ZF4WG200變速箱電液換擋操縱閥研究

胡萬強，姚寧

(許昌學院電氣信息工程學院，河南許昌 461000)

ZF4WG200變速箱電液換擋操縱閥研究

胡萬強，姚寧

(許昌學院電氣信息工程學院，河南許昌 461000)

電液換擋操縱閥作為換擋控制器和離合器的關鍵連接部件，其性能優劣直接影響著換擋系統的功能與換擋品質。介紹ZF4WG200變速箱電液換擋操縱閥液壓系統組成和功能，根據其傳遞函數，分析了系統的穩定性，并進行了系統的動態性能分析。

電液換擋操縱閥;液壓系統;性能分析

工程機械工作環境通常比較惡劣，行駛狀況復雜，換擋比較頻繁。以裝載機為例，每個作業循環需要換4～5次擋，連續作業每小時須換上千次擋。目前我國裝載機動力換擋變速箱普遍采用液壓動力換擋，這種換擋操縱方式可靠，維修方便，但安裝布置復雜，操縱力大，并且換擋品質較差。隨著液壓和電子技術的發展，電液換擋技術逐漸成熟，電液換擋即把電磁鐵和換擋操縱閥集成在一起，通過專用的換擋手柄進行換擋控制，可以使換擋過程平穩快速地完成。由于電液換擋操縱靈活、布置方便，便于實現自動控制，有較好的換擋品質，因此電液換擋技術在裝載機領域得到了廣泛的應用。

通常電磁閥和液壓控制閥集成在一個閥塊內，稱為換擋操縱閥。電液換擋操縱閥連接換擋控制器和離合器，在整個換擋過程中，變速箱功能的實現和對離合器結合過程的控制主要由換擋操縱閥來控制，換擋操縱閥的設計功能及工作性能直接影響著換擋功能的實現與換擋品質，因此，需要對換擋操縱閥的工作原理和設計過程進行研究。

以ZF4WG200變速箱電液換擋操縱閥為研究對象，通過分析其液壓系統工作原理，對關鍵元件進行力學分析，最后通過數學模型仿真及試驗來驗證分析設計過程。

1 液壓系統組成元件及其功能

電液換擋操縱閥液壓原理如圖1所示，主要包括:主壓力閥1、調壓閥2、壓力設定閥3、排油閥4、換向閥5、減壓閥6、換擋閥7～11、二級閥12、電磁閥M1～M5、節流孔O1～O3和兩個單向閥。

圖1 電液換擋操縱閥液壓原理圖

系統壓力油經電液換擋操縱閥中的主壓力閥后分兩路，一路經過減壓閥進入電磁閥作為先導油液控制換擋閥;另一路通過調壓閥經換擋閥進入離合器，擋位離合器的動作由換擋閥實現。調壓閥的作用是在換擋過程中調節離合器油缸的升壓特性，即控制離合器油缸在充油過程處于低壓，在升壓過程平穩緩慢升壓，實現平穩換擋。

主壓力閥主要限制系統最高工作油壓，確保供給主油路的壓力在一定的范圍內變化，另外，將溢出的油液送入變矩器及其后的潤滑油路，保證變矩器和潤滑系統在規定的油壓下供油。其結構如圖2所示，它由閥芯1、閥體2和彈簧3組成，閥芯上有節流小孔，使兩個油腔A和B相通，同時減壓閥的壓力油和主壓力閥的彈簧腔6相通。當從油路4引入油泵壓力油時，壓力油經小孔進入A腔，在閥芯1右端產生推力，使閥芯1克服彈簧力和背壓力向左移動。當閥芯打開油路5時，壓力油從5排出，于是A和B腔壓力降低，閥芯又向右微移，通過控制閥芯位移控制排油量，使主壓力p保持一致。在背壓力一定的情況下，主壓力p大小決定于彈簧力的調整。

