基于動態(tài)充油過程聯(lián)合仿真的液力緩速器控制系統(tǒng)優(yōu)化

馬文星， 葛林杉， 劉春寶， 徐 東， 李雪松

(1.吉林大學 機械科學與工程學院， 吉林，長春 130022；2.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室， 吉林，長春 130022)

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基于動態(tài)充油過程聯(lián)合仿真的液力緩速器控制系統(tǒng)優(yōu)化

馬文星1， 葛林杉1， 劉春寶1， 徐 東1， 李雪松2

(1.吉林大學 機械科學與工程學院， 吉林，長春 130022；2.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室， 吉林，長春 130022)

為達到車輛制動過程中液力緩速器快速響應的要求，通過在液力緩速器控制閥中增加分流結(jié)構(gòu)與調(diào)整出口節(jié)流閥控制信號兩種方式對液力緩速器控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化.為驗證優(yōu)化后控制系統(tǒng)的性能，通過對電液比例先導閥、液力緩速器及優(yōu)化前后的液力緩速器控制閥聯(lián)合仿真，得到優(yōu)化前后液力緩速器進出口流量、充液時間及變速箱潤滑系統(tǒng)進口流量等結(jié)果.通過對比分析發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的液力緩速器響應快速.并且優(yōu)化后的控制系統(tǒng)在整個循環(huán)過程中具有增大分流區(qū)間流量的作用，而對其他區(qū)間流量的變化趨勢沒有影響. 結(jié)果表明這種控制方法可以用于液力緩速器，同時也可以用于其他充液元件來減少響應時間.

液力緩速器；優(yōu)化；聯(lián)合仿真；響應時間

液力緩速器以其高速制動轉(zhuǎn)矩大、制動舒適、油耗消耗低等優(yōu)點作為一種車輛輔助制動裝置得到了廣泛的應用.在緊急制動工況下，液力緩速器工作腔內(nèi)的工作液體需要在很短的時間內(nèi)達到設(shè)定的充液量，從而達到緊急制動所需要的制動轉(zhuǎn)矩. 嚴軍[1]建立了液力緩速器模型，并模擬說明了出口節(jié)流閥開度對液力緩速器系統(tǒng)的壓力和流量有較大影響，節(jié)流閥開度最小時，排油節(jié)流作用最大，減速器的充液率最高. 李雪松和袁哲[2-3]分別從理論層面對液力緩速器充油時間進行了計算，為液力緩速器動態(tài)充油過程提供了參考. 宋建軍[4]對開式液力緩速器建模進行了研究，并設(shè)計了一套液力緩速器控制系統(tǒng)，采用出口節(jié)流控制方式對液力緩速器進行了仿真研究. 出口節(jié)流控制是液力緩速器動態(tài)充油過程常規(guī)的控制方式，從液力緩速器充油過程來看，單方面采用出口節(jié)流方案可以縮短液力緩速器的響應時間，但并不能達到最優(yōu)的效果.

文中對液力緩速器控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，目的是縮短液力緩速器的響應時間.液力緩速器整個充液過程的充液量與進出口流量有關(guān). 在液壓泵流量不變的情況下，增加分流結(jié)構(gòu)增大液力緩速器進口流量，同時調(diào)整出口節(jié)流控制方式調(diào)節(jié)出口流量進一步縮短液力緩速器響應時間.文中應用的液力緩速器有0～4共5個擋位，擋位為0時，液力緩速器不工作；擋位位于1～4時，液力緩速器工作腔的充液率分別為25%，50%，75%和100%.電液比例先導閥控制液力緩速器控制閥，液力緩速器工作時，駕駛員人為操作將液力緩速器設(shè)置到不同擋位，輸入相應擋位對應的電信號，液力緩速器在電液比例先導閥的控制下實現(xiàn)制動功能.

1 液力緩速器控制系統(tǒng)優(yōu)化

如圖1所示，常規(guī)液力緩速器控制系統(tǒng)中，不工作時，從液壓泵出來的液壓油經(jīng)過散熱器散熱之后直接進入變速箱潤滑系統(tǒng).緩速器工作時，先導閥啟動，來自液壓泵的液壓油流入液力緩速器，通過液力緩速器出口節(jié)流閥流向散熱器，散熱后流向變速箱潤滑系統(tǒng).這樣液壓油在液壓泵、液力緩速器控制閥、液力緩速器、節(jié)流閥、散熱器和油箱之間進行循環(huán)流動. 常規(guī)控制系統(tǒng)控制閥結(jié)構(gòu)圖見圖2.

緩速器工作時，液壓油由液壓泵出油口A經(jīng)節(jié)流孔a流向緩速器入口B，流出緩速器出口C經(jīng)節(jié)流閥閥口D流出，經(jīng)過節(jié)流孔c流向散熱器入口F.

