高欣：如何提高现代变速器性能的耐高温应用

　　中国汽车工程学会联合中汽翰思管理咨询公司于2010年4月23日-24日、第十一届北京国际汽车工业展览会期间，在北京国家会议中心举办“2010国际汽车自动变速器技术及中国产业化研讨会”。搜狐汽车全程报道。

　　高欣：大家好，我是LS的高欣，我们公司在中国刚刚进入不久，名字大家很陌生。我跟大家介绍一下，LS的名字来源是公司的两个创始人，在德国是一家不大的公司，主要是从事咱们的高性能的聚合物在特殊环境下的应用。所以今天的报告本来是应该由我们德国的研发中心的经理给大家介绍，很不幸的是由于火山灰的影响，没有能够及时的前来。由我代他做一个发言，主要的这次的题目就是说，如何提高现代变速器性能的耐高温的应用。咱们的这次的内容主要的分成，阐述一下我们对于现在的密封圈的，在变速器当中应用的概念，和其他的一些零件所对它产生的一些影响。第二个是咱们的密封圈的系统的结构，可能大家密封圈在变速器当中的一些相干涉的条件，第三个是咱们的平常的工作条件，还有对密封圈的一个整个的系统分析，比如如摩擦力造成的一个损失，然后密封圈工作时候运行的状态。还有对咱们接触面的这样压力的分配，还有密封圈相配合的沟槽的温度的阐述。最后是我们在设计过程完善之后，如果通过实验去验证。

　　还有就是我们的给出一个到两个这样的优化的案例。在变速器领域，就是在整体设计概念当中，从一开始的AT，到CVT，到DCT，这是传动的概念上的区分，但是我们作为供应商来说，我们需要做的是在我们单个产品当中，更多去优化，每一个产品的优化，才能使每一个变速器得到整体的优化。

　　那这幅图，大家可以很明显看出来，我们的密封圈所工作的环境。在这个当中呢，咱们的密封圈一般成对工作的，锁住油压，外面是密封圈相对应的轴，这是轴箱，这是密封圈的接头，密封圈这边的接头产生了油的适当的泄漏，有润滑的作用。有比较细的绿色的箭头，体现出来了整个密封系统当中的泄漏，把它分成最主要的，也是我们目前认为90%的泄漏，通过接头可以有控制地泄漏出去。密封圈的侧面，与轴相接触的侧面和密封圈的顶面，与轴箱接触的顶面的泄漏。讲到接头是产生密封圈泄漏的最主要的部位，我想给大家介绍一下接头的来源。

　　开始没有耐高温辅料的介入，一开始是由灰口铸铁做密封圈，当时受技术的限制，只能做直线和斜线的接头，后来由于我们引进了材料，可以做相对复杂的接头，有倒钩的接头。随着技术不但地提高，可以用PEK和PI做密封圈，承受的温度会更高，承受的压力也会更高，同时有更好的自润滑性。这个时候十年前设计了R型的接头，这是最新的T型的接头。由于接头的变化，导致了泄漏量的变化。我们的工程师在设计变速器的时候，需要咱们有这个泄漏，但是在泄漏的量上面，应该是越小越小，因为泄漏量越小，油泵相对越小。整个由于小小的接头，会影响到油泵的尺寸，从而影响到整个本身变速器的体积。

　　在这边就是说，可以看到这是咱们的一个，把这块切出来以后，一个截面图，油加压以后，怎么样工作的，通过密封圈的沟槽下方和侧面产生正压力，由于有了这样的正压力以后，密封圈会牢牢地稳固在轴箱上面，从而起到密封的效果。工作的条件一般来说，我们认为在自动变速器当中，密封圈是相对于受到配合的轴的尺寸的影响，一般是在25到60毫米之间，转速是略大于引擎的转速，所能承受的压力一般在1.8兆帕，极限是在CVT的应用当中，因为本身CVT非常紧凑，对密封圈的要求更紧凑一些，会做到12到30毫米的直径，由于本身是两倍引擎的转速，转速会达到一万两千转，压力会达到八个兆吧。

　　这边给大家介绍一下咱们的密封圈所和轴配合的时候，产生的摩擦力，从而造成扭矩的损失。对于咱们的工程师来说，尽可能想去逃避这样的一个扭矩的损失，如何去减少扭矩的损失，我们可以把这个分成三段，就是我们这边的第一部分，第二部分，第三部分。

　　第一部分侧面有一些油泄漏出去，这边会产生一个减轻阻尼的损失，接触面这块有非常小的，有0.1到0.3个毫米，非常小的间隙，使能量受到一定的损失。所以在第一部分这一块，如何控制咱们足够的泄漏量，是一个非常关键的一个因素。

　　那在第二部分，也就是咱们密封圈相对于咱们的轴作为一个摩擦运动的这样的一块，那也就是说，咱们的轴的接触面这一块，会产生一个剪切阻力，尤其在边缘当中，会产生比较大的摩擦力。

