張福豹，朱 昱，汪興興，劉蘇蘇，李鵬飛，侍崇詩(shī)

（南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

混合動(dòng)力變速箱（electric-continuously variable transmission，E-CVT）是混合動(dòng)力汽車(chē)的核心零部件之一，是在傳統(tǒng)變速箱技術(shù)基礎(chǔ)上集成電機(jī)與齒輪系等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的混合動(dòng)力機(jī)電耦合裝置。混合動(dòng)力變速箱不僅可以實(shí)現(xiàn)換擋變速功能，還可以?xún)?yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收等。油泵是變速箱液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，液壓油泵及其供油系統(tǒng)的功率損耗占整個(gè)變速箱功率損耗約42%，是整個(gè)變速箱功率損耗的重要來(lái)源之一。因此，提高油泵及其供油的效率對(duì)提高變速箱效率，實(shí)現(xiàn)整車(chē)的節(jié)能減排至關(guān)重要[1-3]。

擺線轉(zhuǎn)子泵是一種具有特殊齒形的內(nèi)嚙合齒輪泵，是通過(guò)改變密閉容腔的容積大小實(shí)現(xiàn)吸油、排油的油泵，屬于容積泵，主要由內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子、泵體、泵蓋、密封圈、螺栓等主要零部件組成，其中內(nèi)轉(zhuǎn)子作為驅(qū)動(dòng)件，外轉(zhuǎn)子作為從動(dòng)件，實(shí)現(xiàn)吸油和排油[4]。擺線轉(zhuǎn)子泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壓力脈動(dòng)小、不易產(chǎn)生氣穴、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于汽車(chē)、航空航天、石油、化工等領(lǐng)域[5-6]。

擺線轉(zhuǎn)子泵在運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)部流場(chǎng)具有非線性、瞬時(shí)性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)特性不僅隨時(shí)間而變化，而且是不連續(xù)的。如流量是一個(gè)過(guò)程量，泵的不穩(wěn)定流量會(huì)造成較大的壓力脈動(dòng)和較大的噪音等，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性具有重要影響[7-8]。為了更好地提升動(dòng)態(tài)特性，在擺線轉(zhuǎn)子泵設(shè)計(jì)與控制過(guò)程中存在許多需要優(yōu)化的問(wèn)題[9-10]，但是用傳統(tǒng)的解析方法難以獲得最優(yōu)解或滿(mǎn)意解。系統(tǒng)仿真為解決擺線轉(zhuǎn)子泵動(dòng)態(tài)特性分析問(wèn)題提供了有效的手段[11-15]，具有效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前各行業(yè)運(yùn)用較多的研究手段。本文采用數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了混合動(dòng)力變速箱擺線轉(zhuǎn)子泵的動(dòng)態(tài)特性，為進(jìn)一步優(yōu)化油泵結(jié)構(gòu)，改善油泵供油特性，從而進(jìn)一步提高變速箱效率、降低排放提供了理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 擺線轉(zhuǎn)子泵仿真建模與分析

在前期研究中，通過(guò)“內(nèi)切法”形成短幅外擺線，設(shè)計(jì)了一種一齒差擺線轉(zhuǎn)子泵，推導(dǎo)了內(nèi)轉(zhuǎn)子的齒廓曲線方程[16]。設(shè)計(jì)的擺線轉(zhuǎn)子泵轉(zhuǎn)子副曲線如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)子副曲線Fig.1 Rotor pair curve

本文采用三維流體模型模擬泵內(nèi)流場(chǎng)分布。其中采用SolidWorks 建立流體模型，Ansys DM 進(jìn)行流道提取，Ansys ICEM CFD 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Ansys CFX求解器進(jìn)行求解。在ICEM CFD 中以流體區(qū)域幾何模型創(chuàng)建單元，分別對(duì)進(jìn)出口與齒輪旋轉(zhuǎn)流道相接觸的面進(jìn)行定義，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格的類(lèi)型為四面體網(wǎng)格。進(jìn)口處的網(wǎng)格尺寸為0.8 mm，齒輪旋轉(zhuǎn)和出口部分的網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。設(shè)定流體為紊流模型，設(shè)定初始值和求解步數(shù)。假設(shè)擺線齒輪泵轉(zhuǎn)子與定子間隙不存在泄漏。建立的流體區(qū)域幾何模型如圖2 所示，左下方為圖中區(qū)域網(wǎng)格放大圖。

