自動變速器電磁閥性能試驗臺設計

陸玲亞，張美娟，王吉華，樊榮

(1.無錫職業技術學院汽車與交通學院，江蘇無錫 214121；2.中國一汽無錫油泵油嘴研究所燃料電池部，江蘇無錫 214063；3.無錫明恒混合動力技術有限公司技術中心，江蘇無錫 214187)

0 前言

電磁閥是自動變速器的核心零部件，其功能是根據發動機和汽車的工況變化，適時調節液壓系統的主油壓、蓄壓器的背壓、液壓執行元件的動作油壓以進行精確的選換擋和離合器控制，使汽車獲得良好的動力性和燃油經濟性，同時有效減少發動機排放污染，提高車輛行駛的安全性、乘坐舒適性和操縱輕便性。

在自動變速器中，電磁閥的作用非常重要，因為只有通過電磁閥才能將變速器計算機發出的電信號轉化為液壓的變化。電磁閥調節出的油壓作用在各個油壓調節閥上，從而控制各離合器的工作油壓。因此，電磁閥的正常與否直接關系到變速器換擋品質的好壞。在工作時，電磁閥處于承壓狀態并且隨著車輛工況的不同需要頻繁動作，所以電磁閥也是整個系統中最容易出現故障的零部件，而這些故障可導致變速器脫擋、掛不上擋或者換擋速度慢，造成車輛動力性、經濟性、舒適性下降，零部件磨損加劇等后果，甚至影響車輛的安全性。因此，電磁閥性能試驗是變速器電磁閥生產過程中必不可少的環節。

在產品的開發設計中，試驗臺是對開發產品進行性能測試必不可少的手段和設備。由于開發的產品類型多樣，測試要求往往也不同，通用設備并不適用，這時通常采用自行設計的方式來滿足設計所需，這種試驗臺的研制需配合產品的開發過程。國內外專家學者分別針對試驗臺的液壓系統、數據采集、PLC控制、安全保障等做了大量研究。針對通用試驗臺無法測試超越離合器產品的單項綜合性能，朱林和石光林設計了一款具備針對性測試功能的試驗臺，為生產商和用戶提供了有益的綜合性能數據。黃浩、王起新等根據設計性能和指標設計了液壓多路閥的相關試驗臺。谷曼設計的試驗臺能模擬汽車行駛中的典型工況，實現對自動變速器的綜合性能測試。謝鯤和楊成東根據電液比例閥的技術要求和檢測方法研究控制系統及液壓系統的組成，研制了綜合性能試驗臺，為產品設計和在線檢測提供了依據和試驗手段。

本文作者設計一款自動變速器電磁閥性能試驗臺，根據實際需求進行模塊化設計。該試驗臺能便捷地采集數據，操作界面友好；能模擬電磁閥在車輛上的實際工況，分析得出電磁閥的關鍵性指標，為樣品分析以及改進措施提供參考。

1 試驗臺的硬件組成和工作原理

圖1所示為自動變速器電磁閥性能試驗臺系統結構設計框圖，試驗臺主要由液壓系統、測控系統、溫控系統等組成。液壓系統模擬車輛的穩定油源。測控系統通過控制策略驅動被測電磁閥按指定規律工作，并采集相關信號，將處理所得數據顯示和保存。當檢測數據出現異常時，測控單元通過警報器報警，并顯示可能出現的故障類型。試驗臺長時間運行，如果不加控制，液壓油將隨著試驗的進行而產生升溫變化。在不同溫度下，液壓油的特性不同，這將影響試驗臺的性能和試驗結果。在車輛實際運行時，液壓油受到發動機冷卻液的作用使之保持在一定的穩定值，因此試驗臺需要通過溫控系統將液壓油的溫度控制在穩定值。

圖1 系統結構設計框圖

2 系統設計

2.1 液壓系統設計選型

液壓系統的原理如圖2所示。整個液壓系統由油泵電機組提供油源。測試對象為不同類型的電磁閥，額定壓力最大為20 MPa、額定流量最大為12 L/min。采用背壓方式產生液壓缸工作負載。考慮利用一個液壓系統完成多種閥的性能測試，以避免搭建多套液壓系統，減小設備的空間體積，提高液壓元件的綜合利用率,采用模塊化設計、快速裝夾的方式更換測試電磁閥。試驗臺上的所有控制閥、測壓接頭及壓力傳感器均安裝于閥塊上，可盡量減少故障的發生且利于拆裝。

圖2 液壓系統原理

(1)液壓泵的選擇

①液壓泵的最大工作壓力

≥+ΣΔ

式中：為液壓缸或液壓馬達最大工作壓力；ΣΔ為從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達入口之間總的管路損失壓力。ΣΔ初算時按經驗數據選取：管路簡單、流速不大的，取ΣΔ=(0.2～0.5)MPa；管路復雜、進口有調閥的，取ΣΔ=(0.5～1.5)MPa。

