基于離合器結合的比例電磁閥動態特性模型的設計

石志超

摘要：為提高離合器接合過程控制油壓響應性能，提出比例電磁閥動態性模型。建立比例電磁閥二位有限元模型，借助實驗設計建立電磁力電磁鐵結構參數模型。以比例電磁閥閥芯質量，黏性阻尼系數為設計變量，以超調令接合歸一化綜合函數最小值為優化目標進行優化設計。表明輸出油壓動態響應時間減少18%，有效滿足動態響應特性要求。驗證比例電磁閥電流油壓穩態輸出特性，實驗表明設計方法提高離合器接合控制油壓綜合性能，提出設計方法對同類控制油壓問題具有借鑒價值。

關鍵詞：離合器接合;比例電磁閥;動態特性;模型設計

離合器是工程機械動力傳遞系統的重要部分，良好接合可以提高車輛壽命。電磁閥電機機械轉換器在離合器接合中得到廣泛應用，比例電磁閥在有效工作行程內具有良好水平吸力特性[1]。國內外對比例電磁閥進行大量研究，Bayat等對研究電磁閥建立有限元模型仿真分析，但未考慮電磁力與流體耦合關系對閥輸出油壓特性的影響[2]。Lee等對比例電磁閥進行性能分析，通過建立多物理場耦合熱力學模型對電磁閥熱實效分析。研究通過采用有限元仿真分析軟件對比例電磁閥電磁鐵結構參數影響分析，建立數學模型對結構參數優化。本文以離合器結合比例電磁閥為研究對象，對電磁鐵部分結構進行參數化表達，建模仿真數據與實驗數據具有較高相關性。

1.離合器結合中比例電磁閥工作原理

自動變速器常閉型比例電磁閥包括閥芯與液壓流體部分，進油口設計為球閥，閥芯與球閥鋼球和噴嘴擋板連接[3]。比例電磁閥不通電時輸出口無輸出，處于調壓階段輸出端定值輸出，換擋控制中吸收輸入壓力波動峰值。比例電磁閥通電電流逐漸增大，電磁力大于電磁閥左端鋼球所受液壓力，電磁鐵推動閥芯移動，閥球打開輸入端油液進入電磁閥油腔內部，排油口開口量不斷減小，輸出端油壓不斷增長，通過不斷調整排油口開度控制輸出端壓力。電磁閥腔內油壓較大，油壓作用在閥芯排油口處端面，通過調整彈簧控制溢流壓力值。

離合器結合系統主要由離合器機構與比例電磁閥等組成，通過控制輸入油壓實現，性能影響離合器結合過程品質，考慮摩擦片摩擦系數非線性等因素，比例電磁閥自身動態性能對離合器結合有重要影響[4]。比例電磁閥主要由運動閥芯與電磁鐵等部分組成，比例電磁鐵對運動閥芯提供輸入控制電流近似比例關系電磁力。液橋部分閥芯進排油節流口為對稱U型結構，調節彈簧組成調零機構用于調整特性曲線。常閉式直流兩位三通閥結構簡單。比例電磁閥在電磁鐵不通電時，進油口為關閉狀態，保證離合器接合過程開始階段安全性。

控制電流增加使磁路磁勢增大，電磁力超過電磁閥復位彈簧力，排油開口量減小，油液通過進油口進入出油口，出油口油壓不斷咋鞥大。進出油口開度變化可調節流量控制出油口油壓。比例電磁閥使用中涉及機械流體等多個學科領域，相互間非線性較強。本文對比例電磁閥相關電場機械等相互影響性能分析。輸入控制信號后電場通過電流i與磁鏈相互影像，閥芯位移x變化使流場輸出壓力變化，流場部分輸出液壓力Pc作用于離合器實現接合過程。為了解比例電磁閥特性，對閥芯進行電磁閥性能分析[5]。

2.電磁力電磁鐵結構參數模型

比例電磁鐵位移特性研究常用磁路分析法，適用于形狀規則的磁路，采用磁場離散化數值計算法精度高。本文采用盆型止座結構比例電磁閥，對油質污染不敏感。由于磁路結構復雜，電磁閥吸力特性難以通過磁路分析法計算得到。借助AnsoftMaxwell對比例電磁鐵進行參數化模型設計。忽略線圈繞組內渦流與溫度影響，將電場變量分離實現獨立電場。電磁力計算模型為Fmag=aW（x，i）/ax，x為銜鐵位移;W為磁場總能量;x為線圈繞組輸入控制電流。

確定比例電磁鐵結構后產生電磁力與控制電流形成氣隙隔磁環形有關。使用參數為評價指標表征比例電磁鐵位移特性。電磁力變化幅度偏離度δ=|Fms-Fme|/Fme，Fme為期望電磁力，Fms為測試電磁力。電磁力水平平穩度離散度變異系數Cv=，n為觀測次數;Xi為工作位置附近觀測電磁力。對電磁鐵部分建模進行結構參數設計，建立電磁力與結構參數響應面模型，為后續設計提供參數化表達。選取輸入電流為350-750mA，計算得δ<0.86%，電磁力平穩度較高。不同電流下電磁力仿真數據與實測數據誤差最大小于1%。數據具有較高相關性。

