先導(dǎo)電磁閥在壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

溫華明，楊士先，鄭海兵

先導(dǎo)電磁閥在壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

溫華明，楊士先，鄭海兵

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

先導(dǎo)壓力控制系統(tǒng)由先導(dǎo)電磁閥和機(jī)械滑閥組成，相比直驅(qū)控制系統(tǒng)具有通流能力大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此有較多的應(yīng)用案例。但在控制精度、一致性方面較直驅(qū)系統(tǒng)仍存在一定差距。文章通過兩種壓力控制系統(tǒng)相關(guān)特性的直接對比，研究確認(rèn)了先導(dǎo)方案在特定條件下具備替代直驅(qū)方案應(yīng)用的可行性，為液壓系統(tǒng)壓力控制方案的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

先導(dǎo)；電磁閥；機(jī)械閥；壓力控制系統(tǒng)

引言

先導(dǎo)式壓力控制方案為采用先導(dǎo)電磁閥+機(jī)械滑閥配合使用，實(shí)現(xiàn)壓力的控制，其性能表現(xiàn)取決于兩者的配合。在直驅(qū)電磁閥大量應(yīng)用之前，先導(dǎo)控制方案在自動(dòng)變速箱中大量應(yīng)用，尤其是AT變速箱中。由于其泄漏量大、控制精度較差等特點(diǎn)，在不斷追求高精度、高效率的液壓系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展中，應(yīng)用逐漸較少。但在匹配應(yīng)用得當(dāng)?shù)那闆r下，成本較低、通流能力強(qiáng)的優(yōu)勢也使其在壓力控制系統(tǒng)中仍有很大的應(yīng)用空間。

1 概述

1.1 工作原理

先導(dǎo)式壓力控制方案為采用先導(dǎo)電磁閥+機(jī)械滑閥配合使用，實(shí)現(xiàn)壓力的控制，其性能表現(xiàn)取決于兩者的配合。而直驅(qū)閥則直接布置在壓力控制油路中，輸出特性取決于電磁閥的特性。

1.2 先導(dǎo)式電磁閥特點(diǎn)

先導(dǎo)式電磁閥是一種較常用及常見的電磁閥，這類閥功耗小，發(fā)熱少，線圈不易燒毀，可以長時(shí)間通電，而且節(jié)能，所以被廣泛使用[1]。先導(dǎo)電磁閥的壓力控制范圍一般較小，且通流能力小，因此需要配合機(jī)械閥實(shí)現(xiàn)更大的壓力控制范圍以及大流量控制需求。而直驅(qū)閥能夠直接布置在控制油路中實(shí)現(xiàn)較大的流量控制。

圖1 壓力控制方案原理圖

先導(dǎo)式電磁閥配合機(jī)械閥使用時(shí)，能夠利用機(jī)械滑閥較大的通流面積提升系統(tǒng)的壓力響應(yīng)特性；但相比直驅(qū)閥控制，增加了機(jī)械閥的控制，也會導(dǎo)致匹配應(yīng)用難度增加的問題。

表1 直驅(qū)電磁閥與先導(dǎo)電磁閥性能參數(shù)對比表

序號項(xiàng)目直驅(qū)閥先導(dǎo)閥 1外形尺寸較大較小 2控制精度較高稍差 3泄漏小稍大 4通流能力強(qiáng)差 5抗污染能力稍差強(qiáng) 6結(jié)構(gòu)復(fù)雜性各零件精度較高相對簡單 7匹配難度與單閥特性強(qiáng)相關(guān)需考慮與機(jī)械閥的配合 8成本較高較低

2 先導(dǎo)控制方案設(shè)計(jì)

在先導(dǎo)式控制方案下，先導(dǎo)電磁閥利用控制口輸出壓力控制機(jī)械閥芯的開閉，輸出壓力的大小，與閥芯開口大小及面積比密切相關(guān)。

如圖2先導(dǎo)壓力控制方案，先導(dǎo)壓力作用在閥芯上，推動(dòng)機(jī)械閥芯動(dòng)作，機(jī)械閥處P口與A口連通，通過調(diào)節(jié)先導(dǎo)閥壓力大小，可改變機(jī)械閥芯的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同輸出壓力的控制，其平衡方程如下：

