虛擬樣機(jī)變速電液操縱系統(tǒng)的設(shè)計與仿真研究

羅小梅，顧宏弢，韓顏瑩，李娟，毛福合

(中國北方車輛研究所車輛傳動重點(diǎn)實驗室，北京 100072)

0 前言

高性能的動力換擋控制技術(shù)是反映車輛發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到車輛能否獲得良好的換擋品質(zhì)，最大限度發(fā)揮傳動裝置潛能，提高車輛的機(jī)動性能。國外高度重視動力換擋控制技術(shù)研究，德國的LSG3000綜合裝置、俄羅斯特種車輛等都裝備了電液自動操縱系統(tǒng)。采用自動操縱技術(shù)后，與手動操縱相比，車輛平均越野車速在一般路面上提高了20～30%，在“S”路面上提高了40%，在困難的砂石路面上提高了10～25%，在土路上提高了10～15%，換擋品質(zhì)也大大提高。電液自動操縱技術(shù)的應(yīng)用延長了傳動系統(tǒng)的壽命和可靠性，駕駛操作更加舒適，提高了車輛持續(xù)行駛的能力。文中研究系統(tǒng)依照虛擬樣機(jī)項目所提出的功能要求，在總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計出適合于車輛傳動應(yīng)用條件的電液操縱系統(tǒng)。

1 方案設(shè)計

1.1 功能要求

電液操縱系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能要求:

(1)實現(xiàn)兩種操縱模式:電液操縱及應(yīng)急手動操縱模式。

(2)系統(tǒng)在電控情況下可以實現(xiàn)4個前進(jìn)擋、2個倒擋、空擋。

(3)可以對液力變矩器的機(jī)械與液力工況實行控制，實現(xiàn)液力變矩器的解鎖閉鎖控制。

(4)按設(shè)定的程序，實現(xiàn)對換擋過程中操縱件油壓的緩沖控制，改善換擋品質(zhì)。

1.2 主要液壓元件設(shè)計

電液操縱系統(tǒng)中的關(guān)鍵要素是液壓控制元件的設(shè)計與選擇。液壓平穩(wěn)結(jié)合閥或稱液壓緩沖閥來實現(xiàn)動力換擋的油壓變化規(guī)律控制過程。這種控制是由純液壓控制元件來完成，不具有可變性，只能保證特定工況下傳動裝置可獲得較好的換擋品質(zhì)。當(dāng)車輛工況發(fā)生變化時，該系統(tǒng)液壓控制適應(yīng)性變得較差，而且加工生產(chǎn)這種閥的成本很高。因此綜合考慮系統(tǒng)性能及制造成本后，在虛擬樣機(jī)項目中選用電液比例閥作為油壓控制元件。此類閥有眾多的優(yōu)點(diǎn):

(1)控制規(guī)律具有可變性，緩沖油壓曲線具有可調(diào)性;

(2)可以進(jìn)行精確的壓力、時間控制;

(3)對油液不敏感，抗污染性強(qiáng);

(4)可靠性高;

(5)互換性好;

(6)成本低。

其中最主要的是可以實現(xiàn)良好的換擋品質(zhì)，這是系統(tǒng)的主要目標(biāo)。

1.3 液壓油路控制邏輯

在虛擬樣機(jī)液壓操縱系統(tǒng)中，考慮到要使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡量簡單、外形尺寸盡量要小的條件下，采用電液比例閥全并聯(lián)控制方案，這樣在系統(tǒng)中的所有電液比例閥可以隨意互換，通用性很強(qiáng)，增加或減少擋位也很方便，對每一擋都可實現(xiàn)良好的控制性能，而且整個閥體設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單。為了彌補(bǔ)這種油路邏輯的缺點(diǎn)就是要保證ECU的可靠工作，這樣才能防止掛雙擋和順序換擋。

1.4 電子控制系統(tǒng)

電子控制系統(tǒng)主要是對電液比例閥的控制，按照給定的油壓緩沖曲線，通過給定合適的電流大小來完成對電液比例閥輸出壓力的控制。圖1為電控電流與油壓的特性曲線。

