王中華 鄭海兵 楊士先
摘 要:本文將針對變速箱液壓系統(tǒng)中油泵及電磁閥的能量消耗,建立液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)計算模型。以DCT變速箱為例,基于NEDC循環(huán),展開能耗計算分析。并基于現(xiàn)有的DCT液壓系統(tǒng),給出了降低能耗的措施。
關(guān)鍵詞:液壓系統(tǒng);數(shù)學(xué)模型;能量消耗
0 序言
降低能耗提升效率是變速箱技術(shù)發(fā)展永恒不變的主題。變速箱作為傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其能耗研究一直備受關(guān)注。從手動變速箱到自動變速箱的變化,主要增加的為自動化的控制系統(tǒng),而電控液壓式控制系統(tǒng)是現(xiàn)有大多數(shù)自動變速箱的采用的技術(shù)方案。自動化的控制系統(tǒng),無論是采用何種形式,都會產(chǎn)生能耗的損失,造成變速箱效率的降低。
本文將基于DCT液壓控制系統(tǒng),展開液壓系統(tǒng)的能耗計算分析,同時對液壓系統(tǒng)的能耗優(yōu)化展開研究,提升變速箱總成的效率。
1 DCT液壓控制系統(tǒng)的介紹
為如圖1所示,為一款DCT的液壓原理圖,該系統(tǒng)由四個部分組成,其中A部分代表檔位控制系統(tǒng),B部分代表雙離合器控制系統(tǒng),C部分為冷卻潤滑系統(tǒng),D部分為壓力供給調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
檔位控制系統(tǒng),通過31-奇數(shù)檔壓力調(diào)節(jié)閥,33-奇數(shù)檔流量調(diào)節(jié)電磁閥35-奇數(shù)檔選檔電磁閥,實現(xiàn)奇數(shù)檔(1檔,3檔,5檔)的接合與脫開,同理,通過32-偶數(shù)擋壓力調(diào)節(jié)電磁閥,34-偶數(shù)擋流量調(diào)節(jié)電磁閥36-偶數(shù)擋檔位選擇電磁閥,實現(xiàn)偶數(shù)擋(2檔,4檔,6檔)和R檔的接合與脫開。
離合器控制系統(tǒng),通過25-離合器1壓力調(diào)節(jié)電磁閥和27-離合器1支路開關(guān)電磁閥控制離合器1支路的壓力,實現(xiàn)離合器1的接合和脫開,同理,通過26-離合器2壓力調(diào)節(jié)電磁閥和29-離合器2支路開關(guān)電磁閥控制離合器2支路的壓力,實現(xiàn)離合器2的接合與分離。
冷卻控制系統(tǒng),齒軸系統(tǒng)和雙離合器采用強(qiáng)制潤滑,41-離合器冷卻閥可以根據(jù)雙離合器冷卻流量需求實現(xiàn)實際流量的調(diào)節(jié)。
壓力供給調(diào)節(jié)系統(tǒng),由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的機(jī)械泵實現(xiàn)壓力油的供給,37-主壓力調(diào)節(jié)電磁閥和38-主壓力調(diào)節(jié)滑閥,共同作用,實現(xiàn)主壓力的調(diào)節(jié)。
2 液壓系統(tǒng)的能耗分析
DCT液壓系統(tǒng)耗能主要來源于兩部分:+一是由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動的齒輪泵為液壓系統(tǒng)提供動力而產(chǎn)生的耗能;二是由靠蓄電池供電通過TCU(變速箱控制單元)驅(qū)動的電磁閥動作而產(chǎn)生的耗能。
2.1 油泵能耗數(shù)學(xué)模型
2.3 DCT液壓系統(tǒng)的能耗計算
對于變速箱能耗分析,NEDC循環(huán)工況為一種具有代表性典型工況,下面將基于該工況分析液壓系統(tǒng)的能耗。
(1)齒輪泵的能耗計算分析。當(dāng)前的液壓系統(tǒng)采用了一個排量為16.8cc/rev的齒輪泵,油泵驅(qū)動的扭矩受出口壓力和轉(zhuǎn)速而影響,油泵的驅(qū)動扭矩可用下式5進(jìn)行計算(基于當(dāng)前的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和油泵出口壓力)。
說明:公式5,通過油泵臺架試驗數(shù)據(jù)(不同出口壓力和不同轉(zhuǎn)速下的油泵扭矩測試值而得到)擬合而得到。
根據(jù)軟件實時控制策略,得到主壓力控制值和當(dāng)前的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速,即可求解得出實時驅(qū)動油泵所需的扭矩,然采用公式1和公式2即可計算出驅(qū)動油泵所消耗的功以及驅(qū)動油泵所需要的平均功率。
