自动变速箱电动油泵设计匹配探讨

徐诚 杨士先 张保良 王中华

摘 要：本文以自动变速箱电动油泵为研究对象，根据设计经验、理论计算等方法，探讨电动油泵的结构选择、排量计算、设计匹配等要点。使电动油泵不仅能满足系统的设计要求，而且尽量以最高效率工作。

关键词：电动油泵;排量;设计匹配

0 前言

自动变速箱是汽车重要的零部件之一。大部分自动变速箱都利用油泵作为其换挡、离合器控制、冷却润滑的动力源。随着国家油耗法规的要求越来越严格，对变速箱的传动效率也提出了更高的要求。油泵作为自动变速箱能量消耗的主要零部件之一，自然得到設计人员的关注。

传统的自动变速箱油泵依靠发动机驱动，油泵随发动机转动而转动，能量消耗较多。而电动油泵依靠电机驱动，可以按照指令工作，按需供油，实现能耗的降低。

本文根据设计经验、理论计算、性能仿真等方法，探讨电动油泵的结构选择、排量计算、设计匹配等要点。

1 电动油泵方案选择

1.1 油泵结构选择

目前电动油泵中油泵常用结构主要有三种：外啮合齿轮泵、内啮合齿轮泵、叶片泵。三种油泵的结构和性能特点各不相同：外啮合齿轮泵输出压力、容积效率和抗污染能力较高，但噪声大、成本较高;内啮合齿轮泵容积效率、输出压力稍低，但成本低、噪声较小;叶片泵噪声最小、容积效率高但成本较高，抗污染能力较差。设计人员可以根据设计需求选择合适的油泵结构。

1.2 电机类型选择

按不同的标准分类，电机分为多种类型，如直流电机、交流电机、同步电机、异步电机、永磁电机、励磁电机等。自动变速箱电动油泵推荐采用无刷直流电机（BLDCM）。主要原因有：

（1）供电类型：BLDCM采用直流供电，可以直接使用车载电池作为电源;（2）响应速度快：BLDCM属于同步电机，其响应速度能达到50 ms以内，可以快速建立油压，提高自动变速箱的响应速度;（3）调速范围广：BLDCM采用PWM方式调节输入电压大小，可在0到最大转速间的任意转速工作，为系统提供需要的流量;（4）转速控制精度高：BLDCM内置霍尔传感器，可以精确控制电机转速，为自动变速箱提供稳定的流量和压力;（5）效率高：BLDCM相对于异步感应电机，其转子采用永磁体，无需电能励磁（该损耗约占电机总损耗的20～30%）;（6）噪声小：BLDCM无电刷摩擦，噪声小;（7）寿命长：BLDCM没有电刷磨损，寿命大大延长，属于免维护电机。

2 电动油泵设计计算

某自动变速箱要求工况点如下：

工况点1：油温20℃，输出压力0.8 MPa，输出流量3 L/min，输入电压12 V，有效电流≤20Arms;

工况点2：油温90℃，输出压力0.4 MPa，输出流量10 L/min，输入电压12 V，有效电流≤20Arms。

2.1 油泵排量计算

油泵排量计算公式：q=1000×Q/（n×ηv）

式中：q为油泵排量（cc/rev），Q为输出流量（L/min），n为电机转速（rpm），ηv为油泵容积效率（%）。

参数确定：

（1）输出流量Q作为设计输入给定，本文以两个工况点为例，记为Q1和Q2。

（2）电机转速n一般不作为设计输入条件，即电动油泵的使用方一般不会对电机转速有特殊要求。但考虑到油泵在低转速时容积效率会急剧下降，设计时可以根据油泵的容积效率曲线给定最低转速nmin（本文取750 rpm）。另外考虑到油泵在高转速时的噪声较大，结合电机的设计经验（扭矩-转速曲线），可以初步选定合适的最高转速nmax（本文取5 000 rpm）。

（3）对于容积效率ηv，如果采用成熟的油泵结构，可以根据油泵现有的容积效率曲线查出。如果采用新开发的油泵，可以采用CFD软件计算出近似的容积效率值（本文取ηv1=88%，ηv2=85%）。