圖1 電液比例閥電流與油壓特性曲線

初期系統(tǒng)在電子控制系統(tǒng)方面擬采用開環(huán)控制方式。傳感器采集到的壓力信號只是作為一個觀察數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)第一輪調(diào)試完后，為了提高和改善系統(tǒng)性能，擬對系統(tǒng)采用壓力反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。電液比例閥輸入信號采用PWM信號控制形式，為了優(yōu)化控制性能，可加相關(guān)PID控制。電液控制系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 電液控制系統(tǒng)圖

該電液控制系統(tǒng)很明顯已能夠滿足項目要求的功能，但是對于換擋品質(zhì)的好壞還需在后面仿真環(huán)節(jié)中來驗證。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

因為虛擬樣機(jī)項目是要實現(xiàn)高功率密度，因此對各個零部件的外形尺寸要求很嚴(yán)格，電液操縱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中也始終遵循總體外形尺寸最小的優(yōu)化設(shè)計原則:盡可能減小各部分尺寸包括在不影響流量和壓力的前提下油道通徑尺寸最小、合理利用每一個空間、適當(dāng)選擇內(nèi)外油路結(jié)合、盡量減少泄漏環(huán)節(jié)、工藝孔數(shù)量合理、各密封帶長度合適等，在充分考慮以上這些約束條件的情況下，并為了便于加工、便于與其他件連接以及方便布置，進(jìn)行了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。著重說明一點(diǎn)的是:以前的閥體設(shè)計中不管油壓為多大對流速一般都取5 m/s來計算。

設(shè)計的閥塊由三部分組成，電液元件承載閥體，傳感器、梭閥承載閥體及油路段和變速操縱油路連接閥體。結(jié)構(gòu)如圖3—6所示。

圖3 裝配圖

圖4 電液元件承載閥體

圖5 傳感器、梭閥承載閥體及油路段

圖6 變速操縱油路連接閥體

3 仿真分析

文中仿真環(huán)節(jié)利用的是功能強(qiáng)大的建模和仿真軟件AMESim，仿真主要是驗證系統(tǒng)中對電液比例閥的油壓緩沖規(guī)律曲線的可控性的，其優(yōu)劣還要進(jìn)一步通過對輸入電流值的不斷調(diào)試來實現(xiàn)。

對關(guān)鍵元件－電液比例閥進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，忽略過濾器阻力、配合間隙泄漏等因素，得出主閥口流量方程、流量連續(xù)性方程、運(yùn)動方程分別如下。

(1)主閥口流量方程

(2)流量連續(xù)性方程

主閥上腔:

離合缸腔:

(3)運(yùn)動方程

主閥芯運(yùn)動方程

離合缸運(yùn)動方程:

在整個系統(tǒng)建模中，為了使得系統(tǒng)簡單但不影響功能的前提下，系統(tǒng)模型中有兩個完整的電液比例閥模型，其余用功能元件代替。由于所有操縱件油壓控制原理相同，因此，在文中僅就一個操縱件進(jìn)行部分仿真。

電液操縱系統(tǒng)AMESim建模如圖7所示。

圖7 電液操縱系統(tǒng)AMESim模型

通過對相關(guān)參數(shù)的不斷設(shè)置后，最終得到基于以上模型的仿真結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 c3快速充油曲線

圖9 2擋換3擋時c3油缸油壓緩沖曲線

由仿真結(jié)果可以看出該油缸的快速充油特性較好，說明電液比例閥的流量選擇合適;從油缸油壓緩沖曲線可以看出該電液比例閥在實現(xiàn)油壓緩沖方面表現(xiàn)出了較好的性能。

4 結(jié)論

所設(shè)計的電液操縱系統(tǒng)通過仿真驗證，尤其是對比例閥控制變速機(jī)構(gòu)油缸充油及緩沖的性能進(jìn)行了仿真驗證，快速充油、油缸內(nèi)油壓緩沖曲線均滿足要求，在理論上得出該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的換擋緩沖性能，但對于該系統(tǒng)應(yīng)用于特種車輛上后其可靠性和實車性能的好壞還有待于后續(xù)產(chǎn)品自身調(diào)試和與變速機(jī)構(gòu)聯(lián)調(diào)試驗來驗證。

［1］許益民．電液比例控制系統(tǒng)分析與設(shè)計［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

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