自動變速箱油泵設計.doc

自動變速箱油泵的設計王中華,翁曉明，翟青泉（安徽江淮汽車股份有限公司 合肥市經(jīng)開區(qū) 230601）【摘要】油泵是自動變速箱的關鍵部分之一，它就像人的心臟一樣，是自動變速箱液壓系統(tǒng)的動力源，為液壓執(zhí)行元件，控制閥，液力變矩器等部件提供液壓用油；此外，還為離合器，同步器，齒輪，軸承等提供潤滑用油，基于油泵在變速箱中的重要作用，本文從理論排量的計算，轉子型線的選擇，殼體油道的設計，油泵轉子與殼體材料的的選擇多個方面介紹了自動變速箱油泵的設計過程?！娟P鍵詞】排量，轉子，材料Automatic Transmission Oil Pump designWang Zhonghua ,Zhi Bainian ,Zhai Qingquan( ANHUI JIANGHUAI AUTOMOBILE CO.,LTD. HEFEI 230601)1 緒言基于油泵在自動變速箱中的關鍵作用，設計和選擇一個合適的油泵對于自動變速箱的性能，以及整車的性能、噪聲和燃油經(jīng)濟性都會有很大的提高。目前，應用于變速箱中的油泵的絕大多數(shù)為定量泵，在變速箱上使用變量泵的只有通用公司。本文章將主要定量泵的設計，在接下來的文章中，從理論排量的計算, 轉子型線的選擇，等多個方面介紹自動變速箱油泵的詳細設計過程。2 理論排量的計算2.1競品分析對競品進行分析，是設計的重要組成部分，我們可以從各種自動變速箱的油泵可以總結出一個經(jīng)驗，自動變速箱油泵的排量在1418cc/rev. 下表是幾種自動變速箱油泵的理論排量。表1 幾種自動變速箱油泵理論排量品牌型號排量(cc/rev)現(xiàn)代F4A5114.89愛信TF60SN17.79福特5R5515.93大眾DQ25017.562.2 自動變速器的需求油泵的排量必須是基于自動變速箱的需求；1) 在傳統(tǒng)的AT中，變矩器的散熱。因為變矩器在工作時存在功率損失，產(chǎn)生熱量，必須對變矩器的工作液體進行強制冷卻，使一定流量的油經(jīng)散熱器來散熱，使變矩器的工作油溫保持在正常范圍內(nèi)，同時要保證一定的供油壓力，以防止變矩器產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。在DCT中，取消了傳統(tǒng)的變矩器。2) 換檔操縱系統(tǒng)所需的油流量，換檔過程中要求結合元件結合迅速，有一定的響應速度。a) 在傳統(tǒng)的AT中，換檔時，需要動作的是離合器和制動器，需要保證響應速度的充油時間約需要10L/min的油流量。在穩(wěn)定工況下，油泵維持壓力，保證結合元件處于結合狀態(tài)。b) 在WDCT中，換檔時，需要的是雙離合器和換檔撥叉的動作，需求的油的流量為 4l/min3) 提供變速器所需的潤滑油，所需的流量與變速器結構和油路系統(tǒng)有關，一般在410l/min.4) 供給調(diào)壓和電磁閥等控制用油需4l/min。5) 補充密封泄漏大約0.05l/min. 對于定量泵來說，要按照在發(fā)動機低轉速的情況下，滿足流量需求來確定其流量。油泵的流量是油泵的排量與轉速的乘積。 往往油泵的實際流量與理論流量由一個差值，主要由兩方面因素而造成的。油泵本身的內(nèi)部泄漏而造成的油泵的氣穴而引起的。綜合變速箱各部分的需求，得出在整車各種工況下的的流量需求，即可求出在各種工況下的理論排量，求取最大值，就是油泵的理論排量下表是展示了某款自動變速箱在各種工況下的的流量需求和按照油泵在各種工況下的效率，根據(jù)下面公式求解出在各種工況下理論排量值，取最大值即為變速箱油泵的理論排量 表2 自動變速箱油泵理論排量計算使用工況溫度（）出口壓力（bar）發(fā)動機轉速(rpm)總的用油（l/min）容積效率理論排量（cc/rev）Power launch9012.7270030.875%15.21Hot idle1204.57009.480%16.78Hill creep12010.0100011.970%17通過比較，即可得出該自動變速箱油泵的理論排量為17 cc/rev.3轉子的設計 3.1 轉子型線的選擇轉子的型線對于油泵的容積效率、機械效率、噪聲等方面都有著很大的影響，因此選擇一種合適的齒形對于油泵性能起著關鍵的作用。