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1、 自動(dòng)變速箱油泵的設(shè)計(jì) 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(dòng)變速箱的關(guān)鍵部分之一，它就像人的心臟一樣，是自動(dòng)變速箱液壓系統(tǒng)的動(dòng)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(jì)算，轉(zhuǎn)子型線的選擇，殼體油道的設(shè)計(jì)，油泵轉(zhuǎn)子與殼體材料的的選擇多個(gè)方面介紹了自動(dòng)變速箱油泵的設(shè)計(jì)過程。 【關(guān)鍵詞】排量，轉(zhuǎn)子，材料 Automatic Transmission Oil Pump design Wang Zhonghua

2、 ,Zhi Bainian ,Zhai Qingquan ( ANHUI JIANGHUAI AUTOMOBILE CO.,LTD. HEFEI 230601) 1 緒言 基于油泵在自動(dòng)變速箱中的關(guān)鍵作用，設(shè)計(jì)和選擇一個(gè)合適的油泵對(duì)于自動(dòng)變速箱的性能，以及整車的性能、噪聲和燃油經(jīng)濟(jì)性都會(huì)有很大的提高。 目前，應(yīng)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(shè)計(jì)，在接下來的文章中，從理論排量的計(jì)算, 轉(zhuǎn)子型線的選擇，等多個(gè)方面介紹自動(dòng)變速箱油泵的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程。 2 理論排量的計(jì)算 2.1競品分析 對(duì)競品進(jìn)行分析，是設(shè)計(jì)的重要組

3、成部分，我們可以從各種自動(dòng)變速箱的油泵可以總結(jié)出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)變速箱油泵的排量在14～18cc/rev. 下表是幾種自動(dòng)變速箱油泵的理論排量。 表1 幾種自動(dòng)變速箱油泵理論排量 品牌 型號(hào) 排量(cc/rev) 現(xiàn)代 F4A51 14.89 愛信 TF60SN 17.79 福特 5R55 15.93 大眾 DQ250 17.56 2.2 自動(dòng)變速器的需求 油泵的排量必須是基于自動(dòng)變速箱的需求； 1) 在傳統(tǒng)的AT中，變矩器的散熱。因?yàn)樽兙仄髟诠ぷ鲿r(shí)存在功率損失，產(chǎn)生熱量，必須對(duì)變矩器的工作液體進(jìn)行強(qiáng)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

4、溫保持在正常范圍內(nèi)，同時(shí)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(jié)合元件結(jié)合迅速，有一定的響應(yīng)速度。 a) 在傳統(tǒng)的AT中，換檔時(shí)，需要?jiǎng)幼鞯氖请x合器和制動(dòng)器，需要保證響應(yīng)速度的充油時(shí)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(jié)合元件處于結(jié)合狀態(tài)。 b) 在WDCT中，換檔時(shí)，需要的是雙離合器和換檔撥叉的動(dòng)作，需求的油的流量為 4l/min 3) 提供變速器所需的潤滑油，所需的流量與變速器結(jié)構(gòu)和油路系統(tǒng)有關(guān)，一般在4～10l/min. 4) 供給調(diào)壓和電磁閥等控制用油需4l

5、/min。 5) 補(bǔ)充密封泄漏大約0.05l/min. 對(duì)于定量泵來說，要按照在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的乘積。 往往油泵的實(shí)際流量與理論流量由一個(gè)差值，主要由兩方面因素而造成的。 ①油泵本身的內(nèi)部泄漏而造成的 ②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(dòng)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

6、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(dòng)變速箱油泵理論排量計(jì)算 使用工況 溫度 （℃） 出口壓力 （bar） 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 (rpm) 總的用油 （l/min） 容積效率 理論排量 （cc/rev） Power launch 90 12.7 2700 30.8 75% 15.21 Hot idle 120 4.5 700 9.4 80% 16.78 Hill creep 120 10.0 1000 11.9 70% 17 通過比較，即可得出該自動(dòng)變速箱油泵的理論排

7、量為17 cc/rev. 3轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì) 3.1 轉(zhuǎn)子型線的選擇 轉(zhuǎn)子的型線對(duì)于油泵的容積效率、機(jī)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(duì)于油泵性能起著關(guān)鍵的作用。 轉(zhuǎn)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?yàn)樾实雀鞣N原因已經(jīng)逐漸被淘汰，擺線（圖2）經(jīng)常使用在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵上，雙中心齒輪型線（見圖3）是在擺線的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在日本的自動(dòng)變速箱使用的比較多，而trochocentric（圖4） 是一種目前在自動(dòng)變速箱上使用的比較多的一種型線，其齒數(shù)差值為2，轉(zhuǎn)子腔內(nèi)設(shè)置了月牙形隔板，通過一個(gè)面來實(shí)現(xiàn)高低壓

