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收稿日期:2020-09-25
作者简介：魏彪(1987 )，男，硕士，工程师，主要从事发动机润滑系统机油泵设计开发工作㊂E-mail:weib@hnjyb㊂
DOI :10.19466/jki.1674-1986.2021.01.013
魏彪，许仲秋，刘光明，佘笑梅
(湖南机油泵股份有限公司，湖南衡东421400)
摘要：根据商用车技术特征及应用工况，结合国外发展现状，对商用车变排量机油泵的技术难点进行了初步分析，提出了以连续可变排量为控制策略，以滑动式变排量叶片泵为结构特征，结合烧结硬化粉末冶金滑块及叶片圆弧面DLC 涂层等耐磨损方案的技术路径㊂通过对某变排量机油泵进行耐久试验，证实该技术路径能够满足在商用车领域的可靠性要求㊂
关键词：商用车；连续可变排量；叶片泵；烧结硬化;DLC 涂层中图分类号:TK423
Technological Path Analysis of Variable Displacement Oil Pump for Commercial Vehicles
WEI Biao,XU Zhongqiu,LIU Guangming,SHE Xiaomei
(Hunan Oil Pump Co.,Ltd.,Hengdong Hunan 421400,China)
Abstract :Integrating the developing status abroad,difficulties in development of variable displacement oil pump for commercial vehicles
was analyzed preliminary on the basis of technical feature and working condition.Technological path with continuous variable displacement
control strategy,combining with sliding variable displacement vane pump structure,sinter hardening steel slider and DLC coating on the arc surface was put forward.Durability test was conducted for one pump with this technological path.The result shows that the technology can
meet the reliability requirement for commercial vehicle field.
Keywords :Commercial vehicles;Continuous variable displacement;Vane pump;Sinter hardening;DLC coating
0㊀引言
随着我国重型商用车第三阶段燃料消耗量限值规定 2020年在2015年基础上燃料消耗量限值加严约15% [1]，商用车面临严峻的油耗和排放法规升级压力，节能减排已成为行业发展的重点㊂根据国外试验结果，商用车应用可变排量机油泵可以实现油耗降低0.3%~0.5%，并且有进一步降低油耗的潜力[2]，对于长期处于高速的商用车，采用变排量机油泵最多能降低3%的燃油消耗
[3]
㊂
商用车采用变排量泵技术顺应节能减排宗旨，未来取代传
统定量泵已成为国内外共识㊂美国Paccar 公司最新一代采用变排量机油泵的MX11L 和MX13L 商用车发动机已实现量产并取得了很好的节能效果
[4]
㊂预计最迟到2022年，国外主流商用
车均会推出采用变排量机油泵的量产车型㊂国内各大主机厂也正积极开展相关研发工作㊂
1㊀商用车变排量泵的技术难点
相比于乘用车，商用车发动机具有低转速范围㊁大排量㊁高可靠性㊁大负载㊁强震动等特征，因此商用车变排量泵的开发存在以下技术难点:
(1)系统的变量匹配
商用车工况复杂，负载变化大，车型多，排量跨度从
3~15L 不等，一㊁二级变排量控制策略单一，只试用于长期
在中高转速运行的情况，调节能力有限，对于普通定量泵而言
并无明显节能优势㊂且商用车发动机正常工作转速范围一般在600~1800r /min ，转速变化范围窄，对于变排量控制精度要求更高㊂因此，需调整润滑系统控制策略，匹配不同工况流量需
求，实时精准按需供油，才能有效达到节能效果㊂
(2)变量机构的高可靠性
根据商用车工况㊁负载㊁寿命等特殊性，要保证变量机构长期在复杂工况下稳定运行，一是提升各运动副在极限情况的强度及抗卡滞能力；二是优化总成结构设计，使零件承载均匀，避免应力集中；三是重要运动副采用低摩擦技术，减少异常磨损并降低摩擦功耗㊂
2㊀商用车变排量机油泵技术发展路径
2.1㊀连续可变排量控制
图1为连续可变排量机油泵控制结构图,ECU 对各传感器
反馈信号进行数据处理并结合一系列控制算法，利用控制器输出能够达到目标压力的占空比给24V 比例电磁阀，从而控制充入机油泵反馈油腔的压力大小，改变内部变量机构行程进而改变排量㊂