先導(dǎo)=F+彈簧+摩擦（1）

即

先導(dǎo)．1=P．(1?2)+．△+摩擦（2）

其中先導(dǎo)表示先導(dǎo)電磁閥的輸出壓力；1為先導(dǎo)壓力作用面積；P為輸出壓力；2為機(jī)械閥小端面積；為彈簧剛度；Δ表示彈簧壓縮量；摩擦為系統(tǒng)摩擦力，常忽略不計(jì)。

圖2 先導(dǎo)式壓力控制示意圖

當(dāng)S1與S2相同時(shí)，控制口輸出壓力與先導(dǎo)壓力、彈簧力相關(guān)。實(shí)際應(yīng)該過程，按照公式（2）可通過閥芯及彈簧的匹配設(shè)計(jì)進(jìn)行最小壓力控制設(shè)計(jì)，進(jìn)而滿足常高系統(tǒng)壓力系統(tǒng)最小壓力、常低系統(tǒng)開啟壓力的設(shè)置需求。

先導(dǎo)電磁閥的壓力范圍以及機(jī)械閥芯面積，決定了輸出的最大壓力。

3 先導(dǎo)控制應(yīng)用特性

在雙離合自動(dòng)變速箱系統(tǒng)中，先導(dǎo)壓力控制可用于系統(tǒng)壓力控制，離合器壓力控制以及換擋壓力控制中，基于不同的系統(tǒng)針對不同的特性有不同的要求，比如離合器支路要保證較高的控制精度，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)支路滿足系統(tǒng)流量分配需求等，本文主要針對基礎(chǔ)壓力特性、壓力穩(wěn)定性、壓力響應(yīng)特性的差異及應(yīng)用影響進(jìn)行研究。

3.1 基礎(chǔ)壓力特性

良好的壓力線性度及較小的磁滯特性，在實(shí)際應(yīng)用過程中更易于軟件的控制實(shí)現(xiàn)較好的壓力控制效果，達(dá)到壓力精確控制的效果。理論上先導(dǎo)控制壓力輸出需要先導(dǎo)電磁閥接收到TCU提供電流進(jìn)行響應(yīng)輸出先導(dǎo)壓力后，再推動(dòng)機(jī)械滑閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出壓力，磁滯相比直驅(qū)控制會存在一定的偏大現(xiàn)象。

圖3 基礎(chǔ)壓力特性對比

根據(jù)實(shí)際對比測試，先導(dǎo)式控制方案達(dá)到與直驅(qū)控制相當(dāng)?shù)木€性度，先導(dǎo)控制磁滯略大，但整體差異不大。在實(shí)際應(yīng)用過程，可輔助dither參數(shù)予以適當(dāng)調(diào)整。

3.2 壓力穩(wěn)定性

輸出壓力穩(wěn)定性在雙離合自動(dòng)變速箱離合器壓力控制系統(tǒng)中對整體駕駛性有較明顯影響，尤其是在傳扭點(diǎn)附件，壓力的不穩(wěn)定會導(dǎo)致整車在無法傳扭（無響應(yīng)），傳扭過大（整車沖擊）狀態(tài)來回變化，嚴(yán)重影響駕駛品質(zhì)。

在相同環(huán)境下，通過測試對比，先導(dǎo)控制壓力特性相比直驅(qū)控制穩(wěn)定性較差。

圖4 壓力穩(wěn)定性對比結(jié)果

先導(dǎo)控制方案輸出壓力穩(wěn)定性差與機(jī)械滑閥輸入壓力穩(wěn)定性、先導(dǎo)電磁閥壓力穩(wěn)定性[2]、機(jī)械滑閥設(shè)計(jì)（notch口、均壓槽、閥芯閥孔控制邊）[3]、彈簧、蓄能器參數(shù)等均有密切相關(guān)性，最終壓力穩(wěn)定性控制到什么水平合適，需要基于系統(tǒng)需求目標(biāo)，結(jié)合上述因素進(jìn)行匹配后選出最合適的方案。

