DHT混动变速器流量可控分配的设计优化研究

李宾龙，马静，周章遐，王墨，张鹏

DHT混动变速器流量可控分配的设计优化研究

李宾龙，马静，周章遐，王墨，张鹏

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

文章通过研究DHT混合动力专用自动变速器液压系统冷却润滑流量下掉故障，分析影响润滑及电机冷却流量分配的主要因素，并通过对故障原因进行的交叉试验和仿真分析进行问题锁定。首先根据混合动力变速器的需求及控制策略，确定电机冷却及离合器各零件需求的流量及压力，确定润滑及电机冷却分配方案。根据润滑流量下掉故障发生的机理制定液压系统油路及零件设计优化措施使流量达到基本的实际要求，并为后续的润滑及电机冷却流量分配研发提供实用性参考。

液压控制；润滑控制阀；润滑流量；DHT混合动力变速器

引言

混合动力变速器电机的冷却及机械传动部件的润滑是直接影响混合动力变速器效率及性能的关键因素，目前常用的电机冷却方式为水冷和油冷两种，其中油冷方法因其介电常数高、散热效果好，可以与变速器润滑系统共用同一介质，DHT变速器的冷却和润滑可以高度集成一体，高效利用了变速器有限的布置空间，节能高效地达到冷却润滑效果，提高变速器整机效率，油冷电机逐渐成为乘用车混动的主流[1]。通用的VOLT、本田的I-MMD、丰田PRIUS混合动力系统均采用ATF油喷淋方式冷却电机，通过油管喷油的方式向电机绕组喷淋。DHT混合动力专用变速器冷却油来源于液压系统。除了电机冷却喷淋所需，液压油还要为变速器离合器、轴承、衬套和电机润滑提供润滑油[2]。要保证冷却润滑流量能有效地到达指定位置的同时提高油泵效率，需对液压系统各油路的阻尼进行合理设计从而对压油进行合理的分配，可使电机及机械传动部件工作在最理想的冷却及润滑工况，液压系统中的润滑控制油路结构是保证自动变速器润滑及冷却流量分配的重要结构[3]。直接影响到驾驶过程中变速器零部件寿命、变速箱动力性及经济性的整车性能。

1 冷却及润滑分配设计

设计电机冷却及传动机构润滑控制油路，适用于油冷电机布置的DHT混动专用变速器，可依据整机运行工况通过电磁阀控制对电机冷却流量及传动机构润滑流量进行最优化分配调节，满足电机不同工况下的冷却需求，使DHT在最佳工况点运行，提高其寿命及运行效率。

图1 润滑及电机冷却流量分配设计原理图

如图1所示，阀芯为控制电机冷却流量及润滑流量的控制调节阀；S1电磁阀为控制NL型电磁阀，电磁阀供油来自电磁阀控制油路，通过控制电磁阀S1使流量调节阀处于不同开度进行流量分配调节；润滑控制调节阀的流量来自主控制油路，电机冷却及去cooler的润滑流量经过设计为独立油路，其中电机冷却经过管路及油管设计提供电机进行冷却；润滑流量经过管路去往冷却器，经冷却器冷却后分配至不同机械传动部件进行润滑。即S1不通电时，润滑调节阀右端压力作用面无压力，润滑调节阀位置偏右侧，对应的去电机冷却油路开度大，电机冷却流量多，去cooler润滑油路开度小，cooler润滑分配的流量少；当S1通电时，电磁阀压力作用到润滑调节阀右端，润滑流量调节阀偏向左侧，润滑调节阀对应的去电机冷却油路开度小，电机冷却流量少，去cooler润滑油路开度大，cooler润滑分配的流量多。出于安全目的，设计润滑流量旁通油路，即DHT变速器润滑出现异常时，润滑旁通油路也可对传动部件进行润滑，防止主润滑油路出现异常后DHT变速器出现快速的损坏及功能失效。旁通油路设计上增加节流孔，如图1中1号位置所示，避免主润滑油路正常时旁通油路流量过高，影响DHT混动变速器整机效率。

按照热模型等控制参数制定DHT润滑分配控制模型，TCU依据不同行驶工况下电机发热量所需冷却及传动机构润滑流量需求，控制电磁阀S1滑流量调节阀开度进行控制，以分配电机冷却流量及传动机构润滑流量，例如爬坡及高负载工况，控制电磁阀S1断电，则润滑调节阀的电机冷却油路的开度最大，供给电机冷却的流量最大，电机被带走的热量最多，可使电机在高效区工作。

