電氣化背景下的自動變速器效率提升關鍵技術研究

徐占 葉珂羽 楊俊 宋建軍 唐佳慧

（中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013）

0 引言

隨著消費者對汽車需求持續增長以及對汽車動力性、經濟性要求越來越高，在國家節能減排法規日益嚴格的背景下，汽車朝著電氣化和混動化發展，傳統燃料車、常規混合動力車及插電式混合動力車占有巨大市場份額[1]。《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》明確了節能車和新能源車向著高效率技術進化[2]。自動變速器作為動力源和車輪之間動力傳遞的執行系統，在各種類型傳動、混合動力及部分純電動車型中均有應用。

除了傳統的動力系統降油耗技術，還需要應用大量的電氣化技術，來達成油耗目標。應用自動變速器效率提升關鍵技術將持續助力電氣化乘用動力傳遞效率和整車經濟性提升。本文以一汽集團某型高效自動變速器產品為例，分析、闡述傳統和新能源自動變速器系統效率損失產生機理及提升效率的關鍵技術。

1 自動變速器效率損失分析

作為傳動部件，在傳遞發動機動力的過程中，其效率損失分為以下4類：執行動作消耗損失、機械摩擦損失、液壓損失和載荷相關損失。

1.1 執行動作消耗損失

目前，電動執行器已經越來越多地應用于自動變速器系統。例如電動液壓控制閥體中的動力源電動泵，液壓控制閥體中的電磁閥以及用于換擋或離合器控制的電動執行機構，都需要通過電機直接驅動，這樣就會產生電能轉化及傳輸損失。其中，電磁閥電能損失較小，可忽略不計。電機和電動泵的損失則與系統結構、控制方法均有直接關系，除了選擇高效電機及電動泵外，系統控制策略也會直接影響到系統效率。

1.2 機械摩擦損失

自動變速器中廣泛存在的機械摩擦損失包括：軸承摩擦損失、撥叉摩擦損失、齒輪摩擦損失、同步器摩擦損失、離合器滑動摩擦損失。其中，同步器和離合器為摩擦元件，通過其摩擦作用實現功能為有益摩擦，設計目標為元件達到期望的摩擦特性及扭矩容量。軸承、撥叉、齒輪摩擦損失則應盡量減少。

1.3 液壓損失

液壓損失包括離合器拖曳損失、液壓系統過供流量損失、液壓系統泄漏損失、齒輪攪油損失。

離合器拖曳[3]受潤滑油流量、相對轉速、潤滑油黏度、離合器分離間隙和溝槽影響。定量研究表明，離合器拖曳損失與潤滑油黏度和流量成正比[3-4]。系統過供流量損失指系統提供流量超過應用需求帶來的損失。液壓系統不可避免存在泄漏，如滑閥及電磁閥泄漏、換擋活塞泄漏、離合器活塞泄漏等也會產生液壓損失。齒輪攪油損失是齒輪傳動時克服潤滑油黏性阻力引起的功率損失，主要和齒輪幾何參數、齒輪轉速、潤滑油物性參數、浸油深度有關，目前主要通過齒輪修形和低黏度潤滑油介質的應用降低齒輪攪油損失[5]。

1.4 載荷相關損失

自動變速器系統中的載荷損失主要有齒輪嚙合損失、鏈條和帶傳動變形損失、軸扭轉損失。

這類損失屬于機械損失范疇，無法完全避免，只能通過機械結構優化、新材料的應用進行降低。

2 自動變速器效率提升技術

對于特定自動變速器系統來說，上述損失會同時出現，某些執行部件會同時包含多種損失類型。如何從機械結構到控制策略聯合設計，最大程度減少變速器損失，進而提升其效率，需要根據特定的變速器結構進行分析。下面以一汽集團高效自動變速器產品為例，剖析自動變速器效率提升關鍵技術。

