邢俊文， 孟祥政， 蒲宏武， 王亮， 馬向平

（裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械系車輛室，北京100072）

1 引言

換擋緩沖技術(shù)有兩方面的要求：一是換擋過(guò)程應(yīng)盡量迅速完成，減少因換擋時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生的摩擦元件滑摩，減少因換擋時(shí)動(dòng)力中斷引起的速度損失；二是換擋過(guò)程應(yīng)盡量平穩(wěn)，避免使乘員感到顛簸或沖擊，避免動(dòng)力傳動(dòng)裝置中產(chǎn)生過(guò)大的沖擊載荷。顯然，換擋過(guò)程的這兩項(xiàng)要求是矛盾的：換擋過(guò)程越迅速，就越容易產(chǎn)生較大的沖擊和動(dòng)載；反之，如果為了改善換擋過(guò)程的平穩(wěn)性而延長(zhǎng)離合器（制動(dòng)器）的接合時(shí)間，則會(huì)增加離合器（制動(dòng)器）的滑摩時(shí)間，影響離合器（制動(dòng)器）的使用壽命。對(duì)換擋緩沖進(jìn)行研究的目的就是要解決這一矛盾，合理地進(jìn)行換擋過(guò)程的控制，迅速而平穩(wěn)地完成換擋過(guò)程。

利用AMESim可方便建立國(guó)產(chǎn)某型履帶車的整車液壓模型，并與MATLAB聯(lián)合仿真，可對(duì)機(jī)械式換擋緩沖閥緩沖特性的因素進(jìn)行研究，并能對(duì)緩沖時(shí)間對(duì)換擋品質(zhì)的影響進(jìn)行仿真分析。AMESim與MATLAB聯(lián)合仿真，既能發(fā)揮AMESim突出的液壓元件的仿真效能，又可借助MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值處理能力，使系統(tǒng)的仿真效果更加完善，很有效地解決仿真技術(shù)問(wèn)題［1］。

2 機(jī)械式緩沖閥的原理分析

國(guó)產(chǎn)某型履帶車使用機(jī)械式緩沖閥進(jìn)行換擋緩沖。機(jī)械式緩沖閥主要由節(jié)流閥、蓄能器、差動(dòng)溢流閥組成，其原理圖如圖1所示。

緩沖閥工作過(guò)程可分為五個(gè)階段。第一個(gè)階段：欲充油階段。從泵來(lái)的油先充滿管路、閥和液壓缸，此階段油路中的壓力幾乎為零。第二階段：快速充油階段。從泵來(lái)的高壓油P會(huì)直接作用于差動(dòng)溢流閥的左端，并且同時(shí)經(jīng)過(guò)節(jié)流閥，作用于差動(dòng)溢流閥的右端，當(dāng)差動(dòng)溢流閥的左端壓力超過(guò)右端的壓強(qiáng)與彈簧產(chǎn)生的壓力之和時(shí)，油壓達(dá)到緩沖初始?jí)毫，這時(shí)差動(dòng)溢流閥會(huì)產(chǎn)生溢流降壓作用，差動(dòng)溢流閥能夠保持節(jié)流閥兩端有固定的壓力差。第三階段：緩沖階段。隨著蓄能器活塞的右移，A點(diǎn)的壓力逐漸變大，從而B(niǎo)點(diǎn)的壓力也逐漸變大，直到蓄能器活塞右移到行程終點(diǎn)，油壓會(huì)達(dá)到緩沖終止壓力Pt。在這個(gè)過(guò)程中，B點(diǎn)的壓力隨著活塞的右移緩慢上升，這樣就起到了換擋壓力緩沖的作用。第四階段：快速升壓階段。蓄能器活塞右移到行程終點(diǎn)后，B點(diǎn)油壓快速上升到系統(tǒng)油壓，完成充油過(guò)程。第五階段：油壓保持階段。此階段中，油壓保持不變。在緩沖過(guò)程中B點(diǎn)油壓上升曲線如圖2所示。

圖1 機(jī)械式緩沖閥原理圖

圖2 緩沖特性圖

如圖2所示，緩沖特性主要有緩沖時(shí)間、緩沖初始?jí)毫途彌_終止壓力來(lái)決定。因此，對(duì)影響緩沖特性的因素研究，也從這三個(gè)方面進(jìn)行。

3 換擋操縱液壓系統(tǒng)建模

在AMESim中，建立換擋操縱液壓系統(tǒng)總體模型，總體模型可分為三個(gè)部分：液壓緩沖部分，機(jī)械變速部分和控制計(jì)算部分，如圖3所示。

