閥體設計方法淺析

孫建明，古婷

（陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安 710119）

引言

電控液動式自動變速器，液壓系統(tǒng)是連接電控軟件與機械硬件的橋梁。電控軟件通過TCU發(fā)出控制電流，對液壓模塊電磁閥進行控制并調(diào)節(jié)各油路壓力，然后通過油壓驅(qū)動換擋撥叉和離合器等執(zhí)行元件實現(xiàn)自動變速。因此，液壓模塊的主要功能，就是把油泵輸入的高壓油按TCU控制策略轉(zhuǎn)化為多路可控的穩(wěn)定壓力油提供至各機械執(zhí)行元件。

閥體作為液壓模塊的核心載體，其主要功能是集成輸入及多路輸出油路，固定電磁閥、壓力傳感器、蓄能器等液壓元器件，實現(xiàn)液壓控制原理。一般來講，自動變速器液壓原理較為復雜，包含多條油路及多個電磁閥，所以閥體設計的難點主要在于液壓油路集成的設計。油路的設計質(zhì)量，不僅會直接影響到液壓特性，也會對閥體制造工藝性帶來較大的影響。

根據(jù)液壓原理油路及電磁閥數(shù)量、整機液壓模塊布置、油路流量大小等因素，閥體可設計成單片式、雙片式、三片式。比如AMT上液壓油路相對簡單、油路流量較小，多采用單片式閥體設計。單片式閥體油路直接采用機加工鉆孔，制造工藝性較好，油路設計相對簡單。而DCT與AT則較多采用雙片式閥體，即分為上、下兩個閥體，中間用隔板密封。雙片式閥體可實現(xiàn)較大的油路截面積，且油路在外表面其走向不受鉆孔加工方式的限制，可實現(xiàn)多條油路交錯布置，故油路設計也較為復雜。

1 設計原則

根據(jù)閥體功能和作用，在進行閥體設計時，設計原則：

1）滿足閥體的功能要求；

2）具有足夠的強度和剛度，防止閥體變形；

3）具有較小的流阻，油路盡可能平滑，在上、下閥體中翻轉(zhuǎn)次數(shù)盡可能少；

4）具有較低的泄漏，油路盡可能短，閥體連接螺栓布局要合理；

5）具有輕量化的設計，減少總成的重量；

6）具有良好的工藝性能，便于鑄造和機械加工。

2 設計流程

閥體的設計其實就是液壓模塊設計的主要內(nèi)容。在閥體設計前期，必須依靠仿真軟件對液壓系統(tǒng)各油路壓力、流量進行仿真設計，確定好節(jié)流孔、蓄能器、閥芯、泄壓閥等液壓元件的設計，以避免在后期出現(xiàn)較大的改動，甚至發(fā)生油路需要重新布置的風險。由于閥體油路的不規(guī)則性，產(chǎn)品全部采用壓鑄鑄造再機加工的方式生產(chǎn)制造。所以在閥體設計時，需要考慮材料的機械性能、鑄造及機加工性能。一般采用壓鑄鋁合金，如AlSi9Cu3、A380、ADC12等牌號。閥體具體設計流程如圖1所示。

圖1 閥體設計流程圖

3 閥體設計

3.1 A階段設計

閥體A階段設計，主要以滿足液壓模塊功能需求為目的。以液壓原理圖、整機安裝邊界及接口等為設計輸入，按照閥體設計流程進行方案設計。此階段暫不考慮過多的制造工藝性，可用快速成型方式加工樣件進行功能及性能試驗即可。三維設計時，可直接在實體上進行拉伸、旋轉(zhuǎn)、打孔等簡單操作去除材料即可完成。重點是油路的布局設計，要盡可能滿足設計原則，此過程需要豐富的經(jīng)驗和空間思考能力，以確保油路設計質(zhì)量。該階段的主要目的是搭建功能樣機，進行整機及液壓模塊各項試驗驗證，發(fā)現(xiàn)問題并為后續(xù)設計優(yōu)化提供支持。某濕式雙離合器自動變速器液壓模塊A階段設計如圖2所示。