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图1㊀可变排量机油泵控制结构图
㊀㊀由于加工㊁制造㊁装配㊁磨损等综合原因，实际油压表现
与目标压力有细微偏差，因此需要采用开环预控结合实际压力反馈信息的闭环PI 控制以保证系统时刻达到目标压力值，实
现全可变排量控制㊂
2.2㊀滑动式叶片泵结构
变排量泵多为叶片泵，其他类型如齿轮式及转子式变排量泵在结构可靠性㊁节能潜力㊁成本等方面存在不足，很少采用㊂图2所示的滑动式与摆动式为叶片泵两种常见结构，滑动式叶片泵滑块通过沿偏心方向移动改变偏心，摆动式叶片泵滑块通过绕旋转销的转动改变偏心㊂表1列出了两种结构形式特点
㊂
图2㊀叶片泵的典型结构
表1㊀滑动式与摆动式叶片泵对比
序号滑动式叶片泵
摆动式叶片泵
1控制腔及变量弹簧腔沿偏心方向布置且占空间小，进出油口分列两侧，便于油道布置
变量弹簧布置在进油一侧，占用空间，油道布置受限2承载能力强，滑块承载面积小，且只承受推力，不承受弯矩承载能力弱，滑块通过弯矩转动，力臂最长位置弯矩大3控制腔短，封油宽度大，且无旋转销，泄漏量小，对变量影响小
控制腔长，旋转销位置间隙大，高压油通过端面及旋转销泄漏到控制腔，对变量压力影响大4变量弹簧刚度大，长度短，稳定性高
变量弹簧刚度小，长度长，稳定性差
5
滑块可移动最大位移与偏心距变化相同，对电磁阀控制精度要求高
滑块可移动最大位移略大于偏心距变化，更利于电磁阀控制
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㊀㊀通过对比可知，滑动式叶片泵更适合商用车工况需求㊂在
滑块可移动最大位移方面略有不足，但相差不大，且目前24V
比例电磁阀的控制精度已能够弥补滑块移动距离短的问题㊂
2.3㊀烧结硬化粉末冶金滑块
叶片泵滑块内孔与叶片圆弧面之间长期重载高速接触摩
擦，对于强度及耐磨性有较高要求㊂烧结硬化粉末冶金材料淬透性高，加速冷却时形成的马氏体体积分数大于80%，可生产硬度高耐磨性好的粉末冶金件，适用于商用车滑块㊂表2为铁碳铜合金与烧结硬化合金机械性能，由表2可知，烧结硬化合金比常用的铁碳铜合金在机械性能㊁密度方面，均有明显提升㊂
表2㊀铁碳铜合金与烧结硬化合金机械性能
㊀抗拉强度/MPa
屈服强度(0.2%)/MPa
抗弯强度/MPa
硬度(表观)密度/(g ㊃cm -3)
MPIF FC-0208-50
410
380
860
73HRB
6.7MPIF FL-5305-150HT
1100
1100
2140
40HRC
7.2
2.4㊀叶片圆弧面DLC 涂层
DLC 涂层技术目前在活塞销㊁挺杆㊁活塞环上应用较多,
具有较高的硬度和自润滑能力，主要目的是为了减少摩擦，增
强耐磨㊂该涂层采用物理气象沉积+等离子增强化学气象沉积工艺，厚度可控制在2~4μm ，能够承受350~400ħ高温，与
基体的黏附力超过25N ，使叶片与滑块内孔接触的圆弧面硬度
提高到2000HV ，满足可靠性需求㊂对比aCH 与taC 两种DLC
涂层材料的叶片圆弧面与铁基体的摩擦因数变化曲线(图3),Rz =2μm 且在润滑条件(SAE 0W30Oil )下，摩擦因数明显下
降，在滑移速度2.6m /s 时，摩擦因数由未加涂层的0.104下
降至0.07，耐磨损特性明显增强
㊂
图3㊀增加DLC 涂层的摩擦因数变化(Rz =2μm)
3 商用车变排量机油泵可靠性试验
在油泵转速5200r /min 和泵出口压力1MPa 的超速过载条
件下，不考虑变量及安全阀开启，对采用以上方案的某变排量
泵进行500h 耐久试验分析㊂由表3可知，叶片未采用涂层处
理且应用普通铁碳铜合金的滑块，经过耐久试验，叶片圆弧面
出现明显磨损凹痕，滑块内孔表明呈波纹状变形；而新方案的叶片及滑块内孔，表面光亮，未见明显磨损痕迹㊂如图4所示，通过三坐标仪对试验前后滑块内孔3个截面进行扫描分
析，其最大磨损量不超过0.013mm ㊂采用新方案的变排量机油泵在可靠性方面取得较大改善㊂
表3㊀两种方案耐久试验后的磨损情况对比
零件
叶片DLC 涂层+烧结硬化粉末冶金滑块
普通叶片+普通滑块
叶片圆弧摩擦
面
滑块
内孔
图4㊀耐久试验后的滑块内孔磨损量检测
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4㊀结论
(1)商用车采用连续可变排量机油泵控制方式能够根据实际工况和环境进行预判，但需要与发动机运行工况㊁润滑系统零部件需求等进行匹配，关键点在于确定发动机精确的润滑流量需求㊂因此最终节能效果需通过搭载发动机进行标定测试后综合评定㊂尤其在系统控制稳定性㊁鲁棒性㊁系统故障诊断方面还需
要不断完善㊂
(2)耐久试验结果表明，采用烧结硬化粉末冶金滑块及叶片圆弧面DLC 涂层后，变排量机油泵抗磨损能力得到提升，适用于商用车工况要求㊂后续将进行电磁阀与油泵组合，并在变转速工况下验证电磁阀调节的可靠性与稳定性㊂
参考文献:
[1]郑天雷，王兆，保翔，等.我国重型商用车第三阶段燃料消耗量
限值研究[J].中国汽车,2018(11):34-38.