圖3 換擋操縱系統(tǒng)總體模型

液壓緩沖部分包含了換擋操縱油路、潤(rùn)滑油路、冷卻油路和變速箱的各個(gè)油缸的子模型。其中重點(diǎn)對(duì)操縱油路進(jìn)行了建模，潤(rùn)滑油路和冷卻油路使用節(jié)流閥組進(jìn)行代替。換擋操縱油路又包含了主系統(tǒng)閥、機(jī)械式緩沖閥、增壓閥等子模型。機(jī)械變速部分主要是建立了行星變速箱模型和燃?xì)廨啓C(jī)模型。其中行星變速箱模型包括4個(gè)行星排和6個(gè)離合器（制動(dòng)器）?？刂朴?jì)算部分包括滑摩功和沖擊度的計(jì)算。

圖4 MATLAB與AMESim聯(lián)合仿真界面

由于液壓缸得到了油壓無(wú)法直接傳遞到相應(yīng)的離合器（制動(dòng)器）上，采用壓力-電信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，將液壓缸得出的油壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，作為離合器（制動(dòng)器）的輸入信號(hào)。

AMESim提供了圖像生成工具，將要生成圖像的參數(shù)名拖出參數(shù)對(duì)話框即可。但如果改變參數(shù)，需重新進(jìn)行仿真，才能得出新的結(jié)果。為了減少操作步驟，更形象直觀地觀察圖像，進(jìn)行AMESim與MATLAB的聯(lián)合仿真。AMESim與MATLAB聯(lián)合仿真界面如圖4所示。

AMESim與MATLAB的聯(lián)合仿真，通過(guò)MATLAB中GUI進(jìn)行仿真界面的設(shè)計(jì)，界面包括蓄能器參數(shù)、節(jié)流閥參數(shù)、泵參數(shù)及仿真運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定等內(nèi)容。聯(lián)合仿真可通過(guò)MATLAB強(qiáng)大的圖像生成能力，將仿真結(jié)果顯示在界面中，并進(jìn)行對(duì)比分析。

4 影響緩沖特性的因素分析

從油溫、蓄能器彈簧、節(jié)流閥孔、泵四個(gè)方面對(duì)緩沖特性的影響規(guī)律進(jìn)行仿真分析。

4.1 蓄能器彈簧對(duì)緩沖的影響

彈簧是蓄能器的主要部件，也是影響緩沖特性的最主要的因素之一?？蓮膹椈蓮椥韵禂?shù)和彈簧初始?jí)毫煞矫孢M(jìn)行仿真分析。分別設(shè)定不同的彈簧彈性系數(shù)和彈簧初始?jí)毫?，?duì)其進(jìn)行緩沖特性的仿真，其結(jié)果如圖5所示。

其中圖 5（a）為蓄能器彈簧的彈性系數(shù)對(duì)緩沖特性的影響，從中可以看出，蓄能器彈簧彈性系數(shù)影響緩沖階段油壓上升的快慢，彈性系數(shù)越大，油壓上升越快，反之亦然。

圖 5（b）為蓄能器彈簧初始?jí)毫?duì)緩沖特性的影響，從中可以看出，蓄能器彈簧的初始?jí)毫τ绊懢彌_特性的初始緩沖壓力，蓄能器彈簧的初始變形壓力越大，緩沖特性的初始緩沖壓力就越大。

4.2 節(jié)流閥孔對(duì)緩沖特性的影響

節(jié)流閥孔是影響緩沖特性的另一個(gè)重要的因素。節(jié)流孔大小主要是限制進(jìn)入蓄能器油液的流速?？稍O(shè)定仿真時(shí)間為2.5s，節(jié)流閥孔直徑分別為1mm、1.25mm、1.5mm和1.75mm，其仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 蓄能器彈簧對(duì)緩沖特性的影響

從圖6可以看出，當(dāng)節(jié)流孔直徑設(shè)定為 1mm、1.25mm、1.5mm 和 1.75mm時(shí)，其緩沖時(shí)間分別為1.8s、1s、0.8s和 0.4s。緩沖時(shí)間隨著節(jié)流孔直徑的增大逐漸減小，但當(dāng)節(jié)流孔直徑大于某一值時(shí)，緩沖閥將不再起緩沖作用。節(jié)流孔的大小對(duì)緩沖初始?jí)毫途彌_終止壓力沒(méi)有影響。

