自動變速器用兩種電磁閥性能的分析

邱輝鵬

(陜西法士特公司研究院，陜西西安 710119)

自動變速器用兩種電磁閥性能的分析

邱輝鵬

(陜西法士特公司研究院，陜西西安 710119)

對VBS和VFS電磁閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，推導(dǎo)出電磁閥的輸出控制壓力的敏感因素，得出傳統(tǒng)的VBS電磁閥會受到油溫和供油壓力的影響，而VFS電磁閥僅與控制電流相關(guān)。研究結(jié)果為自動變速器的電磁閥選型與標(biāo)定提供了參考。

自動變速器；VBS電磁閥；VFS電磁閥；控制精度

0 引言

自動變速器無論在乘用車領(lǐng)域還是商用車領(lǐng)域都日漸普及。比例電磁閥作為自動變速器(包括AT (Automatic Transmission)、DCT(Dual Clutch Transmission)、CVT(Continuously Variable Transmission)、AMT(Automated Mechanical Transmission)等)控制系統(tǒng)及換擋系統(tǒng)的執(zhí)行元件，其性能決定了自動變速器的控制性能及換擋舒適性[1]，因此對它的研究變得日益重要。當(dāng)前發(fā)達(dá)國家主流自動變速器產(chǎn)品使用的比例電磁閥大致分為兩種：一種為傳統(tǒng)的閉環(huán)VBS電磁閥(Closed-End Variable Bleed Solenoid)，另一種為近幾年開發(fā)成功的VFS電磁閥(Variable Force Solenoid)。后者在國外新開發(fā)的自動變速器上的應(yīng)用越來越廣泛，而國內(nèi)對其研究很少，也沒有選用它的產(chǎn)品。作者從結(jié)構(gòu)、原理入手，對兩種電磁閥進(jìn)行分析，并通過試驗對兩種電磁閥的性能進(jìn)行比較，為自動變速器的設(shè)計選用及標(biāo)定提供參考。

1 結(jié)構(gòu)原理

1.1 VBS電磁閥結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的VBS電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖中，SUPPLY對應(yīng)的是電磁閥的供油口，CONTROL PORT是電磁閥的輸出口，連接的是被控油路，EXHAUST 為電磁閥的泄油口。供油口、輸出口和泄油口間通過密封圈進(jìn)行密封[2]。供油油道和輸出控制油道間、控制油道和泄油油道間均設(shè)計有截留口，而兩個截留口的開啟和關(guān)閉是反向相關(guān)的，可以將上述結(jié)構(gòu)簡化為如圖2所示的原理圖。

圖1 VBS電磁閥結(jié)構(gòu)圖

圖2 VBS電磁閥結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 VFS電磁閥結(jié)構(gòu)

VFS電磁閥液壓部分的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 VFS電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖

其外部接口尺寸以及密封形式與VBS電磁閥完全一致，最大的區(qū)別在于截留口形式的不同。在VFS電磁閥中，在閥芯的徑向上設(shè)計有通孔，此通孔與閥座配合形成可變的截流孔。當(dāng)閥芯向左運(yùn)動時，供油油道與控制油道通過閥芯上的通孔連通，并可以通過給電磁線圈不同的電流，調(diào)節(jié)閥芯上的通孔與閥座形成的截留口大小。當(dāng)閥芯向右運(yùn)動時，閥芯上的通孔也向右運(yùn)動，控制油道與泄油油道連通，而供油油道與控制油道不再連通，此時電磁閥不再輸出控制壓力。

2 控制原理分析

2.1 VBS控制原理分析

從圖1和圖2可以看出VBS上的可變截流孔是其輸出控制壓力的關(guān)鍵所在。目前自動變速器領(lǐng)域內(nèi)使用的VBS電磁閥均通過球閥或滑閥來實現(xiàn)此可變截流孔，如圖4所示。

圖4 VBS電磁閥截流孔設(shè)計

當(dāng)油液流過截流孔時會產(chǎn)生液動力，這種液動力是VBS電磁閥截流孔自身的一種屬性，其大小與油液的溫度和供油壓力都有關(guān)系，如式(1)所示：

Fy=f(T,ps,x)

(1)

式中：T代表溫度；ps代表截流孔的進(jìn)入壓力；x代表電磁閥閥芯的位移。

下面以滑閥截流孔型的VBS電磁閥為例，分析電磁閥輸出控制壓力與各因素的關(guān)系。VBS電磁閥閥芯受力如圖5所示。

圖5 VBS電磁閥受力平衡圖

根據(jù)圖5可以得出式(2)：

Fc=Fd+Ft+Fy-Ff

(2)

其中：Fc是電磁閥輸出的控制油壓作用在反饋面積上的力；Fd為電磁閥的電磁力；Ft為電磁閥中的彈簧力；Ff為電磁閥中的輸入油壓作用在閥芯上的不平衡面積上產(chǎn)生的力，如式(3)—(6)所示：

Fc=pc×Afb

(3)

Fd=f(x，i)

(4)

Ft=f(x)

(5)

Ff=ps×A

(6)

式中：pc為電磁閥輸出的控制壓力；Afb為電磁閥反饋作用面的面積；x為電磁閥閥芯的位移；A為電磁閥的供油壓力作用的不平衡面積。對于具體的電磁閥，Afb和A都是常數(shù)，因此可以得出式(7)：

pc=f(x,i,T,ps)

(7)

上式表明：VBS電磁閥輸出的控制壓力不僅與電磁閥的控制電流i有關(guān)，還會受到油溫T和供油壓力ps的影響。

2.2 VFS控制原理分析

通過對VFS的結(jié)構(gòu)分析可以知道，VFS電磁閥的閥芯上不會產(chǎn)生液動力。電磁閥閥芯的受力平衡關(guān)系如圖6所示。

圖6 VFS電磁閥的受力平衡圖

根據(jù)圖6可以得到式(8)—(9)：

Fc=Fd-Ft

(8)

pc=f(x,i,Afb)

