增量式數(shù)字閥在DCT主調(diào)壓控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

徐文山，胡北京，，田晉躍

（1.江蘇華通動(dòng)力重工機(jī)械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.江蘇大學(xué) 工程機(jī)械研究所，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

主壓力控制系統(tǒng)控制著主油路壓力，直接影響液壓系統(tǒng)的工作特性.當(dāng)前的雙離合自動(dòng)變速器液壓系統(tǒng)采用的是高速開(kāi)關(guān)閥作為先導(dǎo)級(jí)對(duì)主壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是高速開(kāi)關(guān)閥控制是一種機(jī)械式的高速開(kāi)關(guān)調(diào)制，這就很容易導(dǎo)致管路的壓力脈動(dòng)和沖擊，對(duì)系統(tǒng)及控制元件的工作可靠性和產(chǎn)品的使用壽命產(chǎn)生很負(fù)面的影響［1］.增量式數(shù)字閥可以彌補(bǔ)這些缺陷，步進(jìn)電機(jī)自身就是個(gè)數(shù)字化的元件，可以直接通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制.同時(shí)步進(jìn)電機(jī)是無(wú)累積誤差的，重復(fù)性能良好.增量式數(shù)字閥對(duì)閥體沒(méi)有特別的要求，可以沿用現(xiàn)有常規(guī)閥的閥體［2］.由于增量式數(shù)字閥具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，所以本文設(shè)計(jì)了用于主調(diào)壓系統(tǒng)的增量式數(shù)字閥，以替代原先的高速開(kāi)關(guān)閥.

1 工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

增量式數(shù)字閥的功能是實(shí)現(xiàn)進(jìn)油口壓力按照設(shè)定值保持穩(wěn)定，先導(dǎo)閥能夠控制主閥的啟閉.主閥口開(kāi)度受到先導(dǎo)閥口開(kāi)度的影響，先導(dǎo)閥口開(kāi)度又跟系統(tǒng)壓力有關(guān).如果系統(tǒng)壓力比先導(dǎo)閥調(diào)定壓力大，先導(dǎo)閥口開(kāi)度將增大.也就是說(shuō)，可以通過(guò)改變先導(dǎo)閥口開(kāi)度的大小來(lái)控制主閥口的開(kāi)度，進(jìn)而控制主閥的溢流量，最終將系統(tǒng)平衡于設(shè)定壓力.所以，先導(dǎo)調(diào)壓彈簧預(yù)緊力決定了調(diào)定壓力的大小.增量式數(shù)字閥使用步進(jìn)電機(jī)控制先導(dǎo)調(diào)壓彈簧預(yù)緊力，預(yù)緊力大，系統(tǒng)調(diào)定壓力就高，反之就低.

增量式數(shù)字閥的閥體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 增量式數(shù)字閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of incremental digital valve

2 數(shù)學(xué)模型的建立

增量式數(shù)字閥由先導(dǎo)級(jí)和功率級(jí)兩部分組成.先導(dǎo)級(jí)控制液橋采取適用于錐閥的B型半橋，由半橋液阻設(shè)計(jì)理論可知，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于控制；功率級(jí)則采用了座閥式，級(jí)間反饋為常用的間接反饋.

圖2 增量式數(shù)字閥控制示意圖Fig.2 Incremental digital valve control diagram

在建立增量式數(shù)字閥的模型時(shí)分別對(duì)先導(dǎo)級(jí)和功率級(jí)建模，參見(jiàn)圖2，以力學(xué)方程和彈性流體流量方程作為建模工具建立了增量式數(shù)字閥的動(dòng)力學(xué)方程［3－4］.圖2中，p1為輸入壓力；p2為先導(dǎo)腔壓力；Q0為系統(tǒng)總流量；Qm為主泄油孔流量；Qf為流經(jīng)阻尼孔流量；k1為主閥彈簧剛度；k2為先導(dǎo)閥彈簧剛度，p為系統(tǒng)回油壓力.