響應面模型計算公式Fmag=mo+，mo，nij為待定項系數;yrsm（i）為各點響應面函數;N為樣本點總數;R2值接近1模型效果好。使用盆型極靴結構使電磁力與電流成比例關系，電磁鐵水平吸力平穩度由錐面磁通φ分配形成。結構參數ABCD與磁阻有關，結合電磁力評價治療建立表征電磁力響應面模型。實驗設計得到響應模型Fmagδ=13.6+0.111A2+0.545AB-7.8CD-1.2C2+12.88C+3.62ADC-1.93A-0.582A-3.19B，得到響應面模型判定系數為0.914，以結構參數內A=8mm，C=2.7mm驗證，得到建立模型電磁力為22.382N，建立模型可作為電磁力精準設計參數表達。

3.比例電磁閥動態特性優化設計

比例閥閥芯運動平衡方程為mvxv+cdxv+kv（xv+x0）=Fmag-Fflow，Xv為閥芯位移;Cd為閥芯粘性阻尼系數;mv為閥芯質量;Fflow為油液作用于閥芯合力;Kv為閥芯彈性剛度;KvXo為彈簧預緊力Fload;通過閥芯流量Ain（Xv）=πd（Xv-s），Ain（Xv）為閥進油口面積，s為閥芯初始位置至進油口開啟位置位移。比例電磁閥輸出油壓力與閥芯位移相關，閥芯動態響應特性受彈簧剛度，電磁力等影響，假設液壓系統無泄漏等，進行閥芯質量，黏性阻尼系數為設計變量動態特性優化設計。

階躍信號下比例電磁閥壓力上升時間反映快速性，考慮系統中阻尼振蕩特性，結合輸出油液壓力上升時間，H=ησp/σPi+（1-η）tr/tri，η為權重系數，0<η<1，σPi為優化前超調量，σp為電磁閥動態響應壓力超調量;tri為優化前上升時間0.01s;tr為輸出壓力上升時間。選取閥芯質量mv，彈簧預緊力Fload為優化設計變量，采用遺傳算法對目標函數優化，復制率80%，變異概率10%，綜合考慮壓力上升時間，分析多組不同權重系數下數據，優化后參數結果mv=0.012kg，Fload=0.7044N。比例電磁閥輸出壓力動態響應特性由結構決定，受到影響粘結性阻尼系數溫度等因素影響，以粘性阻尼系數對目標函數分析，標準差1.5正態分布范圍內隨機取值，均值集中于01.1855左右，方差為1.34×107左右，降低對噪聲變量的敏感性[6]。

為分析比例電磁閥動態特性，采用定制試驗臺對優化模型測試，油溫控制在80℃，采用HUBA油壓傳感器，控制電流0-830mA信號加載至線圈。實驗與仿真曲線一致，油壓與電流近似性關系，與閥芯運動至開啟時彈簧力對應;滿足離合器控制油壓要求，出現閥芯開啟說明模型準確表達油壓動態特性。分析輸入階躍控制電流為500mA，比例電磁閥仿真與實驗油壓響應曲線對比圖，曲線具有一致性，仿真數據具有準確性，油壓動態特性改善，超調量降低31%左右。

結語

隨著人類生活品質的提高，對汽車經濟舒適性要求提高。近年來節能減排成為汽車行業熱門話題，對汽車企業提出嚴峻挑戰。汽車企業要努力尋求技術突破，我國自動變速器技術相比發達國家存在很大不足，現代汽車自動變速器包括CTV與AMT等類型，電液控制系統是自動變速器核心部分。DCT成為我國變速器企業研發對象，但我國自動變速器技術起步較晚，離合器系統摩擦特性等多項技術受制于國外企業。本文介紹離合器關鍵技術研究，敘述離合器接合中比例電磁閥工作原理;建立電磁力電磁結構模型，進行比例電磁閥動態特性設計。以偏差度為電磁鐵吸力特性水平評價指標，借助實驗設計建立電磁力與結構參數映射關系模型。采用遺傳算法對電磁閥結構參數優化設計，提高閥的動態響應特性，證明建立模型為后續離合器結合仿真壓力控制模塊參數化表達。

參考文獻

[1]羅軒. 濕式雙離合器液壓控制系統特性仿真與試驗研究[D].重慶理工大學，2021.

[2]蘇夢月. 濕式DCT液壓換擋控制系統特性仿真與試驗研究[D].重慶理工大學，2021.

[3]于懷智. 電控液壓離合器執行機構控制方法研究[D].吉林大學，2021.

[4]趙士偉. 某種汽車變速箱在線檢測試驗臺液壓系統設計及其動態特性分析[D].安徽工程大學，2020.

[5]張銀濤. 濕式雙離合器自動變速器液壓控制系統仿真研究與分析[D].華南理工大學，2020.

[6]李曉祥，王安麟，樊旭燦，李曉田.面向離合器接合過程的比例電磁閥動態特性模型與設計[J].西安交通大學學報，2020，54（05）：46-52.