新能源特種車輛直動閥控動力分配裝置設計與性能分析

馬先潤，李波，葛文慶，譚草

(1.煙臺職業學院交通工程系，山東煙臺 264670；2.山東理工大學交通與車輛工程學院，山東淄博 255049)

0 前言

電動掃地車、電動拖拉機等新能源特種車輛通常需要2種及以上的動力以滿足行駛過程中特種作業的要求，而新能源特種車輛一般只有一個電機作為動力源，它需要一種快速響應的動力分配裝置，對動力源進行分配以提升其工作效率。目前主流的動力分配裝置均采用機械液壓相結合的方式，一般由先導閥的液壓力推動主閥芯移動，通過二次液壓放大執行控制器指令。YU等[1]針對DCT直動式電磁閥進行了建模仿真分析，其電磁閥不存在復位彈簧這一裝置，其電-機械轉換器輸出力較小導致其響應速度較長。TAO等[2-4]對大功率AT液壓換擋執行機構進行了深入研究，提供了一種針對先導型電磁閥調壓過程數學建模的方法，并通過臺架試驗驗證了模型的準確性。BALAU等[5]提出一種用MATLAB/Simulink對直動式電磁閥性能進行建模的方法，并通過試驗驗證，模型和試驗結果互相匹配。提升動力分配裝置性能需提升電-機械轉換器性能，文獻[6-7]為電-機械轉換器性能優化提供了參考思路，文獻[8-10]對裝置設計優化提供了思路。文獻[11]將電磁閥直接驅動閥芯的技術應用于車輛制動系統，大大提升了制動系統的響應速度。

本文作者提出一種新型的應用于新能源特種車輛的直動閥控動力分配裝置。由高功率密度的電-機械轉換器直接驅動電磁閥閥芯，通過液壓控制離合器的結合與分離實現對動力的分配。相較于傳統的車用液壓控制系統，省去先導閥的建壓時間，以提升新能源特種車輛動力分配裝置的響應速度與控制精度。

1 方案設計

1.1 直動閥控動力分配裝置方案設計

文中提出了一種新型的應用于新能源特種車輛的直動閥控雙動力分配裝置方案，如圖1所示。新能源特種車輛電機經減速齒輪連接到離合器的輸入軸，離合器的輸出軸作為動力源用于車輛自身驅動和連接各種車載特種作業裝備。直動式電磁閥通過控制離合器液壓腔的充放油狀態從而控制離合器的結合與分離，進而控制新能源特種車輛的動力分配。

圖1 直動閥控雙動力分配裝置方案Fig.1 The dual power distribution scheme of direct-acting solenoid valve

文中采用高功率密度的電-機械轉換器直接驅動電磁閥閥芯，相較傳統的車載電控液壓裝置省去了一級液壓功率的放大、先導閥建壓的過程以及先導建壓的時間，響應速度大大提升。此設計方案由于減少了一級液壓放大，從機構設計上減少了系統的非線性度，提升了新能源特種車輛動力分配裝置的控制精度。

1.2 直動閥原理

文中采用的直動閥是由高驅動力密度動圈式電-機械轉換器和雙彈簧閥體結構組成，其結構如圖2所示。當電-機械轉換器無電磁力輸出時，電磁閥閥芯在雙彈簧作用下處于中間位置，電磁閥處于閉合狀態，離合器液壓腔內無壓力，離合器處于分離狀態；當電-機械轉換器有向左的電磁力輸出時，閥芯位置向左移動，離合器液壓腔內開始有壓力油輸入，離合器逐漸閉合，離合器輸出軸開始有動力輸出；當電-機械轉換器有向右的電磁力輸出時，閥芯位置向右移動，離合器液壓腔開始排油，離合器逐漸分離，動力輸出逐漸中斷。

圖2 直動式電磁閥方案模型Fig.2 Direct-acting solenoid valve scheme model

2 電-機械轉換器性能分析

2.1 仿真分析

文中采用有限元電磁場分析軟件建立電-機械轉換器輸出電磁力分析模型，計算出電-機械轉換器在各個位置及各種電流狀態下輸出的電磁力。在電磁力分析模型中設置了永磁體的五環Halbach陣列以提高氣隙的磁通密度，線圈分為上下2個電流方向相反的繞組以抵消電樞反應，通過仿真模型計算出電-機械轉換器在各行程位置及各電流大小輸出的電磁力。電-機械轉換器三維模型網格劃分及磁通密度云圖如圖3、4所示。

