自動變速器主油壓調(diào)節(jié)用數(shù)字比例溢流閥特性研究

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(燕山大學(xué) 車輛與能源學(xué)院， 河北 秦皇島　066004)

引言

合理控制自動變速器的主油壓，可以改善換擋品質(zhì)，降低油泵損耗功率，提高變速器壽命[1-3]。以高速開關(guān)閥為比例溢流閥的先導(dǎo)級，采用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulated，PWM)信號控制的數(shù)字比例溢流閥具有可靠性高、成本低、環(huán)境敏感度低等特點[4]。

周中銳等[5-8]建立了數(shù)字比例溢流閥的仿真模型，分析了阻尼孔直徑等參數(shù)對閥輸出壓力的影響規(guī)律；郭曉林等[9]用MSC Easy5仿真分析了脈寬調(diào)制數(shù)字比例溢流閥在雙離合器自動變速器中的離合器油壓緩沖特性。但尚鮮見有關(guān)數(shù)字比例溢流閥特性的系統(tǒng)試驗研究。本研究通過仿真與試驗對比的方法研究數(shù)字比例溢流閥的特性，分析了其靜態(tài)特性和動態(tài)特性，該閥能夠滿足自動變速器主油壓調(diào)節(jié)要求。

1　數(shù)字比例溢流閥結(jié)構(gòu)及工作原理

自動變速器主油壓調(diào)節(jié)用數(shù)字比例溢流閥原理圖如圖1所示，包括高速開關(guān)閥、安全閥、主閥和阻尼孔。建模中還加入了主油路容腔和先導(dǎo)閥容腔部分。

1.高速開關(guān)閥　2.安全閥　3.主閥　4.阻尼孔圖1　數(shù)字比例溢流閥原理圖

無控制信號時，高速開關(guān)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，數(shù)字比例溢流閥工作過程與先導(dǎo)式溢流閥一致。主油路壓力p1由安全閥彈簧預(yù)緊力決定。

輸入PWM控制信號時，高速開關(guān)閥處于高速交替啟閉狀態(tài)。此時安全閥關(guān)閉，油液通過高速開關(guān)閥流回油箱。調(diào)制PWM信號占空比τ可以調(diào)節(jié)一個周期內(nèi)高速開關(guān)閥開啟與關(guān)閉狀態(tài)所占時長，進(jìn)而控制流經(jīng)阻尼孔的流量。不同的流量經(jīng)過阻尼孔產(chǎn)生不同的壓力差，相應(yīng)地可以控制主閥芯的工作狀態(tài)，即控制主油路壓力。PWM信號占空比τ越大，一個周期內(nèi)高速開關(guān)閥開啟時間越長，流經(jīng)阻尼孔的流量越大，則主油路壓力越低，當(dāng)τ=1時，系統(tǒng)壓力達(dá)到最低。

2　數(shù)字比例溢流閥建模

數(shù)字比例溢流閥建模前，對部分條件進(jìn)行如下假設(shè)：

(1) 忽略高速開關(guān)閥電磁鐵磁滯效應(yīng)；

(2) 數(shù)字比例溢流閥工作時無泄漏；

(3) 油液體積模量恒定；

(4) 油源為理想恒流源。

2.1　高速開關(guān)閥數(shù)學(xué)模型

1) 控制信號模型

仿真模型中PWM信號生成過程如圖2所示。其中τ在0～1之間變化，并與幅值為1的鋸齒波做差，當(dāng)差值大于0時輸出1，差值小于0時輸出0[10]，如式(1)所示：

(1)

式中,SJC為鋸齒波信號。

圖2　PWM信號生成原理圖

理想狀態(tài)下，高速開關(guān)閥閥芯所受電磁力F與控制信號的關(guān)系如式(2)所示：

(2)

式中，F(xiàn)0為電磁鐵最大電磁力，N；SPWM為PWM控制信號，1為高電平，0為低電平。

2) 高速開關(guān)閥動力學(xué)模型

(3)

式中，F(xiàn)為電磁鐵作用力，N；m1為高速開關(guān)閥閥芯質(zhì)量，kg；x1為高速開關(guān)閥閥芯位移，m；c1為高速開關(guān)閥芯黏性阻尼系數(shù)，N·s/m；k1為高速開關(guān)閥復(fù)位彈簧剛度，N/m。

3) 高速開關(guān)閥閥口節(jié)流方程

(4)

式中，q1為高速開關(guān)閥閥口流量，L/min；C1為高速開關(guān)閥閥口流量系數(shù)；d1為高速開關(guān)閥閥孔直徑，m；α1為高速開關(guān)閥閥口半錐角，°；p2為先導(dǎo)閥腔壓力，MPa。

