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某車型CVT冷卻系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)研究

2020-06-30 23:50:19·  來源：汽車熱管理之家  作者：劉宏偉　賈嘉　宋志剛　曾泳　程昶 北京汽車動(dòng)力總成有限公司技術(shù)中心  
　
今天【摘要】針對(duì)某型CVT初始設(shè)計(jì)樣機(jī)液壓系統(tǒng)冷卻流量不足的問題，利用AMEsim搭建液壓系統(tǒng)模型，分析冷卻潤(rùn)滑回路阻尼孔、液力變矩器閥口過流面積及流量控制閥
【摘要】針對(duì)某型CVT初始設(shè)計(jì)樣機(jī)液壓系統(tǒng)冷卻流量不足的問題，利用AMEsim搭建液壓系統(tǒng)模型，分析冷卻潤(rùn)滑回路阻尼孔、液力變矩器閥口過流面積及流量控制閥彈簧預(yù)緊力等對(duì)冷卻流量和系統(tǒng)效率的影響規(guī)律，并修改設(shè)計(jì)參數(shù)后進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。臺(tái)架試驗(yàn)及整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)結(jié)果均表明，相比初始設(shè)計(jì)樣機(jī)，改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)后樣機(jī)冷卻流量明顯提升且滿足目標(biāo)流量設(shè)計(jì)要求。

1　前言

CVT是一種能根據(jù)車輛行駛條件自動(dòng)連續(xù)變化速比的理想汽車變速器，能夠使傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)工作在最理想的油耗工況，有助于降低排放，是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用的一個(gè)重要方向[1～3]。在動(dòng)力傳動(dòng)過程中，CVT的油泵、閥體、液力變矩器、金屬帶帶輪組以及齒輪副都會(huì)因功率損失產(chǎn)生大量熱量，過高的油溫將降低自動(dòng)變速器油（ATF）潤(rùn)滑效果，破壞運(yùn)動(dòng)部件的配合間隙，造成密封件老化失效等問題；而過低的油溫會(huì)導(dǎo)致ATF粘度變大，降低液壓系統(tǒng)反應(yīng)速度及變速器的傳動(dòng)效率[4]。因此，需要設(shè)計(jì)合適的CVT冷卻系統(tǒng)，將變速器油溫控制在合理范圍內(nèi)。

2　CVT冷卻系統(tǒng)分析及建模

2.1  冷卻流量控制原理

根據(jù)CVT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要對(duì)金屬帶帶輪組、行星輪架、液力變矩器及離合器等部位進(jìn)行強(qiáng)制冷卻；為提高溫控效果，ATF通過外置冷卻器（水冷）進(jìn)行熱量交換；各部件的冷卻流量分配可通過終端阻尼孔大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)；整機(jī)的冷卻流量水平通過液壓系統(tǒng)中的流量控制閥進(jìn)行控制，同時(shí)該閥可將過量的流量卸載，降低液壓系統(tǒng)負(fù)荷，提高效率。某CVT冷卻系統(tǒng)液壓原理如圖1所示。其液壓系統(tǒng)流量由一臺(tái)雙作用油泵（可等效為雙聯(lián)泵）提供，油泵提供的油液首先滿足一級(jí)回路帶輪速比及夾緊力液壓控制需求，過量的油液提供給液壓系統(tǒng)二級(jí)回路選擋離合器及液力變矩器鎖止離合器，之后通過液力變矩器控制閥進(jìn)入液力變矩器、冷卻器、濾油器及各潤(rùn)滑/冷卻點(diǎn)阻尼孔（液力變矩器解鎖工況）或直接通過液力變矩器控制閥進(jìn)入冷卻器、濾油器及各潤(rùn)滑/冷卻點(diǎn)阻尼孔（液力變矩器鎖止工況）；同時(shí)冷卻系統(tǒng)壓力作為流量控制閥的反饋控制壓力，起到控制冷卻壓力范圍及卸載系統(tǒng)多余油量的作用。

圖1　CVT冷卻系統(tǒng)液壓原理

2.2  CVT冷卻流量影響因素理論分析

CVT在動(dòng)力傳遞過程中損失的能量大部分轉(zhuǎn)化為熱能，其需要通過冷卻系統(tǒng)帶走以防止整機(jī)及局部元件溫度過高。CVT傳動(dòng)效率損失及目標(biāo)冷卻流量確定僅通過理論計(jì)算不能得到較好的結(jié)果，依然要以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[5]。圖2所示為某型CVT傳動(dòng)損失試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由圖2可得不同速比、輸入轉(zhuǎn)速、傳遞轉(zhuǎn)矩下變速器的轉(zhuǎn)矩?fù)p失分布情況，其可做為目標(biāo)冷卻流量依據(jù)。由圖2還可知，相同速比、輸入轉(zhuǎn)速情況下，傳遞轉(zhuǎn)矩越高，傳動(dòng)損失值越大。

