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汽车变速器油位设计原则及关键因素

新媒传说 2021-08-15 17:59:08

摘要:变速器作为传统汽车最重要的传动部件,其设计开发在整车项目开发过程中占有重要地位,而变速器油作为其内部最重要的工作介質,变速器油位是变速器开发中首先要考虑的因素。本文通过对变速器开发中变速器油位设计的关键因素进行研究,为变速器油位开发提供借鉴。


1、前言


变速器总成作为传统整车上的关键件,核心功能之一是实现不同档位下安全可靠的传递动力,当变速器油位过高时,会引起变速器溢油或喷油到发动机舱;当变速器油位过低时,会引起变速器发出异常噪声、换档异常、零件烧蚀、直至变速器总成功能完全失效。所以研究变速器油位的设计具有重要的现实意义。


2、变速器油意义


积极作用:变速器油主要起润滑、冷却、液压传动等作用,对手动变速器MT来说主要用来对内部齿轮副及轴承等运转件起润滑及冷却作用,对自动变速器(AT/DCT/CVT)来说,还有传递动力的需求,需要变速器油作为动力传动的介质。自动变速器不仅要外接冷却管路,还有内部的各种液压执行器,稳定的油压就至关重要,开发时就要求确保各种工况下,油泵都能吸到足够的油液。


负面作用:变速器油在润滑、冷却的同时也带走了大量的热能量,对变速器整体传动效率有较大影响,从效率角度来说变速器油是影响变速器传动效率的一个关键因素,在变速器油位设计时,是重点考虑的一个因素。


3、油位设计原则


鉴于变速器油的作用来考虑,变速器油位的设计时,从满足变速器基本功能考虑,必须满足润滑、冷却、液压传动等基本功能;同时出于变速器效能最优的考虑,又要合理兼顾传动效率最佳化,以提升变速器的产品竞争力。


3.1基本油位设计


不同的变速器,变速器油润滑冷却方式不同,结合不同的工作方式,就有不同的设计原则。一般有飞溅润滑和强力润滑两种方式:飞溅润滑主要用于齿轮类旋转件,齿轮部分侵入油液中,在旋转时将润滑油带出,甩向变速器壳体内壁及其他部件;强力润滑主要利用变速器内设油泵的运转,通过预设的油道将变速器油输送到各个部件进行润滑或传动。


对手动变速器来说,变速器油主要靠飞溅润滑来实现,设计时主要考虑飞溅润滑时,齿轮侵入油液面的距离。而对自动变速器来说,变速器油不仅有飞溅润滑,还需要有油泵的强力润滑,设计时就需要兼顾考虑油泵吸油口的位置。变速器的润滑形式确定后,一般就可以通过CAE仿真计算,来计算出变速器基本油位量。


3.2最高油位设计


变速器油不能从通气塞溢出来。为了保持变速器内部气压和外界大气的气压一致,变速器上设计有通气塞,通气塞通常都是设计布置在变速器的最上方,而且很多变速器内部还会考虑设计挡油结构,来避免变速器油轻易飞溅到通气塞部位。但当变速器油位过高时,变速器油就会从通气塞处溢油。


同时变速器油越多,变速器的飞溅润滑导致的搅油损失就越多,不利于变速器效率的提升。


3.3最低油位设计


在基本油位的基础上,逐渐减少油量,同时满足各种工况下变速器基本的润滑及油泵不吸空需求。各种工况不仅仅只是实际工作工况,还要同时考虑工作温度的影响,尤其是最低工作温度的确认将最为重要。


3.4传动效率


变速器作为传动系关键件,各厂家均采取措施不断提高变速器的综合效率,从而降低整车油耗,并严格控制成本。在满足自动变速器各零部件润滑需求的同时,尽可能降低润滑油的使用量,不仅会直接降低成本,也会降低因齿轮搅油带来的效率损失。试验数据表明,变速器传动效率同变速器油量存在明显的方向关系,变速器油量越多,其传动效率就会越低。为获得更优的传动效率,变速器油量越低越好。