根據實際應用，液壓泵的最大工作壓力設定為20.5 MPa。

②液壓泵的流量

多液壓缸或液壓馬達同時工作時，液壓泵的輸出流量應為

≥(Σ)

式中：為系統泄漏系數，一般取=1.1～1.3，文中取1.2；Σ為同時動作的液壓缸或液壓馬達的最大總流量，根據-特性圖查得。對于在工作過程中用節流調速的系統，還須加上溢流閥的最小溢流量，一般取0.5×10m/s。

系統的最大工作流量為12 L/min，根據實際應用，預選液壓泵的流量為12～15 L/min。

③液壓泵的規格

一般情況下，為使液壓泵有一定的壓力儲備，所選泵的額定壓力應比最大工作壓力大。根據計算所得和值，綜合應用條件，選用液壓泵類型為柱塞泵，容積效率為90%、公稱排量為8 mL/r、額定壓力為21 MPa、額定轉速為1 450 r/min。

(2)油箱的選擇

根據經驗確定油箱容積，通常為液壓泵每分鐘排出體積額定值的3～5倍，則選擇油箱的容積為60 L。

(3)驅動電機的選擇

根據液壓泵的流量和壓力計算所需驅動電機的功率。

液壓泵驅動電機功率：

式中：為液壓泵壓力，MPa；為液壓泵流量，L/min；為液壓泵總效率。

考慮液壓系統的壓力損失和流量損失，液壓泵壓力取21 MPa、液壓泵流量取12 L/min、液壓泵總效率取81%，代入上式計算驅動電機功率約為5.18 kW。

最終，選定一款三相異步電動機，功率為5.5 kW，轉速為1 440 r/min。

(4)過濾器選擇

要求液壓油箱的過濾精度不得低于40 μm，液壓管路的過濾精度不得低于10 μm。

2.2 溫控系統設計

溫控系統采用風冷形式。一般來講，風冷器的選擇計算有流量計算法、發熱功率估算法、功率損耗計算法，此方案采用發熱功率估算法。取系統總功率的1/3～1/2作為液壓系統油溫發熱功率，即根據系統總功率估算出液壓系統的發熱功率，再按照液壓系統需要的正常溫度，算出當量冷卻功率。計算公式如下：

=·(13～12)(kW)

=(-)(kW/℃)

式中：為損耗功率，kW；為當量冷卻功率，kW/℃；為期望的油溫70 ℃；為環境溫度30 ℃。

由前面的計算可知為5.5 kW，系數取1/2，則為2.75 kW，為0.068 75 kW/℃。根據計算出的當量冷卻功率，依照風冷卻器的散熱性能曲線即可選擇出匹配的風冷器。選擇風冷器的功率為70 W，流量為3～60 L/min。

2.3 測控系統設計

(1)硬件設計

圖3所示為測控系統的硬件框圖, 單片機選用MC9S12C32型單片機，采集液壓系統油路的壓力、溫度、流量、電壓及電流信號，并經功率驅動電路控制電磁閥的動作。上位機采用工控機，用于設定試驗參數，發送操作指令，接收試驗數據并處理，顯示測量數據，判斷電磁閥和液壓系統的工作狀況。上下位機采用串行總線通信。

圖3 測控系統硬件框圖

單片機的輸出信號為低功率信號，不能直接驅動電磁閥，需要對它進行功率放大。圖4所示為電磁閥驅動電路圖，圖中Q1為功率放大元件MOSFET管、V-BATT為+24 V電源，當Control_signal為高電平時Q1導通，電流從V-BATT流入電磁閥，再經過Q1到GND，電磁閥開啟；當Control_signal為低電平時Q1截止，電流無法形成從V-BATT流經電磁閥到GND的回路，電磁閥關閉。當需要輸出大小可調的驅動電流時，Control_signal為PWM控制信號，Q1的輸出為同周期同占空比的PWM輸出，使PWM的周期遠小于電磁閥芯的響應周期, 閥芯的運動將只響應PWM信號的平均值，PWM信號的平均值隨著占空比的增大而增大，調節PWM的占空比即能實現電磁閥驅動電流的調節。

圖4 電磁閥驅動電路

(2)軟件設計

該系統用于電磁閥的性能檢測，主要包括：流量特性、響應特性、密封性。基于以上測試要求，設計了性能測試系統。控制軟件采用C語言編寫，包括主模塊和各功能子模塊。編程過程模塊化，將主控程序分成若干子程序和中斷服務程序，單獨編寫、調試各個功能塊程序，最后將它們連接在一起形成控制程序。圖5所示為其控制流程。