圖3 電-機械轉換器三維模型網格劃分Fig.3 Grid generation of electro-mechanical converter 3D model

2.2 試驗驗證

為驗證電-機械轉換器仿真模型的計算精確性，完成了電-機械轉換器的樣機制備，搭建電-機械轉換器靜態輸出特性測試臺架，如圖5所示。測試臺架由力傳感器、位移傳感器和數據采集儀等組成，完成對電-機械轉換器各個位置及各種輸入電流狀態下的輸出電磁力的測試。

圖5 電-機械轉換器靜態性能測試臺架Fig.5 Static performance test bench for electro-mechanical converter

為滿足閥芯驅動性能要求，分別對電-機械轉換器輸入電流為2、4、6、8、10、12 A的中位左右各5 mm行程內的輸出電磁力特性進行測試。電-機械轉換器輸出力仿真與試驗對比如圖6所示。

圖6 電-機械轉換器輸出力對比Fig.6 Output force comparison of electro-mechanical converter

結果表明：仿真值與試驗值相互印證，電-機械轉換器輸入電流和輸出電磁力呈比例關系。電-機械轉換器輸入電流為12 A時，在初始位置輸出的峰值電磁力為198 N，完全滿足閥芯驅動性能要求。

3 裝置輸出性能分析

3.1 仿真分析

建立直動閥控動力分配裝置特性仿真模型，模型分為電磁線圈部分、電-機械轉換器部分及閥芯運動三部分，如圖7所示。將電-機械轉換器在各個狀態下輸出的電磁力輸入到雙彈簧閥體結構及液壓輸出特性仿真模型中，從而搭建出直動式電磁閥控制的動力分配裝置的性能分析模型，對裝置性能進行仿真計算分析。

圖7 液壓輸出特性仿真模型Fig.7 Simulation model of hydraulic output characteristics

3.2 試驗驗證

為驗證裝置的輸出特性，搭建了直動閥控動力分配裝置輸出特性試驗臺架，臺架由直動式電磁閥、壓力傳感器、電流傳感器和控制器等組成，如圖8所示，通過試驗驗證裝置的輸出特性。

圖8 電磁閥輸出特性試驗臺架Fig.8 Performance test bench of direct-acting solenoid valve

裝置中，當電-機械轉換器輸出的電磁力克服彈簧彈力、摩擦力及液動力等阻力時，推動閥芯逐漸開啟，液壓油流經電磁閥進入離合器，離合器內壓力逐漸建立。裝置輸出特性如圖9所示，在仿真過程中，離合器腔內壓力逐漸增大，在51 ms時，壓力達到2 MPa；在試驗過程中，電流傳感器在9 ms時檢測到有電流進入電-機械轉換器，開始輸出壓力，在69 ms時，裝置離合器內壓力達到2 MPa。因此，裝置建壓時間需要69 ms。

圖9 電磁閥輸出特性Fig.9 Output characteristic of solenoid valve

裝置在0～9 ms內無壓力輸出，此時間為控制器響應時間、傳感器響應時間及裝置響應時間之和。試驗過程中裝置建立液壓力時間比仿真過程中建立液壓力時間滯后18 ms，除控制器響應時間、傳感器響應時間外，仿真過程中沒有考慮電磁閥的泄漏等因素。仿真和試驗結果相互印證，直動閥控動力分配裝置可在69 ms內實現動力分配，將電機的動力輸入到特種新能源車輛的作業機構中，大大提升了特種新能源車輛動力分配裝置的響應速度。

4 結論

(1)提出了一種新型的應用于新能源特種車輛的直動閥控雙動力分配裝置方案，該方案由高功率密度的電-機械轉換器直接驅動電磁閥閥芯，通過液壓控制離合器的結合與分離實現動力分配。

(2)對裝置的核心部件電-機械轉換器進行理論分析、仿真計算和試驗驗證，結果表明：該電-機械轉換器的輸出力特性完全滿足裝置閥芯驅動力要求。

(3)對裝置的輸出特性進行理論分析、仿真計算和試驗驗證，裝置在69 ms內實現動力分配，大大提升了特種新能源車輛動力分配裝置的響應速度。

(4)文中通過直動閥控動力分配裝置對新能源特種車輛進行動力分配，大大提升特種作業響應速度，對于豐富新能源特種車輛的動力分配裝置具有重要的科學意義。