圖2 流體區(qū)域幾何模型示意圖Fig.2 Fluid region geometry

通過(guò)對(duì)擺線轉(zhuǎn)子泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真，獲得了不同轉(zhuǎn)速、不同溫度和不同負(fù)載壓力下內(nèi)部流場(chǎng)的壓力云圖和速度矢量圖，并獲得了相應(yīng)的出口流速、流量和出口壓力參數(shù)。圖3、圖4 分別為油溫為40 ℃、負(fù)載壓力為0.5 MPa 時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下的壓力分布云圖和速度矢量圖，表1 為仿真獲得的不同轉(zhuǎn)速下出口流速、流量和出口壓力；圖5、圖6 分別為轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、負(fù)載壓力為0.5 MPa 時(shí)，不同溫度下的壓力分布云圖和速度矢量圖，表2 為仿真獲得的不同溫度下出口流速、流量和出口壓力；圖7 為高負(fù)載壓力（1 MPa）下壓力分布云圖和速度矢量圖，表3 為仿真獲得的高負(fù)載壓力（1 MPa）下出口流速、流量和出口壓力。

表1 不同轉(zhuǎn)速下出口流速、流量和出口壓力Tab.1 Outlet velocity,flow rate and outlet pressure at different speeds

圖3 不同轉(zhuǎn)速下擺線轉(zhuǎn)子泵內(nèi)部流場(chǎng)壓力分布云圖（油溫40 ℃，負(fù)載壓力0.5 MPa）Fig.3 Cloud map of pressure distribution in internal flow field of cycloidal rotor pump（oil temperature is 40 ℃，load pressure is 0.5 MPa）

圖4 不同轉(zhuǎn)速下擺線轉(zhuǎn)子泵內(nèi)部流場(chǎng)速度矢量圖（油溫40 ℃，負(fù)載壓力0.5 MPa）Fig.4 Internal flow field velocity vector of cycloidal rotor pump（oil temperature is 40 ℃，load pressure is 0.5 MPa）

表2 不同油液溫度下出口流速、流量和出口壓力Tab.2 Outlet velocity，flow rate and outlet pressure at different oil temperature

表3 高負(fù)載壓力下出口流速、流量和出口壓力Tab.3 Outlet velocity，flow rate and outlet pressure at high load pressures

圖5 擺線轉(zhuǎn)子泵內(nèi)部流場(chǎng)壓力分布云圖（轉(zhuǎn)速1 500 r/min，負(fù)載壓力0.5 MPa）Fig.5 Cloud map of pressure distribution in internal flow field of cycloidal rotor pump（rotational speed is 1 500 r/min，load pressure is 0.5 MPa）

圖6 擺線轉(zhuǎn)子泵內(nèi)部流場(chǎng)速度矢量圖（轉(zhuǎn)速1 500 r/min，負(fù)載壓力0.5 MPa）Fig.6 Internal flow field velocity vector of cycloidal rotor pump（rotational speed is 1 500 r/min，load pressure is 0.5 MPa）

依據(jù)齒輪泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率、出口流量與出口壓力的關(guān)系，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率、出口面積和出口壓力一定的情況下，出口流量與轉(zhuǎn)速成正比。仿真結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速的提高，出口流量、流速均呈上升趨勢(shì)，但出口流量未與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)一致的增長(zhǎng)幅度，出口最大壓力與最小壓力也均大于實(shí)際值，這主要是因?yàn)榉抡鏁r(shí)假設(shè)擺線齒輪泵不存在泄漏，而在一定的出口負(fù)載壓力情況下，擺線轉(zhuǎn)子泵存在由間隙引發(fā)的泄漏[17]，降低了實(shí)際出口壓力。在轉(zhuǎn)速和負(fù)載壓力一定的情況下，隨著油液溫度的提高，出口流速和流量有所降低，這主要是因?yàn)闇囟仍礁?，油黏度越小，泵自身的容積損失增加，出口流量、流速和壓力越低；負(fù)載壓力越高，也會(huì)造成擺線轉(zhuǎn)子泵內(nèi)部壓力升高，從而導(dǎo)致流量、流速和出口壓力的降低。同時(shí)，擺線轉(zhuǎn)子泵的動(dòng)態(tài)特性還受到空化問(wèn)題的影響，也會(huì)造成液壓泵容積損失的增加，從而造成泵輸出效率的下降[18-19]。

圖7 擺線轉(zhuǎn)子泵內(nèi)部流場(chǎng)壓力分布云圖與速度矢量圖（油溫40 ℃，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，負(fù)載壓力1 MPa）Fig.7 Cloud map of pressure distribution and internal flow field velocity vector of cycloidal rotor pump（oil temperature is 40 ℃，rotational speed is 1 500 r/min，load pressure is 1 MPa）

從不同轉(zhuǎn)速、油液溫度和負(fù)載壓力的仿真結(jié)果看，出口壓力最大值與最小值間有一定的壓力脈動(dòng)，但壓力脈動(dòng)較小，最大壓力偏差為0.028 MPa。

