自动变速箱油泵设计

自动变速箱油泵的设计王中华,翁晓明，翟青泉（安徽江淮汽车股份有限公司 合肥市经开区 230601）【摘要】油泵是自动变速箱的关键部分之一，它就像人的心脏一样，是自动变速箱液压系统的动力源，为液压执行元件，控制阀，液力变矩器等部件提供液压用油；此外，还为离合器，同步器，齿轮，轴承等提供润滑用油，基于油泵在变速箱中的重要作用，本文从理论排量的计算，转子型线的选择，壳体油道的设计，油泵转子与壳体材料的的选择多个方面介绍了自动变速箱油泵的设计过程。【关键词】排量，转子，材料Automatic Transmission Oil Pump designWang Zhonghua ,Zhi Bainian ,Zhai Qingquan( ANHUI JIANGHUAI AUTOMOBILE CO.,LTD. HEFEI 230601)1 绪言基于油泵在自动变速箱中的关键作用，设计和选择一个合适的油泵对于自动变速箱的性能，以及整车的性能、噪声和燃油经济性都会有很大的提高。目前，应用于变速箱中的油泵的绝大多数为定量泵，在变速箱上使用变量泵的只有通用公司。本文章将主要定量泵的设计，在接下来的文章中，从理论排量的计算, 转子型线的选择，等多个方面介绍自动变速箱油泵的详细设计过程。2 理论排量的计算2.1竞品分析对竞品进行分析，是设计的重要组成部分，我们可以从各种自动变速箱的油泵可以总结出一个经验，自动变速箱油泵的排量在1418cc/rev. 下表是几种自动变速箱油泵的理论排量。表1 几种自动变速箱油泵理论排量品牌型号排量(cc/rev)现代F4A5114.89爱信TF60SN17.79福特5R5515.93大众DQ25017.562.2 自动变速器的需求油泵的排量必须是基于自动变速箱的需求；1) 在传统的AT中，变矩器的散热。因为变矩器在工作时存在功率损失，产生热量，必须对变矩器的工作液体进行强制冷却，使一定流量的油经散热器来散热，使变矩器的工作油温保持在正常范围内，同时要保证一定的供油压力，以防止变矩器产生气蚀现象。在DCT中，取消了传统的变矩器。2) 换档操纵系统所需的油流量，换档过程中要求结合元件结合迅速，有一定的响应速度。a) 在传统的AT中，换档时，需要动作的是离合器和制动器，需要保证响应速度的充油时间约需要10L/min的油流量。在稳定工况下，油泵维持压力，保证结合元件处于结合状态。b) 在WDCT中，换档时，需要的是双离合器和换档拨叉的动作，需求的油的流量为 4l/min3) 提供变速器所需的润滑油，所需的流量与变速器结构和油路系统有关，一般在410l/min.4) 供给调压和电磁阀等控制用油需4l/min。5) 补充密封泄漏大约0.05l/min. 对于定量泵来说，要按照在发动机低转速的情况下，满足流量需求来确定其流量。油泵的流量是油泵的排量与转速的乘积。 往往油泵的实际流量与理论流量由一个差值，主要由两方面因素而造成的。油泵本身的内部泄漏而造成的油泵的气穴而引起的。综合变速箱各部分的需求，得出在整车各种工况下的的流量需求，即可求出在各种工况下的理论排量，求取最大值，就是油泵的理论排量下表是展示了某款自动变速箱在各种工况下的的流量需求和按照油泵在各种工况下的效率，根据下面公式求解出在各种工况下理论排量值，取最大值即为变速箱油泵的理论排量 表2 自动变速箱油泵理论排量计算使用工况温度（）出口压力（bar）发动机转速(rpm)总的用油（l/min）容积效率理论排量（cc/rev）Power launch9012.7270030.875%15.21Hot idle1204.57009.480%16.78Hill creep12010.0100011.970%17通过比较，即可得出该自动变速箱油泵的理论排量为17 cc/rev.3转子的设计 3.1 转子型线的选择转子的型线对于油泵的容积效率、机械效率、噪声等方面都有着很大的影响，因此选择一种合适的齿形对于油泵性能起着关键的作用。