2 故障现象

基于上述DHT电机冷却及润滑方案，设计DHT项目液压控制模块，可有效控制DHT混动变速器离合器、电子换挡及驻车机构等执行元件，性能指标满足设计要求，但DHT混合动力变速器项目阀体总成在单体性能试验过程中，通往COOLER冷却器流量随着台架供给流量的增加出现流量下降的故障，在一定供给流量时回复至正常值，以2 bar为测试步长分别测试不同主油压工况均发生流量下掉问题。以80 ℃下电磁阀不通电时的润滑分配情况做为故障说明，如图2所示，此时挡位为D挡。随着供给流量的增加，润滑流量在供给流量为14.8 L/min时出现下掉，由6.5 L/min下降到最低为3.2 L/min，随后润滑流量呈线性趋势上长。

图2 80 ℃时阀体总成单体润滑流量

如图3所示为相同工况下电机冷却的流量数据，因低供给工况下润滑流量较高，对应的电机冷却流量出现了异常低的情况，在润滑流量下掉的过程中，电机冷却流量相反的出现了流量跃升，电机冷却流量由4 L/min跃升到9 L/min。

图3 80 ℃时阀体总成单体电机冷却流量

液压系统润滑流量下掉故障将影响电机冷却的控制，无法保证电机的冷却控制需求，严重甚至将导致对应工况下自动变速器离合器烧蚀、轴承寿命减少等问题。

3 故障分析

DHT混合动力变速器的润滑冷却分配系统是利用作用在阀芯两端的力相等使阀芯达到平衡，阀芯一端作用力为开关式常低电磁阀产生的压力和弹簧力，另一端为液压系统压力。通过电控调节电磁阀通电电流从而控制其油路通断，改变润滑控制阀阀芯位置，从而改变电机冷却和润滑流量开度实现各工况下电机冷却和润滑流量不同的并联分配方式。设计时主要考虑润滑控制阀、弹簧、电磁阀及阀芯旁通油路。为实现液压油的分配，在油路阀体垫板上还设有节流用薄壁小孔。其中润滑控制阀受力如下[4]：

P·1=F+P·2（1）

式中：P为自动变速器系统压力，MPa；1为系统压力作用面积，mm2；F为弹簧力，N；P为电磁阀反馈压力，MPa；2为反馈压力作用面积，mm2。

润滑及电机冷却流量分配原理如图4所示：

1—节流孔a；2-节流孔b。

节流孔a、b均为孔径2 mm，孔长1 mm的孔。根据l/d =0.5，两孔均为薄壁小孔[5]。

1—节流孔a；2—节流孔b。

供给流量较低时，因阀芯受弹簧力作用，液压油优先流入阻尼更小的节流孔a处。此时润滑流量共有两处液压油来源，一是通过节流孔a的主油路供油，二是经润滑控制阀进行分配调节的油路。当供给流量提高时，由于节流孔a过流流量升至最大，流量通过节流孔b，此时阀芯受到弹簧力F和P自动变速器系统压力作用，向右移动至平衡，润滑油仅由节流孔a油路提供，润滑油流量下掉。建立平衡后润滑流量及冷却流量回复线性提升。根据此原理，经过多组控制变量的试验验证，最终确定故障原因，在原方案的基础上，重新布置a、b节流孔位置的，布置后原理图如下所示，改善后节流孔b布置在润滑调节阀后端，即润滑调节阀的反馈作用压力在依据润滑调节阀后端的压力建立并进行反馈作用在润滑调节阀左侧端面上，原有反馈油路在润滑调节阀前端，不经过润滑调节阀，尤其在充油变化工况，润滑调节阀位置直接影响反馈油路作用，使cooler流量产生下掉故障。

4 建模仿真分析

AMESim是一款液压、机械系统建模仿真及动力学分析的软件。可以对混合动力变速器液压系统的工作过程进行有效的模拟仿真分析。利用AMESim液压仿真库，在AMESim软件中对上述方案中前后两种节流孔布置建立仿真模型如图6、图8所示。通过分析仿真结果对故障分析进行理论上的验证，缩短开发周期及开发成本。

图6 改善前润滑及电机冷却流量分配仿真模型

图7 改善前润滑及系统供给流量

DHT混合动力变速器液压系统通过机械泵及电子泵供油。机械油泵的转速随发动机变化而变化，电子泵转速通过电控控制，当油泵转速变化时，液压系统的供给流量随之变化。其压力随主调压阀电磁阀电流控制。润滑和电机冷却流量与电机温度、车速等多个因素相关。为了验证仿真模型的准确性，输入电信号对该模型进行仿真，得到如图7所示润滑流量、系统供给流量曲线。工作过程中，COOLER流量在供给流量为15 L/min时存在幅值为3.5 L的下掉。电机冷却流量则产生3.5 L左右的上升。供给流量升高至16 L后，二者恢复接近于线性上升，与实际样机的故障表现吻合。