圖6 小孔直徑對(duì)緩沖特性的影響

4.3 泵轉(zhuǎn)速對(duì)緩沖特性的影響

在車輛運(yùn)行過(guò)程中，泵的轉(zhuǎn)速隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，因此，有必要對(duì)泵轉(zhuǎn)速對(duì)緩沖的影響進(jìn)行仿真研究。取泵的轉(zhuǎn)速為1000～4000r/min，其它仿真條件不變，其仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，隨著泵轉(zhuǎn)速的增加，其緩沖充油時(shí)間變短，緩沖時(shí)間減少。而緩沖初始?jí)毫徒K止壓力變化不大。

圖7 泵轉(zhuǎn)速對(duì)緩沖特性的影響

4.4 油溫對(duì)緩沖特性的影響

液壓油的粘度對(duì)溫度的變化極為敏感，溫度升高，液壓油分子的內(nèi)聚力減小，其粘度將顯著降低。液壓油粘度與溫度的關(guān)系可以用下式表示［2］。

式中：μ0-1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下液壓油的動(dòng)力粘度，Pa·s；μt-某一溫度下液壓油的動(dòng)力粘度，Pa·s；λ-隨液壓油而異的常數(shù)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，46cst的石油基液壓油在溫度升高到100℃時(shí)，其粘度下降到 7cst左右［3］。液壓系統(tǒng)油溫升高，使液壓油粘度降低，勢(shì)必會(huì)影響緩沖特性。通過(guò)模型仿真得出油溫對(duì)緩沖特性的影響如圖8所示。

從圖8中可以看出，隨著溫度的升高，緩沖時(shí)間變短，并且減小的幅度也逐漸變小。當(dāng)油溫大于100℃時(shí)，緩沖時(shí)間變化不再明顯。

圖8 不同的油溫下緩沖特性對(duì)比

5 緩沖時(shí)間對(duì)換擋品質(zhì)影響的仿真分析

緩沖時(shí)間是影響換擋品質(zhì)的最主要因素，緩沖時(shí)間對(duì)換擋品質(zhì)的影響可從滑摩功和沖擊度兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

將仿真模型的仿真時(shí)間定為10s，仿真步長(zhǎng)為0.01s。分別進(jìn)行節(jié)流閥孔大小、蓄能器彈性系數(shù)和蓄能器彈簧的初始?jí)毫Φ恼{(diào)節(jié)，確保緩沖初始?jí)毫?0.35，緩沖終止壓力為0.75，并使得到的緩沖曲線的換擋緩沖時(shí)間分別為 0.5s、1s、1.5s和 2s，其緩沖特性曲線如圖9所示。

滑摩功和沖擊度的對(duì)比曲線分別如圖10和圖11所示。

從圖10和圖11中可得出，隨著緩沖時(shí)間的增加，其離合器（制動(dòng)器）接合所產(chǎn)生的滑摩功越來(lái)越大，而沖擊度越來(lái)越小?；εc沖擊度是相互矛盾的兩個(gè)方面，即應(yīng)考慮滑摩功不能太大，又要考慮沖擊度不能太高。因此，合理的選擇換擋時(shí)間是提高換擋品質(zhì)的一個(gè)重要措施。

圖9 不同緩沖時(shí)間換擋緩沖特性

圖10 滑摩功對(duì)比

圖11 沖擊度對(duì)比

6 結(jié)論

利用AMESim與MATLAB聯(lián)合仿真，對(duì)機(jī)械式換擋緩沖閥緩沖特性的因素進(jìn)行研究，分析影響機(jī)械式緩沖閥緩沖特性的因素，即研究油溫、蓄能器彈簧、節(jié)流閥孔、泵四個(gè)方面對(duì)緩沖特性的影響。其中，節(jié)流閥孔大小、泵轉(zhuǎn)速、油溫主要是影響換擋緩沖時(shí)間，而蓄能器彈簧主要影響換擋緩沖的初始?jí)毫徒K止壓力。同時(shí)，合理選擇緩沖時(shí)間是提高換擋品質(zhì)的一個(gè)重措施。

［1］ 李霏霞，曾聲奎，馬紀(jì)明，等.AMESim與SimuLink聯(lián)合仿真在舵機(jī)可靠性研究中的應(yīng)用［C］//2008系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2008：490-491.

［2］ 劉軍營(yíng).液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008：11-13.

［3］ 王榮林，殷勁松.基于液壓油油溫對(duì)液壓系統(tǒng)性能影響的研究［J］.中國(guó)科技信息，2008（24）：104.