影响自动变速器油泵容积效率的关键因素分析

摘要：油泵为自动变速器的核心部件，主要功能是为液压系统提供流量，以对执行机构进行压力控制或冷却润滑。容积效率是评价油泵的一个重要指标，容积效率越高，单位转速下油泵流量就越大，这样在相同的流量需求下油泵排量就可以设计得更小，可有效降低自动变速箱能耗。本文主要通过Amesim仿真的方法分析了端面间隙泄漏、径向间隙泄漏、齿轮啮合点泄漏、润滑槽泄漏对油泵容积效率的影响。分析表明，端面间隙泄漏是影响油泵容积效率的主要因素，径向间隙泄漏、齿轮啮合点泄漏、润滑槽泄漏都对油泵容积效率有一定影响。该分析结果为优化油泵容积效率提供了理论依据。

关键词：自动变速箱；油泵；容积效率；间隙

中图分类号：文献标识码：文章编号：

油泵为自动变速器的核心部件，主要功能是为液压系统提供流量，以对执行机构进行压力控制或冷却润滑。自动变速器油泵类型主要分为外啮合齿轮泵、月牙泵、摆线泵、叶片泵等。外啮合齿轮泵由于其结构简单，产业成熟、可承受压力高、成本低等优点在自动变速箱中有广泛的应用。本文重点研究对象为影响外啮合齿轮泵容积效率的关键因素，由于泄漏等因素的存在，不可避免地造成一定的流量损失，容积效率定义即为油泵实际输出流量与理论输出流量之比，而理论输出流量为转速与油泵排量的乘积。

容积效率是油泵的关键参数之一。研究容积效率主要分为手工计算法、仿真法、试验法三种方法，由于影响油泵容积效率的因素较多，如端面间隙泄漏、径向间隙泄漏、齿轮啮合点泄漏、润滑槽泄漏。利用手工计算法较为复杂，结果准确性也有限；利用试验法，容积效率测试方法参考SAE J2311[1]，需要制作不同间隙的样件，成本较为昂贵；采用仿真方法具有准确性高、快速等优点，可以通过仿真，快速看出趋势，再用实际试验进行验证和优化迭代，进而降低成本。目前公开发表的用仿真法研究影响外啮合齿轮泵容积效率的关键因素的论文较少。

Amesim软件是西门子公司一款多学科领域复杂系统建模的一维仿真平台，其中包含流体仿真模块。本文主要用Amesim软件的流体仿真模块研究外啮合齿轮泵端面间隙泄漏、径向间隙泄漏、齿轮啮合点泄漏、润滑槽泄漏分别对油泵容积效率影响的程度大小，通过仿真结果，可以得出影响油泵容积效率的关键因素，进而为外啮合齿轮泵容积效率的优化提供一定参考。

1油泵和泄漏介绍

自动变速器油泵主要分为外啮合齿轮泵、月牙泵、摆线泵、叶片泵，油泵类型如图1所示[2]。各种油泵主要特点如下：

外啮合齿轮泵：产业成熟、可承受压力高、成本低；月牙泵：结构成熟、径向空间小、可承受转速高；摆线泵：结构成熟、径向空间小，噪音性能好；叶片泵：效率高，噪音性能好，价格较高。

外啮合齿轮泵主要有前盖、泵体、主动齿轮、被动齿轮、后盖、驱动轴等部件组成。由驱动轴驱动主动齿轮，再由主动齿轮带动被动齿轮转动，齿轮通过两齿之间的齿廓空腔将吸油腔的油带入压油腔。齿轮泵泄漏主要与端面间隙泄漏、径向间隙泄漏、齿轮啮合点泄漏、润滑槽泄漏有关[3]。端面间隙由泵体厚度减去齿轮厚度形成，通过此间隙的油液，一部分由压油腔流入吸油腔，一部分通过齿根圆处进入轴承腔，由于端面间隙泄漏途径多，封油长度短，故其占总泄漏量的比重最大[4]；径向间隙是指齿顶圆与泵体之间的间隙，径向间隙泄漏的方向与齿轮的旋转方向相反，由于其封油长度较长，所以通过径向间隙的泄漏较少；齿轮啮合点泄漏主要是齿形制造和齿轮安装存在着误差，造成沿齿宽方向的啮合点接触不良，使压油腔和吸油腔之前的密封不好而产生，一般所占比重最小，可不予考虑。润滑槽一般开在油泵前盖或后盖上，将压油腔的油通过润滑槽导入轴承腔，对轴承进行强制润滑。具体是否加润滑槽需要根据轴承润滑情况而定，如某个轴承润滑不良，可以考虑开润滑槽的方法，以延长轴承使用寿命。

