小孔。其中潤滑控制閥受力如下[4]：

P·1=F+P·2（1）

式中：P為自動變速器系統壓力，MPa；1為系統壓力作用面積，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。

潤滑及電機冷卻流量分配原理如圖4所示：

1—節流孔a；2-節流孔b。

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

1—節流孔a；2—節流孔b。

供給流量較低時，因閥芯受彈簧力作用，液壓油優先流入阻尼更小的節流孔a處。此時潤滑流量共有兩處液壓油來源，一是通過節流孔a的主油路供油，二是經潤滑控制閥進行分配調節的油路。當供給流量提高時，由于節流孔a過流流量升至最大，流量通過節流孔b，此時閥芯受到彈簧力F和P自動變速器系統壓力作用，向右移動至平衡，潤滑油僅由節流孔a油路提供，潤滑油流量下掉。建立平衡后潤滑流量及冷卻流量回復線性提升。根據此原理，經過多組控制變量的試驗驗證，最終確定故障原因，在原方案的基礎上，重新布置a、b節流孔位置的，布置后原理圖如下所示，改善后節流孔b布置在潤滑調節閥后端，即潤滑調節閥的反饋作用壓力在依據潤滑調節閥后端的壓力建立并進行反饋作用在潤滑調節閥左側端面上，原有反饋油路在潤滑調節閥前端，不經過潤滑調節閥，尤其在充油變化工況，潤滑調節閥位置直接影響反饋油路作用，使cooler流量產生下掉故障。

4 建模仿真分析

AMESim是一款液壓、機械系統建模仿真及動力學分析的軟件。可以對混合動力變速器液壓系統的工作過程進行有效的模擬仿真分析。利用AMESim液壓仿真庫，在AMESim軟件中對上述方案中前后兩種節流孔布置建立仿真模型如圖6、圖8所示。通過分析仿真結果對故障分析進行理論上的驗證，縮短開發周期及開發成本。

圖6 改善前潤滑及電機冷卻流量分配仿真模型

圖7 改善前潤滑及系統供給流量

DHT混合動力變速器液壓系統通過機械泵及電子泵供油。機械油泵的轉速隨發動機變化而變化，電子泵轉速通過電控控制，當油泵轉速變化時，液壓系統的供給流量隨之變化。其壓力隨主調壓閥電磁閥電流控制。潤滑和電機冷卻流量與電機溫度、車速等多個因素相關。為了驗證仿真模型的準確性，輸入電信號對該模型進行仿真，得到如圖7所示潤滑流量、系統供給流量曲線。工作過程中，COOLER流量在供給流量為15 L/min時存在幅值為3.5 L的下掉。電機冷卻流量則產生3.5 L左右的上升。供給流量升高至16 L后，二者恢復接近于線性上升，與實際樣機的故障表現吻合。

圖8 改善后潤滑及電機冷卻流量分配仿真模型

將潤滑調節閥左側反饋油壓設計到潤滑調節閥后端反饋，反饋油路的節流孔等參數不變，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，對改善后模型進行仿真分析，得到如圖9所示潤滑流量、系統供給流量曲線。

圖9 改善后潤滑及系統供給流量

從以上兩模型仿真結果可以看出，采用重新布置節流孔后潤滑流量隨系統供給流量線性上升，滿足設計需求。潤滑效果良好且滿足變速器電機冷卻需求。

5 對策驗證及設計優化

通過以上仿真結果制定閥體墊板零件的改進方案，改變節流孔b位置至節流孔a后端，并進行樣件制作。對更改后的閥體總成進行單體性能試驗。臺架自帶油泵模擬變速器機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行工況。并通過壓力傳感器及流量計測量經過閥體總成分配潤滑及電機冷卻流量。閥體工裝可與更改前共用，無需進行相應變更。試驗臺架如圖10所示：

圖10 閥體單體性能測試臺架

試驗條件及試驗設備如下：

表1 閥體總成性能臺架試驗條件

項目試驗條件項目試驗條件 試驗用油ATF油控制溫度/℃80 ±3 試驗臺架AT閥體性能試驗臺油泵7cc/rev

表2 閥體總成性能臺架試驗設備

設備名稱型號測量范圍精度等級廠家 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 聯合電子 CAN通訊模塊ES590 ETAS 壓力傳感器SSN257C?GR11NA5G600～2 bar0.5級吉林艾斯克

為了驗證本文提出的分配方式有效性，在閥體性能測試臺架上進行了不同系統油壓情況下的潤滑冷卻分配的試驗驗證。圖11、圖12分別為更改后潤滑流量和電機冷卻流量曲線。與更改前試驗數據進行對比可見在供給流量為15 L/min時，不同主油壓下潤滑流量均未出現下掉現象，呈現出近線性變化關系，與仿真結果趨勢相近，也符合設計要求，故障原因鎖定，為反饋端設計在前端還是后端對潤滑調節閥工作狀態產生的影響。

圖11 性能臺架潤滑流量試驗數據

圖12 性能臺架電機冷卻流量試驗數據

6 總結

潤滑及電機冷卻流量的合理分配，是影響到DHT整車效率和經濟性的重要因素之一。通過建立液壓系統的仿真模型，能夠分析油路流量分配特性，為液壓系統的功能性驗證提供參考及依據。經試驗臺架試驗結果驗證，與仿真分析模型的結果基本吻合。且滿足變速器對各處冷卻潤滑流量的需求。本文積累了潤滑及電機冷卻流量的可控分配的調查驗證經驗，為后續混合動力專用變速器的研究提供了技術支持。

[1] 周茜茜.一種淋油冷卻永磁同步電機溫度場研究[J].微特電機, 2020(48):5-7.

[2] 張博榕.某深度混合動力汽車領取額系統的設計開發[J].汽車科技, 2012(4):62-66.

[3] 韓瑩.深度混合動力變速箱液壓系統研究[D].西安:西安科技大學, 2013.

[4] 朱東華,樊智敏.機械設計基礎[M].哈爾濱:機械工業出版社,2004.

[5] 張戌社,寧辰校.汽車液壓氣動技術基礎[M].北京:化學工業出版社, 2017.

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動機制造有限公司技術中心。