轉子的型線有漸開線，擺線，雙中心，trochocentric型線，這幾種型線中，漸開線（見圖1）因為效率等各種原因已經(jīng)逐漸被淘汰，擺線（圖2）經(jīng)常使用在發(fā)動機機油泵上，雙中心齒輪型線（見圖3）是在擺線的基礎上發(fā)展起來的，在日本的自動變速箱使用的比較多，而trochocentric（圖4） 是一種目前在自動變速箱上使用的比較多的一種型線，其齒數(shù)差值為2，轉子腔內(nèi)設置了月牙形隔板，通過一個面來實現(xiàn)高低壓腔的密封，這樣就更有利于油泵效率的提高，所以在現(xiàn)在的變速箱油泵上，更喜歡用帶月牙形隔板的trochocentric 齒形，在通用的6AT，福特的5AT，大眾的DSG均是采用的此種齒形。圖1 帶月牙形隔板的漸開線齒輪泵圖2 擺線轉子泵圖3 雙中心齒輪泵圖 4 Trochocentric泵3.2轉子設計中的約束條件1）油泵的驅動方式直接決定了油泵內(nèi)轉子的大小，在傳統(tǒng)的AT中，油泵靠TC的HUB來驅動，HUB的外徑直接的決定了油泵內(nèi)轉子的外徑，因為HUB的直徑比較大，這樣就會直接導致內(nèi)轉子由一個大的外徑和比較多的齒數(shù)，雖然多的齒數(shù)可以降低出油口壓力的波動，但是大的直徑直接會導致在低轉速的情況下引起了氣穴的發(fā)生。解釋：因為在油底殼內(nèi)的油壓通常為大氣壓力，所以用于充油的壓力最大就為101.3kpa，使用伯努利方程計算，按照油液的密度0.85*1000kg/m3,將這個壓力轉換為油液的速度達到15.4m/s,最快的運動部件為內(nèi)轉子的頂部，當轉子頂部的線速度超過了15.4m/s，就會引起局部壓力的降低，油泵就會產(chǎn)生氣穴。 其中 ；將其帶入方程，可求得2. 從油泵的功率損耗來看，主要歸結于兩個方面， 粘性損失 主要是由于殼體表面與轉子表面的流體剪切而造成的 機械損失 主要是由于封油區(qū)域的不合理，不適當?shù)拈g隙引起干涉，但這兩個問題均可解決，還有一個因素就是油封，軸承的拖矩。油泵功率的粘性損失，可以用petroff方程來計算。從方程中我們可以看出粘性損失與轉子的外徑成3次方的一個關系。其中，功率損失； 流體的粘滯系數(shù)； D外轉子的直徑； N轉子的轉速 ； B轉子的厚度； 轉子外徑與殼體內(nèi)徑之間的間隙 不管是從防止低轉速下發(fā)生氣穴，還是降低功率的損耗，我們都必須限制內(nèi)外轉子的直徑。這樣的情況下，為了獲取到同樣的排量，就必須增加油泵轉子的厚度。油泵殼體的軸向長度會有一定的增加。3.3 轉子的修形一般可以根據(jù)轉子的參數(shù)得到油泵轉子的理論齒廓，但是依照理論齒廓來加工，一方面，制造的誤差會導致轉子無法裝配和傳動，另一方面也會提高制造的成本。在實際的嚙合過程中，必須確定一定的間隙來補償制造和安裝誤差，除了確定適當?shù)闹圃煺`差以外，還需要采用一定的方法對齒形進行修形，是不傳遞動力的齒廓不互相嚙合，減少由于干涉而無法裝配的可能性，確保嚙合傳動的正常進行。轉子的修形后對于油泵噪聲都一定的好處，選擇合適的修形量可以降低噪聲35dB.4 殼體油道的設計 4.1.進排油腔的設計 油泵進、排油腔的形狀以及其相關尺寸的確定，對油泵的容積效率、實際供油量、甚至脈動性等都有著重大的影響。下面是關于進排油腔的一些形狀，進排油腔呈月牙狀布置在泵體和泵蓋上。 圖5（a）兩端的大端密封區(qū)和小端密封區(qū)為平行線式，圖5（b）兩側的大端密封區(qū)與小端密封區(qū)為夾角式； 圖5（c）大端密封區(qū)為夾角式，小端密封區(qū)為平行線式； 圖5 進排油腔的形狀月牙腔的理論尺寸月牙腔的內(nèi)圓是以主動齒輪的回轉中心為圓心，以主動齒輪齒根圓為半徑的一個圓弧。月牙腔的外圓是以從動齒圈的回轉中心為圓心，以從動齒輪的齒根圓半徑的一個圓弧。在兩齒差以上的油泵殼體中，還必須設置有月牙性隔板，月牙形隔板的理論尺寸為： 月牙形隔板的內(nèi)圓是以主動齒輪的回轉中心為圓心，以主動齒輪齒頂圓為半徑的一個圓弧。 月牙形隔板的外圓是以從動齒輪的回轉中心為圓心，以從動齒輪齒頂圓為半徑的一個圓弧。多數(shù)情況下，月牙狀進排油腔的兩端封閉線為平行線式或夾角式，也有一部份采用一端為夾角式（大端封閉區(qū)域），一端采用平行線式（小端封閉區(qū)域）?