閥芯運(yùn)動(dòng)方程：

先導(dǎo)閥的動(dòng)態(tài)特性可以表示為一個(gè)二階阻尼系統(tǒng)，其方程式為

式中：F為步進(jìn)電機(jī)的控制力；A2為受壓面積；m2為先導(dǎo)閥芯質(zhì)量；y為先導(dǎo)閥芯位移；t為響應(yīng)時(shí)間；c2為阻尼系數(shù)；y0為先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)壓縮量.

同理，主閥芯的動(dòng)態(tài)特性也可以表示為二階系統(tǒng)：

式中：A1為主閥芯下側(cè)受壓面積；A3為主閥芯上側(cè)受壓面積；m1為主閥芯質(zhì)量；x為主閥閥芯位移；c1為主閥芯阻尼系數(shù)；x0為主閥彈簧的預(yù)壓縮量；Ffx為彈簧預(yù)緊力.

總流量方程：

式中：Qc為流經(jīng)先導(dǎo)閥的流量.

主泄油孔的流量方程：

式中：Cdm為主泄油孔的流量系數(shù)；α1為主閥半錐角；d1為主閥腔直徑；ρ為流體密度.

阻尼孔的流量方程：

式中：A為阻尼孔截面積；V為先導(dǎo)閥前腔的容積；E為油液的體積彈性模量；Cdf為阻尼孔流量系數(shù)；d3為阻尼孔的直徑.

先導(dǎo)閥流量方程：

式中：Cdc為先導(dǎo)閥口流量系數(shù)；α2為先導(dǎo)閥閥半錐角；d2為先導(dǎo)閥座孔直徑.

增量式數(shù)字閥的壓力控制系統(tǒng)是雙輸入單輸出系統(tǒng).理想的增量式數(shù)字閥，要求在流量干擾ΔQ0輸入的情況下，閥進(jìn)出口壓力差Δp1幾乎不變，壓力的調(diào)定主要是由彈簧壓緊力與控制油壓力對(duì)先導(dǎo)閥的作用力的合力ΔF來(lái)進(jìn)行控制，可通過(guò)改變阻尼孔直徑和彈簧剛度等手段來(lái)提高閥的工作性能［5］.

3 主調(diào)壓控制系統(tǒng)的建模及仿真

利用AMESim建立如圖3所示的增量式數(shù)字閥仿真模型.在建模過(guò)程中主要結(jié)構(gòu)參數(shù)選用實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，未計(jì)入熱交換對(duì)工作油溫的影響.假定工作油溫始終在常溫下，增量式數(shù)字閥的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示.

圖3 增量式數(shù)字閥仿真模型Fig.3 Simulation model of incremental digital valve

表1 增量式數(shù)字閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.1 Main structure parameters of the incremental digital valve

4.1 增量式數(shù)字閥的動(dòng)靜態(tài)工作特性

圖4顯示在20L·min－1的流量階躍輸入下，輸出壓力的變化情況.由圖4可以看出，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)參數(shù)下是穩(wěn)定的，超調(diào)量約為15%，穩(wěn)定時(shí)間為30ms左右.對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間均不一樣.

圖5顯示了不同先導(dǎo)彈簧預(yù)緊力對(duì)調(diào)控壓力的影響.從圖5可以看出，預(yù)緊力大，調(diào)定的壓力就大，而且壓力的調(diào)定與預(yù)緊力的大小成正比.

圖4 輸出壓力的階躍響應(yīng)Fig.4 Step response of the pressure

圖5 先導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力對(duì)壓力的控制特性Fig.5 Pressure control characteristics of the pilot valve spring preload force

4.2 動(dòng)態(tài)特性影響因素分析

本文主要選取阻尼孔直徑、先導(dǎo)閥彈簧剛度和主閥彈簧剛度這幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行分析.

