自動(dòng)變速器電液系統(tǒng)建模與分析

周章遐 馬靜 姚書濤 李曉宇 楊林

哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心 黑龍江省哈爾濱市 150060

1 引言

自動(dòng)變速器通過(guò)控制不同檔位組合離合器的接合與分離實(shí)現(xiàn)檔位切換，自動(dòng)變速器電液控制單元因液壓傳遞較大扭矩的優(yōu)越性及電子控制的靈活性、高精度、成本合理等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用，液壓控制系統(tǒng)主要由給系統(tǒng)提供油液的液壓油泵、控制自動(dòng)變速器換擋邏輯的液壓閥體總成、為自動(dòng)變速器平穩(wěn)傳遞動(dòng)力的液力變矩器組件、為液壓油提供傳遞油道的殼體油路等組成。

液壓控制系統(tǒng)主要功用是為液力變矩器傳遞動(dòng)力提供液壓介質(zhì)并進(jìn)行滑膜控制，為自動(dòng)變速器提供邏輯換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)和介質(zhì)，為自動(dòng)變速器機(jī)械傳動(dòng)零件提供冷卻潤(rùn)滑保護(hù)。故液壓控制系統(tǒng)的性能直接影響到汽車的換擋品質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性等整車性能。

2 電液控制單元組成

2.1 壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

電液控制單元可根據(jù)系統(tǒng)的需求，調(diào)節(jié)輸出系統(tǒng)適應(yīng)的壓力。

因油泵由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，所以其理論泵油量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)，泵油量多，主油壓高，引起換擋沖擊且泵油消耗功率增大，發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，泵油量少，主油路壓力低，引起制動(dòng)器、離合器打滑。為了滿足車輛不同工況的需求，根據(jù)車輛的行駛檔位，主油路壓力作用在A、B、C位置，從而使主調(diào)壓閥將來(lái)自油泵的液壓壓力保持在特定的壓力下，如圖1。

自動(dòng)變速器的系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)是通過(guò)力平衡原理進(jìn)行穩(wěn)定壓力輸出，即

式中：Plp為自動(dòng)變速器系統(tǒng)壓力，MPa；

S1為系統(tǒng)壓力作用面積，mm2；

Fspring為彈簧力，N；

Pfd為反饋壓力，MPa；

S2-S3為反饋壓力作用面積差，mm2；

自動(dòng)變速器系統(tǒng)油壓調(diào)壓原理如圖3.1所示，自動(dòng)變速器通過(guò)電磁閥調(diào)節(jié)7處反饋壓力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速器的壓力可控調(diào)節(jié)。

同時(shí)在自動(dòng)變速器液壓?jiǎn)卧袨榻档湍芎奶岣咝士蓪?duì)控制電磁閥供給壓力進(jìn)行限壓設(shè)計(jì)；根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化，改變變矩器油壓，保證液力變矩器可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩。

2.2 換擋閥系統(tǒng)

根據(jù)行駛工況需求，切換油路，使離合器制動(dòng)器組合工作，實(shí)現(xiàn)變速器不同速比傳遞動(dòng)力。

2.3 換擋信號(hào)元件

換擋信號(hào)元件主要為液壓控制單元的各種類型電磁閥，可依據(jù)功能需求實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到油壓及機(jī)械動(dòng)作的控制。

2.4 緩沖安全系統(tǒng)

為提高自動(dòng)變速器換擋質(zhì)量和安全，減輕換擋沖擊，在自動(dòng)變速器的液壓控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有起到緩沖和安全作用的零部件。如自動(dòng)變速器蓄能器組件及限壓保護(hù)機(jī)構(gòu)等。

2.5 液力變矩器控制系統(tǒng)

液力變矩器控制系統(tǒng)主要有兩個(gè)作用：一、控制液力變矩器鎖止離合器的工作；二、提供具有一定壓力的液壓油，同時(shí)將高溫液壓油引出加以冷卻，冷卻油部分供給行星齒輪機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑。

3 建模仿真分析

3.1 模型搭建

為研究和設(shè)計(jì)高性能的自動(dòng)變速器電液控制單元，單純采用傳統(tǒng)制作樣件后試驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)方法費(fèi)工費(fèi)時(shí)，更改參數(shù)困難，利用仿真技術(shù)進(jìn)行參數(shù)分析選擇后制作試驗(yàn)樣件驗(yàn)證，然后進(jìn)行結(jié)果修正可極大提高設(shè)計(jì)效率及可靠性，本文以液壓仿真AMESim作為仿真平臺(tái)對(duì)電液控制單元進(jìn)行建模仿真分析，研究電液控制單元的壓力流量特性，邏輯工作原理及靜態(tài)響應(yīng)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。

AMESim仿真平臺(tái)具有豐富的功能元件庫(kù)，本文主要以液壓設(shè)計(jì)專用HCD庫(kù)，機(jī)械庫(kù)，控制信號(hào)庫(kù)搭建模型，這些庫(kù)通過(guò)結(jié)構(gòu)單元的細(xì)分來(lái)處理物理元件的多樣性，本文按照自動(dòng)變速器電液控制單元的工作原理（如圖2）搭建仿真模型（如圖3），并依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算設(shè)計(jì)仿真參數(shù)，調(diào)試模型并進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 電磁閥建模分析

基于AMESim建立直驅(qū)常低VFS電磁閥模型（如圖4），參數(shù)設(shè)置由公式計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)值給出，其中以電磁特性擬合出控制電流的電磁力輸出，控制信號(hào)以0-1000mA輸出進(jìn)行仿真分析。

以電磁閥輸入壓力分別為8bar、10bar、14bar進(jìn)行仿真分析，分析電磁閥在不同供給壓力下的壓力輸出特性，從仿真分析結(jié)果可知電磁閥在不同供給壓力下最大輸出壓力與輸入壓力相等，低供給壓力電磁閥達(dá)到全開的電流較小，高供給壓力下電磁閥達(dá)到全開的電流偏大。

直驅(qū)VFS電磁閥的Underlap設(shè)計(jì)直接影響電磁閥的調(diào)壓性能，電磁閥Underlap定義如圖6所示，分為正向Underlap及負(fù)向Underlap，

依據(jù)平衡力：Fd=Ff+Fs，其中Fd為電磁閥電磁力，F(xiàn)f為電磁閥反饋壓力，F(xiàn)s為電磁閥彈簧力，在underlap開啟臨界狀態(tài)前，只有彈簧力與電磁力；在underlap開啟臨界狀態(tài)下，彈簧力不變Fs=3.38，只有電磁力和反饋力決定；在underlap開啟臨界狀態(tài)后，只有彈簧力與電磁力。即輸入壓力8bar時(shí)underlap調(diào)壓電磁力要比輸入壓力10bar時(shí)underlap調(diào)壓電磁力小，underlap開啟之后，反饋力不變Ff，電磁閥力及彈簧力發(fā)生改變，8bar時(shí)，underlap開啟的電磁力8.84N，10bar時(shí)，underlaplap開啟的電磁力10.205N，14bar時(shí)，underlap開啟的電磁力12.9N。

經(jīng)過(guò)實(shí)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，壓力特性重合度較高，模型輸出結(jié)構(gòu)可輔助設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)電液控制單元的工作原理進(jìn)行介紹，并依據(jù)其工作原理搭建電液控制單元模型，以公式計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)設(shè)置仿真參數(shù)，匹配調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，并著重對(duì)電磁閥的性能指標(biāo)及壓力特性進(jìn)行分析，并將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行參數(shù)修正，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，為電磁閥設(shè)計(jì)及選型提供輔助，縮短研發(fā)周期及設(shè)計(jì)成本。