；蛟谏鲜鰞煞N狀況下，月牙腔兩端以與封閉直線和外轉子齒根圓直徑和內(nèi)轉子齒根圓直徑相切的圓弧作為封閉線，并非為直線。另外，由于轉子的直徑要受到限制，為了得到同樣的排量，增加了油泵轉子的厚度，就必須在油泵殼體和泵蓋上同時設置進、排油腔才能保證充分的吸油。4.2 進排油口的設計在進油口的設計上必須保證有足夠的油液來填充轉子腔，同時在進油過程中盡量減少進油口對油液的阻力，要盡可能的增大進油口的面積，來降低油液的流速。要保證油液的流速在2m/s以下，另外，進油道上不能出現(xiàn)橫截面積的突變。在的油泵中設置了回油口，使過多的油返回到油泵進油口處，提高了油泵進油口的壓力，另外一個優(yōu)點是使油泵的能量得到充分的應用，提高了油泵的效率。4.3 油泵殼體與轉子之間的間隙值油泵殼體與轉子之間的軸向間隙和徑向間隙都十分重要，關系到整個油泵的性能；下表是油泵各間隙的一個參考值；表3 轉子與殼體之間的間隙值類型名稱間隙值（mm）軸向間隙內(nèi)轉子與殼體之間0.020.05外轉子與殼體之間0.020.05徑向間隙內(nèi)轉子與月牙隔板之間0.020.095外轉子與月牙隔板之間0.030.09外轉子與殼體之間0.0170.064注意：軸向間隙中，內(nèi)外轉子的厚度要小于轉子腔的深度。徑向間隙中，月牙形隔板的內(nèi)徑要大于主動齒輪齒頂圓直徑。月牙形隔板的外徑要小于從動齒圈齒頂圓直徑。5、油泵材料的選擇5.1轉子生產(chǎn)轉子最經(jīng)濟的方法是采用粉末冶金的加工方式，這種方法是將金屬粉末在模具里面壓制成一個精確的模型，然后將其燒結。這種技術可以使轉子內(nèi)部的結構近似網(wǎng)絡狀，為了某些關鍵的尺寸，例如，轉子的外徑，還需要用模具進行整形。在內(nèi)外轉子的選材上稍微不同，內(nèi)轉子的強度要高于外轉子的強度。內(nèi)轉子需要將功率從軸傳遞到油泵上，另外軸上的扭矩會發(fā)生變化，所以內(nèi)轉子需要高強度的材料。內(nèi)轉子常見的材料為含鎳或含銅的粉末冶金。外轉子只需要承受載荷的一部分，材料要求不像內(nèi)轉子一樣高，常見的材料為低碳的含銅的鐵基粉末冶金。對于粉末冶金的成品要靠三個度來衡量，粉末冶金的密度，精度和硬度。粉末冶金的密度主要根粉末材料的選擇和壓制的設備有關。粉末冶金的硬度根粉末冶金中添加的合金元素和燒結時的表面熱處理有一定的關系。粉末冶金的精度則主要靠粉末冶金的模具來保證，一般有壓制成形和燒結后整形兩套模具來保證。5.2殼體：殼體最常見的材料是采用鑄鐵和壓鑄鋁合金，鑄鐵的優(yōu)點是：具有良好的機加工性、低成本好的振動阻尼特性，除此之外，鑄鐵和粉末冶金有一個類似的膨脹系數(shù)。鋁合金的優(yōu)點是：有一個比較低的重量，在同樣體積下，重量僅為鑄鐵的三分之一,但是殼體和轉子不同的熱膨脹系數(shù)會對油泵的性能產(chǎn)生很大的影響。鑄鐵或鍛鋼與粉末冶金的膨脹系數(shù)很接近，但是鋁合金的熱膨脹系數(shù)是粉末冶金的兩倍，如果是采用鋁合金在常溫下保證了轉子軸向，徑向的安裝間隙，在高溫下，鋁合金殼體比粉末冶金轉子膨脹的更大一些，引起了大的軸向間隙和徑向間隙，導致了一個大的內(nèi)部泄露，導致了油泵在高溫狀態(tài)下整個效率的降低。另一方面在低溫狀態(tài)下，鋁合金殼體比粉末冶金轉子收縮的快，很有可能在油泵冷啟動時造成轉子的卡死。在油泵殼體材料的選擇上，對泵體采用鑄鐵（例如HT250），泵蓋可以采用鋁合金。這樣的選擇解決了因粉末冶金與鋁合金膨脹系數(shù)不同帶來的問題，另一方面，也可以在一定程度上降低油泵的重量。6 結論隨著能源緊缺和乘用車舒適性的要求，選擇和設計一個效率高、噪聲低、小型化的油泵必然成為一個趨勢。本文從多個方面介紹了自動變速箱油泵的設計，轉子型線的選擇，轉子的設計，排量的計算，都是自動變速箱油泵設計的關鍵步驟。參考文獻1 王中華 等 .自動變速箱油泵選型分析 J 2009； 1245-12492 李宏偉 等 .內(nèi)嚙合齒輪泵的排量分析 J 200702： 66-693 A performance comparison of various automatic transmission pumping systems SAE 960424