　　然后同时呢，由于密封圈要起到密封作用的，相对于轴的箱体有一个净压力的存在，自然有一个非常小的减轻阻尼的损失。

　　第三个是咱们本身的油泵系统把油泵进来的产生的剪切阻力的损失，这当中空间较大，会产生稳流动的这样一个阻力的损失。

　　咱们具体分析一下，我们密封圈平时工作当中的环境，是如何产生这些相应的摩擦力，而且摩擦力如何造成咱们的系统当中的扭矩的损失的。首先前面跟大家介绍过，由于咱们正向有一个油压的压力，产生在这样的侧面当中，同时下方有一个向下的压力，密封圈封在了箱体之上。同时由于很小的接触面有一个非常细小的缝隙，也会有一些油从这个当中泄漏出去的话，这个当中也会有一定的泄漏油体，会产生一定的压力。我们放大出去，就可以看到，在微观当中放大出来了以后，因为有这样的一个油的渗入，所以在这边微观当中，也是会产生相对于反方向的压力，从而会抵消掉一部分从咱们看，从屏幕的左方来的这样的压力，结合这样的计算以后，咱们的密封圈由下到上，压力是从大到小的。

　　由于咱们的密封圈的这样的一个相对于轴的这样一个静止的运动，会造成一个咱们在变速器运转当中的磨损，咱们要么密封圈，要不轴的磨损，要不轴的摩擦产生大量的热量，造成的热损失。

　　这个就是咱们德国的博士，计算出来相对于各个面的压力的公式。在顶部其实跟它在侧面的工作的原理应该是相同的，这幅图很好反映出来在不同的转速和压力下，这边所产生的一个温度的一个不同的一个区域。这个是，这幅图是在八百转的整速下，1.5兆帕的系统压力下，这个时候相对来说，轴这块跟密封圈接触的面积只能产生32瓦的损失，当咱们的系统进入高速运转，450转速的时候，这边会上升到270瓦，这两个数据不一样，瞬间的接触面的温度在咱们负载运转的时候，最高的时候，可能会达到190度，甚至会超过这样的温度。这个时候有一些普通的塑料材料或者高温的材料，就不能在这样的状态下工作。

　　在这里逐渐聚集着产生这样一个热量，首先由于咱们机械的就是说系统的这样一个油压，对它产生了一个相当于正压力，所以这边塑料会相对于有一个变形，在微观上来说。同时呢又由于咱们的工作当中，产生摩擦，产生热损耗，会有一定的热胀冷缩，一个是向上下方向，还有向左右方向的热损耗。所以结合这两个方式，咱们现在可以看到，这是综合以后，其实实际运行当中，它的我们的密封圈的外形可能就变成了一个梯形。

　　同时大家可以看到，这边产生了一个很小的间隙，这个间隙是前面我跟大家介绍的，前面会有一定的油，进入到它里面，对反向产生一定的压力。

　　同时呢，刚才上面大家看到的图表也是我们通过咱们的计算机的分析，得出来的压力和热这样的载荷。这是在咱们就是800转时候的温度显示，由于咱们不同的密封圈所处的半径，从根部到端部不同的位置，产生的应该叫正压力，同时产生的一个热量。这边可以看到的是，在一千五百转的时候，咱们的3000转的时候，450转的时候，6000转的时候，温度逐渐升高到接近200度，这是整个的它的这样一个逐渐变化的过程。

　　同时如果咱们是在转速相同的情况下，由于压力的不同，我们又通过咱们的分析，得到了五组数据，也就是说，每组数据都是在验证着咱们密封圈在靠近顶端的位置时产生的热量，最高的这样一个部位。咱们前面有些人分析，我们如何验证它，我们公司设计了这样一个测试密封圈运转的这样一个测试端。在这个当中可以看到，这边是咱们的电机，比喻成平常工作当中的发动机。然后呢，紧接着电机有咱们的扭矩和温度的传感器，再接着是咱们的传动轴，这是密封圈的工作室，测试室里面有客户的直径，按照客户轴的直径相同的模拟的传动轴，同时放在传动轴当中，如何测量泄油量，会测量我们的密封圈在工作当中，泄漏出来的这样的一个流量。

　　这是咱们的测试端的内部的结构，这边可以看到的是，这是咱们的传动轴，这是模拟客户的应用尺寸所模拟出来的客户在变动系统里面的尺寸，我们的密封圈在这四个点工作。

　　这个就是咱们的一个油的走向，是从下至上的。同时为了保证系统的油压的温度，我们又在这边有一个加热元件，咱们的油从系统当中流出去了以后，有一个加热，从而保证有一个恒定的温度。

　　这是我们测试通过咱们的机器测试出来耐热密封圈的测试的结构，可以看的出来的是，这个灰色的非常淡的颜色，这是我们相对应的在一个兆帕之下的工作的这样一个情况，然后这是深颜色的是在三个兆帕工作下，标准是我们按照AT变速器，56毫米轴的直径，用的材料是API的材料，我们测试的程序是先预热一小时，进行第一次的功能测试，然后再进行24小时耐久测试，再进行第二次的功能测试。