转子的型线有渐开线，摆线，双中心，trochocentric型线，这几种型线中，渐开线（见图1）因为效率等各种原因已经逐渐被淘汰，摆线（图2）经常使用在发动机机油泵上，双中心齿轮型线（见图3）是在摆线的基础上发展起来的，在日本的自动变速箱使用的比较多，而trochocentric（图4） 是一种目前在自动变速箱上使用的比较多的一种型线，其齿数差值为2，转子腔内设置了月牙形隔板，通过一个面来实现高低压腔的密封，这样就更有利于油泵效率的提高，所以在现在的变速箱油泵上，更喜欢用带月牙形隔板的trochocentric 齿形，在通用的6AT，福特的5AT，大众的DSG均是采用的此种齿形。图1 带月牙形隔板的渐开线齿轮泵图2 摆线转子泵图3 双中心齿轮泵图 4 Trochocentric泵3.2转子设计中的约束条件1）油泵的驱动方式直接决定了油泵内转子的大小，在传统的AT中，油泵靠TC的HUB来驱动，HUB的外径直接的决定了油泵内转子的外径，因为HUB的直径比较大，这样就会直接导致内转子由一个大的外径和比较多的齿数，虽然多的齿数可以降低出油口压力的波动，但是大的直径直接会导致在低转速的情况下引起了气穴的发生。解释：因为在油底壳内的油压通常为大气压力，所以用于充油的压力最大就为101.3kpa，使用伯努利方程计算，按照油液的密度0.85*1000kg/m3,将这个压力转换为油液的速度达到15.4m/s,最快的运动部件为内转子的顶部，当转子顶部的线速度超过了15.4m/s，就会引起局部压力的降低，油泵就会产生气穴。 其中 ；将其带入方程，可求得2. 从油泵的功率损耗来看，主要归结于两个方面， 粘性损失 主要是由于壳体表面与转子表面的流体剪切而造成的 机械损失 主要是由于封油区域的不合理，不适当的间隙引起干涉，但这两个问题均可解决，还有一个因素就是油封，轴承的拖矩。油泵功率的粘性损失，可以用petroff方程来计算。从方程中我们可以看出粘性损失与转子的外径成3次方的一个关系。其中，功率损失； 流体的粘滞系数； D外转子的直径； N转子的转速 ； B转子的厚度； 转子外径与壳体内径之间的间隙 不管是从防止低转速下发生气穴，还是降低功率的损耗，我们都必须限制内外转子的直径。这样的情况下，为了获取到同样的排量，就必须增加油泵转子的厚度。油泵壳体的轴向长度会有一定的增加。3.3 转子的修形一般可以根据转子的参数得到油泵转子的理论齿廓，但是依照理论齿廓来加工，一方面，制造的误差会导致转子无法装配和传动，另一方面也会提高制造的成本。在实际的啮合过程中，必须确定一定的间隙来补偿制造和安装误差，除了确定适当的制造误差以外，还需要采用一定的方法对齿形进行修形，是不传递动力的齿廓不互相啮合，减少由于干涉而无法装配的可能性，确保啮合传动的正常进行。转子的修形后对于油泵噪声都一定的好处，选择合适的修形量可以降低噪声35dB.4 壳体油道的设计 4.1.进排油腔的设计 油泵进、排油腔的形状以及其相关尺寸的确定，对油泵的容积效率、实际供油量、甚至脉动性等都有着重大的影响。下面是关于进排油腔的一些形状，进排油腔呈月牙状布置在泵体和泵盖上。 图5（a）两端的大端密封区和小端密封区为平行线式，图5（b）两侧的大端密封区与小端密封区为夹角式； 图5（c）大端密封区为夹角式，小端密封区为平行线式； 图5 进排油腔的形状月牙腔的理论尺寸月牙腔的内圆是以主动齿轮的回转中心为圆心，以主动齿轮齿根圆为半径的一个圆弧。月牙腔的外圆是以从动齿圈的回转中心为圆心，以从动齿轮的齿根圆半径的一个圆弧。在两齿差以上的油泵壳体中，还必须设置有月牙性隔板，月牙形隔板的理论尺寸为： 月牙形隔板的内圆是以主动齿轮的回转中心为圆心，以主动齿轮齿顶圆为半径的一个圆弧。 月牙形隔板的外圆是以从动齿轮的回转中心为圆心，以从动齿轮齿顶圆为半径的一个圆弧。多数情况下，月牙状进排油腔的两端封闭线为平行线式或夹角式，也有一部份采用一端为夹角式（大端封闭区域），一端采用平行线式（小端封闭区域）。