自動變速器液壓系統(tǒng)動態(tài)響應特性試驗研究

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(北京理工大學 機械與車輛學院， 北京 100081)

引言

自動變速器的液壓系統(tǒng)主要由接收電信號的電磁閥、起功率放大作用的流量閥、以及供油系統(tǒng)和系統(tǒng)定壓閥等組成[1]。通常將從變速器油泵輸出到換擋離合器油腔之間的控制閥體及其油道回路稱作換擋控制回路。在以往的研究中，已經(jīng)對液壓系統(tǒng)中的單個閥進行了大量的特性研究[2-6]，但很少有文獻涉及整個換擋控制回路的動態(tài)響應特性研究。

為滿足換擋品質(zhì)控制對離合器油壓緩沖控制特性的要求，以某液力機械自動變速器液壓系統(tǒng)為研究對象，試制了其中的換擋控制回路，通過試驗的方法對該回路的動態(tài)響應特性進行了研究和分析，由于變速器油液對溫度變化很敏感[7]，本研究還分析了變速器油液溫度變化對換擋控制回路動態(tài)充油特性的影響。

1 液壓系統(tǒng)工作原理

圖1為試制的某液力機械自動變速器的液壓系統(tǒng)工作原理圖，系統(tǒng)組成如圖所示。根據(jù)構(gòu)件各自功能的不同，該液壓系統(tǒng)可分為供油部分、調(diào)壓部分、換擋控制回路和輔助部分。

調(diào)壓部分由主調(diào)壓閥、主控調(diào)壓閥和CPS4組成。主調(diào)壓閥控制著液壓系統(tǒng)的供油壓力pZ和流量，該系統(tǒng)壓力可以通過可調(diào)節(jié)電磁力的CPS4進行調(diào)整，主控調(diào)壓閥控制著電磁閥的控制壓力pC。

換擋控制回路包括電磁閥、雙邊節(jié)流閥、鎖止閥和相應油路。通過電磁閥控制雙邊節(jié)流閥向離合器供油，HSS的輸出壓力可以調(diào)節(jié)L1和L2的閥芯位置，從而切換不同離合器換擋控制回路的通斷。雙邊節(jié)流閥起一個功率放大器的作用，向換擋離合器及閉鎖離合器工作油腔供油。

從工作原理圖中可以看出C1～C3和C5換擋控制回路不論通電與否都要經(jīng)過L1、L2，因此在斷電時將根據(jù)L1、L2閥芯的位置確定上述換擋控制回路的通斷，進而控制相應離合器的接合或分離，保證車輛能夠安全行駛。因為L1、L2鎖止閥的作用，電磁閥與離合器也不再是簡單的一一對應的關(guān)系，電磁閥和離合器的控制邏輯以及擋位的關(guān)系見表1。

1.壓力診斷閥 2.診斷開關(guān)閥DS 3.鎖止閥L2 4.鎖止閥L1 5.離合器C5 6.離合器C3 7.離合器C2 8.離合器C1 9.回油背壓閥10.離合器C4 11.閉鎖離合器 12.雙邊節(jié)流閥 13.蓄能器 14.常閉比例電磁閥CPS3 15.常閉比例電磁閥CPS216.常閉比例電磁閥CPS1 17.常開比例電磁閥OPS1 18.高速開關(guān)閥HSS 19.常開比例電磁閥OPS2 20.主控調(diào)壓閥21.常閉電磁閥CPS4 22.主調(diào)壓閥 23.主濾清器 24.油泵 25.吸濾器 26.泄壓閥圖1 自動變速器液壓系統(tǒng)工作原理圖

離合器擋位常開比例電磁閥常閉比例電磁閥開關(guān)閥診斷開關(guān)鎖止閥OPS1OPS2CPS1CPS2CPS3CPS4HSSDSL1L2C5空√√√√上上C3、C5倒√√√√上上C1、C5一√√√√△上下C1、C4、CLU二√√√√√√下下C1、C3、CLU三√√√√√下下C1、C2、CLU四√√√下下C2、C3、CLU五√√√√√下下C2、C4、CLU六√√√下上

表中：√表示相應電磁閥通電，對DS表示壓力開關(guān)打開，√△表示由空擋升入一擋或從一擋回到空擋時，HSS電磁閥需短時間

工作，上/下表示L1、L2閥芯在閥腔中的位置。

此外，由于L1閥芯位置對換擋控制至關(guān)重要，為保證換擋控制能正常進行，需要診斷開關(guān)DS來監(jiān)測鎖止閥L1閥芯的位置，當L1閥芯處于下端時DS打開，反之，當L1閥芯處于上端時DS關(guān)閉，所以通過監(jiān)測DS的開關(guān)狀態(tài)就可以知道L1閥芯的位置。

