汽车润滑系统摘要(变速箱电子油泵的模块化设计)

摘要

按照不同的需求，油泵被越来越频繁地运用于变速箱和传动系统中，其核心元件是电子整流电机。运用此技术的主要原因是可以提高效率的程度，从而减少燃料消耗和二氧化碳的排放。其主要发展目标是进一步地改善功能，减少安装空间，重量和成本，以提高油泵在不同应用中的灵活性和可用性。

基于长期在电力驱动和硬件、软件领域设计的经验，以及对塑料加工和液压系统广泛深入的认知，汽车零件供应商FTE正在设计一套全新的油泵系列。基于对产品高集成度和模块化的设计，将对此产品系列设立一个全新的标准。

具体信息由以下几点展开：

• 泵、电机及电子产品的基本设计和集成，
• 合理使用塑料材料，
• 在不同液体中的应用，泵的类型和泵的设计，
• 电机的选择，
• 散热设计，
• 不同的设计以应对不同的性能需求，
• 电机控制选项，
• 可能的接口和附加选项。

在自动变速、无级变速和双离合变速箱中，这些泵通过液压驱动执行机构或者加载一个蓄能器，可应用于在发动机静止时的启/停功能，还可以用于对传动系统的润滑和冷却等。

此外，基于此类油泵的模块化设计，还可以更多地应用于传动系统以外的各种可能性。因此，油泵的模块化设计使其能快速地适应不断变化的需求和规格要求。

需求和概念

对于不断增长的油泵市场，其挑战是如何根据不同的需求进行调整：到目前为止，只有少量的整车厂有计划在未来的车型上运用到大量的油泵。另一方面，也存在对中小批量的需求。因此在和客户做项目中，零件供应商很少能提供全自动生产线，并且能顺利地生产或购买大量的零件。

基于上述原因，一般的方案都是直接提供金属材料的现有的泵和电机，而这样的产品会损失安装空间，重量及成本。考虑到电机的选择，随着越来越高的功能要求，将使机械整流电机逐步退出市场，而由带有更复杂控制电子元件的高效无刷电机替代。

和其它的各种对泵的开发一样，这里的目标是减少安装空间，重量和成本，以及提高功能性和灵活性。而且它必须仍使客户能按照规范集成泵、电机和电子元件。其中至关重要的是优化零件接合面及制造技术。

▲图 1：泵、电机和电子元件可以自由组合

以泵模型EP200为例，图1显示了FTE的模块化方案。通过简单更改调整泵的法兰盘，油泵就能用于各种机械接口，或插入式连接能360度旋入到任何方向，而不用更改注塑模具。泵的壳体包括轴颈轴承并选装轴封。壳体还包括环形齿轮泵外转子的导向。内转子安装在电机轴一起，并由后者驱动。

电机转子与电机轴一体注塑，其形状似一个罐子。泵的壳体与这个罐子相连。在电机的定子绕组绕成后，注塑包覆成型。在最后一步进行注塑时，接插头的针脚也是作为插件放入工装后集成在一起。最终，将定子拧到泵的法兰盘上。塑料注塑成型能在振动时保护电机线圈，提高其散热和电子元件室相对于电机室的密封。

电子元件的印刷电路板和定子针脚及接插件按压在一起。之后，电路板被放置在定子壳体上，紧接着将电子元件盖板盖住电路板。此盖板与定子壳体用自成形螺丝相连，因此使电路板固定就位。接着，在泵和电机间及电机和电子元件间分别置有一油封。现在，只有进油口和泵法兰盘的出油口需要与客户端的法兰密封。除了接插件和泵法兰盘的两个耳朵外，尽管EP200有出色的性能表现，此泵在各个方向只需70mm的安装空间。

塑料材料的使用

在传动和动力总成零部件领域，工程塑料已经成为技术革新，高度集成系统开发的重要设计元素。比较好的范例是应用于奥迪新的双离合传动系统DL382-7F中，采用了可调节油泵EP20的干式油底壳润滑系统。

▲图 2：应用于奥迪双离合传动系统DL382-7F中干油底壳润滑系统的油泵

此泵包含一个电机壳体，定子线轴载体和泵壳体，都由PPA材料制成。将注塑成一体的法兰衬套和接线插脚作为一个插件放入注塑模具中，集成于电机壳体中。使用C&C(零件在零件上)方式，为了这种应用而设计出的ACM密封材料，被挤出到泵的壳体上。这保证了泵的可靠的密封，因为此泵是被拧入一个开口的变速箱壳体上的【3】。

因为电子元件，定子和转子被安装入电机壳体后，泵壳体和电机壳体被连接在一起。用于泵壳体的PPA材料具有激光透明性颜色，而电机壳体的PPA材料则具有激光吸收性颜色。焊接使这两个件间的连接牢不可破，密封可靠。

泵的转子也具有叶轮的功能。它是一个注塑件，由PPS塑料材料包裹铁磁块，并嵌有一根钢轴制成。在特殊注塑机上制造时，该材料的磁偶极由于在这一过程中所施加的电场而与液相相一致。最终，当熔体固化时，它们在材料中的方向是固定的。

如果客户的应用需要一个自吸泵或具有更高工作压力的泵，则需采用容积泵或更强大的电机（见图3）。在这种情况下，热塑性材料可用于电机盖，以及定子铁心叠片，定子壳体和电机转子的槽绝缘。