2 擺線轉(zhuǎn)子泵動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)

2.1 油泵出口流量

根據(jù)混合動(dòng)力變速箱液壓系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了一種包括排量分別為4 mL/r 的高壓油泵和8 mL/r的低壓油泵的雙聯(lián)擺線轉(zhuǎn)子油泵，并加工搭載某混合動(dòng)力變速箱的雙聯(lián)油泵樣機(jī)，其總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。在泵體前端設(shè)置高壓泵進(jìn)出油通道，后端設(shè)置低壓泵進(jìn)出油通道，兩個(gè)泵共用一個(gè)泵體，進(jìn)出油通道間相互隔離，高壓泵腔安裝高壓轉(zhuǎn)子，低壓泵腔安裝低壓轉(zhuǎn)子，兩個(gè)泵安裝在統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)軸上，由油泵電機(jī)共同控制，實(shí)現(xiàn)了高度集成。加工完成的雙聯(lián)擺線轉(zhuǎn)子油泵樣機(jī)見(jiàn)圖9。

圖8 擺線泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of the structure of the cycloidal rotor pump

圖9 雙聯(lián)擺線轉(zhuǎn)子油泵樣機(jī)Fig.9 Double cycloidal rotor pump prototype

參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7041.2—2020 液壓泵 第2部分：齒輪泵[20]中待測(cè)性能指標(biāo)要求和實(shí)驗(yàn)方法搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)原理如圖10 所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖搭建的油泵單體實(shí)驗(yàn)裝置如圖11 所示。實(shí)驗(yàn)用油采用Dexron VI ATF 油，油液的固體顆粒污染等級(jí)代號(hào)不高于GB/T 14039-2002 液壓傳動(dòng) 油液 固體顆粒污染等級(jí)代號(hào)[21]規(guī)定的20/16/13。

圖10 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.10 Experimental schematic diagram

圖11 油泵單體實(shí)驗(yàn)裝置Fig.11 Oil pump unit experimental device

測(cè)試了高、低壓泵在不同負(fù)載壓力、轉(zhuǎn)速和溫度下的出口流量。測(cè)試結(jié)果如表4、5 所示。

表4 低壓泵出口流量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experimental results of low-pressure pump outlet flow rate

表5 高壓泵出口流量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Experimental results of high-pressure pump outlet flow rate

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在相同的負(fù)載壓力下，出口流量隨著油液溫度的升高而降低；在相同油液溫度下，出口流量隨著負(fù)載壓力的升高而降低，隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高。這主要是因?yàn)橛鸵簻囟壬?，油液黏度降低，油液流?dòng)性更好，實(shí)際油泵在加工和裝配中，存在著一定的間隙，隨著負(fù)載壓力和油液溫度的升高，油泵的泄漏量增加，油泵容積效率降低，從而造成出口流量降低。

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較吻合，表明仿真模型準(zhǔn)確可靠。

2.2 出口流量壓力脈動(dòng)

出口流量壓力脈動(dòng)會(huì)引起油泵的輸出流量不穩(wěn)定[22]，影響工作部件的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，特別是對(duì)于混合動(dòng)力變速箱精密的液壓傳動(dòng)更為不利。

對(duì)樣機(jī)出口流量壓力脈動(dòng)進(jìn)行了檢測(cè)，低壓泵壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，高壓泵壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。根據(jù)混合動(dòng)力變速箱油泵出口壓力脈動(dòng)要求，在一定工況下，油泵出油口壓力偏差值應(yīng)小于0.2 MPa。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，油泵試驗(yàn)出口壓力偏差均在要求范圍內(nèi)，滿(mǎn)足油泵設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：仿真模型能反映擺線轉(zhuǎn)子泵的壓力脈動(dòng)特性，證明了仿真模型的有效性。

表6 低壓泵壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.6 Pressure pulsation test data of low-pressure pump

表7 高壓泵壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.7 Pressure pulsation test data of high-pressure pump

3 結(jié)論

本文根據(jù)擺線轉(zhuǎn)子泵嚙合原理和實(shí)際工況，建立了擺線轉(zhuǎn)子泵內(nèi)部流場(chǎng)仿真模型，獲得了流場(chǎng)壓力分布云圖與速度矢量圖，并獲取了仿真分析數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得高、低壓泵在不同負(fù)載壓力、轉(zhuǎn)速和油液溫度下的出口流量、出口壓力。通過(guò)對(duì)比仿真分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：兩者較吻合，證明了本文仿真模型與分析方法的可靠性，為擺線轉(zhuǎn)子泵優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。