則節(jié)流孔a的壓力流量特性為

(1)

式中：Cd為節(jié)流閥流量系數(shù)；x為閥芯位移，mm；da為節(jié)流口a處閥芯直徑，mm；ρ為油液密度，kg/m3；Sa為a處油封長度，mm；pA為閥芯腔A的壓力，MPa；pB為閥芯腔B的壓力，MPa.

對于式(1)，當液力緩速器采用壓力入口設(shè)置時，pB為定值，液壓泵出口壓力pA為定值，充液率設(shè)定之后，qVa為定值.

節(jié)流閥閥口d的壓力流量特性為

(2)

式中：pC為緩速器出口壓力，MPa；pE為節(jié)流閥出口壓力，MPa；Aa(u，pC)為過流面積，mm2，為充液率u和pC的函數(shù).

對于式(2)，從使用角度出發(fā)，選用的節(jié)流閥滿足閥口兩端壓差變化引起很小的流量變化.因此當充液率設(shè)定之后，且不考慮閥口兩端壓差變化所引起的流量變化時，qVd為定值.

對于如圖1所示控制系統(tǒng)中的液力緩速器7來說，時間t內(nèi)充液量為

(3)

當充液率一定時，式(3)可簡化為

(4)

從式(4)可以看出液力緩速器充液量與進出口流量差有關(guān)，因此在液壓泵流量不變的條件下對液力緩速器控制系統(tǒng)進行兩方面的優(yōu)化：考慮液壓油循環(huán)流動過程，通過增加分流結(jié)構(gòu)增加液力緩速器進口流量；同時出口可變節(jié)流口引入進口流量控制信號，與充液率信號、轉(zhuǎn)速信號、出口壓力信號一同控制節(jié)流閥過流面積來調(diào)整出口流量.改進后液力緩速器控制閥結(jié)構(gòu)如圖3所示，結(jié)構(gòu)調(diào)整如圖3中標識1位置.

節(jié)流孔g壓力流量特性為

(5)

式中：Lg表示節(jié)流口g的油封長度，mm；pG表示閥芯腔G的壓力，MPa；dg表示節(jié)流口g處閥體直徑，mm.

控制系統(tǒng)優(yōu)化后緩速器充液量為

(6)

式中：a(u，pC，qVa+qVg)表示節(jié)流閥過流面積，mm2，為充液率信號、緩速器出口壓力信號和進口流量信號的函數(shù).

2 控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真方法

文中綜合利用AMESIM軟件中機械模塊、信號、控制庫、液壓元件庫(hydraulic)和液壓元件設(shè)計庫(HCD)建立先導控制閥、液力緩速器控制閥和液力緩速器的仿真模型及液力緩速器控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型.

2.1 電液比例先導閥模型

結(jié)合圖1控制系統(tǒng)原理，液力緩速器不工作時，由液壓泵出來的液壓油直接流回油箱.液力緩速器工作時，電磁閥得電，電液比例先導閥右位工作，液壓油經(jīng)過先導閥流向液力緩速器控制閥，并推動閥芯運動，液力緩速器開始工作，如圖4所示.

電液比例先導閥閥芯開啟過程受力平衡方程為

(7)

式中：x為閥芯位移，mm；Ks為彈簧剛度，N/m；x0為彈簧預壓縮量，mm；qVK為節(jié)流口K的流量，L/min；vK為節(jié)流口K的流速，m/s；αK為節(jié)流口K的液流角，(°)；pN為N腔壓力；d和d1分別為先導閥閥芯、閥桿直徑，mm；LKL為流程長度，mm；B為液體黏性阻力系數(shù)，N/(m·s-1).

由電液比例先導閥結(jié)構(gòu)、工作原理及受力平衡方程，對電液比例先導閥進行建模[5-9]，模型如圖5所示.

2.2 液力緩速器控制閥模型

結(jié)合圖3，改進后液力緩速器控制閥閥芯開啟受力平衡方程為

(8)

(9)

由改進后控制閥結(jié)構(gòu)、工作原理及受力平衡方程，對改進后液力緩速器控制閥進行建模，如圖6所示.改進前的控制閥模型與改進后模型相比少了一個產(chǎn)生回流的元件，如圖6中標識2位置，改進前的模型如圖7所示.