　　上面这幅图，随着转速的不断地增加，我们扭矩的损失也是不断地减小的。应该说逐渐地减小的，下面这幅图随着转速的不断地增加，我们的温度也是不断地成正比的上升的过程。同时我们下面阴影的部分，就是咱们通过计算机模拟所产生的这样的一个效果图，把它合并于咱们实际所测量的这样一个测量图上面，可以看到就是说，我们的计算机的模拟有些人分析相对还是准确的。

　　那作为一个对比实验呢，我们另外同时作为一个咱们的灰口铸铁，最早一代密封圈的测试，但是大家要注意的是，这个运行环境只能到1.25兆帕，达不到3个兆帕的 要求，只能去模拟一下，这个时候，在1.25兆帕的时候，不管随着温度的上升，金属材料不会产生一定的变形，从而产生一定的压力的一定的减小，从而产生摩擦力的减少，而金属材料由于本身形状相对比较固定，所以随着转速的不断的上升，扭矩的损失也是逐渐在扩大，可以达到一个牛顿。

　　同时这个也是CAE分析的一个结果，应该说也是跟咱们的实际的测试是相吻合的。既然讲到了变速器的密封圈的这样一个接触面，对它的热量的产生，是比较的重要。这个时候我们就需要好好地研究一下，它的这样的接触面。也就是我们是认为，压力和温度，导致了咱们密封圈的变形，使得咱们的净压力减小，相对应导致能量的损失的减小。而耐高温材料的应用，达到了无心插柳柳成荫的这样的使效果，所以这个时候我们既然说的前面是基于标准的截面的密封圈，我们为什么不能人为设计出这样的一个凹槽出来，从而使得它压力的减小，来达到我们客户所要求的摩擦力的减小，从而达到扭矩的减少的话，这个时候我们设计了几种方案，一种是简单的梯形的方案，还有一种是斜面的，通过方案的分析，我们得到了口袋形的方案。

　　那这个就是我们举了一个实际的实例，是咱们在平行的DCT的离合器当中，做了一个这样的应用，这边可以看到这边五个是我们的密封圈，这边是相对于支撑这个轴的这样一个轴承，那标准的这样的就是说，矩形的截面的时候，会产生一定的变形，然后也是由于巧合，有一定的变形，会有一定的油的进入，同时对反面产生正压力。既然这样的话，我们把它设计成一个有缺口的形式，这个时候就是说，对它人为地造成了这样的一个油的进入，实际的工作面积其实只有在这边这一块。

　　那既然说我们要考虑到我们客户的要求，去帮我们的客户达到扭矩传递的优化的措施，我们又假定了其他的方式，帮我们的客户来达到这个优化。那在这个图表当中呢，可以看到的是，这个系统的压力，是在1.5个兆帕，系统温度在80度的时候，首先我们使用的是标准的57毫米直径的轴，达到的这样的一个不同的，这是通过不同的模拟以后，得到不同的转速下的扭矩的损失的情况。然后我们同时又尝试了用不同的直径的轴，来达到相同的这样的一个目标的话，那这个时候，我们发现在56.8厘米的直径的轴的，它所在一开始启动时，对于咱们扭矩的损失是最有帮助的，可能降低了将近53%这样一个数据。

　　然后这个就是咱们在扭矩传递当中的实验实测的结果，前面这幅图是通过计算机的有限元分析得到的结果，我们通过实际测量，在前面所说的测试机台上面测试到的结果。应该说从咱们的高过一千转以后的，应该说在八百转以后，应该非常接近于我们这样的一个计算的结果，但是在前期这一段，还是与咱们的实际会有一定的偏差。

　　总结起来就是说，我们认为是在很多的零件在影响着变速器传递的效率，如何设计得当，即使是小小的密封圈，也会帮助客户得到扭矩的减少，降低扭矩的损失。由于摩擦力的减小，相对于密封时的旋转，和咱们载荷和温度造成的密封圈的变形，其实是可以被我们用计算机，或者说实际的设计当中所预见到的。通过计算机的模拟，我们的工程师可以得到更多的设计的启发。作为咱们密封圈的应用的新型的材料，在耐高温的材料相对于咱们的以前的传统材料上面，有如下的优势。比如说由于新材料的应用，导致了加工方式的不同，所以街头的组成有新的革新，同时又由于咱们相对于减少了净载荷的变形的截面的设计，降低了磨损，对于我们的系统带来的一个影响。密封圈造成的一个能量损失，我们说是可以通过我们的设计，来帮助我们的客户提高，最高前面做了一个比较，将近能够达到50%的一个提高，谢谢大家，就是这样的情况。（掌声）

　　管欣：感谢高欣博士，从小小的密封圈，LS公司采用了大量的研发和实验。刚才的同步环，实际上我觉得可能原理决定和性能，但是这些细节和关键的技术，因为我听了很多的好像是不要同步环，这些密封没有提到过。这样的话，我个人感觉细节决定了品质和设计水平。因为时间关系，后来还有非常精彩的高层专家交流，所以我们不提问题了。请大家以热烈的掌声感谢高欣博士的演讲。（掌声）