基于高速開關(guān)閥的換擋離合器油壓控制研究

單紅艷，沈國清，邱英杰

(杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年汽車學(xué)院，浙江杭州310018)

離合器在變速器換擋過程中起著至關(guān)重要的作用。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，變速器的擋位數(shù)越來越多，同時帶來變速器換擋頻率的加快，因此，如何設(shè)計良好的換擋離合器控制系統(tǒng)、獲得理想的離合器結(jié)合和分離特性逐漸成為汽車工程界的研究熱點［1－2］。

離合器是通過主動部件與從動部件間的摩擦效應(yīng)來傳遞轉(zhuǎn)矩，摩擦效應(yīng)主要取決于摩擦材料的摩擦因數(shù)以及壓緊彈簧的壓緊力，二者在離合器工作過程中均是動態(tài)變化，而彈簧壓緊力可以通過控制離合器工作油缸的油壓進(jìn)行控制，易于實現(xiàn)［3］。通過對油壓進(jìn)行合理的控制，可以有效避免離合器在換擋過程中產(chǎn)生過多的滑摩功和沖擊度，從而提高換擋系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

離合器油壓控制的工作原理是:系統(tǒng)根據(jù)電控單元的指令信號控制電液控制閥的開閉，以此實現(xiàn)離合器工作油缸油壓的實時調(diào)節(jié)，使離合器操縱機構(gòu)可以自動完成離合器的分離和結(jié)合。由此可見，電液控制閥對油壓控制系統(tǒng)的性能具有重要影響。目前，在離合器油壓控制系統(tǒng)中使用較為廣泛的電液控制閥主要包括壓力緩沖閥、電液比例閥、步進(jìn)電機數(shù)字閥等［4］。壓力緩沖閥成本低、控制簡便，但它對離合器主從動結(jié)合元件的壓力控制靈活性不足，易產(chǎn)生較大的沖進(jìn)度;電液比例閥雖具有較好的控制精度和靈活性，但成本相對較高，控制實現(xiàn)復(fù)雜;步進(jìn)電機式數(shù)字閥以步進(jìn)電機作為比例控制元件，具有良好的可靠性和抗污能力，但響應(yīng)慢、延遲高，進(jìn)而影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

高速開關(guān)閥最初是應(yīng)用在一些要求快速操作的液壓控制系統(tǒng)中，后來，高速開關(guān)電磁閥與脈寬調(diào)制PWM (Pulse Width Modulation)控制技術(shù)實現(xiàn)了結(jié)合，系統(tǒng)便可以通過控制脈沖信號的頻率或者脈沖寬度實現(xiàn)對流量、壓力的連續(xù)控制。除了具有良好的靈活控制性能、抗污性好、結(jié)構(gòu)簡單外，高速電磁開關(guān)閥還具有成本低和響應(yīng)速度快的優(yōu)點，從而方便ECU 信號進(jìn)行直接控制，提高系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的控制性能［5］。

因此，文中決定選用電磁式高速開關(guān)閥作為換擋離合器油壓控制系統(tǒng)的液壓調(diào)節(jié)閥，同時建立相應(yīng)的換擋離合器油壓控制系統(tǒng)，基于AMESim 軟件進(jìn)行包含兩種不同形式的高速開關(guān)閥油壓控制系統(tǒng)建模，完成系統(tǒng)油壓控制性能的分析。

1 高速開關(guān)閥

高速電磁開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其工作原理是通過控制電磁作用力來控制3 個工作油口的開合。當(dāng)控制系統(tǒng)向開關(guān)閥輸入控制信號時，銜鐵2 在通電線圈1 的磁場作用下產(chǎn)生電磁作用力，通過連接作用桿5 和分離銷7 使油閥6 和8 往右移動，此時回油口無油液通過，油液自供油口流入控制口;當(dāng)控制口的油液壓力大于電磁作用力時，回油閥左移，使一部分油液溢流回油箱，直至回油閥左右作用力平衡。當(dāng)沒有控制信號輸入時，無電磁作用力產(chǎn)生，此時在供油口和控制口油液壓力的作用下，油閥6 和8 快速右移，供油口關(guān)閉，控制口中的油液通過回油口快速泄流回油箱。

圖1 高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)圖

電磁式高速開關(guān)閥與其他類型的高速開關(guān)閥一樣，都是通過ECU 輸出二進(jìn)制高低電平來操作控制閥的“開”和“關(guān)”動作，而“開”和“關(guān)”動作的持續(xù)時間一般都是根據(jù)脈沖調(diào)制原理分配調(diào)節(jié)“開”和“關(guān)”的時間比例。在一個脈沖周期里有，有如下關(guān)系方程式:

