摘要
按照不同的需求，油泵被越來越頻繁地運用於變速箱和傳動系統中，其核心元件是電子整流電機。運用此技術的主要原因是可以提高效率的程度，從而減少燃料消耗和二氧化碳的排放。其主要發展目標是進一步地改善功能，減少安裝空間，重量和成本，以提高油泵在不同應用中的靈活性和可用性。
基於長期在電力驅動和硬件、軟件領域設計的經驗，以及對塑料加工和液壓系統廣泛深入的認知，汽車零件供應商FTE正在設計一套全新的油泵系列。基於對產品高集成度和模塊化的設計，將對此產品系列設立一個全新的標準。
具體信息由以下幾點展開：
- 泵、電機及電子產品的基本設計和集成，
- 合理使用塑料材料，
- 在不同液體中的應用，泵的類型和泵的設計，
- 電機的選擇，
- 散熱設計，
- 不同的設計以應對不同的性能需求，
- 電機控制選項，
- 可能的接口和附加選項。
在自動變速、無級變速和雙離合變速箱中，這些泵通過液壓驅動執行機構或者加載一個蓄能器，可應用於在發動機靜止時的啟/停功能，還可以用於對傳動系統的潤滑和冷卻等。
此外，基於此類油泵的模塊化設計，還可以更多地應用於傳動系統以外的各種可能性。因此，油泵的模塊化設計使其能快速地適應不斷變化的需求和規格要求。
需求和概念
對於不斷增長的油泵市場，其挑戰是如何根據不同的需求進行調整：到目前為止，只有少量的整車廠有計劃在未來的車型上運用到大量的油泵。另一方面，也存在對中小批量的需求。因此在和客戶做項目中，零件供應商很少能提供全自動生產線，並且能順利地生產或購買大量的零件。
基於上述原因，一般的方案都是直接提供金屬材料的現有的泵和電機，而這樣的產品會損失安裝空間，重量及成本。考慮到電機的選擇，隨著越來越高的功能要求，將使機械整流電機逐步退出市場，而由帶有更復雜控制電子元件的高效無刷電機替代。
和其它的各種對泵的開發一樣，這裡的目標是減少安裝空間，重量和成本，以及提高功能性和靈活性。而且它必須仍使客戶能按照規範集成泵、電機和電子元件。其中至關重要的是優化零件接合面及製造技術。
▲圖 1：泵、電機和電子元件可以自由組合
以泵模型EP200為例，圖1顯示了FTE的模塊化方案。通過簡單更改調整泵的法蘭盤，油泵就能用於各種機械接口，或插入式連接能360度旋入到任何方向，而不用更改注塑模具。泵的殼體包括軸頸軸承並選裝軸封。殼體還包括環形齒輪泵外轉子的導向。內轉子安裝在電機軸一起，並由後者驅動。
電機轉子與電機軸一體注塑，其形狀似一個罐子。泵的殼體與這個罐子相連。在電機的定子繞組繞成後，注塑包覆成型。在最後一步進行注塑時，接插頭的針腳也是作為插件放入工裝後集成在一起。最終，將定子擰到泵的法蘭盤上。塑料注塑成型能在振動時保護電機線圈，提高其散熱和電子元件室相對於電機室的密封。
電子元件的印刷電路板和定子針腳及接插件按壓在一起。之後，電路板被放置在定子殼體上，緊接著將電子元件蓋板蓋住電路板。此蓋板與定子殼體用自成形螺絲相連，因此使電路板固定就位。接著，在泵和電機間及電機和電子元件間分別置有一油封。現在，只有進油口和泵法蘭盤的出油口需要與客戶端的法蘭密封。除了接插件和泵法蘭盤的兩個耳朵外，儘管EP200有出色的性能表現，此泵在各個方向只需70mm的安裝空間。
塑料材料的使用
在傳動和動力總成零部件領域，工程塑料已經成為技術革新，高度集成系統開發的重要設計元素。比較好的範例是應用於奧迪新的雙離合傳動系統DL382-7F中，採用了可調節油泵EP20的乾式油底殼潤滑系統。