3.3 壓力響應(yīng)特性

基于相同的應(yīng)用環(huán)境下，分別采用相同壓力調(diào)節(jié)范圍的先導(dǎo)壓力控制方案和直驅(qū)控制方案進(jìn)行測試對比，相同的目標(biāo)壓力下，先導(dǎo)控制方案響應(yīng)特性明顯快于直驅(qū)控制方案。其響應(yīng)特性的快慢主要取決于通流面積。理論上，在相同的通流面積下，直驅(qū)控制響應(yīng)特性會優(yōu)于先導(dǎo)控制特性。但在實(shí)際應(yīng)用中，直驅(qū)控制要達(dá)到比較高的通流面積就需要更大的空間、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致成本的上升，此時(shí)先導(dǎo)控制能夠簡單地通過調(diào)整機(jī)械滑閥直徑提升響應(yīng)特性的特點(diǎn)。

圖5 響應(yīng)特性對比結(jié)果

因此從壓力響應(yīng)特性角度上講，兩種壓力控制方案沒有絕對的快和慢，但先導(dǎo)控制方案能夠通過更加經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)較快的響應(yīng)特性。

3.4 壓力一致性

直驅(qū)電磁閥各組件加工精度較高，裝配完成后通過下線100%檢測進(jìn)行一致性管控。而先導(dǎo)控制方案下其輸出壓力影響因素更多，如先導(dǎo)電磁閥、機(jī)械閥控制邊、閥芯直徑、彈簧等均存在一定的散差，理論上相互疊加后會導(dǎo)致輸出壓力一致性偏差。

圖6 壓力一致性因素對比

通過專項(xiàng)研究，先導(dǎo)控制方案壓力一致性差于直驅(qū)閥控制方案，且其主要影響因素在于機(jī)械滑閥彈簧、先導(dǎo)電磁閥。

若先導(dǎo)控制方案達(dá)到與直驅(qū)電磁閥一致性相當(dāng)?shù)乃?，需要各組件有更高的加工精度，比如提高彈簧精度等級，必然又會導(dǎo)致成本的增加。為了解決該問題，在不改變零部件精度等級的情況下，一方面可以通過在總成裝配過程對各組件進(jìn)行選配實(shí)現(xiàn)更高的一致性，但也會帶來一定的測量選配成本；另一方面可以嘗試通過提升控制軟件的魯棒性使其能夠覆蓋控制壓力的一致性偏差。

4 總結(jié)

針對壓力控制系統(tǒng)，不管是先導(dǎo)壓力控制還是直驅(qū)控制，在不同的應(yīng)用環(huán)境下沒有絕對的好壞，重點(diǎn)是如何基于需求選擇出更適合當(dāng)前系統(tǒng)的壓力控制方案。整體來講，在能夠滿足系統(tǒng)一般成本、性能需求的情況下，先導(dǎo)控制壓力響應(yīng)特性快、成本低的特點(diǎn)比較明顯，而其控制精度稍差、一致性稍差、布置空間較大的特點(diǎn)也不可避免。在自動(dòng)變速箱液壓系統(tǒng)中，基于市場產(chǎn)品競爭壓力的增加，對整體性價(jià)比有了更高的要求，先導(dǎo)控制方案的深入研究為在系統(tǒng)方案選擇提供更多的選擇，對于提升產(chǎn)品力也具有更大的意義。

[1] 李壯云,液壓氣動(dòng)與液力工程手冊(上冊)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[2] 吳立桃.先導(dǎo)式壓力控制閥自激振動(dòng)及其噪聲研究[D].長沙:湖南科技大學(xué),2011.

[3] DC.Hewitt and R.L.Leonard,Design of Valve Body and Governor Systems[J].SAE paper.1962.

Application Research on Pilot Solenoid in Pressure Control System

WEN Huaming, YANG Shixian, ZHENG Haibing

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Pilot pressure control system is composed of pilot solenoid valve and mechanical valve, compared with the direct drive control system, with large flow capacity, low cost advantages, So there are many application cases. However, there are still some gaps in the control accuracy and consistency compared with the direct drive system. Through the direct comparison of the related characteristics of the two pressure control systems, this paper studies and confirms the feasibility of the pilot scheme to replace the direct drive scheme under specific conditions,which provides a reference for the design of the pressure control scheme of the hydraulic system.

Pilot; Solenoid valve; Mechanical Valve; Pressure control system

U463.212+.3

A

1671-7988(2021)20-114-03

U463.212+.3

A

1671-7988(2021)20-114-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.028

溫華明（1990—），男，中級工程師，變速箱設(shè)計(jì)主管工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心變速箱研究院，研究方向?yàn)樽詣?dòng)變速箱液壓控制系統(tǒng)。