一种耦合机构的冷却系统

张　雄，赵江灵，吴为理，许永亮

(广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院， 广州　511434)



一种耦合机构的冷却系统

张雄，赵江灵，吴为理，许永亮

(广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院， 广州511434)

摘要：为测试在不同油温、转速条件下低压油泵的外循环流量、压力、功耗等工况参数，开发了一款新型的混合动力耦合机构。该机构集冷却、润滑功能于一体，形成高集成度的冷却润滑系统结构。采用机械泵和电动油泵作为冷却润滑的动力源。通过液压模块分配冷却液的流量及流速，再通过喷油管喷油和齿轮搅油来对相关零部件进行冷却。可为油泵控制器的标定、开发提供数据支持。

关键词：冷却润滑；耦合机构；混合动力；电动油泵；机械泵

混合动力耦合机构至少集成了2个电机及相关的齿轮机构。所集成的电机功率大，因此需要设计独立的液压系统保证混合动力耦合机构的正常运行和实现特定的工作模式[1-14]。

电机油冷方案在耦合机构集成设计上比水冷方案更具优势，尤其是对于含有换挡元件的混合动力耦合机构。当电机采用油冷方案时，除了可以设计类似水冷循环的油道外，还可以将冷却液直接喷淋到电机绕组部位对电机进行冷却。冷却液直接喷淋弥补了油冷介质的低比热缺点。

通用Volt增程式动力系统和丰田Prius-C动力系统的电机冷却方案都是采用耦合机构ATF油直接喷淋的冷却方式[1]。通用Volt动力系统在电机绕组上方布置冷却液管，冷却液通过管路上的油孔淋到电机绕组两端，冷却液直接回到油底壳。在丰田Prius混合动力系统中，除了设计由行星架驱动的机械油泵外，还充分利用了减速齿轮的泵油作用。丰田系统在低速纯电动行驶时减速齿轮将冷却液甩到箱体顶部，在箱体顶部设计了可以蓄油的腔体结构，冷却液通过油道流到电机绕组上。在混合动力模式时发动机起动带动机械泵运行将冷却液输送到箱体顶部对电机进行油淋冷却[1～2]。

本研究的目的是设计一种混合动力汽车耦合机构的冷却润滑系统。该系统集润滑、冷却功能于一体，形成高集成度的混合动力耦合装置冷却润滑系统结构。该系统采用机械泵、电动油泵作为油液润滑冷却的动力源，可以节约开发成本、降低开发难度。另外，测试在不同油温、转速条件下，低压油泵的外循环流量、压力、功耗等工况参数，可为油泵控制器的标定、开发提供数据支持。

1耦合机构系统组成

如图1所示，本混合动力汽车系统包括发动机、耦合机构、高压电池、整车控制器、电机控制器、耦合控制器等。机电耦合机构集成了扭转减振器、齿轮传动系、差速减速系统、离合器、电机系统，采用固定轴式传动型式，驱动电机与发电机并排布置，通过合理控制3个动力源(发动机及各电机)的动力耦合输出，可实现纯电驱动、串联、并联和发动机直驱等不同工作模式，同时在驱动电机输出端设置有驻车机构。

耦合控制器主要是根据整车控制器的要求，控制耦合机构内部离合器的接合与断开，以实现不同的模式切换。耦合控制器也可以控制电动油泵的转速，以便满足不同工况下耦合机构内部零件不同的冷却需求。机械泵固连在驱动电机的轴上，靠驱动电机轴驱动。

图1　混合动力系统方案图

2冷却润滑方法

2.1冷却润滑模系统组成

图2为本研究所设计的一种混合动力汽车的动力耦合装置冷却润滑系统。该系统由外部冷却系统和内部冷却润滑系统构成。外部冷却系统由节温器旁通阀、机油冷却器及油管组成。内部冷却润滑系统由吸滤器、机械泵、电动泵、液压模块、喷油管、电池阀、齿轮等组成。