圖2 液壓模塊及其上、下閥體A階段設計圖

3.2 B階段設計

閥體B階段設計，以制造工藝性設計為主，優(yōu)化A階段設計問題為輔。充分考慮鑄造、機加工制造工藝，也可稱為量產(chǎn)化設計。此階段需要重新進行三維設計，在三維中實現(xiàn)模具及鑄件毛坯設計、機加工設計，如圖3所示。詳細對分型面、抽芯、壁厚、拔模角度、拔模頂桿、定位基準、加工余量等關鍵工藝特征進行設計，確保產(chǎn)品獲得良好的制造工藝性。在油路基本確定后，還應該對閥體密封面的密封性能進行面壓仿真分析，以便及時調(diào)整閥體連接螺栓、固定螺栓及油路的布局。B階段設計完成后，將會開模進行壓鑄制造及相關試驗驗證。此時已具備小批量生產(chǎn)條件和能力。

圖3 上閥體B階段模具及鑄件毛坯設計、機加工設計

1）分型面設計：避免閥體的分型面處在粗加工的基準位置處，同時機加工面和粗基準應位于同一模具中，防止錯模引起加工誤差。分型面的選擇應盡量使閥體處在動模中，便于頂、取鑄件。

2）抽芯設計：閥體中盡可能不用或者少用型芯。抽芯長度不宜過長，直徑不宜過小。并且抽芯部位設計應防止鋁液直接沖擊而導致變形，影響精度。

3）壁厚設計：要盡可能確保閥體壁厚的一致性，一般以3mm至4mm為宜。保證壓鑄時冷卻收縮率各處相等，防止氣縮孔的產(chǎn)生。因此，螺栓過孔、螺紋孔等也應盡量鑄造出來，防止局部壁厚較大，增加氣縮孔產(chǎn)生概率。

4）拔模角度設計：閥體鑄件不同位置的拔模角度設計有所差異。閥孔與油槽相貫面不可避免會有鑄造隔皮，依靠機加工去除加工余量及隔皮。如果閥孔抽芯拔模角度偏大，閥孔底部加工余量將會明顯比閥孔口部加工余量偏大，易造成閥孔壁厚不均、氣縮孔缺陷較多等問題。為了保證尺寸的精度，油槽（連接閥孔控制邊）部位拔模角度要求較嚴格，外部輪廓次之。閥體不同位置不同的拔模角度要求如表1所示。

表1 閥體各部位拔模角度

5）加工余量設計：閥體鑄件機械加工余量根據(jù)鑄件的結(jié)構和部位確定。油槽大平面設計加工余量應采用 0.8mm至1mm。閥孔設計加工余量以單邊0.5-0.8mm為宜。

6）定位基準及夾緊點設計：毛坯定位基準應分布在閥體四周邊緣且無機加工的位置，以便在機加工后進行毛坯基準的檢測。同時在定位基準的反面要考慮夾緊點設計，夾緊點位置與定位基準不能相距過遠。

3.3 C階段優(yōu)化設計

經(jīng)過B階段生產(chǎn)制造及試驗驗證，要及時統(tǒng)計各方面問題，以開展C階段優(yōu)化設計。此階段可進行較小的修改，以解決生產(chǎn)制造、裝配、試驗等方面的遺留問題。在修改的時候，需要考慮到修模的難易程度，不適宜在此時進行大規(guī)模修改。

4 結(jié)束語

閥體設計具有高度的復雜性，且需要豐富的壓鑄、機加工等制造工藝經(jīng)驗，目前國內(nèi)能夠自主設計自動變速器閥體的很少。隨著國內(nèi)自動變速器近年飛速發(fā)展，液壓模塊及閥體的自主設計將會更加成熟和廣泛。閥體設計只是自動變速器設計中的冰山一角，只有國內(nèi)整機的設計、仿真、控制系統(tǒng)開發(fā)、試驗、生產(chǎn)配套等全面發(fā)展，才能帶動各子系統(tǒng)及關鍵零部件的設計及產(chǎn)業(yè)化。本文結(jié)合實際工作經(jīng)驗，梳理了閥體設計過程中的一些要點，希望對閥體產(chǎn)品的設計開發(fā)提供指導和參考。

參考文獻

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