8、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(zhuǎn)子泵 圖3 雙中心齒輪泵 圖 4 Trochocentric泵 3.2轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中的約束條件 1）油泵的驅(qū)動(dòng)方式直接決定了油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子的大小，在傳統(tǒng)的AT中，油泵靠TC的HUB來驅(qū)動(dòng)，HUB的外徑直接的決定了油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子的外徑，因?yàn)镠UB的直徑比較大，這樣就會(huì)直接導(dǎo)致內(nèi)轉(zhuǎn)子由一個(gè)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(dòng)，但是

9、大的直徑直接會(huì)導(dǎo)致在低轉(zhuǎn)速的情況下引起了氣穴的發(fā)生。 解釋：因?yàn)樵谟偷讱?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(jì)算，按照油液的密度0.85*1000kg/m3,將這個(gè)壓力轉(zhuǎn)換為油液的速度達(dá)到15.4m/s,最快的運(yùn)動(dòng)部件為內(nèi)轉(zhuǎn)子的頂部，當(dāng)轉(zhuǎn)子頂部的線速度超過了15.4m/s，就會(huì)引起局部壓力的降低，油泵就會(huì)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?dú)w結(jié)于兩個(gè)方面， ① 粘性損失 主要是由于殼體表面與轉(zhuǎn)子表面的流體剪切而造成的 ② 機(jī)械損失 主要是

10、由于封油區(qū)域的不合理，不適當(dāng)?shù)拈g隙引起干涉，但這兩個(gè)問題均可解決，還有一個(gè)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(jì)算。從方程中我們可以看出粘性損失與轉(zhuǎn)子的外徑成3次方的一個(gè)關(guān)系。 其中，——功率損失； ——流體的粘滯系數(shù)； D——外轉(zhuǎn)子的直徑； N——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 ； B——轉(zhuǎn)子的厚度； ——轉(zhuǎn)子外徑與殼體內(nèi)徑之間的間隙 不管是從防止低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子的厚度。油泵殼體的軸向長度會(huì)有一定的增加。 3.3 轉(zhuǎn)子的修形 一般可以根據(jù)

11、轉(zhuǎn)子的參數(shù)得到油泵轉(zhuǎn)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(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子無法裝配和傳動(dòng)，另一方面也會(huì)提高制造的成本。 在實(shí)際的嚙合過程中，必須確定一定的間隙來補(bǔ)償制造和安裝誤差，除了確定適當(dāng)?shù)闹圃煺`差以外，還需要采用一定的方法對(duì)齒形進(jìn)行修形，是不傳遞動(dòng)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(dòng)的正常進(jìn)行。 轉(zhuǎn)子的修形后對(duì)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3～5dB. 4 殼體油道的設(shè)計(jì) 4.1.進(jìn)排油腔的設(shè)計(jì) 油泵進(jìn)、排油腔的形狀以及其相關(guān)尺寸的確定，對(duì)油泵的容積效率、實(shí)際供油量、甚至脈動(dòng)性等都有著重大的影響。下面是關(guān)于

12、進(jìn)排油腔的一些形狀，進(jìn)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(cè)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(jìn)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(dòng)齒輪的回轉(zhuǎn)中心為圓心，以主動(dòng)齒輪齒根圓為半徑的一個(gè)圓弧。 月牙腔的外圓是以從動(dòng)齒圈的回轉(zhuǎn)中心為圓心，以從動(dòng)齒輪的齒根圓半徑的一個(gè)圓弧。 在兩齒差以上的油泵殼體中，還必須設(shè)置有月牙性隔板，月牙形隔板的理論尺寸為： ① 月牙形隔板的內(nèi)圓是以主動(dòng)齒輪的

13、回轉(zhuǎn)中心為圓心，以主動(dòng)齒輪齒頂圓為半徑的一個(gè)圓弧。 ② 月牙形隔板的外圓是以從動(dòng)齒輪的回轉(zhuǎn)中心為圓心，以從動(dòng)齒輪齒頂圓為半徑的一個(gè)圓弧。 多數(shù)情況下，月牙狀進(jìn)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）。或在上述兩種狀況下，月牙腔兩端以與封閉直線和外轉(zhuǎn)子齒根圓直徑和內(nèi)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的直徑要受到限制，為了得到同樣的排量，增加了油泵轉(zhuǎn)子的厚度，就必須在油泵殼體和泵蓋上同時(shí)設(shè)置進(jìn)、排油腔才能保證充分的吸油。 4.2 進(jìn)排油口的設(shè)計(jì) 在進(jìn)油口的設(shè)計(jì)上必須保證有足夠的油液來填