▲圖 2：應用於奧迪雙離合傳動系統DL382-7F中幹油底殼潤滑系統的油泵
此泵包含一個電機殼體，定子線軸載體和泵殼體，都由PPA材料製成。將注塑成一體的法蘭襯套和接線插腳作為一個插件放入注塑模具中，集成於電機殼體中。使用C&C(零件在零件上)方式，為了這種應用而設計出的ACM密封材料，被擠出到泵的殼體上。這保證了泵的可靠的密封，因為此泵是被擰入一個開口的變速箱殼體上的【3】。
因為電子元件，定子和轉子被安裝入電機殼體後，泵殼體和電機殼體被連接在一起。用於泵殼體的PPA材料具有激光透明性顏色，而電機殼體的PPA材料則具有激光吸收性顏色。焊接使這兩個件間的連接牢不可破，密封可靠。
泵的轉子也具有葉輪的功能。它是一個注塑件，由PPS塑料材料包裹鐵磁塊，並嵌有一根鋼軸製成。在特殊注塑機上製造時，該材料的磁偶極由於在這一過程中所施加的電場而與液相相一致。最終，當熔體固化時，它們在材料中的方向是固定的。
如果客戶的應用需要一個自吸泵或具有更高工作壓力的泵，則需採用容積泵或更強大的電機（見圖3）。在這種情況下，熱塑性材料可用於電機蓋，以及定子鐵心疊片，定子殼體和電機轉子的槽絕緣。
▲圖 3：FTE的自吸泵EP100包含很多由工程塑料製成的部件。
關於泵的殼體和蓋子，熱固性塑料是比壓鑄鋁更好的材料。熱固性可以以這樣的方式被修改時，零件
- 不需要再機加工
- 具有相似的熱膨脹係數
- 在油不停地運轉時功能部件磨損少
- 在整個生命週期無滲油
這樣減少了重量和成本，並增加了泵的效率，特別在高油溫情況下。
泵
回油泵沒有壓力要求，最好設計成離心泵，因為電機轉子的必要幾何尺寸和泵的殼體可在沒有任何附加零件的情況下成型。這種泵抗汙性好，從而不需要對液體進行過濾。
環狀齒輪泵是對油壓在20bar以下時的最佳選擇。內外轉子由粉末冶金鋼製成，使其與熱固性塑料作為滑動部件匹配時具有良好的摩擦係數。
相對於很多其它的泵，這種活塞設計基於其內部低摩擦的特性，在極端低溫下更有優勢。更重要的是，活塞泵可以完全由塑料製成。滑片或滾子葉片泵在超過20bar壓力下能正常工作。
▲圖 4：可更換泵模塊；環形齒輪泵和徑向活塞泵為例
如果使用容積泵，電機的接口的設計使得泵模塊可以很容易更換。因此，不同電機軸的可互換適配器被提供在轉子的注塑成型工裝上。泵的型號和泵的排量匹配可以確保最佳的成本效益比。通過選擇不同的材料，泵可以輸送不同的流體。
電機
▲圖 5：單相爪極電機（左），內轉子三相電機（中），外轉子三相電機（右）
對於在油液中的無壓操作，離心泵和爪極電機的組合已被證明是非常成功的。相比使用三相電機或正排量泵，這種組合是無可比擬的廉價而且特別適用於這種情況【4】。
用於冷卻油泵，則帶三相外轉子電機的徑向活塞泵更具優勢。然而，帶三相內轉子電機則最具靈活性。將轉子設計成罐狀是特別有利的，因為罐的內部可以集成泵，軸封或軸軸承。
燒結稀土磁體僅用於更高性能的級別，或需要的安裝空間特別小的情況下。否則，塑料粘結轉子是首選。線圈繞組的方式和定子設計在很大程度上是由要求的效率和安裝條件決定的。可以將傳感器磁體集成於電機軸前端或將非接觸式轉子位移傳感器集成於印刷電路板上；以上方式同樣可用於密封電機內部。
