汽车自动变速箱过滤系统设计方法与试验研究

郜可峰，张祥平，刘芳

(上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804)

0 引言

20世纪30年代末，液压和液力传动在汽车上的应用催发了真正意义上的汽车自动变速箱的出现。自汽车自动变速箱发明以来，液控变速箱一直是自动变速箱发展的主流。到20世纪70-80年代后，随着电子控制技术的发展，电液控制变速箱得到很快的发展。因液压传动平稳可靠等优点，结合电子控制技术的优势，电液控制自动变速箱一直占据着自动变速箱的主流。

作为电液控制自动变速箱的重要传动和控制媒介，自动变速箱油(ATF)在自动变速箱中有着至关重要的作用。油液的清洁度对于变速箱的多项指标都有重要的影响。有关资料表明：电液控制变速箱的整机故障中，50%～60%都直接或间接与变速箱油的污染有关。常见的主要危害有：

(1)加速零件的磨损，降低变速箱内部零部件的使用寿命，从而影响整机的寿命；

(2)损伤阀等液压件的运动间隙面等，增加泄漏，影响系统的效率和性能；

(3)导致运动类液压件，如油泵、电磁阀等元件运动卡滞或卡死，使其功能丧失，直接影响到整车，甚至带来安全问题。

鉴于以上原因，为降低油品污染对变速箱带来的影响，变速箱的设计开发中，都设计有自己的过滤系统，以尽可能地降低油品污染带来的负面影响。

1 自动变速箱常见的过滤系统类型

自动变速箱是集成了许多齿轮、轴承、轴等运动机械件、离合器、壳体、驻车机构和电液控制零部件等的复杂系统。在各零部件生产过程中和使用生命周期内，会产生大量的金属和非金属杂质。这些杂质在油液的环境下，会随着油液的运动，进入到各个可能的地方。

为避免油品污染危害的发生，在设计开发自动变速箱过程中，过滤系统作为液压控制的核心子系统需要进行充分的考虑和验证。自动变速箱上，过滤系统集中体现在过滤器零部件上。过滤器形式繁多，在自动变速箱上，因结构布置和功能需求等原因，按照安装位置和功能分，常见的过滤系统有以下几种类型：吸入式滤油器、压力侧滤油器和窗式滤油器(集成安装在其他零件上)，如图1所示。

类型的选择和定义通常受到以下条件的制约：核心元器件的工作环境要求，空间结构布置，污染物的来源与类型。通常盘式过滤器布置在变速箱底部，卷筒式过滤器布置在变速箱旁边压力油路中，集成式过滤器布置在自动变速箱中核心零部件或模块上。

过滤系统的设计按原理分为分流过滤、串联过滤和并联过滤3种形式。分流过滤是使系统中部分油液通过系统。串联过滤是分级设置过滤器，通常上游设置较低精度过滤器，下游设置较高精度过滤器，减轻后级过滤的负担，延长系统的使用寿命。并联过滤是组合式并联设置过滤器，满足系统的流量要求。在系统的形式定义明确后，过滤系统设计的基本要求集中体现在过滤器零部件上。过滤器的技术参数规范直接影响过滤效果。通常，过滤器的 关键技术参数指标有下：

(1)过滤精度。分为名义精度和绝对精度，其中名义精度是指过滤器对大于某一大小的颗粒数过滤能力达到98%的精度；绝对精度是指能够通过过滤器的最大球形颗粒尺寸。其选择和定义通常根据良好、中等、不良和恶劣4个等级来考虑。

(2) 过滤效率。是指被滤除的污染物数目与滤除前的污染物数量之比的百分数。

(3)过滤比。又名β率，是目前广泛使用的一个参数，指上游油液单位体积中大于某一给定尺寸的污染物粒数与下游同一尺寸的颗粒物之比，如图2所示。

计算公式：

(1)

(4)允许压力降。用Pa来计量；

(5)纳垢容量。通常用g来计量；

(6)过滤能力。也叫通流能力，在一定压差下的最大流量；

(7)工作压力。过滤器允许工作的最高压力；

(8)旁通阀开启压力等。

在过滤器的设计中，过滤器的能力直接取决于滤芯的过滤面积、滤芯自身的材料特性、油品的黏度、滤芯前后压差和油中污染物程度。在其他参数基本确定情况下，滤芯的面积是过滤器设计的关键技术参数，其设计选择如下:

(2)

式中：A为滤网的面积，m2;

Q为系统设计额定流量，L/min;

μ为油液黏度，Pa·s;

α为滤芯材料的单位过滤能力,L/cm2;

Δp为压力差，Pa。

2 汽车自动变速箱过滤系统的设计

因汽车自动变速箱过滤系统的特殊性(结构空间紧凑、精度要求高等)，在进行过滤系统设计时，首先需要满足以下要求：

(1)满足自动变速箱液压系统及其子零件的要求，包括功能、性能;

(2)具有足够大的过滤能力和足够小的压力损失;

(3)过滤器自身及其罩壳的具有足够的结构强度和有在极限条件下的抗油压破坏能力，并视需要设置旁通阀;

(4)对ATF油品的抗腐蚀性和兼容性;

(5)不同温度条件下的稳定性;

(6)结构尽可能简单紧凑，便于在变速箱上的布置;

(7)便于维修、更换。

3 油品污染的实际工程案例

在自动变速箱的开发中，油品污染带来自动变速箱最直接的致命伤害性元器件通常为油泵和电磁阀，重则带来泵卡滞或卡死，直接使车辆自动变速箱丧失动力，轻则带来效率的下降、泄漏加大等。而后者直接使阀丧失操控性。在某一款自动变速箱开发中，液压系统、电磁阀对控制油液的清洁度要求为ISO21/16/13等级(依照ISO4406标准)，对等于Nas 1638 7级标准。采用较清洁的油液(NAS 7级)和较脏的油液(NAS 10级)环境在相同的温度和条件下进行测试，电磁阀的对比控制曲线如图3和图4所示。

测试和试验表明：当油品发生污染、无法满足电磁阀的工作环境要求时，电磁阀的控制电流根本无法控制其输出压力。其原因是阀芯的运动受到杂质颗粒物的严重干扰。若发生在车辆变速箱上，将严重影响车辆的换档过程、驾驶操控，在特定工况下将直接影响人车安全。

下面结合自动变速箱开发中的一个具体案例来说明过滤系统的设计：在某款自动变速箱的液控系统设计开发中，液压油与润滑油品共用，总量约3 L，系统采用液压蓄能装置，系统的额定流量为2 L/min，最大的允许压力降为10 000 Pa,系统前段采用高压小排量泵，对油品的清洁度要求为Nas1638 标准 10级，后段采用插装式电磁阀，精度要求为Nas1638标准7级，为该系统设计过滤系统。

分析：由于液压油与润滑油共用，齿轮轴系在运转过程会生成大量的金属颗粒物进入油液，且系统不同级段对过滤的精度等级要求差异很大，同时涉及到整车的寿命，因而，该过滤系统的设计采用分级串联过滤形式。下级采用网式滤清器，上级采用卷筒式滤清器。因为油液在使用过程中不停地循环，因而系统为循环过滤系统。根据液压系统的要求，前端下级网式过滤器的精度要求为50～90 μm (设计按90 μm进行)，后端上级的精度要求为5～10 μm(因已经有一级分担，设计按5 μm进行)。选取过滤的材质，根据耐久性需求并根据公式(1)

计算出所需过滤器的作用面积，并根据过滤器在变速箱中的结构布置空间设计过滤器的结构形状。

结合以上分析过程，过滤系统的设计分为以下几个关键步骤：

(1)过滤系统的原理形式选择；

(2)过滤系统的结构形式定义；

(3)过滤系统的精度定义；

(4)关键技术参数的计算；

(5)过滤器的具体结构设计。

此例中的过滤系统原理布置图如图5所示。

4 自动变速箱过滤系统的试验

自动变速箱过滤系统的试验通常分为零部件试验、变速箱总成试验和整车试验3个等级。其中，主要的零部件试验和对应的国际标准如表1所示。

表1 过滤系统零件主要试验内容

针对上文案例中设计的系统，对一级过滤后和二级过滤后的油液进行测试，对不同粒子的测试分析结果如图6—7所示。

试验结果表明：该过滤系统的设计吸滤精度为90 μm，随颗粒变大，过滤效率明显增加，颗粒大小为50 μm时，借助表面吸附作用，效率已达50%～80%。对取样过滤后油液测试表明，可以满足油泵要求的Nas1638 标准 10级；从压滤试验可以看到：当精度为5 μm时，过滤效率为99.8%，对于大于20 μm的颗粒过滤精度为100%，过滤后的油液清洁度测量结果显示达到Nas1638标准7级精度要求。试验结果表明：设计的分级过滤系统能有效保证系统要求。