工况点1排量要求：

最小排量： q1 min=1 000×Q1 /（nmax×ηv1）=0.68 cc/rev

最大排量 ：q1 max= 1 000×Q1 /（nmin×ηv1）=4.65 cc/rev

工况点2排量要求：

最小排量 ：q2 min=1 000×Q2 /（nmax×ηv2）=2.35 cc/rev

最大排量： q2 max=1 000×Q2 /（nmin×ηv2）=15.69 cc/rev

油泵合理的排量范围即为根据两工况点计算出的排量范围的交集，即2.35 cc/rev≤q≤4.65 cc/rev。

初步设定油泵排量为3.5 cc/rev，后续需要根据输入电流限值、工作效率等要求进行调整。

2.2 油泵转速计算

油泵转速计算公式：n=Q/（q×ηv）

式中：n为电机转速（rpm），Q为输出流量（L/min），q为油泵排量（cc/rev），ηv为油泵容积效率。

根据初步选定的油泵排量，结合油泵转速计算公式，计算两个工况点下电机的实际转速n1和n2。

工况点1：n1=1 000×Q1/（q×ηv1）=974 rpm

工况点2：n2=1 000×Q2/（q×ηv2）=3 361 rpm

2.3 油泵输入功率计算

油泵输入功率计算公式Pp=p×Q/（60×η）

式中：Pp为油泵输入功率（KW），p为油泵输出压力（MPa），Q为输出流量（L/min），η为油泵总效率（%）。

其中油泵输出压力p已给定，油泵总效率η可以根据总效率曲线查出（本文取η1=65%，η2=61%）。

工况点1：Pp1= p1×Q1/（60×η1）=0.062 kW

工况点2：Pp2= p2×Q2/（60×η2）=0.109 kW

2.4 油泵输入扭矩计算

油泵输入扭矩计算公式：T=Pp×9 550/n

式中：T为油泵输入扭矩（Nm），Pp为油泵输入功率（kW），n为电机转速（rpm）。

工况点1：T1=Pp1×9 550/n1=0.61 Nm

工况点2：T2=Pp2×9 550/n2=0.32 Nm

2.5 选择电机规格

电机输入功率计算公式：Pm=Pp/ηm

式中：Pm为电机输入功率，Pp为油泵输入功率，ηm为电机效率。根据设计经验给定电机常用工况时效率为70%，初步确认电机的规格。

工况点1：Pm1= Pp1/ηm=0.088 kW=88 W

工况点2：Pm2= Pp2/ηm=0.156 kW=156 W

因此，可以初步选择200W级的电机，后续可以根据外形空间和电机特性进行调整。

2.6 电机与油泵的设计匹配优化

经过以上计算可以初步确定油泵的排量和电机规格。然后根据初选电机的规格验证各工况点是否满足电机转速要求、电源电流要求。在满足设計要求的情况下，尽量使电动油泵在各工况点的效率达到最高。下面以某款电动油泵的性能为例分析电机与油泵的匹配计算。

如图1所示，分析转速、电流和效率是否满足设计要求：

（1）转速要求：工况点1扭矩0.32 Nm、转速3361 rpm，电机实际能达到3 800 rpm;工况点2扭矩0.61 Nm、转速974 rpm，电机实际能达到3 300 rpm。电机转速性能满足设计要求且有富余。

（2）电流要求：工况点1电流22 A，工况点2电流14 A，电源电流限值20 A。因此工况点1的电机电流超过了电源电流限值，不满足设计要求，需要优化。

（3）效率要求：由效率曲线看出，在扭矩0.25 Nm左右时电机的效率达到最高，在扭矩0.32 Nm（工况点2）和0.61 Nm（工况点1）的工作效率较高，但如果减小扭矩，效率还有提升的空间。

因此，建议做如下优化：

（1）优化油泵排量。减小油泵排量，在相同工况点下可以降低油泵扭矩，达到减小电机电流的目的。同时对于此款电机，减小扭矩能达到提高电机效率的效果。但需要考虑的是如果减小油泵排量，满足相同流量时需要更高的电机转速，而此款电机的转速性能可以满足提高转速要求。因此，减小油泵排量对于此款电机是合理的可行的方案。

将油泵排量减小为3.0 cc/rev，重新按上述方法计算：

工况点1：n1=1 136 rpm，T1=0.52 Nm

工况点2：n2=3 921 rpm，T2=0.27 Nm

如图2所示，减小油泵排量后，转速升高（但电机满足转速要求），电流降低，两工况点的效率提高。因此油泵排量设计为3.0 cc/rev更为合理。

（2）优化电机参数。如果优化油泵排量无法满足设计要求，可以对电机参数进行优化。减小电机定子线圈铜线的线径、增加线圈匝数，在转矩不变时，可降低电机电流，但会导致最高转速降低。如图2所示，导致油泵排量无法进一步减小的主要因素是电机最高转速限制。如果增大电机定子线圈铜线的线径，减少线圈匝数，在转矩不变时，可以提高电机的最高转速。

本文采用成熟电机，将油泵排量设计为3.0 cc/rev。经过试验测试得出结果如下：

由表1看出，计算值与测试值误差在10%以内。本文所述的计算方法对电动油泵设计具有指导意义。

3 结语

本文采用理论计算和性能仿真等方式，探讨了自动变速箱电动油泵的设计匹配方法。经过试验证明，按此方法设计的电动油泵计算与试验结果误差较小，满足设计要求。

自动变速箱电动油泵的设计是一个系统的工作，还需要综合考虑外形空间、噪声、热平衡、电磁兼容等要求。同时电机和油泵均是技术密度很高的零部件，要为系统匹配最适合的电动油泵，还需分别对电机和油泵进行深入研究和优化。

参考文献：

[1]高殿荣.液压工程师技术手册[M].化学工业出版社，2015.

[2]章宏甲.液压传动[M].机械工业出版社，2000.

基金项目：安徽省重点研究与开发项目-新型商用车AMT产品开发（201904a05020023）

作者简介：徐诚（1986-），男，安徽安庆人，本科，工程师，研究方向：自动变速箱液压元件开发。