使用浸入式電機，能更容易地使定子繞組和電子元件的熱量散發。在高水平的電機性能表現中這點尤為具有價值。作為變通，這兩個部件必須在結構上被連接到一個合適的散熱片上。這樣，塑料的使用也能有意義。
接口與附加功能
電機是由電子裝置控制的，以最簡單的情況來說，單調節速度可以在開關模式中或通過無傳感器速度控制。通過FOC（磁場定向控制）能任意地調整電機轉矩和電機位置。通過傳動系統控制單元也能提供重新編程。
此外，電子元件能夠在意外錯誤使用時受到保護。通訊和診斷功能能通過PWM, LIN或CAN來被實現。這些現在已經在汽車上可使用的單元所設計的工作電壓範圍在9-16V；此外，也可調節成24V或者48V。
▲圖 6:不同機械接口對成本的影響
機械接口（接合面）對成本有著顯著影響。緊湊型油泵有各種安裝選項。其中“帶徑向密封的卡盤式”是最佳選擇，尤其對塑料製品而言。然而，靈活性最好的是在泵的前端通過法蘭盤連接。如果通過泵法蘭的彎頭（換言之角度安裝）實現，那麼材料會增加，並且，相比之下，工裝也是最複雜的。
▲圖 7：附加功能
考慮到他們的功能性，所有泵當然也是可以升級的。例如，可集成油溫傳感器、壓力傳感器、單向閥、壓力控制閥和塑料滑動閥等。甚至可以安裝帶貯液罐，雙向泵和控制閥的動力單元。這樣的設計僅需通過一臺電機來單獨驅動2個離合器，例如在實現扭矩矢量分配的系統中。
變速箱中的高效乾式油底殼潤滑系統
這個理念又簡單又好：飛濺式潤滑的變速箱通常需要2-3bar的工作壓力。當油流量保持不變時，如果油壓減小到0.05bar， 所需的液壓動力僅為原來飛濺潤滑的2%。這套系統已經從2014年開始批量生產應用在奧迪新款雙離合變速箱DL382-7F中，並且能減少二氧化碳排放2 g/km【3】。
▲圖8：奧迪雙離合變速箱DL-3827F中潤滑功能原理【4】
這套系統中，可調速回油泵EP20現已被研發出來，它集成了電子元件和油溫傳感器。它把油液從變速箱油底殼處輸送到配油系統，這套配油系統擁有大型橫向出油孔並且位於齒輪齧合處上方。然後，油液從這些開口處流出並潤滑齒輪組。儘管油液會由於在整個使用過程因齒輪磨損受到汙染，離心泵的電流消耗在變速箱平均油溫80°C時總計小於1A，因此，這個元件顯然比容積泵更有優勢。
應用
在變速器和傳動系統中，現今的研發專注於潤滑、散熱和驅動執行方面。通常，變速器的工作油溫範圍在−40 °C 到 +140 °C。低成本容積泵油液壓力上升到20bar是可行的。泵的型號和排量是根據油壓和流量的需求來選擇的。如果需要更高的功率，考慮到散熱，應當考慮在油底殼操作及附加一個單獨的控制元件。
▲圖 9：電子油泵——FTE的產品系列
在泵使用其他液體之前，像乙二醇/水混合液、機油或制動液，需要進行材料的兼容性和耐久性實驗，如有必要，需選用合適的材料、零件和密封件。
總結
在汽車行業中，定製化解決方案期望的是以儘可能低的成本來提供儘可能好的功能。這兩者的矛盾只能通過使用模塊化系統來解決。結果表明，工程塑料是優化電子油泵的空間佈置、成本和重量的重要解決方案。上述概念能為不同客戶需求和應用提供所需的功能。此外，歸功於已完成數量龐大的基礎研究實驗和FTE全面而專業的數據採集，以及它的研發、生產和檢測設備，相近系列產品能在短時間內實現生產。
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