14、充轉(zhuǎn)子腔，同時(shí)在進(jìn)油過程中盡量減少進(jìn)油口對(duì)油液的阻力，要盡可能的增大進(jìn)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(jìn)油道上不能出現(xiàn)橫截面積的突變。 在的油泵中設(shè)置了回油口，使過多的油返回到油泵進(jìn)油口處，提高了油泵進(jìn)油口的壓力，另外 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使油泵的能量得到充分的應(yīng)用，提高了油泵的效率。 4.3 油泵殼體與轉(zhuǎn)子之間的間隙值 油泵殼體與轉(zhuǎn)子之間的軸向間隙和徑向間隙都十分重要，關(guān)系到整個(gè)油泵的性能；下表是油泵各間隙的一個(gè)參考值； 表3 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子與殼體之間 0.02～0.05 外轉(zhuǎn)子與殼體之間

15、 0.02～0.05 徑向間隙 內(nèi)轉(zhuǎn)子與月牙隔板之間 0.02～0.095 外轉(zhuǎn)子與月牙隔板之間 0.03～0.09 外轉(zhuǎn)子與殼體之間 0.017～0.064 注意：軸向間隙中，內(nèi)外轉(zhuǎn)子的厚度要小于轉(zhuǎn)子腔的深度。 徑向間隙中，月牙形隔板的內(nèi)徑要大于主動(dòng)齒輪齒頂圓直徑。 月牙形隔板的外徑要小于從動(dòng)齒圈齒頂圓直徑。 5、油泵材料的選擇 5.1　轉(zhuǎn)子 生產(chǎn)轉(zhuǎn)子最經(jīng)濟(jì)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(gè)精確的模型，然后將其燒結(jié)。這種技術(shù)可以使轉(zhuǎn)子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)近似網(wǎng)絡(luò)狀，為了某些關(guān)鍵的尺寸，例如，轉(zhuǎn)子的外徑，還需要用模具進(jìn)行整形。在內(nèi)外轉(zhuǎn)子的

16、選材上稍微不同，內(nèi)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度要高于外轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度。內(nèi)轉(zhuǎn)子需要將功率從軸傳遞到油泵上，另外軸上的扭矩會(huì)發(fā)生變化，所以內(nèi)轉(zhuǎn)子需要高強(qiáng)度的材料。內(nèi)轉(zhuǎn)子常見的材料為含鎳或含銅的粉末冶金。外轉(zhuǎn)子只需要承受載荷的一部分，材料要求不像內(nèi)轉(zhuǎn)子一樣高，常見的材料為低碳的含銅的鐵基粉末冶金。 對(duì)于粉末冶金的成品要靠三個(gè)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(shè)備有關(guān)。 粉末冶金的硬度根粉末冶金中添加的合金元素和燒結(jié)時(shí)的表面熱處理有一定的關(guān)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(jié)后整形兩套模具來保證。 5.2殼體： 殼體最常見的材料是

17、采用鑄鐵和壓鑄鋁合金，鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)是：具有良好的機(jī)加工性、低成本好的振動(dòng)阻尼特性，除此之外，鑄鐵和粉末冶金有一個(gè)類似的膨脹系數(shù)。鋁合金的優(yōu)點(diǎn)是：有一個(gè)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(zhuǎn)子不同的熱膨脹系數(shù)會(huì)對(duì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子膨脹的更大一些，引起了大的軸向間隙和徑向間隙，導(dǎo)致了一個(gè)大的內(nèi)部泄露，導(dǎo)致了油泵在高溫狀態(tài)下整個(gè)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(zhuǎn)子收縮的快，很有

18、可能在油泵冷啟動(dòng)時(shí)造成轉(zhuǎn)子的卡死。 在油泵殼體材料的選擇上，對(duì)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(jié)論 隨著能源緊缺和乘用車舒適性的要求，選擇和設(shè)計(jì)一個(gè)效率高、噪聲低、小型化的油泵必然成為一個(gè)趨勢(shì)。本文從多個(gè)方面介紹了自動(dòng)變速箱油泵的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子型線的選擇，轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，排量的計(jì)算，都是自動(dòng)變速箱油泵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。 參考文獻(xiàn) [1] 王中華 等 .自動(dòng)變速箱油泵選型分析 [J] 2009； 1245-1249 [2] 李宏偉 等 .內(nèi)嚙合齒輪泵的排量分析 [J] 200702： 66-69 [3] A performance comparison of various automatic transmission pumping systems SAE 960424