ZHENG T L,WANG Z,BAO X,et al.Research on heavy-duty com-mercial vehicle fuel consumption limits standard of China (the third
stage)[J].China Auto,2018(11):34-38.
[2]韩俊楠.可变流量机油泵在商用车领域应用的前景分析[C]//2009年度学术年会论文集,2009:1-5.
[3]李锵，倪计民，南江，等.基于AMESim 的叶片式可变排量机油泵
产品开发[J].内燃机工程,2013,34(3):77-81.
LI Q,NI J M,NAN J,et al.Development of vane type variable flow
oil pump based on AMESim[J].Chinese Internal Combustion En-gine Engineering,2013,34(3):77-81.
[4]小林弘晃.车用柴油机的市场趋势与技术发展动向[J].彭惠
民，译.汽车与新动力,2018,1(6):34-37.
未来智能汽车不止于出行
这是2020年6月广州市首批20辆自动驾驶出租车投入运营带来的改变：智能汽车已真实地走进老百姓的生活㊂
广州市发展和改革委员会总经济师谭虹说，广州市智能汽车产业已构建起涵盖上游㊁中游以及下游的产业链，集聚上百家代表性企业；全市数十条道路上开放了道路测试，长度超过135km；已颁发道路测试牌照24张，投放80辆自动驾驶出租车，并启动了自动驾驶公交应用示范线㊂
记者在2020年12月4日闭幕的世界智能汽车大会上了解到，不仅在广州，智能汽车在全国也在快速发展㊂在北京㊁上海㊁长沙㊁苏州㊁武汉等地，各种智能汽车新项目不断涌现㊂
国家发展和改革委员会国际合作司副司长高健说，截至2020年6月，全国17个城市已累计发放约282张自动驾驶道路测试牌照㊂
据中国汽车工业协会预测，中国将在五年内实现低速驾驶和停车场景下的自动驾驶，在十年内实现更多复杂场景下的自动驾驶㊂到2040年，道路上行驶的车辆将有3/4是智能驾驶的车辆㊂
高健认为，到2025年全球网联汽车数量将接近7400万辆，其中中国网联汽车数量将达到2800万辆㊂
智能汽车是指通过搭载先进传感器等装置，运用人工智能等新技术，具有自动驾驶功能，逐步成为智能移动空间和应用终端的新一代汽车，被业内视为汽车产业颠覆性技术革命㊂其代表性的无人自动驾驶技术因自身特性也面临着 毫秒延迟㊁生死两隔 的挑战㊂
从我国智能汽车产业看，当前发展也面临不少难题㊂ 智能汽车发展尚处于起步阶段，仍面临多重制约与挑战㊂需要继续以开放姿态开展智能汽车国际合作，构建更加科学和完善的专业人才培养体系，开展人才储备和梯队建设㊂ 高健说㊂
中国汽车工业协会总工程师叶盛基说，未来智能网联汽车产业的发展需要海量数据支持，但目前单一车
型的数据远不能满足未来L4级以上自动驾驶所需要的数十亿级的数据积累㊂此外，行业目前还未形成有效的数据共享生态，企业间还处于数据孤岛的状态㊂
芯片和系统仍面临 卡脖子 问题㊂国家发展和改革委员会国际合作中心主任黄勇认为，我国智能汽车在底层技术层面还需加快形成自主可控的标准化汽车技术系统和架构体系，解决芯片㊁软硬件和系统零部件等各类瓶颈㊂
但市场对我国智能汽车产业依旧充满信心㊂在与会嘉宾看来，随着中国数字经济的发展，交通数字化㊁信息化和智能化正让自动驾驶的应用前景变得更加宽广，智能汽车产业正迎来风口期㊂
会上发布的‘2020智能汽车产业研究报告“预测，中国将可能成为全球最大的自动驾驶汽车市场，包括传感器㊁计算平台和软件在内的自动驾驶系统成本在2023年后将迅速降低，自动驾驶出租车预计将在2025 2027年之间迎来商用拐点㊂
以 世界工厂 广东来看，作为全球重要的汽车制造基地，广东正在形成相对完整的智能汽车产业链㊂在整车领域，依托广汽集团㊁小鹏汽车㊁比亚迪等企业，智能汽车龙头效应在不断增强；在自动驾驶系统领域，小马智行㊁文远知行等初创企业相继落户，正推动L4级别技术的数据快速积累
未来的出行，可能只需在手机上进行预约，无人驾驶车辆就会出现在你面前，并自动规划最优路线，将你送到目的地㊂
而随着自动驾驶商业化进程不断加快，尤其在新冠肺炎疫情催化下，自动驾驶商业化场景的探索向载货㊁多功能车领域不断拓展，承担最后一公里运输的无人配送车㊁无人清洁车以及矿山㊁港口等特定场景的商业化应用也开始显现㊂
展望未来，智能汽车的商业化应用不仅能弥补劳动力缺口，更是将单纯的运输工具变成承载更多属性和智能的移动生活空间，让人的出行更加便捷㊁高效和舒适㊂ 叶盛基说㊂
(来源‘科技日报“)
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