由式(1)可知:要使高速開關(guān)閥在每個脈沖周期里通過一定流量的油液，可以通過調(diào)節(jié)占空比τ 的大小進(jìn)行實現(xiàn)，而τ 的大小可以通過調(diào)節(jié)Tp和T 的數(shù)值完成。脈沖的調(diào)節(jié)方式有多種，如:脈寬調(diào)制(PWM)、脈碼調(diào)制(Pulse Code Modulation，PCM)、脈頻調(diào)制(Pulse Frequency Modulation，PFM)、脈數(shù)調(diào)制(Pulse Number Modulation，PNM)以及通斷控制等。常用的兩種調(diào)節(jié)方式分別是PWM 和PFM，但由于PFM 在脈沖形成控制環(huán)節(jié)較難實現(xiàn)，所以文中采用的高速開關(guān)閥的調(diào)節(jié)方式為PWM［6］。

2 換擋離合器油壓控制系統(tǒng)

基于高速開關(guān)閥建立的換擋離合器油壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其組成包括兩個壓力傳感器、離合器、高速開關(guān)電磁閥、小節(jié)流閥、卸荷閥、過濾器、單向閥、液壓泵、溢流閥、油箱及一些輔助液壓元件，其中高速開關(guān)電磁閥為常閉型，即在不通電的狀態(tài)下電磁閥的滑閥作用位置在左邊。

圖2 油壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 油壓控制系統(tǒng)的工作原理

為了能夠更好地對整個油壓控制系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行解析和研究，文中結(jié)合高速開關(guān)閥以及離合器的結(jié)構(gòu)，畫出了離合器結(jié)合和分離過程的油壓控制系統(tǒng)工作原理圖，如圖3 所示。

圖3 油壓控制系統(tǒng)工作原理圖

可以看出:電磁閥控制部分的系統(tǒng)輸入變量為供油壓力ps和控制電磁閥產(chǎn)生電磁作用力Fmag的電流i，系統(tǒng)輸出為控制離合器結(jié)合和分離的油壓pr。

在高速開關(guān)閥內(nèi)部存在3 個工作腔，即左工作腔(腔內(nèi)油壓為pc，流量為Qc)、主工作腔(腔內(nèi)油壓為pr，流量為Qr)和右工作腔(腔內(nèi)油壓為pd，流量為Qd)?？刂崎y通過油管與左右工作腔相連，進(jìn)而得到各工作腔的機械反饋變量(如速度、位移、作用力等)。這里的反饋變量為作用力，即作用在左工作腔的作用力Fc和作用在右工作腔的作用力Fd。系統(tǒng)根據(jù)Fc、Fd和電磁作用力Fmag的數(shù)值變化控制高速開關(guān)閥的閥芯位置，進(jìn)而實現(xiàn)控制主工作腔內(nèi)的油壓pr。

2.2 油壓控制系統(tǒng)的工作過程

由圖2 和圖3 (a)可知:在離合器結(jié)合充油過程中，定量油泵提供一定流量的液壓油輸入到系統(tǒng)中，油液流向過濾器，當(dāng)油液壓力大于單向閥的設(shè)定值時，部分油液進(jìn)入蓄能器，這樣可以防止油液系統(tǒng)出現(xiàn)過大的油壓波動。此外，流向過濾器的油液隨后進(jìn)入高速開關(guān)閥，油液通過供油口流入，這時，ECU通過調(diào)節(jié)一個周期內(nèi)輸入高電平的時間即占空比來控制高速開關(guān)閥，具體方式是:進(jìn)入高電平時，高速開關(guān)閥產(chǎn)生電磁作用力，電磁作用力大于閥芯的反饋壓力，閥芯向左移動;進(jìn)入低電平時，無電磁作用力產(chǎn)生，復(fù)位彈簧推動閥芯快速回位。當(dāng)高速開關(guān)閥采樣的信號頻率足夠高時，輸入主工作腔的油壓可以認(rèn)為是穩(wěn)定連續(xù)的，此時卸荷閥處于關(guān)閉狀態(tài)，無油液通過其流向回油箱。

由圖2 和圖3 (b)可知:在離合器分離放油過程中，此時ECU 沒有向高速開關(guān)閥輸入脈沖信號，因此，經(jīng)濾油器流出的油液無法到達(dá)高速開關(guān)閥。隨著油泵輸出的油液到達(dá)一定壓力時，溢流閥打開，油液從其流回油箱，從而防止系統(tǒng)由于壓力過大，破壞系統(tǒng)的液壓元件。與此同時，卸荷閥打開，部分油液從其流回油箱。文中在高速開關(guān)閥與離合器間的油路中增加了小節(jié)流閥，這是考慮到離合器在高速轉(zhuǎn)動時，部分油液受到離心力的作用會貼合在換擋液壓缸的內(nèi)壁，不是通過卸荷閥流回油箱。當(dāng)經(jīng)過一定時間的卸荷后，活塞向左移動，這樣貼合在液壓缸內(nèi)壁的油液可以通過小節(jié)流閥流回油箱。