或在上述两种状况下，月牙腔两端以与封闭直线和外转子齿根圆直径和内转子齿根圆直径相切的圆弧作为封闭线，并非为直线。另外，由于转子的直径要受到限制，为了得到同样的排量，增加了油泵转子的厚度，就必须在油泵壳体和泵盖上同时设置进、排油腔才能保证充分的吸油。4.2 进排油口的设计在进油口的设计上必须保证有足够的油液来填充转子腔，同时在进油过程中尽量减少进油口对油液的阻力，要尽可能的增大进油口的面积，来降低油液的流速。要保证油液的流速在2m/s以下，另外，进油道上不能出现横截面积的突变。在的油泵中设置了回油口，使过多的油返回到油泵进油口处，提高了油泵进油口的压力，另外一个优点是使油泵的能量得到充分的应用，提高了油泵的效率。4.3 油泵壳体与转子之间的间隙值油泵壳体与转子之间的轴向间隙和径向间隙都十分重要，关系到整个油泵的性能；下表是油泵各间隙的一个参考值；表3 转子与壳体之间的间隙值类型名称间隙值（mm）轴向间隙内转子与壳体之间0.020.05外转子与壳体之间0.020.05径向间隙内转子与月牙隔板之间0.020.095外转子与月牙隔板之间0.030.09外转子与壳体之间0.0170.064注意：轴向间隙中，内外转子的厚度要小于转子腔的深度。径向间隙中，月牙形隔板的内径要大于主动齿轮齿顶圆直径。月牙形隔板的外径要小于从动齿圈齿顶圆直径。5、油泵材料的选择5.1转子生产转子最经济的方法是采用粉末冶金的加工方式，这种方法是将金属粉末在模具里面压制成一个精确的模型，然后将其烧结。这种技术可以使转子内部的结构近似网络状，为了某些关键的尺寸，例如，转子的外径，还需要用模具进行整形。在内外转子的选材上稍微不同，内转子的强度要高于外转子的强度。内转子需要将功率从轴传递到油泵上，另外轴上的扭矩会发生变化，所以内转子需要高强度的材料。内转子常见的材料为含镍或含铜的粉末冶金。外转子只需要承受载荷的一部分，材料要求不像内转子一样高，常见的材料为低碳的含铜的铁基粉末冶金。对于粉末冶金的成品要靠三个度来衡量，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选择和压制的设备有关。粉末冶金的硬度根粉末冶金中添加的合金元素和烧结时的表面热处理有一定的关系。粉末冶金的精度则主要靠粉末冶金的模具来保证，一般有压制成形和烧结后整形两套模具来保证。5.2壳体：壳体最常见的材料是采用铸铁和压铸铝合金，铸铁的优点是：具有良好的机加工性、低成本好的振动阻尼特性，除此之外，铸铁和粉末冶金有一个类似的膨胀系数。铝合金的优点是：有一个比较低的重量，在同样体积下，重量仅为铸铁的三分之一,但是壳体和转子不同的热膨胀系数会对油泵的性能产生很大的影响。铸铁或锻钢与粉末冶金的膨胀系数很接近，但是铝合金的热膨胀系数是粉末冶金的两倍，如果是采用铝合金在常温下保证了转子轴向，径向的安装间隙，在高温下，铝合金壳体比粉末冶金转子膨胀的更大一些，引起了大的轴向间隙和径向间隙，导致了一个大的内部泄露，导致了油泵在高温状态下整个效率的降低。另一方面在低温状态下，铝合金壳体比粉末冶金转子收缩的快，很有可能在油泵冷启动时造成转子的卡死。在油泵壳体材料的选择上，对泵体采用铸铁（例如HT250），泵盖可以采用铝合金。这样的选择解决了因粉末冶金与铝合金膨胀系数不同带来的问题，另一方面，也可以在一定程度上降低油泵的重量。6 结论随着能源紧缺和乘用车舒适性的要求，选择和设计一个效率高、噪声低、小型化的油泵必然成为一个趋势。本文从多个方面介绍了自动变速箱油泵的设计，转子型线的选择，转子的设计，排量的计算，都是自动变速箱油泵设计的关键步骤。参考文献1 王中华 等 .自动变速箱油泵选型分析 J 2009； 1245-12492 李宏伟 等 .内啮合齿轮泵的排量分析 J 200702： 66-693 A performance comparison of various automatic transmission pumping systems SAE 960424