重型变速器油泵排量的逆向分析与计算

师磊，张琨

陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西西安 710117

0 引言

油泵是变速器中重要的零部件，对于液力自动变速器，油泵通常安装在液力变矩器之后，通过螺栓固定在变速器前端面上，由飞轮通过液力变矩器上的油泵驱动轴套来工作，为液力变矩器、执行元件、电子控制系统和阀体提供液压油，并为变速器内部零部件提供润滑[1]。对于机械式手动变速器，油泵通常安装在离合器壳体前端面，由中间轴驱动来工作，为变速器内部齿轮、同步器、轴承等部件提供强制润滑，从而提升变速器的性能和使用寿命。基于油泵在变速器中的关键作用，设计和选择一个合适的油泵对于变速器的性能以及整车性能、噪声和燃油经济性都会有很大的改善。

1 重型变速器油泵的介绍

目前国内外重型变速器油泵主要采用内啮合齿轮泵，具体有渐开线齿轮泵和摆线齿轮泵两种，其中摆线齿轮泵由于结构简单、尺寸紧凑、噪声小、运转平稳、高速性能良好等特点[2]，随着粉末冶金新工艺、新技术的不断发展，在重型变速器上应用较为广泛，目前重型机械式手动变速器大多采用摆线齿轮泵。

目前机械式手动变速器普遍采用定量泵，为了实现变速器良好的润滑，通常油泵需要满足在发动机低转速情况下达到一定流量，由于油泵的流量是油泵排量与转速的乘积[3]，即

Q=V×n

(1)

式中：Q为流量；V为排量；n为转速。

在设计过程中，综合变速器各部分的需求，得出整车各种工况下的流量需求，即可求出各工况下的理论排量，求取最大值，就是油泵的理论排量。

2 油泵逆向设计

2.1 竞品分析

在设计变速器油泵时，需要考虑多个方面，如油泵的理论排量、转子型线的类型等[4]。为方便设计合适排量的油泵，竞品研究分析是设计的重要组成部分，在深入分析多个竞品变速器油泵过程中，可以总结出一定经验，为产品设计过程中确定油泵排量提供方便。本文以ZF 16S2530 TO机械式手动变速器为例，通过逆向分析法得到其油泵排量。

2.2 三维扫描

本文通过光栅式三维扫描仪完成零件扫描，扫描仪为德国Breuckman生产的产品，其型号为STEREO SCAN。图1为光栅式三维扫描仪工作示意，其基本原理是将光栅连续投射到物体表面，摄像头同步采集图像，然后对图像进行计算，并利用相位稳步极线实现两幅图像上的三维空间坐标(X、Y、Z)，从而实现对物体表面轮廓的测量。当遇到既需要扫描面数据，也需要个别特征点的数据测量时，可配合使用光学触笔(3D Probe)，点测量数据可以与工业级三维扫描仪数据自动结合。该设备可以对工件的孔位、边界线、特征线等进行快速灵活地测量，经处理后得到三维数据模型，可广泛应用于磨具设计、逆向工程、实物测量、质量检测和控制等领域。通过三维扫描仪得到ZF 16S2530TO变速器油泵内转子和外转子的点云模型如图2所示。

图1 光栅式三维扫描仪工作示意

图2 内转子和外转子的点云模型

2.3 逆向建模

零件的逆向建模通过Geomagic Design X软件完成，此软件可以快速地将3D扫描数据转化为实体或曲面，还可以通过设计师自主意愿更改或添加某些元素，这些功能可以完全补足光栅扫描仪的缺陷，还可根据设计师的意愿对零件进行改型。通过Design X软件逆向建模得到该油泵内转子及外转子的三维模型，如图3和图4所示。并且可根据该模型测得油泵关键参数，进一步分析计算即可得到该油泵的排量。

图3 内转子三维模型

图4 外转子三维模型

2.4 排量逆向分析计算

2.4.1 转子测绘

摆线齿轮泵外转子比内转子多一个齿，内转子有N个齿，外转子就有N+1个齿[5]。内、外转子齿形及各部位名称如图5和图6所示。其中外转子曲线由N+1段限制圆圆弧和N+1段齿形圆圆弧交叉连接而成，创成圆是用作绘制齿形圆圆弧的。由于内转子为摆线，不易测参数，而外转子为圆弧曲线，易测出齿形圆半径a，又由于创成圆半径R等于外转子的齿顶圆半径Re2与齿形圆半径a之和,即R=Re2+a。当确定了转子原始参数Z1、Z2、e、R和a，即能确定转子的形状和大小，其他参数均可通过内外转子啮合的几个特殊位置用以上参数求出。其中Z1为内转子齿数，Z2为外转子齿数，e为偏心距，R为创成圆直径，a为齿形圆半径。

图5 内转子齿形及各部件名称

图6 外转子齿形及各部件名称

2.4.2 排量分析计算

由第2.4.1节可知，确定了油泵内、外转子的原始参数Z1、Z2、e、R和a，即能求出油泵排量。在CAD中可以测得ZF 16S2530 TO油泵偏心距e=3.83 mm，齿形圆半径a=11.04 mm，创成圆半径R=33.90 mm，如图7及图8所示。

图7 ZF 16S2530TO 油泵内、外转子偏心距

图8 ZF 16S2530TO 油泵内转子尺寸参数

此外由逆向三维模型可测得齿宽B=24 mm。内、外转子的齿根圆半径和齿顶圆半径计算公式[6]为：

Ri1=R-a-e

(2)

Re1=Ri1+2e=R-a+e

(3)

Ri2=Re1+e=R-a+2e

(4)

Re2=R-a

(5)

式中：Ri1为内转子的齿根圆半径；Re1为内转子的齿顶圆半径；Ri2为外转子的齿根圆半径；Re2为外转子的齿顶圆半径；e为偏心距。

由式(2)至式(5)可求出ZF 16S2530 TO油泵内、外转子齿根圆及齿顶圆半径，即：Ri1=19.03 mm；Re1=26.69 mm；Ri2=30.52 mm；Re2=22.86 mm。

油泵排量近似计算公式为：

(6)

式中:V为油泵排量；B为油泵内、外转子齿宽。

由式(6)可得出ZF 16S2530TO油泵排量为26 mL/r。

3 结束语

本文对重型变速器油泵进行简单介绍，以ZF 16S2530TO为例通过三维扫描、逆向建模及二维图测绘得到油泵内转子及外转子相关参数，结合油泵内、外转子形成原理，计算竞品变速器油泵排量。通过油泵排量逆向分析方法可以十分便捷地得到竞品变速器油泵排量大小，在深入分析多个竞品变速器油泵过程中，可以总结出一定经验，为公司产品匹配合适排量的油泵提供方便。