圖2　CVT傳動(dòng)損失特性

根據(jù)能量守恒定律，液壓油單位時(shí)間帶走的熱能：
 
某型CVT冷卻系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)研究

式中，c為液壓油比熱容；ρ為液壓油密度；q為目標(biāo)冷卻流量；ΔT為冷卻器進(jìn)、出口油溫差。

依據(jù)圖2換算出傳遞最高轉(zhuǎn)矩、速比為0.42～2.40時(shí)不同輸入轉(zhuǎn)速下的目標(biāo)冷卻流量分布，如圖3所示。

冷卻回路流量滿足：
 
 
圖3　冷卻流量特性

經(jīng)過推導(dǎo)及簡(jiǎn)化可得：

 
式中，qpump為系統(tǒng)總輸入流量；qfcv為流量控制閥卸載流量；qother為系統(tǒng)損耗流量；lpump為單泵排量；ωpump為輸入轉(zhuǎn)速；Pcooling為冷卻壓力；Ppilot為流量控制閥開啟壓力；Pline為系統(tǒng)油壓；kspring為流量控制閥彈簧剛度；x0為流量控制閥彈簧預(yù)緊量；Apilot為流量控制閥先導(dǎo)作用面積，Cd為流量系數(shù)；Acooling為冷卻回路過流面積；αi為常數(shù)。

因不同工況下系統(tǒng)損耗能量難以準(zhǔn)確解析，并且實(shí)際液壓系統(tǒng)受溫度、泄漏、結(jié)構(gòu)布置等影響，僅依據(jù)理論推導(dǎo)不能得到準(zhǔn)確的目標(biāo)冷卻流量。但依式（2）～式（4）可知，增大Acooling和提高Ppilot均可作為提高冷卻流量的有效途徑，其與冷卻器流量值關(guān)系可由圖3表示。

2.3  AMEsim模型建立

考慮到液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性及非線性，只通過理論計(jì)算得到較為準(zhǔn)確的冷卻流量特性很困難，而僅通過試驗(yàn)手段來確定合適的冷卻流量設(shè)計(jì)參數(shù)非常耗時(shí)且成本高昂。通過軟件仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方式可快速確定合適的冷卻流量設(shè)計(jì)參數(shù)。常用的仿真手段有Simulink、功率鍵合圖等。本文采用多學(xué)科復(fù)雜系統(tǒng)AMEsim建模軟件，其采用物理模型的圖形化建模方式，用戶可以采用基本元素法按照實(shí)際物理系統(tǒng)來構(gòu)建自定義模塊或仿真模型，從而使用戶從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來[6、7]。

圖4為建立的AMEsim液壓系統(tǒng)仿真模型，其中油泵轉(zhuǎn)速及電磁閥控制電流模擬特定工況輸入。
 
圖4　CVT液壓系統(tǒng)AMEsim模型

3　仿真及試驗(yàn)

3.1主要仿真參數(shù)

仿真模型不考慮變速器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中油溫變化導(dǎo)致的油液粘度變化（臺(tái)架試驗(yàn)中也采用相同的穩(wěn)定油溫控制方式），僅輸入典型油溫下ATF屬性。ATF屬性如表1所列。根據(jù)冷卻流量試驗(yàn)工況要求，樣機(jī)冷卻流量仿真及試驗(yàn)輸入?yún)?shù)設(shè)定如表2所列。

表1ATF屬性（85℃）
 
表2控制參數(shù)輸入
 
3.2  設(shè)計(jì)參數(shù)影響仿真分析

3.2.1初始經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)仿真

根據(jù)CVT功率損失特性及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定該CVT目標(biāo)冷卻流量應(yīng)≥5 L/min（油泵轉(zhuǎn)速2 000 r/min）。各冷卻潤(rùn)滑回路終端阻尼孔、流量控制閥彈簧預(yù)緊量以及液力變矩器控制閥口臺(tái)階直徑等參數(shù)為整個(gè)變速器液壓系統(tǒng)的最后一級(jí)（即冷卻潤(rùn)滑回路），這些參數(shù)直接影響冷卻流量并且對(duì)液壓系統(tǒng)上級(jí)回路影響最小，因此可將其作為調(diào)節(jié)冷卻流量的設(shè)計(jì)變量。該變速器冷卻潤(rùn)滑回路的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所列。

表3冷卻系統(tǒng)初始經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)　mm
 
對(duì)具備表3所示設(shè)計(jì)參數(shù)的樣機(jī)進(jìn)行仿真及臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架為電機(jī)驅(qū)動(dòng)無負(fù)載臺(tái)架。樣機(jī)輸入轉(zhuǎn)速由電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)速控制；電磁閥控制通過ES592輸入開發(fā)型TCU控制；樣機(jī)采用外置水冷式熱交換器，可通過油溫傳感器反饋實(shí)時(shí)控制變速器油溫。試驗(yàn)臺(tái)架原理如圖5所示。