2 試驗與分析

2.1 試驗條件

液壓系統(tǒng)測試平臺主要包括測試臺架、控制系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)等。圖2為液壓模塊中某離合器換擋控制回路的動態(tài)特性測試平臺原理圖，其通過PS1～PS4四個油壓傳感器采集換擋控制回路中的控制油壓pC、主油壓pZ、輸出油壓pCLx和蓄能器壓力，油溫表記錄油液溫度。控制器根據(jù)控制策略輸出給相應電磁閥來調(diào)節(jié)離合器換擋控制回路的充放油過程，并由數(shù)據(jù)采集軟件實時記錄試驗過程中的油壓。測試平臺由液壓泵來提供油源，其額定流量為100 L/min，主油壓最高可達到20 bar，電磁閥驅(qū)動電壓為24 V，系統(tǒng)溫度范圍0～120 ℃。PWM控制頻率為1 kHz，采樣周期為10 ms。

圖2 液壓系統(tǒng)動態(tài)特性測試系統(tǒng)原理圖

2.2 試驗結(jié)果及分析

以標定過的換擋過程充放油控制策略為基礎設計各電磁閥的控制時序和占空比的變化規(guī)律。圖3所示為80 ℃油溫下，由不同類型電磁閥控制的各離合器換擋控制回路在換擋過程中充放油時的動態(tài)壓力響應曲線，此時液力變矩器已經(jīng)閉鎖，系統(tǒng)的主油壓pz保持在12.8 bar左右，主控油壓穩(wěn)定在6.76 bar。

圖3 C3和C4換擋控制回路充/放油的動態(tài)曲線

分析圖3可知，由常閉比例電磁閥CPS2控制的C4換擋控制回路的關(guān)閉響應時間Δtab(從發(fā)出快放油占空比控制指令到油壓開始下降)大約為40 ms、放油響應時間Δtcd(輸出壓力從90%穩(wěn)定壓力第一次降低到10%穩(wěn)定壓力)大約為120 ms；由常閉比例電磁閥CPS1控制的C3換擋控制回路的開啟響應時間Δtef(從發(fā)出快充油占空比控制指令到油壓開始上升)約為80 ms、充油響應時間Δtgh(輸出壓力從10%穩(wěn)定壓力第一次上升到90%穩(wěn)定壓力)約為160 ms。類似地，統(tǒng)計其他各電磁閥控制的換擋回路輸出壓力的動態(tài)響應時間如表2所示。

表2 各換擋回路輸出壓力的動態(tài)響應時間 ms

2.3 油溫對響應曲線的影響

如圖4所示，為在相同的控制策略下，五種油液溫度對離合器充油壓力特性造成的影響。隨著溫度的升高，充油壓力的動態(tài)響應時間變短，并且穩(wěn)態(tài)壓力也隨著溫度升高而有所升高，70 ℃和90 ℃的充油壓力曲線基本保持一致，但當溫度超過100 ℃后液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)將變得不穩(wěn)定。油溫變化主要影響油液的黏度，油溫低黏度大，不利于形成油膜，油溫高黏度小，油膜容易破裂。因此，溫度過高和過低都不利于對液壓系統(tǒng)離合器換擋控制回路的充放油控制。為提高換擋

品質(zhì)，考慮將油溫對響應特性的影響進行標定，進而對輸出占空比進行補償。

圖4 油溫對動態(tài)充油壓力特性的影響

3 結(jié)論

在分析某液力機械自動變速器液壓系統(tǒng)的工作原理的基礎上，試制了其中的核心部件換擋控制回路，并對其輸出壓力進行了動態(tài)響應特性測試。

(1) 試驗數(shù)據(jù)表明常閉型和常開型比例電磁閥所控制的換擋控制回路的充油動態(tài)響應特性較一致，充油響應時間在150～200 ms，而放油動態(tài)響應特性存在一定差異，常開型比例電磁閥控制的換擋控制回路關(guān)閉響應時間比常閉型的要略長，應分別設計適宜的控制策略去適應它們的控制特性。

(2) 通過分析油溫變化對離合器換擋控制回路充油特性的試驗數(shù)據(jù)，可以得到占空比對溫度影響的補償值，將其列為數(shù)據(jù)表嵌入到換擋控制的前饋控制中，將有利于提高其換擋品質(zhì)。

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