2Amesim模型建立

如图2为分析外啮合齿轮泵泄漏的Amesim模型，主要模拟齿轮啮合点泄漏、径向间隙泄漏、端面间隙泄漏、润滑槽泄漏。所用油品为Shell SF2020，设置油液温度为100℃，油泵压力为30bar，仿真时间10s，采样频率100Hz。

3各个间隙值泄漏比重分析

在仿真模型中设置油液温度为100℃，油泵压力为30bar，齿轮啮合点间隙为5μ，端面间隙值单边为20μ，径向间隙值为50μ，润滑槽尺寸大小为R0.5，深度为0.25mm，进行仿真，仿真结果如图3所示。可以看出，端面间隙泄漏占总泄漏量比重最大，约60%， 其次为径向间隙，约19%，其次为润滑槽泄漏，约15%，其次为齿轮啮合点泄漏，约5%。可见，实际设计中，优化端面间隙设计对提高油泵容积效率有重要意义[6]。

4  端面间隙对泄漏影响

现假设其它条件不变，与第三章一致。只改变端面间隙，设置端面间隙分别为单边10μ，15μ，20μ，查看端面间隙泄漏量。分析结果如图4所示，可以看出，泄漏量随端面间隙增大明显。

一般来说，对于自动变速器油泵，端面间隙的值一般设置在双边20～40μ（单边10～20μ），从仿真结果也可以看出，间隙值过小，流量减小，可能造成润滑不足，间隙值过大，泄漏量大，会造成容积效率的下降。

5  径向间隙对泄漏影响

现假设其它条件不变，与第三章一致。只改变径向间隙，设置径向间隙单边分别为30μ，40μ， 50μ，查看径向间隙泄漏量。径向间隙展开后可等效为宽度为齿轮厚度，长度约所有齿顶长度和的端面间隙，分析结果如图5所示，从分析结果看，径向间隙值增大对径向间隙泄漏增长不如端面间隙明显，理论上，通过径向泄漏的表达式为：

式中为通过径向间隙流量； 为相邻齿轮腔的压力差； 为油液的绝对粘度；为径向间隙；为齿轮转速；B为齿宽；为从齿顶圆半径； 为齿顶长度；从公式可以看出，泄漏量与齿顶长度成反比，由于所有齿顶长度相加，封油长度较长，故再径向间隙增大的情况下，总流量增大并不是很明显。一般来说，对于自动变速器油泵，径向间隙的值一般取H7/d7动配合，或在双边50～160μ（单边25～80μ）之间选取，对于泄漏控制较严格的场合，可取双边60～90μ（单边30～45μ）。

7  结论

通过Amesim仿真的方法分析影响自动变速器油泵容积效率的因素，得出影响泄漏量的关键因素，并分析各个因素的不同取值对泄漏的影响，得出以下结论：

1）端面间隙泄漏占总泄漏的比例最大，且随端面间隙增大，泄漏量增加明显；

2）径向间隙泄漏对总泄漏量有一定贡献，由于封油长度长，随径向间隙值增加，泄漏量变化不如端面间隙敏感；

3）润滑槽泄漏对总泄漏量有一定贡献，由于润滑槽后轴承间隙的作用，当润滑槽深度增大到一定值后，泄漏量增加不明显；

4）齿轮啮合点泄漏对总泄漏影响有限，可忽略不计。

参考文献

[1]国际自动机工程师学会.Automatic transmission hydraulic pump test procedure： SAE J2311-2020[S].

[2]Harald Naunheimer，等.Automotive Transmissions [M].第二版.斯图加特：Springer出版社，2010：446-451.