图8 改善后润滑及电机冷却流量分配仿真模型

将润滑调节阀左侧反馈油压设计到润滑调节阀后端反馈，反馈油路的节流孔等参数不变，建立如图8所示的仿真模型，输入与整改前模型相同电信号，对改善后模型进行仿真分析，得到如图9所示润滑流量、系统供给流量曲线。

图9 改善后润滑及系统供给流量

从以上两模型仿真结果可以看出，采用重新布置节流孔后润滑流量随系统供给流量线性上升，满足设计需求。润滑效果良好且满足变速器电机冷却需求。

5 对策验证及设计优化

通过以上仿真结果制定阀体垫板零件的改进方案，改变节流孔b位置至节流孔a后端，并进行样件制作。对更改后的阀体总成进行单体性能试验。台架自带油泵模拟变速器机械泵给阀体单体提供液压油。在给定的挡位、油温、液压油供给流量的条件下模拟阀体总成在变速器中的运行工况。并通过压力传感器及流量计测量经过阀体总成分配润滑及电机冷却流量。阀体工装可与更改前共用，无需进行相应变更。试验台架如图10所示：

图10 阀体单体性能测试台架

试验条件及试验设备如下：

表1 阀体总成性能台架试验条件

项目试验条件项目试验条件 试验用油ATF油控制温度/℃80 ±3 试验台架AT阀体性能试验台油泵7cc/rev

表2 阀体总成性能台架试验设备

设备名称型号测量范围精度等级厂家 油量供给单元F-PVR23−94−RAA−310.4～80 L/min±0.5 %FSAUTOMAX 温度传感器Pt1000～200 ℃0.65 ℃AUTOMAX XCP控制器定制 联合电子 CAN通讯模块ES590 ETAS 压力传感器SSN257C−GR11NA5G600～2 bar0.5级吉林艾斯克

为了验证本文提出的分配方式有效性，在阀体性能测试台架上进行了不同系统油压情况下的润滑冷却分配的试验验证。图11、图12分别为更改后润滑流量和电机冷却流量曲线。与更改前试验数据进行对比可见在供给流量为15 L/min时，不同主油压下润滑流量均未出现下掉现象，呈现出近线性变化关系，与仿真结果趋势相近，也符合设计要求，故障原因锁定，为反馈端设计在前端还是后端对润滑调节阀工作状态产生的影响。

图11 性能台架润滑流量试验数据

图12 性能台架电机冷却流量试验数据

6 总结

润滑及电机冷却流量的合理分配，是影响到DHT整车效率和经济性的重要因素之一。通过建立液压系统的仿真模型，能够分析油路流量分配特性，为液压系统的功能性验证提供参考及依据。经试验台架试验结果验证，与仿真分析模型的结果基本吻合。且满足变速器对各处冷却润滑流量的需求。本文积累了润滑及电机冷却流量的可控分配的调查验证经验，为后续混合动力专用变速器的研究提供了技术支持。

[1] 周茜茜.一种淋油冷却永磁同步电机温度场研究[J].微特电机, 2020(48):5-7.

[2] 张博榕.某深度混合动力汽车领取额系统的设计开发[J].汽车科技, 2012(4):62-66.

[3] 韩莹.深度混合动力变速箱液压系统研究[D].西安:西安科技大学, 2013.

[4] 朱东华,樊智敏.机械设计基础[M].哈尔滨:机械工业出版社,2004.

[5] 张戌社,宁辰校.汽车液压气动技术基础[M].北京:化学工业出版社, 2017.

Research on Design Optimization of Controllable Distribution of Lubrication and Cooling Flow of DHT Hybrid Transmission

LI Binlong, MA Jing, ZHOU Zhangya, WANG Mo, ZHANG Peng

（Center of Technology, Harbin Dongan Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd., Heilongjiang Harbin 150060）

This paper studies the failure of the cooling lubrication flow of the hydraulic system of the DHT hybrid trans- mission, analyzes the main factors that affect the lubrication and motor cooling flow distribution, and locks the problem through the cross-test and simulation analysis. First, according to the requirements of the control strategy, determine the flow and pressure required by the motor cooling and clutch components, and determine the lubrication and motor cooling distribution plan. According to the mechanism of the failure of the lubrication flow, the hydraulic system oil circuit and parts design optimization measures are formulated to make the flow meet the actual requirement, and provide practical reference for the subsequent research and development of lubrication and motor cooling flow distribution.

Hydraulic control; Lubrication control valve; Lubrication flow; DHT hybrid transmission

U463.212

A

1671-7988(2021)23-36-05

U463.212

A

1671-7988(2021)23-36-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.010

李宾龙，就职于哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心。