图2　冷却润滑系统原理

外部冷却系统工作原理：在动力耦合装置壳体上，节温器旁通阀与油底壳相连；当耦合机构内部温度过高，需要外部冷却时，油液就通过出油口到节温器旁通阀，再到机油冷却器；待机油冷却后，又通过入油口返回耦合机构内部，供循环使用。

内部冷却润滑系统工作原理：内部冷却润滑系统包含1个机械泵和1个电动泵，机械泵通过齿轮与驱动电机的输出轴直连；机械泵和电动泵将冷却液输入到液压模块中，再通过液压模块分配冷却液的通断、流量大小，流入不同的管道中，再通过相关执行部件冷却润滑耦合机构内部零件。

2.2冷却润滑模式分析

内部冷却润滑系统包含2种模式，可根据耦合机构运行的模式自动切换。

1) 耦合机构为纯电动模式，此时发动机与发电机不工作，发动机与发电机不需要冷却，只有驱动电机的定子、转子、相关齿轮、轴承等需要冷却，可以通过机械泵的工作，来满足润滑冷却要求；

2) 耦合机构为混动模式和增程模式，发动机、发电机、驱动电机均工作，耦合机构内部所有零件都需要冷却，则此时机械泵与电动泵均参与工作，给液压模块供油，再通过液压模块将油液分配给相关管路，实现各个零部件的润滑及冷却。具体的工作模式如表1所示。

表1　工作模式分析

2.3液压系统要求

根据耦合机构结构形式，设计出一种液压系统，对主油路、控制油路的压力以及冷却润滑系的流量进行了理论计算，确定了各元件的具体参数，如表2所示。

表2　液压系统流量需求

根据液压系统的要求，对机械泵和电动泵进行了选型，基本参数如表3所示。

表3　机械泵与电动泵的参数

液压系统中存在机械泵和电动泵2个油泵供应油液，当机械泵无法满足需求冷却油液供应时，需启动油泵电机带动电动泵工作。耦合控制器计算出需求电机转速，以CAN信号传给油泵电机控制器进行速度控制。

2.4关键零部件分析

2.4.1电动油泵

由于液压系统中机械泵的转速与整车车速相关，在低速情况下，机械泵所能提供的液压和流量较小，不足以控制离合器，因此需要电动泵参与工作，以保证足够的液压和流量。由于受到油液温度和整车车速的影响，电动泵产生的液压会随之产生波动。为了获得足够且稳定的液压，有必要根据油温及车速的变化对电动泵的动力输出进行调节，以满足设计要求[3]。

整车控制器根据当前工况，发送转速需求和使能需求给耦合控制器，然后耦合控制器把符合需求的信号和使能信号给电动泵，以驱动电动泵运转。同时电动泵控制器通过反馈同转速相对应的频率信号，向整车控制器反馈当前的实际转速。控制流程如图3所示。

图3　电动泵控制流程

2.4.2喷油管

每个定子的侧线包上方喷油管均匀分布12个喷油孔，单个油孔直径1 mm，间隔25°。距离定子线包3～4 mm。前后喷油管间的过渡油管布置2个间距80 mm、直径1 mm的喷油口，实现定子铁芯冷却。喷油管和电机定子的配合情况如图4所示，喷油管的相关参数如表4所示。

图4　喷油管与电机定子

发电机喷油管驱动电机喷油管内径/mm77壁厚/mm11流量/(L·min-1)89喷油口直径/mm11电机定子喷油口/个2525轴承副喷油口/个46齿轮副喷油口/个22

2.4.3节温器旁通阀

机油冷却器调温器旁通阀总成(节温器旁通阀)根据油温对大小循环进行切换，使变速器机油保持在较佳的工作温度。节温器旁通阀的相关参数如表5所示。

表5　节温器旁通阀参数

3试验验证

搭建了1个台架，对低压油泵的性能进行检测，为低压油泵的标定及制定控制策略提供依据。台架实物，如图5所示。

图5　测试台架

3.1试验条件及试验步骤

对G-MC节温器旁通阀进行改装，使外循环打开。在节温器进出口处各安装1个温度传感器h和压力传感器，管路中段安装1个流量传感器。将各传感器接入混动台架数采系统。原理如图6所示。