圖5 控制單元軟件流程

雖然比例減壓電磁閥與換擋開關電磁閥的特性不同，導致它們的驅動策略不同，但均可采用圖6所示的模擬信號處理電路，并且Control_signal都為PWM信號，只是PWM周期頻率以及變化規律不同，可以共用一個驅動程序。不同的PWM模塊配置參數存儲在24C16中，試驗開始前根據不同的輸入條件選擇配置參數。

圖6 模擬信號處理電路

3 試驗

圖7所示為自主設計的自動變速器電磁閥性能試驗臺，能測量自動變速器用電磁閥的壓力特性、流量特性、密封性能、滯回特性、動態響應特性等性能指標以及溫度對電磁閥性能的影響。圖8所示為試驗臺顯示界面。通過試驗臺操作面板(見圖9)，根據不同類型的電磁閥(被測電磁閥見圖10)，選擇相對應的邏輯組合表，打開閥門實現油液方向的變換以選擇不同的油路通道。在出油口管路增加背壓閥，通過調節背壓實現負載變化，測量不同工況下電磁閥的動態響應、流量和密封性。

圖7 自動變速器電磁閥性能試驗臺

圖8 試驗臺顯示界面

圖9 試驗臺操作面板

圖10 被測電磁閥

采用邏輯組合表的目的是為確保不同的電磁閥在通電與不通電狀態下，控制口與回油口及出油口的連通狀態，以測量不同管路的流量和泄漏量。

3.1 比例減壓電磁閥試驗

(1)動態響應特性試驗

通過給定電磁閥階躍控制脈沖，測量電磁閥動態響應時間。圖11所示為比例減壓電磁閥的動態響應數據，可知：開啟動態響應時間為0.018 s、關閉時動態響應時間為0.041 s。

圖11 比例減壓電磁閥動態響應

(2)流量試驗

試驗條件為：24 V工作電壓下、頻率為200 Hz、進口壓力為7.5 MPa。試驗時，控制占空比由5%加大到95%(此過程為電磁閥打開過程)再降到0(此過程為電磁閥關閉過程)。圖12所示為流量與占空比的關系，可知：該電磁閥最大流量可達12 L/min，基本呈線性關系。試驗結果還可以反映出電磁閥的滯回關系，該電磁閥的滯回曲線與理想曲線有一定差別，說明有改進空間。

圖12 比例減壓電磁閥流量與占空比關系

(3)密封性能試驗

在進口壓力為7.5 MPa時，電磁閥完全關閉，測量此時出油口的泄漏量。根據試驗結果，在7.5 MPa、40 ℃時，泄漏量為2.0 mL/min。

3.2 換擋開關電磁閥試驗

(1)動態響應特性試驗

換擋開關電磁閥的動態響應試驗方法與比例減壓電磁閥類似，測試結果如圖13所示。可知：開啟動態響應時間為0.015 s，關閉時動態響應時間為0.054 s。

圖13 換擋開關電磁閥動態響應

(2)流量試驗

在進口壓力為7.5 MPa時，首先測量0 V電壓時的流量，再給開關閥加電24 V(此時電磁閥打開)，然后電壓降到0 V(此時電磁閥關閉)。流量試驗結果如圖14所示，可知：在電流為0.45 A時，換擋開關電磁閥的流量可達15.5 L/min。

圖14 換擋開關電磁閥流量曲線

(3)密封性能試驗

電磁閥完全關閉時，測量出油口的泄漏量；電磁閥完全打開時，測量回油口的泄漏量。根據測試結果，電磁閥關閉時的泄漏量為1.6 mL/min,電磁閥開啟時的泄漏量為5 mL/min。

4 結論

本文作者采用模塊化設計研制了一款自動變速器電磁閥的性能試驗臺，該試驗臺包括液壓系統、溫控系統、測控系統。液壓系統選用柱塞泵、三相異步電動機、油箱容積60 L。采用風冷進行溫控。測控系統的核心為MC9S12C32，單片機發出PWM或開關信號通過MOSFET管進行功率放大,驅動電磁閥使電磁閥完成指定動作，接收并處理傳感器的信號，完成規定的試驗循環次數后結束試驗。通過上位機設置試驗參數，并顯示測量數據和保存數據,判斷電磁閥和液壓系統的工作狀況。

在該試驗臺上對被測電磁閥進行動態特性、流量和密封性測試，得出以下結論：

(1)該試驗臺采用上下位機結構，人機交互界面友好，數據采集和結果處理方便快捷；

(2)通過模塊化設計，該試驗臺可對多種電磁閥進行試驗，所設計的快速裝夾機構方便電磁閥的安裝；

(3)該試驗臺能實現對自動變速器相關電磁閥的性能測試，包括靜態特性和動態特性試驗，得出電磁閥的可靠性指標，為樣品分析和產品設計提供參考。