2.1 液壓系統結構原理及策略優化

2.1.1 液壓系統結構、原理及損失來源

某液壓系統結構如圖1 所示，系統動力源為一機械油泵，由發動機直接驅動，轉速和發動機輸出轉速相同。經主油路壓力調節提供用于換擋執行及離合器執行的較高壓力液壓油，以及用于軸齒潤滑和離合器潤滑冷卻的較低壓力冷卻潤滑油。系統結構及原理簡單，但由于主油路需求為高壓力-低流量液壓油，而潤滑油路需求為高流量-低壓力液壓油，因此為同時滿足系統對主油路和潤滑油路的需求，必須增大機械油泵排量使系統同時滿足高流量和高壓力，高壓力-低流量與高流量-低壓力之外部分為系統功率浪費區，如圖2。同時，油泵轉速無法和發動機轉速解耦，會造成大量壓力、流量浪費。

圖1 兩級壓力回路耦合的典型液壓系統示意

圖2 壓力回路耦合液壓系統功率消耗示意

為了實現液壓系統按需供油（Power-on-de?mand），盡可能避免為了同時滿足最大壓力和最大流量帶來的供油過剩，實現壓力需求和流量需求解耦，高效變速器液壓控制模塊采用雙壓力回路技術，并配合按需供油控制技術實現效率提升。

2.1.2 雙壓力回路技術

圖3為2種形式的獨立雙壓力回路液壓系統示意圖。圖3（a）所示液壓系統通過2個電機控制高壓、低壓2個電動泵，分別為高低壓系統提供需求的壓力和流量。圖3（b）所示液壓系統采用了電動雙聯泵技術，用一個電機為2個排量不同的電動泵為系統供油，同樣可實現高壓力與大流量潤滑解耦，從而提升液壓系統效率。

圖3 獨立雙壓力回路液壓系統示意

由于變速器執行器并非一直動作，因此在高壓油路中加入蓄能器，輔助實現高壓油路壓力保持，并為液壓系統提供需要的流量，是提高效率的有效設計方案。

2.1.3 按需供油控制技術

由于變速器低壓冷卻潤滑油為持續性的需求，因此可根據潤滑油流量最大需求進行電機和電動泵的匹配，在不同需求下，通過調節電動泵轉速實現流量調節。

變速器高壓液壓油則為非持續性需求，高壓壓力保持在一定的范圍內即可。當需要高壓液壓油時，蓄能器快速提供需要的液壓油，可基于不同的策略實現高壓壓力控制，達到按需供油要求。

假設滿足高壓系統正常工作的壓力為3.5～6.0 MPa，以下為2種高壓系統按需供油控制策略。

（1）電動泵間歇工作策略

將系統壓力上、下限分別設置為Pmin和Pmax，采用區間閉環控制方案。當壓力到達下限值Pmin=3.5 MPa時，則令電動泵以高效轉速ω運轉，為蓄能器充油，直至壓力達到上限值Pmax=6.0 MPa，電動泵停止運轉。隨著系統泄漏及執行機構開始動作，高壓系統壓力將逐漸降低，達到Pmin時，再次啟動電動泵，如此往復。電動泵間歇工作仿真如圖4。

（2）電動泵連續工作策略

選取Pmin和Pmax之間的一個系統控制目標壓力Pmid。初始，令電動泵以高效轉速ω快速建立主油壓至目標壓力Pmid，然后采用比例積分微分（Proportional In?tegral Differential，PID）控制電動泵轉速實現對蓄能器連續補油，使得主油路壓力保持在Pmid附近，電動泵連續工作仿真如圖5。

2 種控制策略均能滿足高壓系統按需供油，根據電機和電動泵系統效率（圖6），可以看出電動機連續工作方式可使得系統更多地運行于高效區，對于提升系統總效率，該種方式更優。

圖6 電動泵效率與工作點

2.2 降低攪油與離合器拖曳損失

2.2.1 典型自動變速器油箱

典型自動變速器設計中，齒輪與控制閥體處于同一油腔，為了保證車輛加減速、轉向等工況下油泵可靠吸油，潤滑油加油量有冗余，使加油量增多。但是，這也加劇了齒輪攪油損失與離合器拖曳損失（圖7）。

圖7 典型自動變速器油箱及其油液高度示意

2.2.2 獨立雙油腔技術

為提高變速器效率，設計齒輪箱與控制閥體處于2個獨立的油腔（圖8），其中閥體油腔液面較高，以滿足各工況下的電動泵吸油要求，齒輪腔液面較低，可有效降低齒輪攪油損失及離合器拖曳損失。