圖5　試驗(yàn)臺(tái)架原理示意

仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖6所示。
圖6　初始經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明，表3所示設(shè)計(jì)參數(shù)樣機(jī)實(shí)際冷卻流量不足。仿真結(jié)果與試驗(yàn)值具有趨勢(shì)一致性，但計(jì)算值與試驗(yàn)值存在一定偏差，這是因?yàn)榉抡婺Ｐ蛯?duì)流體摩擦、壓力損失、泄漏等非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理?？紤]到冷卻流量確定需要一定的安全系數(shù)，可以先利用仿真模型計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)變更影響和規(guī)律，確定備選方案，再利用試驗(yàn)加以驗(yàn)證及確認(rèn)，進(jìn)而縮短開發(fā)時(shí)間及節(jié)省費(fèi)用。

3.2.2阻尼孔尺寸對(duì)冷卻流量影響

不同終端阻尼孔徑的冷卻流量仿真結(jié)果如圖7所示。為保證各阻尼孔流量分配比不變，各個(gè)阻尼孔尺寸遵循經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)比例。
圖7　不同終端阻尼孔徑冷卻流量及流速仿真結(jié)果

圖7顯示了終端阻尼孔徑對(duì)冷卻流量提升的貢獻(xiàn)量，但阻尼孔徑增加同時(shí)會(huì)造成流速下降。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，阻尼孔4流速應(yīng)≥5 m/s，因此阻尼孔4孔徑選取范圍為2.95 mm～3.20 mm。

3.2.3液力變矩器閥口臺(tái)階直徑對(duì)冷卻流量影響

不同液力變矩器控制閥口臺(tái)階直徑冷卻流量仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8　不同液力變矩器閥口臺(tái)階直徑冷卻流量仿真結(jié)果

由圖8可知，液力變矩器閥口臺(tái)階直徑越小（過流面積越大）冷卻流量越高，但過小的臺(tái)階尺寸會(huì)造成液力變矩器鎖止/解鎖過程壓力沖擊變大，因此要適當(dāng)減小液力變矩器閥體臺(tái)階直徑。

3.2.4流量控制閥彈簧預(yù)緊量對(duì)冷卻流量及冷卻壓力影響

不同流量控制閥彈簧預(yù)緊量仿真結(jié)果如圖9所示。
圖9　不同流量控制閥彈簧預(yù)緊量仿真結(jié)果

由圖9可知，彈簧預(yù)緊量越大，冷卻流量及冷卻壓力均明顯提高，但冷卻壓力過高會(huì)造成系統(tǒng)最低設(shè)定油壓失效。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，冷卻壓力設(shè)定范圍為0.5～0.7 MPa（油泵轉(zhuǎn)速2 000～5 500 r/min），因此彈簧預(yù)緊量選取范圍為3.3～4.2 mm。

3.3  設(shè)計(jì)參數(shù)修改后仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果作出設(shè)計(jì)更改，參數(shù)如表4所列。

表4更改后控制參數(shù)輸入　mm
 
分別對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)采取表4所示措施A，措施A、B，措施A、B、C進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，臺(tái)架試驗(yàn)及仿真對(duì)比結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，同時(shí)采取措施A、B、C的樣機(jī)能滿足冷卻流量設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

圖10　冷卻流量臺(tái)架試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

由于液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，冷卻流量增加會(huì)使流量控制閥切換轉(zhuǎn)速延后（即單、雙泵供油模式切換點(diǎn)延后），使得系統(tǒng)效率有所下降。系統(tǒng)改進(jìn)前、后消耗功率對(duì)比如圖11所示?？芍?，采取措施A、B、C之后，樣機(jī)單雙泵切換點(diǎn)會(huì)延后100 r/min，在某些工況下會(huì)造成系統(tǒng)能耗有所增加。

圖11　系統(tǒng)改進(jìn)前、后消耗功率對(duì)比

對(duì)最終改進(jìn)樣機(jī)進(jìn)行整車熱轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)。轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理如圖12所示，可知該試驗(yàn)臺(tái)可實(shí)時(shí)模擬風(fēng)阻、滾阻、坡道、溫度及濕度環(huán)境。

設(shè)計(jì)更改后的CVT樣機(jī)整車熱轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)結(jié)果如表5所示?？芍?，設(shè)計(jì)更改后的冷卻系統(tǒng)能滿足各種極限工況冷卻要求。

圖12　整車熱轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)示意

表5整車熱轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
 
4　結(jié)束語
建立某型無級(jí)變速器液壓系統(tǒng)AMEsim仿真模型，分析終端阻尼孔徑、液力變矩器閥口過流面積、流量控制閥彈簧預(yù)緊量等參數(shù)對(duì)冷卻系統(tǒng)冷卻流量影響規(guī)律，對(duì)以上設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改并通過臺(tái)架試驗(yàn)和仿真對(duì)比驗(yàn)證了冷卻流量提升效果，通過整車熱轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)修改方案的可行性。
 
 
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