(9)

由式(9)可知：VFS電磁閥的輸出控制壓力只與電磁閥的控制電流i相關(guān)，不再受到油溫T和供油壓力ps的影響，這就為實現(xiàn)精確控制和穩(wěn)定控制奠定了基礎(chǔ)。

3 控制精度試驗

從上述理論分析可知，VFS電磁閥的輸出控制壓力僅與電流相關(guān)，而VBS電磁閥則會受到其他因素如供油壓力和油溫等因素的影響。基于此，作者開展了如下兩個試驗對其進(jìn)行分析。

3.1 供油壓力敏感性試驗

隨機(jī)選取30個VBS電磁閥和VFS電磁閥。首先，在供油壓力為530 kPa時，調(diào)整控制電流使電磁閥的輸出控制壓力為150 kPa；保持電流穩(wěn)定，并調(diào)整供油壓力，分別在275、433、744和896 kPa條件下，記錄輸出的控制壓力偏移值，整個試驗過程保持油溫70 ℃，得到圖7所示的結(jié)果。

圖7 電磁閥供油壓力敏感性試驗結(jié)果

圖7中的黑點為偏移量的平均值，豎直柱條為偏移值的范圍。從試驗結(jié)果可見，VBS電磁閥的偏移范圍為-23～3 kPa，VFS電磁閥的偏移范圍為-8～4 kPa，僅為VBS偏移范圍的46%；而對于偏移平均值，VBS的波動更大，且很難得出規(guī)律性，VFS的偏移平均值很小，且與供油壓力呈一致性變化。

綜合起來，相比于VBS，VFS電磁閥在后續(xù)關(guān)于不同供油壓力的標(biāo)定中可以很方便地給出偏移補(bǔ)償。

3.2 油溫敏感性試驗

隨機(jī)選取30個VBS電磁閥和VFS電磁閥，在70 ℃時使其輸出控制壓力為190、285 、380和475 kPa，并逐漸將油溫升高到135 ℃，記錄其溫度偏移值，得到圖8所示的結(jié)果。

圖8 兩種電磁閥溫度敏感性試驗結(jié)果

圖8中黑點為偏移量的平均值，豎直柱條為偏移值的范圍。從圖8可見：當(dāng)油溫從70 ℃升高到135 ℃時，變速器油液黏度下降，電磁閥自身和測試系統(tǒng)的泄漏均會增加，將會導(dǎo)致測得的輸出控制壓力的偏移平均值均呈現(xiàn)負(fù)偏移；VBS電磁閥的平均偏移量變動范圍很大，從-22 kPa到-4 kPa；而VFS電磁閥的平均偏移量非常穩(wěn)定，均為-5.5～-5 kPa，考慮因油液黏度下降導(dǎo)致的泄漏，可以認(rèn)為VFS對溫度不敏感。

輸出控制壓力的偏移范圍，VBS電磁閥非常寬泛，從-25 kPa到+7 kPa，說明VBS個體偏差非常大；而VFS的偏移范圍在-8 kPa到-4 kPa，僅為VBS范圍的12.5%，非常穩(wěn)定。

綜合起來，相比于VBS，VFS電磁閥在后續(xù)關(guān)于不同溫度的標(biāo)定中可以很方便地給出偏移補(bǔ)償。

4 結(jié)論

電磁閥作為自動變速器中執(zhí)行控制指令的核心零部件，對比傳統(tǒng)的VBS電磁閥，VFS電磁閥的輸出控制壓力對供油壓力和溫度不敏感，只與控制電流相關(guān)，為變速器后期的標(biāo)定工作提供了良好的基礎(chǔ)。

VFS輸出控制壓力精度的提高，可以進(jìn)一步提高離合器/制動器結(jié)合或脫開時工作壓力的準(zhǔn)確度，這將極大地改善車輛的換擋舒適性。

自動變速器的系統(tǒng)主油壓一般都需要一定的安全富余量，而富余量一般是控制壓力偏差的3倍左右。由于VBS自身的偏差就很大，系統(tǒng)的富余量就必須更大。使用VFS電磁閥，可以顯著降低系統(tǒng)的富余量，這將減少油泵消耗的驅(qū)動功率、提升變速器的效率、降低燃油消耗。

[1]田晉躍.自動變速器構(gòu)造原理與設(shè)計方法[M].北京:北京大學(xué)出版社,2009:26-28.

[2]孟飛，陶剛，張美榮，等.自動變速器比例電磁閥優(yōu)化設(shè)計與分析[J].兵工學(xué)報，2014,35(5):590-596.

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PerformanceAnalysisoftheTwoTypesofSolenoidUsedinAutomaticTransmission

QIU Huipeng

(Shaanxi FAST Auto Drive Engineering Research Institute, Xi’an Shaanxi 710119, China)

The structures of VBS and VFS solenoids were analyzed, then the factors which influenced the solenoids output control pressure accuracy were deduced. From the research, it is known that the VBS solenoid is sensitive to the oil temperature and supply oil pressure, but the VFS solenoid is insensitive to the two factors, which is only related to the control current. The research results provide reference for the chosen and calibration of solenoid in automatic transmission.

Automatic transmission; VBS solenoid; VFS solenoid; Control accuracy

2016-12-22

邱輝鵬，男，碩士，研究方向為變速器設(shè)計。E-mail：qiuhuipeng@chinafastgear.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.009

U463.212

B

1674-1986(2017)08-042-04