2.3 液力緩速器模型

液力緩速器在實際工作中充液過程比較復雜，液壓油通過進油口進入液力緩速器，在轉(zhuǎn)子的帶動下沖擊定子葉片，從定子流出的液壓油又流向轉(zhuǎn)子.液壓油在循環(huán)流動過程中，經(jīng)過出油口時，一部分經(jīng)出油口流出，剩余液壓油留在液力緩速器工作腔中用于增加液力緩速器的充液率.液力緩速器的制動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和充液率的關(guān)系可以用式(10)的形式表示[4]

T=745.83(n/1 000)2qV-12.32(n/1 000)qV+

(10)

式中：T為液力緩速器制動轉(zhuǎn)矩，N·m；n為液力緩速器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；qV為液力緩速器充液率，qV為

(11)

式中：V為工作腔實際充液容積，m3；V0為工作腔容積，m3.

從式(10)可以看出，液力緩速器在發(fā)動機正常工作時，制動轉(zhuǎn)矩T與充液率q是正比例關(guān)系，隨著充液率的增加，制動轉(zhuǎn)矩增加.

液力緩速器入口設(shè)置為壓力入口，由于優(yōu)化前后液力緩速器入口流量不同，進口壓力采用不同的壓力值.出口采用節(jié)流控制. 如圖使用活塞工作腔代替液力緩速器工作腔，用與工作腔連接的質(zhì)量塊位移數(shù)據(jù)表示液力緩速器的充液率，應用節(jié)流閥表示液力緩速器出口節(jié)流控制，控制參數(shù)由輸入信號、充液量、轉(zhuǎn)速信號及進口流量決定，圖8為液力緩速器模型.

2.4 液力緩速器及其控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

分別將電液比例先導閥模型、改進前后的液力緩速器控制閥模型、液力緩速器模型進行組合得到優(yōu)化前后液力緩速器控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型.

3 動態(tài)充液過程聯(lián)合仿真及結(jié)果分析

液力緩速器控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真參數(shù)如表1.

表1 聯(lián)合仿真參數(shù)

液力緩速器從開始充油到達到目標充液率的過程中，充油的前段工作腔內(nèi)部油量增加很快，但到后段慢慢減速，在充油量接近目標充液率時，液力緩速器已經(jīng)可以起到相應的制動效果，所以在仿真中選用近似充液率22%，46%，70%，92%分別代替實際充液率25%，50%，75%，100%. 液力緩速器模型中質(zhì)量塊最大位移為760 mm，代表滿充液狀態(tài)，其他數(shù)據(jù)對照如表2.

檔位目標充液率/%質(zhì)量塊目標位移/mm近似充液率/%質(zhì)量塊近似位移/mm12519022167.225038046349.637557070532.0410076092699.2

3.1 流量對比分析

控制系統(tǒng)優(yōu)化前后緩速器進口流量對比分析如圖9所示.

優(yōu)化前后緩速器進出口流量差對比分析如圖10所示.

圖中虛、實線與x軸所圍成的面積分別為控制系統(tǒng)優(yōu)化前后液力緩速器的充液量.對于充液率為25%和50%時，在A1和A2點附近兩條曲線變化趨勢非常接近，實線和虛線所包圍的區(qū)域面積極小，而充液率為75%和100%時A3B3段和A4B4段實線與虛線各自形成一個很小的面積，意味著在A1、A2、B3和B4的時間點之前常規(guī)控制系統(tǒng)充液量要大.而在充液率為25%，75%的A1B1段、A2B2段和充液率為75%，100%的B3C3段、B4C4段，實線明顯高于虛線，由于液力緩速器充液量一定，所以A1B1、A2B2、B3C3、B4C4段面積一定大于B1、B2、C3、C4點之后兩條曲線包圍的面積，即在A1B1、A2B2、B3C3、B4C4段時間內(nèi)優(yōu)化后的控制系統(tǒng)充液量要大，充液速度快.在B1、B2、C3、C4之后虛線高于實線，常規(guī)控制系統(tǒng)充液量要大，但此時已經(jīng)處于液力緩速器的緩慢充液階段，充液量的變化對充液速度的影響不大，常規(guī)控制系統(tǒng)在充液速度上面一直落后于優(yōu)化控制系統(tǒng).總體來看，優(yōu)化控制系統(tǒng)液力緩速器比常規(guī)控制系統(tǒng)達到設(shè)定充液率的時間要短.

3.2 液力緩速器充液時間對比分析

液力緩速器充液率分別為25%，50%，75%，100%時的充液速度對比見表3.

由表3可以看出，在液力緩速器不同充液率下優(yōu)化控制系統(tǒng)的充液時間均小于常規(guī)控制系統(tǒng)，即在使用相同的液力緩速器的情況下，達到相同制動轉(zhuǎn)矩時優(yōu)化控制系統(tǒng)比常規(guī)控制系統(tǒng)所用的時間小.對于工作腔容積為1.9 L的液力緩速器來說，在250 L/min的進口流量的條件下，滿充液時間為1.76 s比較符合液力緩速器充液時間的實際工作值，這也從側(cè)面說明液力緩速器的模型是合理的.