2.2　安全閥數(shù)學(xué)模型

1) 安全閥動力學(xué)模型

(5)

式中，p2為先導(dǎo)閥腔壓力，MPa；A2為安全閥閥口截面積，m2；m2為安全閥閥芯質(zhì)量，kg；c2為安全閥芯粘性阻尼系數(shù)，N·s/m；k2為安全閥復(fù)位彈簧剛度，N/m；x2為安全閥閥芯位移，m；x02為安全閥彈簧預(yù)壓縮量，m；F2=k2x02-p2A2為安全閥閥座反作用力，N。

2) 安全閥閥口節(jié)流方程

(6)

式中，q2為安全閥閥口流量，L/min；C2為安全閥閥口流量系數(shù)；d2為安全閥閥孔直徑，m；α2為安全閥閥口半錐角，°。

2.3　主閥數(shù)學(xué)模型

1) 主閥動力學(xué)模型

(7)

式中，p1為主油路壓力，MPa；A3為主閥閥口截面積，m2；m3為主閥閥芯質(zhì)量，kg；c3為主閥芯黏性阻尼系數(shù)，N·s/m；k3為主閥彈簧剛度，N/m；x3為主閥閥芯位移，m；x03為主閥閥芯預(yù)壓縮量，m。

2) 主閥閥口節(jié)流方程

(8)

式中，q3為主閥閥口流量，L/min；C3為主閥閥口流量系數(shù)；d3為主閥閥口直徑，m；α3為主閥閥口半錐角，°。

2.4　阻尼孔數(shù)學(xué)模型

該閥的阻尼孔為細(xì)長孔，其數(shù)學(xué)模型為:

(9)

式中，qz為流經(jīng)阻尼孔的流量，L/min；d為阻尼孔直徑，m；μ為油液動力黏度，Pa·s；l為阻尼孔長度，m。

2.5　容腔數(shù)學(xué)模型

油液體積模量定義式為:

(10)

由式(10)得:

整理得:

(11)

根據(jù)式(11)可得到如下的容腔數(shù)學(xué)模型。

1) 先導(dǎo)閥容腔數(shù)學(xué)模型

(12)

式中，V1為先導(dǎo)閥腔體積，m3。

2) 主油路容腔模型

(13)

式中，V2為主油路容腔體積，m3；qp為油源輸出流量，L/min。

2.6　數(shù)字比例溢流閥仿真模型

根據(jù)上述模型，在Simulink中建立的仿真模型如圖3所示。仿真參數(shù)見表1。

圖3　數(shù)字比例溢流閥仿真模型

符號參數(shù)值符號參數(shù)值符號參數(shù)值k1/N·m-11000k2/N·m-11000k3/N·m-11500c1/N·s·m-15c2/N·s·m-110c3/N·s·m-1100m1/kg0．005m2/kg0．015m3/kg0．035C10．65C20．65C30．65d1/m0．0005d2/m0．003d3/m0．01α1/deg45α2/deg20α3/deg15μ/Pa·s0．023ρ/kg·m-3860x03/m0．01

3　數(shù)字比例溢流閥試驗與仿真結(jié)果對比分析

數(shù)字比例溢流閥試驗臺如圖4所示，包括操作臺和試驗臺架兩部分，通過測控系統(tǒng)將兩部分聯(lián)系起來。

圖4　數(shù)字比例溢流閥試驗臺簡圖

試驗在流量50 L/min，油箱溫度40 ℃，PWM信號頻率50 Hz的條件下進(jìn)行，先后進(jìn)行了數(shù)字比例溢流閥的靜態(tài)特性和動態(tài)特性試驗，并將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比分析。

3.1　數(shù)字比例溢流閥靜態(tài)特性

分析靜態(tài)特性時，對高速開關(guān)閥輸入固定占空比信號，記錄不同占空比下對應(yīng)的主油路壓力，得到的壓力-占空比關(guān)系曲線如圖5所示。可以看出仿真結(jié)果和試驗結(jié)果基本一致。數(shù)字比例溢流閥控制壓力隨控制信號占空比近似線性變化，其中當(dāng)壓力p1連續(xù)變化時，試驗結(jié)果對應(yīng)的占空比τ范圍為30%～70%，仿真結(jié)果為30%～80%。

圖5　數(shù)字比例溢流閥靜態(tài)特性

占空比為70%～80%時，由于磁滯效應(yīng)，實際工作中的高速開關(guān)閥閥芯保持完全開啟狀態(tài)，而仿真模型中閥芯已經(jīng)開始動作，并產(chǎn)生了壓力變化。