图6　台架原理

在试验过程中，发动机与耦合机构内部的2个电机(发电机和驱动电机)均不参与工作。因为机械泵与发电机的输入轴连接，发电机不工作，故机械泵转速为0，也不参与工作。

本试验的节温器经过改装，在试验过程中一直为全开状态，所以可以视为节温器出口的压力与低压油泵出口压力一致，和节温器出口流量与低压油泵出口流量相等。

启动测试台架机油温控装置，对旁通阀入口温度进行控制。测试不同温度(20，50，70，100，120 ℃)、不同的油泵转速(1 980,3 196,4 011 r/min)下的油泵出口压力、出口流量、油泵的功率变化情况。

3.2试验结果

不同温度、不同的油泵转速下的油泵出口压力、出口流量、油泵的功率变化情况如表6～8所示。

表6　低压油泵出口压力测试结果　kPa

对测试结果分析，得到以下结论：

1) 因冷却液的黏度随温度的变化而变化，温度越高，冷却液的黏度越小。低压油泵出口压力随油温的升高而降低；

2) 低压油泵出口压力随油泵转速的升高而升高。

表7　低压油泵出口流量测试结果　(L·min-1)

测试结果分析，有以下结论：

1) 低压油泵出口流量受油温变化影响不明显；

2) 低压油泵出口流量随油泵转速的升高而升高。

表8　低压油泵功率测试结果　W

对测试结果分析，得出以下结论：

1) 低压油泵出口功耗随油温的升高而降低；

2) 低压油泵出口功耗随油泵转速的升高而升高。

4结束语

根据冷却系统功能要求，设计了多功能集成的液压系统方案。该系统可以同时满足电机冷却、离合器的冷却润滑、离合器的分离与结合，以及齿轮润滑的功能。

本冷却系统主要通过液压模块分配冷却液的流量及流速，再通过喷油管喷油和齿轮搅油来对相关零部件进行冷却，不需要在壳体上设置很多复杂的管道，降低了壳体的加工难度。

通过测试不同温度、不同的油泵转速下的油泵出口压力、出口流量、油泵的功率的变化情况，为油泵控制器的标定、开发，提供数据支持，对油泵控制器的开发具有非常重要的意义。

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(责任编辑刘舸)

Study on Cooling System of a Coupling Mechanism

ZHANG Xiong，ZHAO Jiang-ling，WU Wei-li，XU Yong-liang

(Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Automotive Engineering Institute,Guangzhou 511434, China)

Abstract:This paper introduced a newly developed hybrid power coupling mechanism which integrates cooling and lubricating functions together to reach a high degree of integration. The mechanism adopted a hydraulic module to redistribute coolant’s flow volume and rate together with the injecting pipe’s lubricating oil injection and the gear’s stirring to the oil to achieve related parts’ cooling state. The purpose of this paper is to investigate the oil’s flow volume of external cycle, pressure, power performance under different oil temperature and pump speed to offer statistical support to the calibration and development for the oil pump controller.

Key words：cooling and lubricating; coupling mechanism; hybrid power; electric pump; mechanical pump

收稿日期：2016-02-24

基金项目：广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院科研项目

作者简介：张雄(1983—)，男，工程师，主要从事新能源汽车研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.006

中图分类号：U469.72

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2016)06-0032-06

引用格式：张雄，赵江灵，吴为理，等.一种耦合机构的冷却系统[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(6):32-37.

Citation format：ZHANG Xiong，ZHAO Jiang-ling，WU Wei-li，et al.Study on Cooling System of a Coupling Mechanism[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):32-37.