以上的试验内容项中，过滤效率和能力的试验是在多循环系统中进行的，对于工作环境较恶劣或是对清洁度非常敏感的系统，起初的油液环境和污染会直接伤害液压系统的性能或导致核心零部件失效。因此单次通过过滤效率试验(Single Pass Test)也是直接考核过滤系统能力的一个重要试验方法。如表2所示，相同程度的Nas 1638标准11 级原始油，10 μm的过滤器与5 μm的过滤器的对比单次通过性试验对比结果。

从试验结果看：对循环油路系统，既使多次通过试验能达到相近的过滤效果，不同过滤精度的过滤器单次通过过滤效果和能力差异却相差很大。对敏感的系统，在设计和定义过程中，除了考虑国际标准的常规试验外，单次通过效率试验亦非常重要。

整机的耐久试验和整车的耐久试验通常作为自动变速箱过滤系统设计有效性的必要和有效考核手段。在考核过程中，阶段性地对油品的理化特性和污染程度进行分析，用以支持过滤系统设计的考核。试验验证结束后，需要对过滤器的过滤能力、纳垢容量等指标进行分析，通常，这需要专业的过滤器制造商来完成。

表2 10 μm过滤器与5 μm过滤器的单次通过性试验对比

5 自动变速箱油品清洁度污染控制的辅助措施

过滤系统的合理设计和验证能很好地起到防止液压系统因油品污染带来的问题。然而，要想彻底避免问题，单靠过滤系统还不够。在变速箱的子零件设计和制造、运输、储存、装配和测试的各个环节都应尽可能地避免和减少油品的污染。以下作为自动变速箱在开发中的有效方法：

(1)设计上，尽可能减少长弯折的油道，尽量不要把摩擦性强的零件设计在变速箱的湿腔，尽可能少用难脱屑的机加工金属材料；

(2)制造上，提高阀体等零件的制造质量。改进阀体油道的加工工艺，使阀体油道在加工过程中产生的毛刺和加工缺陷大幅减少，并加强清洗、检测等防止毛刺金属屑的产生。同时改进齿轴类等零件的清洗等清洁度控制；

(3)装配上，加强装配环境和工具方法的管理，避免过程污染。同时注意油品的管理，新油入库前进行检测，取油时注意取油器具的清洁和取油方法的规范；油品注意密闭保存，且存放温度需控制适当；定期对库存油料进行取样化验等。

(4)检测上，整机下线检测，对整机进行一定循环数的磨合，同时进行油液的循环过滤，使齿轴、壳体及其他零件表面及在磨合中产生的杂质进入油液中。磨合结束后，将较脏的油液从变速箱中放出，起到前期有效降低污染的作用。

(5)使用上，根据使用环境和工况的不同，一般的自动变速箱的油品和过滤器需要在6～10万公里进行一次更换。今年来，许多厂家开发出车辆终生免维护的过滤系统和油品。但车辆在使用过程中产生的油品污染和油品的老化问题在所难免，为安全和性能的有效保证，建议该种车辆自动变速箱在10-12万公里进行一次油品和过滤系统的更换。若过滤系统的布置不方便进行售后的更换，至少进行油品的更换。

6 结束语

基于某自动变速箱的开发实例，分析了油品污染对自动变速箱液压系统的危害。说明了过滤系统对自动变速箱的重要性，同时分析了自动变速箱的过滤系统类型和关键的技术参数。之后，结合实例，阐明了自动变速箱过滤系统的设计过程。并结合实际案例，说明了自动变速箱过滤系统的试验开发过程。最后，简要说明了除过滤系统的设计和试验，进行自动变速箱油品污染控制的其他辅助手段。文中研究内容对自动变速箱过滤系统的设计开发及整机开发具有直接的借鉴和指导意义。

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