3.5油量公差


油量公差的确认原则上越小越好,但要综合考虑变速器零件本身制造误差、变速器产线加油设备精度、产线节拍、主机厂产线加油设备精度及节拍来共同决定。


4、设计关键因素


4.1侵油深度


侵油深度指飞溅润滑时的齿轮的侵入油液中的深度,一般来说,浸人油液的齿轮深度和圆周转速有一定的关联,如表1所示。另外,当齿轮圆周速度大于15m/s时,就不适合浸人油液中,以避免高速旋转搅油会产生气泡。

汽车变速器油位设计原则及关键因素

4.2回油速度


飞溅润滑时被搅起的油液如不能及时回流到底部区域,导致油位高度相对较低,所以高效的回油速度需要着重考虑,不仅能避免飞溅油液的浪费,而且能提高油液利用率,即整体上减小油液的需求量。设计上,一要避免壳体内壁有不圆滑的凹凸,而造成积油;二要合理的设置防搅油结构及导流结构,降低搅油能量损失,使其能快速流回油底壳。


4.3温度考虑

汽车变速器油位设计原则及关键因素

变速器工作适用温度通常在-30-120范围,作为液体的变速器油对温度同样敏感,不同温度下容积的变化直接导致油位发生变化,图1是某一变速器的变速器油温和变速器油位对应关系。设计时温度也需要同步考虑,主要考虑两方面,确认最高油位时,需考虑最高温度;而确认最低油位时,需考虑最低温度。其中最低温度更显重要,其直接影响到最低油位,变速器开发时,最低油位的确认也是变速器冬季试验的一项重要内容。


4.4吸油口位置


对强力润滑来说,油泵吸油口位置选取是首要考虑的因素。为保证能吸到油,通常都将吸油口布在最底部的油底壳中间位置,同时考虑到油液中杂质过滤需求,吸油口部都集成了过滤器,用来过滤油液中的杂质。过滤器的尺寸厚度,直接影响到吸油口的位置,通常考虑满足过滤性能的前提下,尽量减薄厚度尺寸,以使机油口尽量靠近油底壳底部。


4.5工作角度确认


汽车在行驶时,面对各种路况,除正常的爬坡、下坡、左右转弯、高速外,还有紧急制动、全油门加速、快速过弯,高速环道等极限工况,而变速器油液会跟随实际工况,受坡度或本身慣性影响,油液会动态移动。在开发过程中,搜集使用工况就显得很重要,常用的工况如表2,可以作为常规开发时设定台架试验的依据:

汽车变速器油位设计原则及关键因素

同时,针对部分极限工况,业内同仁也对这些极限工况进行了研究,比如王玲玉等[1]通过模型研究及计算油位试验倾角的方法来考虑油位试验位置,大家可以根据实际需求进行参考借鉴。另外,当前各个主机厂针对整车试验都是在汽车试验场内进行加强性试验验证,其中高速环道试验是必有的一个试验路况,某汽车试验场内高环跑道在大环转弯处,其最外环跑道的物理斜面最大倾角超过40度。这些极限工况,也需要在开发时进行针对性考虑。


4.6产线设备及节拍


变速器装配下线前需要注油进行校验,校验合格后需进行放油操作。变速器含油量一是受产线设备精度影响,一是受产线节拍限制。尤其是自动变速器因内部含有很多液压元器件、油道等导致控油困难,往往靠监控变速器校验前后的重量来计算、控制变速器油实际含量,这就对产线设备精度提出更高要求。油量公差设计时,需提前和产线工艺人员沟通确认设备容差量,如有必要则需对设备容差提前提出精度需求,避免出现难以兼顾的矛盾。


5、总结


变速器油位的开发是一个系统工程,贯穿整个变速器开发全程,油位确定的影响因素很多,且不同的变速器类型具体考虑的关键因素各有不同,其中很多因素是系统关联因素,在实际开发时需兼顾考虑,并针对性的进行台架及整车路试加以验证。


来源:时代汽车 吴伟

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