表3 液力緩速器近似充液時間對照表

3.3 變速箱潤滑系統(tǒng)進口流量對比分析

流入變速箱潤滑系統(tǒng)的液壓油為變速箱內(nèi)部傳動機構(gòu)提供潤滑，如圖11所示.

優(yōu)化前后控制系統(tǒng)的變速箱潤滑系統(tǒng)進口流量變化趨勢接近，從250 L/min快速下降，之后緩慢上升，穩(wěn)定后維持在250 L/min. 對于常規(guī)控制系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)進口流量的變化是由于液力緩速器充液引起的，而對于優(yōu)化控制系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)進口流量的變化是由于分流及液力緩速器充液共同作用引起的. 液力緩速器開始進行充液時潤滑系統(tǒng)進口流量出現(xiàn)比較大的跌落趨勢，圖中A1B1、A2B2、A3B3、A4B4段，兩種控制系統(tǒng)流量開始跌落的數(shù)值非常接近. 在B1C1、B2C2、B3C3、B4C4段優(yōu)化控制系統(tǒng)流量比常規(guī)控制系統(tǒng)流量回升速度慢，原因是優(yōu)化控制系統(tǒng)分流造成的. 在C1D1、C2D2、C3D3、C4D4段優(yōu)化控制系統(tǒng)液壓油流量回升速度快，并且提前達到250 L/min的穩(wěn)定狀態(tài)，原因是分流的流量增加到液力緩速器支路，使得液力緩速器出口流量也相應增加，進而流向變速箱潤滑系統(tǒng)使進口的流量增加. 由此可以得出控制系統(tǒng)優(yōu)化前后潤滑系統(tǒng)進口流量的上升速度及達到穩(wěn)定的時間有微小差別，而在流量的數(shù)值上面沒有差別.

4 結(jié) 論

對一種常規(guī)的液力緩速器控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化，增加了分流結(jié)構(gòu)及調(diào)整出口可變節(jié)流孔控制信號，并且對閥芯及閥體結(jié)構(gòu)進行了改進，對優(yōu)化前后控制系統(tǒng)的各部分進行建模及聯(lián)合仿真，通過進口流量、進出口流量差、充液時間及潤滑系統(tǒng)進油口流量的詳細對比分析，說明了使用優(yōu)化后控制系統(tǒng)的液力緩速器比常規(guī)控制系統(tǒng)響應快速，進一步說明了優(yōu)化控制系統(tǒng)在整個循環(huán)過程中具有增大分流區(qū)間流量的作用，而對其他區(qū)間流量只在變化速度及達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間上有著微小的影響.

所采用的液力緩速器優(yōu)化控制方法不僅可以應用在液力緩速器上面，對于其他類似的充液元件都可以應用這種優(yōu)化方法進行控制，以便縮短充液元件的響應時間.

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(責任編輯：孫竹鳳)

Optimization of the Hydraulic Retarder Control System Based on Joint Simulation of Dynamic Liquid-Filled Process

MA Wen-xing1， GE Lin-shan1， LIU Chun-bao1， XU Dong1， LI Xue-song2

(1.College of Mechanical Science and Engineering， Jilin University， Changchun， Jilin 130022， China;2.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control， Jilin University， Changchun， Jilin 130022， China)

In order to reach the rapid response requirement of the hydraulic retarder during vehicle braking process, the optimization of the hydraulic retarder control system was realized through two ways，increasing shunt structure in the hydraulic retarder control valve and adjusting the control signal of outlet throttle valve. To verify the performance of the optimized control system, the electro-hydraulic proportional pilot valve, the hydraulic retarder and the hydraulic retarder control valve before and after optimization were simulated jointly. The results about the inlet and outlet flow rate, the liquid-filled time of the hydraulic retarder, the inlet and outlet flow rate of the lubricant device of the gearbox, were acquired. The contrast analysis results show that, the response speed of the optimized hydraulic retarder is more rapid than that before optimization. And the optimized control system can increase the flow rate of shunt section and has no effect on the change trend of flow rate in other sections throughout the process cycle. The control method is suitable for the hydraulic retarder and it can also be used for other liquid components to reduce the response time.

hydraulic retarder; optimization; joint simulation; response time

2014-05-05

國家“八六三”計劃項目(2014AA041502)；吉林省科技廳基金資助項目 (120102JC01032095)；高性能計算基金資助項目(20130101179JC-04)；國家自然科學基金資助項目(51305156)

馬文星(1962—)，男，博士，教授，E-mail：mawx@jlu.edu.cn.

劉春寶(1980—)，男，博士，副教授，E-mail:liuanbc@126.com.

TH 137.32

A

1001-0645(2016)01-0001-07

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.01.001