圖6是阻尼孔直徑為0.95mm，1mm，1.05mm時(shí)在流量階躍輸入下輸出壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.直徑越小，超調(diào)量越大，穩(wěn)定時(shí)間也較長(zhǎng)，壓力在穩(wěn)定前波動(dòng)較大.隨著孔徑增大，超調(diào)量有所降低，但沒(méi)有太大變化，主要的影響集中在穩(wěn)定時(shí)間上.這說(shuō)明阻尼孔在系統(tǒng)中主要作為阻性元件使用，其直徑的大小直接影響油壓的穩(wěn)定時(shí)間以及振幅.

圖7顯示了不同先導(dǎo)閥調(diào)壓彈簧剛度對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響.3條曲線分別是先導(dǎo)閥彈簧剛度為2N·mm－1，4N·mm－1，6N·mm－1時(shí)的仿真結(jié)果.仿真結(jié)果顯示先導(dǎo)閥彈簧剛度對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)影響較大.剛度較大，穩(wěn)定壓力也較高，穩(wěn)定性更好.

圖6 阻尼孔直徑對(duì)階躍輸入的響應(yīng)Fig.6 Step response of the diameter of orifice

圖7 先導(dǎo)彈簧剛度對(duì)階躍輸入的影響Fig.7 Step response of pilot valve spring stiffness

圖8中的3條曲線分別是主閥彈簧剛度為1.5 N·mm－1，8N·mm－1，16N·mm－1時(shí)的仿真結(jié)果.對(duì)仿真結(jié)果分析可知，主閥彈簧剛度對(duì)系統(tǒng)的影響小于先導(dǎo)閥彈簧剛度對(duì)系統(tǒng)的影響.主閥彈簧剛度主要影響穩(wěn)態(tài)的輸出壓力，主閥彈簧剛度越大，輸出壓力就越大，反之則越小.

圖8 主閥彈簧剛度對(duì)階躍輸入的影響Fig.8 Step response of main valve spring stiffness

4.3 增量式數(shù)字閥的抗干擾特性和壓力控制特性

如圖9所示，流量從10L·min－1階躍到5L·min－1時(shí)，輸出壓力在階躍流量的干擾下壓力落差約為1.5MPa，經(jīng)過(guò)60ms的調(diào)整時(shí)間就達(dá)到穩(wěn)定；流量從5L·min－1階躍到8L·min－1時(shí)，輸出壓力的變化及調(diào)整時(shí)間相對(duì)較小，總體上增量式數(shù)字閥有較強(qiáng)的抗干擾能力.

圖9 不同流量下的壓力階躍響應(yīng)曲線Fig.9 Step response curve of pressure under different flow

如圖10為閥的增量式壓力控制特性.從圖10可以看出，增量式數(shù)字閥的輸出控制壓力與先導(dǎo)彈簧的預(yù)壓縮量呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系.

圖10 增量式壓力控制特性Fig.10 Incremental pressure control characteristics

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了用于雙離合自動(dòng)變速器主調(diào)壓控制系統(tǒng)的增量式數(shù)字閥，這使得系統(tǒng)的控制性能有了較大的提高；增量式數(shù)字閥綜合了先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)和先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)匹配性.同時(shí)增量式數(shù)字閥良好的控制特性和自鎖能力，使得電液控制系統(tǒng)在精確控制和節(jié)能控制方面都有很好的改進(jìn)空間.

［1］黃宗益.現(xiàn)代轎車自動(dòng)變速器原理和設(shè)計(jì)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006.HUANG Zongyi.Automatic transmission principle and design of modern cars［M］.Shanghai：Tongji University Press，2006.

［2］CHEN X，HUI G，XUAN W.Design and analysis of incremental digital valve［J］.Mechanical Research ＆ Application，2011，4：31－32.

［3］ELNASHAR G A，DIRECTOR－NGUYEN C C.Intelligent controllers based on fuzzy systems and neural networks［D］.Washington：The Catholic University of America，2000.

［4］LUQUE A，QUERO J M.High pressure valves in MEMS：theory and applications［C］.New York：IEEE，2002.

［5］MUSTAFA R，KASSEL T，ALVERMANN G，et al.Modelling and analysis of the electro－h(huán)ydraulic and driveline control of a dual clutch transmission［C］.London：FISITA，2010.