变速箱叶片泵在高温高压下容积效率的优化*

2021-01-12杨昌林

机械研究与应用 2020年6期

景玲,杨昌林

(重庆红宇精密工业集团有限公司，重庆 402760)

0 引言

在国内汽车产业的不断发展壮大的过程中，叶片泵的体积小，容效高以及低噪音低等特点使得倍受青睐。另外，由于叶片泵在高温高压下容效高的特点，在CVT变速箱中占据一定优势。但是随着国内对汽车零部件更精细化的研究，要使得叶片泵减小排量，减小机械损耗，同时又要求在高温高压下满足流量，对油泵性能存在巨大挑战。现针对变速箱叶片泵在高温高压下容积效率的问题进行了优化设计，分别从内部泄漏和外部泄漏两部分着手分析研究，通过对配油盘卸油槽及油泵盖结构进行优化，得出卸油槽可以有效缓解高压冲击，且泵盖强度对端面间隙有很大影响，在空间允许情况下需加强轴向厚度，此方法最终达到了变速箱工况要求，解决了叶片泵在高温高压下容积效率的问题。

1 问题分析

叶片泵通过一定速比与发送机相关，当发动机在低转速时，双作用叶片泵转速范围从怠速～1 500 r/min，油泵双出口同时给变速箱供油，当发动机在高转速时，双作用叶片泵转速范围从1 500～6 000 r/min，油泵单出口给变速箱供油。目前油泵在高温120 ℃，高压45～60 bar时，在各个转速下，双泵(双1#，双2#，双3#)和单泵(单1#，单2#，单3#)容积效率明显下降，低于对标件的测量值，单双出口测试如图1、2所示。

图1 单泵容效低于对标要求

图2 双泵容效低于对标要求

油泵总成在高温高压下容效明显降低，表明此工况下发生较明显的泄漏，油泵泄漏分为外部泄漏和内部泄露，所以从两方面分析问题：①因为在高温高压工况下产生问题，油泵盖材料为铝件，在高温高压下可能会发生变形，导致转子和油泵盖的端面间隙加大，更多的变速箱油泄漏到轴孔造成外部泄漏，还有跟多的油品从高压腔通过端面间隙流回到低压腔，造成内部泄露；②在高压工况下，油泵的高、低压腔压力差较大，叶片从低压到高压吸油口旋转的过程中(如图3)，会被瞬间的高压将油品压回低压腔，造成内部泄露。

图3 高、低压腔

2 措施及结果

2.1 端面间隙分析与解决

转子与油泵盖之间的端面间隙是影响泄漏的重要因素之一，大部分泄漏来自端面间隙的影响，间隙越大泄漏越大，容积效率越低，端面间隙越小，容积效率越高，但是会造成端面摩擦增大，扭矩也增大，并且油泵盖端面和转子的端面的机加工艺要求很高，所以端面间隙不是越小越好，在合理间隙的情况下，保证间隙稳定会确保容效不会突变。对于在高温高压下，油泵盖在压力的作用下，沿轴向往外拉伸，且高温会引起热变形，加重油泵盖的变形量，从而严重影响端面间隙的稳定，导致油品从端面泄漏到轴孔，造成油泵的外部泄漏，还有一部分油品在端面间隙增大的情况下，从高压腔流入低压腔，而出口与高压腔相连，造成内部泄漏，即一部分油品在油泵内部循环而没有出去，严重影响容积效率。

2.1.1 油泵盖的设计优化

对于叶片泵总成而言，油泵体是在壳体之内的，受壳体结构的支撑，不易变形，而油泵盖一般位于壳体外部，与壳体用螺钉紧固连接，定、转子在油泵盖上的投影区域无支撑，而此区域的变形直接影响端面间隙，所以设计3种结构方案对比择优(如图4)。

图4 前盖优化方案

由上图可知，方案1，在前盖背面做了加强筋，不仅可以为油泵减重，但前盖正面受到高压油的冲击，利用加强筋结构来减小变形量；方案2，将前盖分为两部分，前盖及配油盘，这种结构在螺钉拉紧或平面度不好时，避免了端面间隙不均匀，并且可以将正面的高压油的压力更均匀的分散在前盖上，但工程量产时，加工和管理成本高；方案3，将整个油泵盖加厚取代加强筋，成本低，但重量略高。

2.1.2 理论计算及结果

对3种方案分别进行了结构分析，对于CVT变速箱叶片泵，油压最高为6 MPa，结果如图5所示。

图5 在相同工况下个方案变形情况

由上图可知，在相同工况下，在前盖影响端面间隙的中心位置上，变形量最大的是方案1的前盖，变形量达到了0.024 mm，几乎将油泵总成的端面间隙增加了一倍，且泄漏量是端面间隙的3次幂关系，会导致较严重的泄漏；方案2的前盖是呈现分体式的，但工作部位的中心位置变相量达到0.008 5 mm，而方案3前盖中心的变形量为0.004 2 mm，故方案3是最优方案，可以避免端面间隙增加急剧，控制油品泄漏两，对提高整个叶片泵总成的容积效率有较大帮助。

2.2 配油盘设计优化

造成泄漏的另一个重要因素是完全的内部泄露，油泵在高温高压工况下，高压腔的油品直接压回到低压腔，从而减小出油量，容积效率降低严重。叶片泵的进出油口结构由配油盘决定，进油口与低压腔相连，出油口会加负载成为高压腔，而当叶片把油品从低压腔带到高压腔的一瞬间造成低压腔回油，要使得低压腔平稳过渡到高压腔，需要将叶片运送过来的油腔逐渐加压，故将配油盘上的高压腔提前少量引入高压油可解决此问题，如图6在配油盘的卸荷槽尾部与封闭段低压腔相通，达到逐渐平稳增压的效果，避免瞬间高压，造成油泵的内部泄露。