汽車自動變速箱星排數字式電液控制閥的設計與研究

石軼非

(中國航空技術國際控股有限公司，北京 100101)

0 前言

目前，在國內外市場廣泛應用的自動變速箱可分為液力變矩器式變速箱(AT)、機械式變速箱(AMT)、鋼帶式無級變速箱(CVT)、雙離合器式變速箱(DCT)4種類型，其中AT的檔位數多達10以上。多檔AT不僅結構復雜、成本高，而且大量采用模擬式電液控制閥，使其控制的可靠性、平順性和快速性有所降低。

現代汽車正朝著智能化、數字化和無人駕駛的方向發展，作為汽車的重要部件，變速箱的數字化和智能化對現代汽車的發展尤為關鍵，因此開發研究新型的AT星排數字式電液控制閥具有重要意義。

1 新型電液控制閥結構

本設計采用復合結構，使得同一閥既能控制換向，又能控制流量。該閥主要由閥殼體、閥芯體、左右端蓋、定位裝置、步進電機、步進電機驅動器、角度傳感器、微處理器、壓力傳感器、溫度傳感器、保護罩等組成，如圖1所示。閥殼體的截面為正方形，閥芯體為圓柱體，如圖1中-剖面和-剖面所示。在閥殼體上加工直徑為的油路孔道a、b和a′、b′，分別經過閥殼體表面的油口P、T、A和B，其中P口連接系統進油(油泵)，T口連接系統油箱，A口和B口分別連接液壓執行元件(AT星排作動器)的進油口與回油口。在閥芯體的圓周表面上，在與油孔a、b和a′、b′對應的位置，分別對稱加工寬度為、深度為、圓心角為的4條扇形沉槽。在該扇形沉槽中，分別對稱加工徑向短孔平臺e、f和平臺c、d，并分別在2個平臺上加工油孔m和n。-剖面與-剖面結構相同，方向為沿順時針旋轉90°，在-剖面沿閥芯體的軸向分別加工油孔x和y，并使-剖面與-剖面上的相關油孔和沉槽相互連通。為了保證閥芯體處于中間(初始)位置，P、T、A和B 4個油口相互閉合，在閥芯體的左端面上設計了彈性定位裝置，使得閥芯體開始旋轉前用彈簧將鋼球緊壓于閥芯體端面的V形槽中。

圖1 新型電液控制閥結構示意圖

將閥芯體垂直豎起，沿圓周表面展開時，4條扇形沉槽的形狀如圖2所示。其中，s為節流扇形槽(對應圖1的-剖面中第Ⅱ象限位置)，其面積為可變截面，形狀近似為錐形。當閥芯體順時針方向旋轉時，隨著旋轉角度的增大，閥的節流面積，即扇形槽與閥殼體上油孔a的重疊面積變大。在閥殼體上表面分別設計了壓力和溫度傳感器，在閥殼體右端面上加工了軸向油孔道L，與連接輸出油口A的油孔a′相交，利用傳感器檢測閥輸出油液的壓力和溫度，調節因油液壓力和溫度變化而引起的流量變化。

圖2 閥體扇形槽展開后形狀

2 閥的工作原理

2.1 流量控制

根據液壓傳動與控制理論，通過改變流量控制閥的閥口通流面積實現對輸出流量的控制，其表達式為：

=Δ

(1)

式中：為節流系數，與油液的黏度、節流口形狀、液流狀態等有關；Δ為閥的進出口壓差，單位Pa；為與閥口結構有關的指數，0.5≤≤1；為閥口通流面積，單位mm。

當和Δ一定時，通過調節閥口通流面積調節閥的輸出流量。閥的節流口形狀如圖3所示。

圖3 閥的節流口形狀

將圖3(a)中的陰影部分近似看作梯形，則閥口通流面積為：

(2)

式中：為節流口上邊，單位mm；為節流口下邊，單位mm；為節流口高度，單位mm。

和會隨閥芯體的相對閥殼體油口順時針方向旋轉過角度Δ的增大而增加。將近似看作油口直徑，而=2tan，其中為節流口扇形槽的半錐角，可得表達式如下：

(3)

在式(3)中，僅隨閥芯體旋轉角度變化，即=()，因此可通過步進電機驅動閥芯體旋轉控制閥的輸出流量。閥芯體旋轉的角度范圍通常為0°≤≤(90°-)，為閥芯體上任意2個扇形槽之間的夾角。控制AT星排作動器流量是為了控制其行程，即調節作動器的速度。根據液壓控制原理，該速度控制受閥進出口壓差Δ及油液溫度的影響，最佳解決方法為補償Δ的變化。傳統的補償方法通常采用機械式，但精度較低。本設計通過使用傳感器閉環檢測閥輸出油液的壓力和流量。當壓力差Δ和油溫變化時，控制單元產生相應補償流量的控制信號，傳輸至步進電機驅動器，步進電機輸出相應的補償旋轉角，以確保閥的輸出流量穩定。

2.2 方向控制

通過改變步進電機閥芯體的旋轉方向可以控制油液流動方向。通過制動和釋放3個控制位置上(類似傳統的三位四通閥)的AT星排作動器，獲得閥芯體的確定檔位。該閥的3個控制位置分別如圖4、圖5和圖6所示。當閥芯體處于中間位置，即中位時，T、P、A和B這4個油口互不連通。如要減少閥在該位置的泄漏，又不造成流量增益的非線型性，應確保圖中所示閥殼體油孔直徑等于閥芯體凸起寬度，即零開口型。由于在實際操作中存在加工誤差，兩者之間可存在約±0.024 mm的間隙。

圖4 閥芯體中位

圖5 閥芯體順時針旋轉

圖6 閥芯體逆時針旋轉

當步進電機驅動閥芯體順時針旋轉時，油液沿圖5中箭頭所示方向，從閥殼體流入閥芯體。如在-剖面中，油口P(通常連接系統來油)的進油沿閥殼體油孔垂直流入閥芯體軸向孔x，再從-剖面中的孔x流出，經過閥芯體和閥殼體上的相關油孔，最終流入油口B，形成P與B(接接執行元件)的連通。同時，油口A(連接執行元件)的回油也經過閥殼體和閥芯體的相關油孔及閥芯體的軸向油孔y，流回油口T(連接油箱)，形成T與A的連通。

當步進電機驅動閥芯體逆時針旋轉時，在-剖面中，油口P的進油沿閥殼體油孔進入閥芯體沉槽和徑向短孔e，再由閥芯體的軸向油孔y。經過-剖面中對應的油孔，從油口A流出，形成P與A的連通。同時，油口B的回油也經過閥殼體和閥芯體的相關油孔及閥芯體軸向油孔x，流回油口T，形成T與B的連通。

3 結語

在普通AT星排電液壓系統中應用了電液流量控制閥和方向控制閥。當汽車中央控制單元發出數字控制信號時，須確保控制系統中有數模(D/A)轉換器，增加了系統的復雜化、成本及故障率。數字式液壓控制無需D/A轉換器，簡化了系統，降低了制造和維護成本，提升了系統抗干擾和污染的能力，優化了工作穩定性和可靠性。在本設計中，步進電機直接驅動閥芯，對流量和方向實施復合控制，以消除閥驅動機構的輸出死區和慣性滯后，提高了對流量和方向控制的線性度和動態響應速度。同時，由微處理器和傳感器組成的閉環反饋控制，自動調整閥芯體角度，實現對液壓回路中的壓力和溫度的補償，從而提高了對AT星排電液控制中的油液流量和方向的控制精度。