3 換擋離合器油壓控制系統(tǒng)的建模

為了分析所建立的換擋離合器油壓控制系統(tǒng)的實際控制性能，考慮通過液壓仿真軟件AMESim 進(jìn)行油壓控制系統(tǒng)的建模。在此之前，先要確定系統(tǒng)主要部件的參數(shù)。

3.1 離合器驅(qū)動液壓缸

為了方便下面參數(shù)的計算，初定定量泵的輸出油壓為p=1.6 MPa，換擋機構(gòu)的傳遞效率為η1=0.9，每個擋位的換擋位移為L=5 mm，換擋液壓缸快進(jìn)時速度為v1= 0.056 m/s，同步過程時速度v2= 0.03 m/s。

換擋液壓缸的負(fù)載主要由靜摩擦力Ff1、動摩擦力Ff2、慣性負(fù)載Fi和換擋力負(fù)載Fs構(gòu)成。換擋時通常經(jīng)過4 個負(fù)載工況，且每個作用工況下的負(fù)載F 不同，具體如下:

啟動加速工況:

快速工況:

工進(jìn)工況:

制動減速工況:

通過上述分析和查詢相關(guān)手冊［7］，可以進(jìn)一步得到各個工況下?lián)Q擋液壓缸的負(fù)載和工作速度，如圖4所示?？梢钥闯?，最大負(fù)載Fmax=425 N。

圖4 液壓缸的負(fù)載和工作速度

3.2 液壓泵

為了選取滿足換擋控制系統(tǒng)工作需要的液壓泵，需要確定液壓泵的最大工作壓力和最大流量。

(1)最大工作壓力pv

在液壓控制系統(tǒng)中，液壓泵的工作壓力應(yīng)滿足如下關(guān)系:

式中:p1為執(zhí)行元器件的最高控制壓力;∑Δpi為工作油路各階段的油壓損失總和，一般的液壓控制系統(tǒng)，∑Δpi的取值范圍為0.2 ～0.5 MPa，通過咨詢相關(guān)專家，這里取0.4 MPa。

由圖4 可知:在工進(jìn)工況下，負(fù)載最大，所以在這個負(fù)載工況下，其工作壓力可作為液壓缸循環(huán)工況中的最大工作壓力。通過進(jìn)行相關(guān)計算可得pv=1.87 MPa。

(2)最大流量Qv

由于在文中的電液控制系統(tǒng)設(shè)計中，主要是以單液壓定量泵同時向系統(tǒng)中的不同執(zhí)行單元提供液壓油，所以液壓泵的最大流量Qv應(yīng)滿足如下關(guān)系式:

式中:λ 為回油泄漏系數(shù)，取值范圍為1.1 ～1.3，由于文中的液壓控制系統(tǒng)為小流量控制，所以取λ 為1.1;(∑qj)max為j 個同時工作的執(zhí)行元件流量之和的最大值。根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，得到Qv=1.77 L/min。

3.3 高速開關(guān)閥

高速開關(guān)閥是文中所設(shè)計的油壓控制系統(tǒng)的重要元件，高速開關(guān)閥的選取首先應(yīng)根據(jù)執(zhí)行元件的動作要求、卸荷要求、換向平穩(wěn)性能以及排除執(zhí)行元器件間的相互干擾等因素確定滑閥的機能，然后再根據(jù)通過閥的最大流量、工作壓力以及操縱定位方式等選擇適當(dāng)?shù)男吞?。根?jù)前文計算得到的相關(guān)參數(shù)，選取的高速開關(guān)閥主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 高速開關(guān)閥的主要參數(shù)

根據(jù)工作位數(shù)和通道數(shù)的不同，電磁閥具有多種形式，文中選取二位三通式高速開關(guān)閥和二位二通式高速開關(guān)閥作為系統(tǒng)的主閥。基于AMESim 仿真軟件分別搭建了兩個不同的油壓控制系統(tǒng)模型［8］，如圖5所示，其中圖5 (a)是以電磁式高速開關(guān)二位三通閥為主閥的油壓控制系統(tǒng)，圖5 (b)是以電磁式高速開關(guān)二位二通閥為主閥的油壓控制系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)的工作方式為:通過電磁式高速開關(guān)二位二通閥(或二位三通閥)的通電與否以及通電時間的長短來控制換擋離合器液壓缸內(nèi)的油壓變化，使活塞在一定的時間內(nèi)具有一定的移動速度，進(jìn)而控制離合器摩擦片之間的結(jié)合和分離。