3.2　數(shù)字比例溢流閥動態(tài)特性

1) 數(shù)字比例溢流閥對階躍信號的響應(yīng)

對數(shù)字比例溢流閥輸入的PWM信號占空比在0～5 s為100%，在5 s時階躍降至0%，并保持不變，先后調(diào)整阻尼孔直徑d和主閥彈簧預(yù)壓縮量x03，得到壓力-時間關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6　數(shù)字比例溢流閥階躍響應(yīng)壓力-時間關(guān)系曲線

圖6a中，主油路最低壓力為0.6 MPa，仿真結(jié)果壓力響應(yīng)時間為0.13 s，試驗結(jié)果為0.25 s；圖6b中最低壓力為0.48 MPa，仿真結(jié)果響應(yīng)時間為0.19 s，試驗結(jié)果為0.3 s；圖6c中最低壓力為0.4 MPa，仿真結(jié)果響應(yīng)時間為0.23 s，試驗結(jié)果為0.5 s。可以看出隨著阻尼孔直徑的減小以及主閥彈簧預(yù)壓縮量的減少，系統(tǒng)可達(dá)到的最低壓力變小，壓力響應(yīng)時間變長。

圖6中，隨最低壓力降低，仿真和試驗結(jié)果壓力響應(yīng)時間的差別隨之變大。主要原因如下。

對于仿真模型，由于建模假設(shè)條件(3)，進(jìn)行仿真時選取1 MPa壓力下的油液正切體積模量，大小為100 MPa。但實際油液體積模量隨著壓力減小而變小，所以在1 MPa以下時，試驗結(jié)果的建壓速度較仿真曲線慢。

對于試驗臺，從液壓泵到數(shù)字比例溢流閥間的管路過長，其中存留的油液較多，這部分油液對整個建壓過程起了緩沖作用，延長了壓力響應(yīng)時間。

2) 數(shù)字比例溢流閥對連續(xù)變化信號的響應(yīng)

對數(shù)字比例溢流閥輸入的PWM信號占空比在0～5 s內(nèi)保持100%，在5～5.8 s由100%線性減小至0%，之后保持0%不變，得到如圖7所示的壓力變化過程。圖中仿真結(jié)果中壓力在5.65 s時達(dá)到最大，p1連續(xù)變化時對應(yīng)的占空比為20%～70%；試驗結(jié)果中壓力在5.7 s時達(dá)到最大，壓力連續(xù)變化時對應(yīng)的占空比為10%～60%。

圖7　數(shù)字比例溢流閥對連續(xù)變化信號的響應(yīng)

對比試驗與仿真結(jié)果可知，壓力連續(xù)變化時對應(yīng)的占空比變化范圍相等，但起始值不同，試驗結(jié)果對應(yīng)的占空比偏小。這種差異是建模時對高速開關(guān)閥磁滯效應(yīng)及油液體積模量設(shè)定的假設(shè)條件導(dǎo)致的。

考慮到實際液壓控制系統(tǒng)集成在一塊閥體上，其中的油道很短，本研究仿真模型的誤差可以被縮小。另外，這種誤差導(dǎo)致仿真結(jié)果中壓力連續(xù)變化時對應(yīng)占空比的起始值和終止值偏大，對占空比變化范圍無影響，對數(shù)字比例溢流閥進(jìn)行特性分析時這種誤差可以忽略。

4　結(jié)論

(1) 針對某自動變速器主油壓調(diào)節(jié)用數(shù)字比例溢流閥結(jié)構(gòu)特點及工作原理，提出建模假設(shè)條件。在此基礎(chǔ)上利用Simulink軟件建立了該閥的仿真模型。仿真與試驗結(jié)果對比，結(jié)果表明：仿真模型能夠反映實際系統(tǒng)特性，所提出的假設(shè)條件合理；

(2) 參數(shù)適當(dāng)?shù)臄?shù)字比例溢流閥控制壓力能隨控制信號占空比近似線性變化，滿足自動變速器主油壓調(diào)節(jié)要求；

(3) 數(shù)字比例溢流閥的階躍響應(yīng)過程隨著阻尼孔直徑及主閥彈簧預(yù)壓縮量的減少，系統(tǒng)最低壓力降低，壓力響應(yīng)時間變長；

(4) 數(shù)字比例溢流閥控制壓力隨占空比變化而連續(xù)變化，仿真與試驗結(jié)果，壓力連續(xù)變化所對應(yīng)的占空比變化范圍相等，但起始值不同，試驗結(jié)果壓力連續(xù)變化時對應(yīng)的占空比偏小，主要由高速開關(guān)閥磁滯效應(yīng)引起。

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