通過計算,在NEDC循環(huán)工況下,驅(qū)動油泵所消耗的功為296.31 kJ,平均消耗功率為251.11 W。
(2)電磁閥的能耗計算。當(dāng)前的液壓系統(tǒng),所有的電磁閥的供電電壓按照12V進(jìn)行計算,對于電磁閥的工作電流,以實際采集電磁閥的工作電流進(jìn)行計算。
基于NEDC循環(huán)工況采集的電磁閥實際電流,12個電磁閥功總共消耗能量為73.302 kJ,平均功率消耗為62.12 W。
另外,從圖2中,可以看出25和26兩個離合器開關(guān)電磁閥消耗能量最大,約占總能量消耗的57%。其次為37主壓力調(diào)節(jié)閥,占總消耗的15%,然后為41-離合器冷卻調(diào)節(jié)閥,占總消耗的13%,27,28兩個離合器壓力控制閥占總消耗的14%。剩余電磁閥占總能量消耗的1%。
從上述計算,可以得出,基于NEDC循環(huán)工況,當(dāng)前的液壓控制系統(tǒng)總功消耗為369.612 kJ,平均功率消耗為313.23 W。
3 液壓系統(tǒng)能耗的優(yōu)化措施
3.1 電子泵技術(shù)的應(yīng)用
現(xiàn)在市面上的大多數(shù)自動變速箱只布置有一個機(jī)械泵,機(jī)械泵在設(shè)計時,受到用戶的需求(機(jī)限工況下的需求)和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的限制,往往設(shè)計了一個較大的排量,機(jī)械泵輸出的流量,在正常工況下,常常會大于用戶的需求。容積造成功率的損失和浪費(fèi)。
隨著電子泵技術(shù)的不斷發(fā)展,開始應(yīng)用于自動變速箱,小排量的機(jī)械泵+電子泵的油液供給系統(tǒng)逐漸會成為自動變速箱液壓控制系統(tǒng)的標(biāo)配。其中小排量的機(jī)械泵用于滿足正常工況下的用戶的需求,而電子泵只有在機(jī)械泵不能滿足用戶需求時進(jìn)行壓力和流量的補(bǔ)充。
按照設(shè)計經(jīng)驗和市場上電子泵產(chǎn)品,通常選擇一個200~250 w的電子泵產(chǎn)品,用于系統(tǒng)的補(bǔ)充,這時機(jī)械泵的排量可以縮小至原來尺寸的2/3,小排量的機(jī)械泵排量設(shè)定為11 cc/rev。
對于小排量油泵的驅(qū)動扭矩,可以按照下面的公式進(jìn)行計算;
基于NEDC循環(huán)工況,使用公式1和公式2,可以計算出使用小排量油泵在該工況下驅(qū)動油泵所消耗的功為218.79 kJ,平均功率消耗為185.41 W。
式7中,代表電子油泵所消耗的功,代表電子油泵的功率,代表電子泵的出口壓力,代表電子油泵出口流量,代表電子泵的工作時間;式8中,代表電子油泵基于NEDC循環(huán)工況的平均功率。
3.2 液壓控制系統(tǒng)優(yōu)化
根據(jù)2.3章節(jié)的計算結(jié)果,25,26-離合器開關(guān)閥的能量消耗占到所有電磁閥能量消耗的57%,這兩個電磁閥在系統(tǒng)中起到安全的作用,只有在27,28-離合器壓力控制閥出現(xiàn)故障(壓力不能關(guān)閉)時,這兩個閥可以關(guān)閉,保證整車的行駛安全。隨著能量消耗的要求,可以取消25,26-離合器開關(guān)閥,當(dāng)離合器壓力控制閥出現(xiàn)故障時(壓力不能關(guān)閉),通過改變控制策略,降低主壓力(降低至離合器壓力結(jié)合點以下),也可以實現(xiàn)離合器動力的切斷,保證整車的行駛安全。
通過減少電磁閥,在NEDC循環(huán)工況下,電磁閥的能量消耗,可降低至31.65 kJ,平均功率消耗降低至26.82 W。
通過電子泵技術(shù)的應(yīng)用和電磁閥數(shù)量的減少,DCT液壓系統(tǒng)的能量消耗降低至252.38 kJ,平均功率消耗為213.88 W。相對于原系統(tǒng),平均功率損耗減少100 W。當(dāng)量于0.3 L/100 km的油耗。
4 結(jié)論
從計算結(jié)果可以看出,變速箱液壓系統(tǒng)的能量消耗,主要來自于油泵系統(tǒng),但是液壓控制系統(tǒng)造成的能量消耗同樣不能忽視。
變速箱電子油泵的應(yīng)用以及控制系統(tǒng)的優(yōu)化,可以帶來液壓系統(tǒng)能耗降低約三分之一,可以更好滿足法規(guī)的要求及實現(xiàn)顧客的滿意。
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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:王中華(1984-),男,山西陽泉人,研究生,工程師,研究方向:自動變速箱液壓系統(tǒng)開發(fā)。