王中華 鄭海兵 楊士先
摘 要:本文將針對變速箱液壓系統中油泵及電磁閥的能量消耗,建立液壓系統數學計算模型。以DCT變速箱為例,基于NEDC循環,展開能耗計算分析。并基于現有的DCT液壓系統,給出了降低能耗的措施。
關鍵詞:液壓系統;數學模型;能量消耗
0 序言
降低能耗提升效率是變速箱技術發展永恒不變的主題。變速箱作為傳動系統的關鍵環節,其能耗研究一直備受關注。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,而電控液壓式控制系統是現有大多數自動變速箱的采用的技術方案。自動化的控制系統,無論是采用何種形式,都會產生能耗的損失,造成變速箱效率的降低。
本文將基于DCT液壓控制系統,展開液壓系統的能耗計算分析,同時對液壓系統的能耗優化展開研究,提升變速箱總成的效率。
1 DCT液壓控制系統的介紹
為如圖1所示,為一款DCT的液壓原理圖,該系統由四個部分組成,其中A部分代表檔位控制系統,B部分代表雙離合器控制系統,C部分為冷卻潤滑系統,D部分為壓力供給調節系統。
檔位控制系統,通過31-奇數檔壓力調節閥,33-奇數檔流量調節電磁閥35-奇數檔選檔電磁閥,實現奇數檔(1檔,3檔,5檔)的接合與脫開,同理,通過32-偶數擋壓力調節電磁閥,34-偶數擋流量調節電磁閥36-偶數擋檔位選擇電磁閥,實現偶數擋(2檔,4檔,6檔)和R檔的接合與脫開。
離合器控制系統,通過25-離合器1壓力調節電磁閥和27-離合器1支路開關電磁閥控制離合器1支路的壓力,實現離合器1的接合和脫開,同理,通過26-離合器2壓力調節電磁閥和29-離合器2支路開關電磁閥控制離合器2支路的壓力,實現離合器2的接合與分離。
冷卻控制系統,齒軸系統和雙離合器采用強制潤滑,41-離合器冷卻閥可以根據雙離合器冷卻流量需求實現實際流量的調節。
壓力供給調節系統,由發動機驅動的機械泵實現壓力油的供給,37-主壓力調節電磁閥和38-主壓力調節滑閥,共同作用,實現主壓力的調節。
2 液壓系統的能耗分析
DCT液壓系統耗能主要來源于兩部分:+一是由發動機直接驅動的齒輪泵為液壓系統提供動力而產生的耗能;二是由靠蓄電池供電通過TCU(變速箱控制單元)驅動的電磁閥動作而產生的耗能。
2.1 油泵能耗數學模型
2.3 DCT液壓系統的能耗計算
對于變速箱能耗分析,NEDC循環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的能耗。
(1)齒輪泵的能耗計算分析。當前的液壓系統采用了一個排量為16.8cc/rev的齒輪泵,油泵驅動的扭矩受出口壓力和轉速而影響,油泵的驅動扭矩可用下式5進行計算(基于當前的發動機轉速和油泵出口壓力)。
說明:公式5,通過油泵臺架試驗數據(不同出口壓力和不同轉速下的油泵扭矩測試值而得到)擬合而得到。
根據軟件實時控制策略,得到主壓力控制值和當前的發動機轉速,即可求解得出實時驅動油泵所需的扭矩,然采用公式1和公式2即可計算出驅動油泵所消耗的功以及驅動油泵所需要的平均功率。
通過計算,在NEDC循環工況下,驅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。當前的液壓系統,所有的電磁閥的供電電壓按照12V進行計算,對于電磁閥的工作電流,以實際采集電磁閥的工作電流進行計算。
基于NEDC循環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主壓力調節閥,占總消耗的15%,然后為41-離合器冷卻調節閥,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循環工況,當前的液壓控制系統總功消耗為369.612 kJ,平均功率消耗為313.23 W。
3 液壓系統能耗的優化措施
3.1 電子泵技術的應用
現在市面上的大多數自動變速箱只布置有一個機械泵,機械泵在設計時,受到用戶的需求(機限工況下的需求)和發動機轉速的限制,往往設計了一個較大的排量,機械泵輸出的流量,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。
隨著電子泵技術的不斷發展,開始應用于自動變速箱,小排量的機械泵+電子泵的油液供給系統逐漸會成為自動變速箱液壓控制系統的標配。其中小排量的機械泵用于滿足正常工況下的用戶的需求,而電子泵只有在機械泵不能滿足用戶需求時進行壓力和流量的補充。
按照設計經驗和市場上電子泵產品,通常選擇一個200~250 w的電子泵產品,用于系統的補充,這時機械泵的排量可以縮小至原來尺寸的2/3,小排量的機械泵排量設定為11 cc/rev。
對于小排量油泵的驅動扭矩,可以按照下面的公式進行計算;
基于NEDC循環工況,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循環工況的平均功率。
3.2 液壓控制系統優化
根據2.3章節的計算結果,25,26-離合器開關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中起到安全的作用,只有在27,28-離合器壓力控制閥出現故障(壓力不能關閉)時,這兩個閥可以關閉,保證整車的行駛安全。隨著能量消耗的要求,可以取消25,26-離合器開關閥,當離合器壓力控制閥出現故障時(壓力不能關閉),通過改變控制策略,降低主壓力(降低至離合器壓力結合點以下),也可以實現離合器動力的切斷,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。
通過電子泵技術的應用和電磁閥數量的減少,DCT液壓系統的能量消耗降低至252.38 kJ,平均功率消耗為213.88 W。相對于原系統,平均功率損耗減少100 W。當量于0.3 L/100 km的油耗。
4 結論
從計算結果可以看出,變速箱液壓系統的能量消耗,主要來自于油泵系統,但是液壓控制系統造成的能量消耗同樣不能忽視。
變速箱電子油泵的應用以及控制系統的優化,可以帶來液壓系統能耗降低約三分之一,可以更好滿足法規的要求及實現顧客的滿意。
參考文獻:
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基金項目:安徽省重點研究與開發項目-新型商用車AMT產品開發(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開發。