圖5 不同主閥的比較模型

4 系統(tǒng)性能仿真分析

根據(jù)圖5 所示的模型，對換擋離合器油壓控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真分析。需要指出的是，高速開關(guān)閥采用的調(diào)節(jié)方式為占空比補償優(yōu)化算法，如式(8)所示［9］:

式中:τ(t)為信號優(yōu)化控制系統(tǒng)輸出占空比;τ0為根據(jù)系統(tǒng)的控制特性初定的占空比;γ 為反饋系數(shù)，該系數(shù)的數(shù)值選擇應(yīng)使τ(t)的數(shù)值大于0、小于1;為理論上換擋液壓缸控制油壓平均值;pout(t)為換擋液壓缸控制油壓實際值。

根據(jù)上述分析，對換擋離合器的工作過程進(jìn)行仿真，仿真步長設(shè)定為0.01，仿真時間為3 s。仿真得到的換擋油壓曲線如圖6 所示。

圖6 換擋油壓仿真曲線

由圖6 可以看出:基于二位三通閥的換擋離合器結(jié)合油壓控制穩(wěn)定時間為0.5 s，且過渡過程較為平穩(wěn);而基于二位二通閥的換擋離合器結(jié)合油壓控制穩(wěn)定時間為1.2 s，大于前者，并且在過渡到穩(wěn)壓狀態(tài)過程中出現(xiàn)了較大幅度的壓降。此外，兩個系統(tǒng)的離合器分離過程所需時間均小于0.1 s，滿足離合器分離控制要求。由以上分析可知，選用二位三通閥作為主閥更為合適，換擋離合器油壓控制系統(tǒng)的性能更加優(yōu)越。

同時，文中還探究了在系統(tǒng)不設(shè)置高速開關(guān)閥與離合器油路之間的小節(jié)流閥的情況下，離合器油壓控制系統(tǒng)的性能。經(jīng)仿真得到去除小節(jié)流閥后的系統(tǒng)換擋油壓曲線，如圖7 所示。

圖7 無節(jié)流閥時的換擋油壓曲線

結(jié)合圖6 (a)和圖7可以看出:若無小流量節(jié)流閥，油壓曲線在離合器結(jié)合過程和穩(wěn)定過程中變化不大，而在離合器分離過程中，無節(jié)流閥的油壓控制系統(tǒng)壓降為零的時間需要1.3 s。通過前文分析可知，這是由于換擋液壓缸是隨著離合器一起高速運動，離心力使一些油液貼在液壓缸的內(nèi)壁上，因此導(dǎo)致壓降緩慢。通過仿真可以發(fā)現(xiàn):為了防止這種現(xiàn)象造成離合器分離不完全，應(yīng)設(shè)置小節(jié)流閥，且節(jié)流閥的位置需保證在離合器結(jié)合階段不溢油，在離合器分離階段起到溢流的作用。5 結(jié)論

(1)在分析不同電液控制閥性能特點的基礎(chǔ)上，提出采用基于高速開關(guān)閥的離合器油壓控制系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的工作原理和工作過程。

(2)分別建立了基于二位二通式高速開關(guān)閥和二位三通式高速開關(guān)閥的油壓控制系統(tǒng)模型，通過AMESim 進(jìn)行了系統(tǒng)控制性能的仿真。仿真結(jié)果表明:二位三通式高速開關(guān)閥性能更為優(yōu)越;此外，在高速開關(guān)閥與離合器油路之間應(yīng)設(shè)置小節(jié)流閥。

［1］CHO Back-Hyun，OH Jong-Sun，LEEN Won-Hi．Modeling of Pulse Width Modulation Pressure Control System for Automatic Transmission［R］．SAE Paper，2002－01－1257．

［2］林峰，劉影，陳漫．電液比例閥在車輛換擋離合器中的應(yīng)用［J］．兵工學(xué)報，2006，27(5):784－787．

［3］楊樹軍，胡紀(jì)濱，荊崇波．濕式離合器充油過程動態(tài)特性研究［J］．機床與液壓，2005(11):81－84．

［4］何謙．基于高速開關(guān)閥的液壓同步控制系統(tǒng)設(shè)計與研究［D］．長沙:湖南師范大學(xué)，2008．

［5］王偉偉，宋健，李亮，等．高速開關(guān)閥在高頻PWM 控制下的比例功能［J］．清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，51(5):715－719．

［6］金英，潘再平．脈寬調(diào)制控制方法研究［J］．科技通報，2005，21(1):30－33．

［7］成大先．機械設(shè)計手冊:單行本:液壓傳動［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003．

［8］付永領(lǐng)，祁曉野．AMESim 系統(tǒng)建模和仿真［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005．

［9］YU Guibo，TIAN Guang，LIU Jinhua．Modeling and Simulation of High Pressure Gas Injection Device Based on AMESim［C］//8thInternational Symposium on Test and Measurement，Chongqing，2009:286－288．