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
按不同的標準分類,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?。築LDCM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,電機實際能達到3 800 rpm;工況點2扭矩0.61 Nm、轉(zhuǎn)速974 rpm,電機實際能達到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,達到減小電機電流的目的。同時對于此款電機,減小扭矩能達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行深入研究和優(yōu)化。
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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)。