圖8 獨立雙油腔結構及其油液高度示意

2.2.3 “干油箱”技術

將油底殼內的潤滑油通過油泵輸送至齒輪箱頂部的“干油箱”內（圖9），再經潤滑油噴管給齒輪、同步器、軸承進行潤滑。可在保證同步器、軸齒持續穩定潤滑的同時，進一步降低齒輪箱潤滑油液面高度，減少攪油及拖曳損失。

圖9 獨立雙油腔+“干油箱”結構及其油液高度示意

2.2.4 低黏度液壓油技術

變速器液壓油的黏度對減小系統摩擦、承受機械載荷能力、散熱都有直接的影響，進而影響系統效率[6]。文獻[6]還通過試驗表明：液壓油黏度降低會使變速器系統旋轉機械載荷阻尼減小，進而提升效率，并利用此特性提出了一種液壓油黏度測試方法。

福斯、殼牌等油品公司分別對液壓油黏度和攪油損失進行了充分研究，并得出降低液壓油黏度有利于提高傳動效率的結論[7-8]。同時，液壓油黏度降低也有利于減少離合器拖曳損失[3]。因此，高性能的低黏度油成為傳動系潤滑油的應用趨勢。

除此之外，變速器液壓油的黏度作為一個重要指標，所選取的低黏度液壓油還需要同時滿足軸齒潤滑保護、材料相容性、熱和氧化穩定性、抗微點蝕性能、剪切穩定性、抗泡沫特性等一系列性能指標，才能滿足應用要求。

2.3 降低系統摩擦

2.3.1 低摩擦軸承技術

典型自動變速器軸承設計主要考慮提升軸向支撐、軸系剛度及耐久性，多采用圓錐滾子軸承。隨著技術進步，設計時通過優化擋位布置提升系統剛度，對軸承的剛度要求減弱。低摩擦深溝球+圓柱管子軸承，角接觸圓錐滾子+圓錐滾子軸承均被變速器系統廣泛應用，有效減少了摩擦損失，達到效率提升效果（圖10）。

圖10 不同類型軸承摩擦損耗對比

2.3.2 齒輪修形技術

在軸齒傳動效率優化過程中，通過優化設計齒輪參數來提高軸齒傳動效率。在保證設計結構空間的前提下，齒寬和螺旋角設計較大值，降低齒面接觸應力。采用小模數設計，通過變位系數、壓力角和齒頂高的綜合優化設計，降低齒輪嚙合相對滑移率和滑移速度，減少嚙合損失。合理設計齒側間隙和齒面粗糙度，保證潤滑油膜處于最佳潤滑狀態。

根據變速器實際載荷譜受力情況，綜合比較不同軸承選型對傳動效率的影響程度，在保證耐久性的前提下，通過合理的軸承選型和軸承預緊優化，優化軸齒傳動效率。

2.4 低泄漏電磁閥技術

典型液壓系統主油路壓力通過電控可變節流孔式壓力先導閥進行控制，其工作原理是通過一個可變節流孔，通過泄漏進行主油路壓力調節。隨著新一代電磁閥技術進步，功率密度更大、泄漏更小的比例壓力電磁閥和比例流量電磁閥得到了廣泛應用（圖11）。低泄漏電磁閥技術使得液壓系統泄漏損失大大降低，從而減少了系統供油需求，進而減小了系統供油功率需求，達到提升效率的效果。

圖11 電磁閥泄漏量降低示意

3 總結

對于電氣化乘用車，傳動系統效率提升是技術主線，對于降低整車能耗至關重要。

自動變速器效率提升主要通過液壓系統原理及控制策略優化、降低攪油損失、降低系統摩擦實現，主要包含雙壓力回路技術、按需提供流量控制技術、獨立雙油腔技術、“干油箱”技術、低黏度液壓油技術、低摩擦軸承技術、齒輪修形技術、低泄漏電磁閥技術。以上技術的組合應用，可有效提升傳統及新能源自動變速器效率。