圖2 主壓力閥結構圖

2 系統穩定性分析

由于離合器油缸是最終的執行機構，其動態性能同樣影響換擋過程穩定性，因此需要對換擋閥和離合器油缸進行穩定性分析，簡化后的系統模型如圖3所示。

圖3 液壓系統簡化模型

通過對換擋閥流量方程、液壓缸流量連續性方程和液壓缸與負載的力平衡方程的分析，得出系統的傳遞函數為:

通過MATLAB仿真，得出系統的Bode圖如圖4所示，可以看出:相頻特性在－180°時的穿越頻率大于幅頻特性在0 dB時的穿越頻率，由對數特性的穩定性判據可知，系統是穩定的。在頻率20.5 rad/s的幅值裕度Kg=9.67 dB，在頻率8.8 rad/s的相位裕度γ= 47.2°。

圖4 系統Bode圖

3 系統動態性能分析

在AMESim軟件中建立ZF4WG200變速箱電液換擋操縱閥仿真模型，仿真的目的是驗證換擋操縱閥的功能和調壓特性，檢驗離合器升壓特性、換擋操縱閥工作原理和設計過程的正確性。

(1)充油升壓過程分析

慢換擋時的離合器工作油壓仿真曲線如圖5所示，在調壓階段，從離合器摩擦片被壓緊，開始傳遞摩擦力矩，經過離合器滑摩，直到摩擦片完全結合。調壓開始油壓約為0.27 MPa，調壓結束油壓為1.2 MPa，調壓時間約為1.5 s，升壓平穩，與設計油壓曲線的調壓階段相符合，因此調壓閥的設計是合理的。

圖5 離合器工作油壓曲線

(2)快慢換擋功能過程

快慢換擋過程仿真圖形如圖6所示，通過對比可以看出:快換擋調壓階段時間為1 s，充油時間和階躍升壓時間不變，開始調壓壓力為0.5 MPa，結束調壓壓力為1.2 MPa;快換擋比慢換擋時間少0.6 s。以上仿真結果與設計要求的快換擋曲線符合，可以說明快、慢換擋油路分析和設計過程的正確性。

圖6 快慢換擋油壓曲線對比

(3)換擋操縱閥試驗分析

換擋過程是離合器結合和分離的過程，為了保證換擋過程平穩，離合器結合與分離需要有一定的重疊，其仿真圖線如圖7所示。從圖中看出，離合器分離和結合有合理的重疊區，避免了動力中斷和沖擊，因此換擋操縱閥的設計是合理的。

圖7 換擋油壓重合曲線

4 結束語

電液換擋操縱閥是連接換擋控制器和離合器的主要元件，換擋操縱閥的工作性能直接影響著換擋功能的實現與換擋品質。從仿真結果來看，換擋操縱閥的設計是比較合理的，但這里面忽略了一些實際因素。因此為了得到合理的換擋品質，需要在對工程機械進行工況計算的基礎上多做試驗，掌握換擋操縱閥和離合器的匹配規律，只有這樣才能得到理想換擋品質。

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【4】王康.自動變速器電液控制系統研究與試驗［D］.上海:同濟大學，2000.

Research on Electro-hydraulic Shift Control Valve for ZF4WG200 Gear-box

HU Wanqiang，YAO Ning
(College of Electrical and Information Engineering，Xuchang University，Xuchang Henan 461000，China)

As a key connecting part of the shift controller and clutch，the performance of electro-hydraulic shift control valve directly affects the function and shift quality of transmission system.The system components and functions of the ZF4WG200 gear-box electro-hydraulic shift control valve were introduced.Then according to the transfer function，the system stability and dynamic performance were analyzed.

Electro-hydraulic shift control valve;Hydraulic system;Performance analysis

TH137

B

1001－3881(2014)8－087－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.029

2013－03－08

胡萬強 (1975—)，男，講師，主要從事機電設計及其控制方面的教學與研究工作。E－mail:hwq@xcu.edu.cn。