▲图 3：FTE的自吸泵EP100包含很多由工程塑料制成的部件。

关于泵的壳体和盖子，热固性塑料是比压铸铝更好的材料。热固性可以以这样的方式被修改时，零件

• 不需要再机加工
• 具有相似的热膨胀系数
• 在油不停地运转时功能部件磨损少
• 在整个生命周期无渗油

这样减少了重量和成本，并增加了泵的效率，特别在高油温情况下。

泵

回油泵没有压力要求，最好设计成离心泵，因为电机转子的必要几何尺寸和泵的壳体可在没有任何附加零件的情况下成型。这种泵抗污性好，从而不需要对液体进行过滤。

环状齿轮泵是对油压在20bar以下时的最佳选择。内外转子由粉末冶金钢制成，使其与热固性塑料作为滑动部件匹配时具有良好的摩擦系数。

相对于很多其它的泵，这种活塞设计基于其内部低摩擦的特性，在极端低温下更有优势。更重要的是，活塞泵可以完全由塑料制成。滑片或滚子叶片泵在超过20bar压力下能正常工作。

▲图 4：可更换泵模块；环形齿轮泵和径向活塞泵为例

如果使用容积泵，电机的接口的设计使得泵模块可以很容易更换。因此，不同电机轴的可互换适配器被提供在转子的注塑成型工装上。泵的型号和泵的排量匹配可以确保最佳的成本效益比。通过选择不同的材料，泵可以输送不同的流体。

电机

▲图 5：单相爪极电机（左），内转子三相电机（中），外转子三相电机（右）

对于在油液中的无压操作，离心泵和爪极电机的组合已被证明是非常成功的。相比使用三相电机或正排量泵，这种组合是无可比拟的廉价而且特别适用于这种情况【4】。

用于冷却油泵，则带三相外转子电机的径向活塞泵更具优势。然而，带三相内转子电机则最具灵活性。将转子设计成罐状是特别有利的，因为罐的内部可以集成泵，轴封或轴轴承。

烧结稀土磁体仅用于更高性能的级别，或需要的安装空间特别小的情况下。否则，塑料粘结转子是首选。线圈绕组的方式和定子设计在很大程度上是由要求的效率和安装条件决定的。可以将传感器磁体集成于电机轴前端或将非接触式转子位移传感器集成于印刷电路板上；以上方式同样可用于密封电机内部。

使用浸入式电机，能更容易地使定子绕组和电子元件的热量散发。在高水平的电机性能表现中这点尤为具有价值。作为变通，这两个部件必须在结构上被连接到一个合适的散热片上。这样，塑料的使用也能有意义。

接口与附加功能

电机是由电子装置控制的，以最简单的情况来说，单调节速度可以在开关模式中或通过无传感器速度控制。通过FOC（磁场定向控制）能任意地调整电机转矩和电机位置。通过传动系统控制单元也能提供重新编程。

此外，电子元件能够在意外错误使用时受到保护。通讯和诊断功能能通过PWM, LIN或CAN来被实现。这些现在已经在汽车上可使用的单元所设计的工作电压范围在9-16V；此外，也可调节成24V或者48V。

▲图 6:不同机械接口对成本的影响

机械接口（接合面）对成本有着显著影响。紧凑型油泵有各种安装选项。其中“带径向密封的卡盘式”是最佳选择，尤其对塑料制品而言。然而，灵活性最好的是在泵的前端通过法兰盘连接。如果通过泵法兰的弯头（换言之角度安装）实现，那么材料会增加，并且，相比之下，工装也是最复杂的。

▲图 7：附加功能

考虑到他们的功能性，所有泵当然也是可以升级的。例如，可集成油温传感器、压力传感器、单向阀、压力控制阀和塑料滑动阀等。甚至可以安装带贮液罐，双向泵和控制阀的动力单元。这样的设计仅需通过一台电机来单独驱动2个离合器，例如在实现扭矩矢量分配的系统中。

变速箱中的高效干式油底壳润滑系统

这个理念又简单又好：飞溅式润滑的变速箱通常需要2-3bar的工作压力。当油流量保持不变时，如果油压减小到0.05bar， 所需的液压动力仅为原来飞溅润滑的2%。这套系统已经从2014年开始批量生产应用在奥迪新款双离合变速箱DL382-7F中，并且能减少二氧化碳排放2 g/km【3】。

▲图8：奥迪双离合变速箱DL-3827F中润滑功能原理【4】

这套系统中，可调速回油泵EP20现已被研发出来，它集成了电子元件和油温传感器。它把油液从变速箱油底壳处输送到配油系统，这套配油系统拥有大型横向出油孔并且位于齿轮啮合处上方。然后，油液从这些开口处流出并润滑齿轮组。尽管油液会由于在整个使用过程因齿轮磨损受到污染，离心泵的电流消耗在变速箱平均油温80°C时总计小于1A，因此，这个元件显然比容积泵更有优势。

应用

在变速器和传动系统中，现今的研发专注于润滑、散热和驱动执行方面。通常，变速器的工作油温范围在−40 °C 到 +140 °C。低成本容积泵油液压力上升到20bar是可行的。泵的型号和排量是根据油压和流量的需求来选择的。如果需要更高的功率，考虑到散热，应当考虑在油底壳操作及附加一个单独的控制元件。

▲图 9：电子油泵——FTE的产品系列

在泵使用其他液体之前，像乙二醇/水混合液、机油或制动液，需要进行材料的兼容性和耐久性实验，如有必要，需选用合适的材料、零件和密封件。

总结

在汽车行业中，定制化解决方案期望的是以尽可能低的成本来提供尽可能好的功能。这两者的矛盾只能通过使用模块化系统来解决。结果表明，工程塑料是优化电子油泵的空间布置、成本和重量的重要解决方案。上述概念能为不同客户需求和应用提供所需的功能。此外，归功于已完成数量庞大的基础研究实验和FTE全面而专业的数据采集，以及它的研发、生产和检测设备，相近系列产品能在短时间内实现生产。