胡萬(wàn)強(qiáng),姚寧
(許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,河南許昌 461000)
ZF4WG200變速箱電液換擋操縱閥研究
胡萬(wàn)強(qiáng),姚寧
(許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,河南許昌 461000)
電液換擋操縱閥作為換擋控制器和離合器的關(guān)鍵連接部件,其性能優(yōu)劣直接影響著換擋系統(tǒng)的功能與換擋品質(zhì)。介紹ZF4WG200變速箱電液換擋操縱閥液壓系統(tǒng)組成和功能,根據(jù)其傳遞函數(shù),分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并進(jìn)行了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析。
電液換擋操縱閥;液壓系統(tǒng);性能分析
工程機(jī)械工作環(huán)境通常比較惡劣,行駛狀況復(fù)雜,換擋比較頻繁。以裝載機(jī)為例,每個(gè)作業(yè)循環(huán)需要換4~5次擋,連續(xù)作業(yè)每小時(shí)須換上千次擋。目前我國(guó)裝載機(jī)動(dòng)力換擋變速箱普遍采用液壓動(dòng)力換擋,這種換擋操縱方式可靠,維修方便,但安裝布置復(fù)雜,操縱力大,并且換擋品質(zhì)較差。隨著液壓和電子技術(shù)的發(fā)展,電液換擋技術(shù)逐漸成熟,電液換擋即把電磁鐵和換擋操縱閥集成在一起,通過(guò)專(zhuān)用的換擋手柄進(jìn)行換擋控制,可以使換擋過(guò)程平穩(wěn)快速地完成。由于電液換擋操縱靈活、布置方便,便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,有較好的換擋品質(zhì),因此電液換擋技術(shù)在裝載機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
通常電磁閥和液壓控制閥集成在一個(gè)閥塊內(nèi),稱(chēng)為換擋操縱閥。電液換擋操縱閥連接換擋控制器和離合器,在整個(gè)換擋過(guò)程中,變速箱功能的實(shí)現(xiàn)和對(duì)離合器結(jié)合過(guò)程的控制主要由換擋操縱閥來(lái)控制,換擋操縱閥的設(shè)計(jì)功能及工作性能直接影響著換擋功能的實(shí)現(xiàn)與換擋品質(zhì),因此,需要對(duì)換擋操縱閥的工作原理和設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行研究。
以ZF4WG200變速箱電液換擋操縱閥為研究對(duì)象,通過(guò)分析其液壓系統(tǒng)工作原理,對(duì)關(guān)鍵元件進(jìn)行力學(xué)分析,最后通過(guò)數(shù)學(xué)模型仿真及試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證分析設(shè)計(jì)過(guò)程。
電液換擋操縱閥液壓原理如圖1所示,主要包括:主壓力閥1、調(diào)壓閥2、壓力設(shè)定閥3、排油閥4、換向閥5、減壓閥6、換擋閥7~11、二級(jí)閥12、電磁閥M1~M5、節(jié)流孔O1~O3和兩個(gè)單向閥。
圖1 電液換擋操縱閥液壓原理圖
系統(tǒng)壓力油經(jīng)電液換擋操縱閥中的主壓力閥后分兩路,一路經(jīng)過(guò)減壓閥進(jìn)入電磁閥作為先導(dǎo)油液控制換擋閥;另一路通過(guò)調(diào)壓閥經(jīng)換擋閥進(jìn)入離合器,擋位離合器的動(dòng)作由換擋閥實(shí)現(xiàn)。調(diào)壓閥的作用是在換擋過(guò)程中調(diào)節(jié)離合器油缸的升壓特性,即控制離合器油缸在充油過(guò)程處于低壓,在升壓過(guò)程平穩(wěn)緩慢升壓,實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)換擋。
主壓力閥主要限制系統(tǒng)最高工作油壓,確保供給主油路的壓力在一定的范圍內(nèi)變化,另外,將溢出的油液送入變矩器及其后的潤(rùn)滑油路,保證變矩器和潤(rùn)滑系統(tǒng)在規(guī)定的油壓下供油。其結(jié)構(gòu)如圖2所示,它由閥芯1、閥體2和彈簧3組成,閥芯上有節(jié)流小孔,使兩個(gè)油腔A和B相通,同時(shí)減壓閥的壓力油和主壓力閥的彈簧腔6相通。當(dāng)從油路4引入油泵壓力油時(shí),壓力油經(jīng)小孔進(jìn)入A腔,在閥芯1右端產(chǎn)生推力,使閥芯1克服彈簧力和背壓力向左移動(dòng)。當(dāng)閥芯打開(kāi)油路5時(shí),壓力油從5排出,于是A和B腔壓力降低,閥芯又向右微移,通過(guò)控制閥芯位移控制排油量,使主壓力p保持一致。在背壓力一定的情況下,主壓力p大小決定于彈簧力的調(diào)整。
圖2 主壓力閥結(jié)構(gòu)圖
由于離合器油缸是最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其動(dòng)態(tài)性能同樣影響換擋過(guò)程穩(wěn)定性,因此需要對(duì)換擋閥和離合器油缸進(jìn)行穩(wěn)定性分析,簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)模型如圖3所示。
圖3 液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型
通過(guò)對(duì)換擋閥流量方程、液壓缸流量連續(xù)性方程和液壓缸與負(fù)載的力平衡方程的分析,得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:
通過(guò)MATLAB仿真,得出系統(tǒng)的Bode圖如圖4所示,可以看出:相頻特性在-180°時(shí)的穿越頻率大于幅頻特性在0 dB時(shí)的穿越頻率,由對(duì)數(shù)特性的穩(wěn)定性判據(jù)可知,系統(tǒng)是穩(wěn)定的。在頻率20.5 rad/s的幅值裕度Kg=9.67 dB,在頻率8.8 rad/s的相位裕度γ= 47.2°。
圖4 系統(tǒng)Bode圖
在AMESim軟件中建立ZF4WG200變速箱電液換擋操縱閥仿真模型,仿真的目的是驗(yàn)證換擋操縱閥的功能和調(diào)壓特性,檢驗(yàn)離合器升壓特性、換擋操縱閥工作原理和設(shè)計(jì)過(guò)程的正確性。
(1)充油升壓過(guò)程分析
慢換擋時(shí)的離合器工作油壓仿真曲線(xiàn)如圖5所示,在調(diào)壓階段,從離合器摩擦片被壓緊,開(kāi)始傳遞摩擦力矩,經(jīng)過(guò)離合器滑摩,直到摩擦片完全結(jié)合。調(diào)壓開(kāi)始油壓約為0.27 MPa,調(diào)壓結(jié)束油壓為1.2 MPa,調(diào)壓時(shí)間約為1.5 s,升壓平穩(wěn),與設(shè)計(jì)油壓曲線(xiàn)的調(diào)壓階段相符合,因此調(diào)壓閥的設(shè)計(jì)是合理的。
圖5 離合器工作油壓曲線(xiàn)
(2)快慢換擋功能過(guò)程
快慢換擋過(guò)程仿真圖形如圖6所示,通過(guò)對(duì)比可以看出:快換擋調(diào)壓階段時(shí)間為1 s,充油時(shí)間和階躍升壓時(shí)間不變,開(kāi)始調(diào)壓壓力為0.5 MPa,結(jié)束調(diào)壓壓力為1.2 MPa;快換擋比慢換擋時(shí)間少0.6 s。以上仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)要求的快換擋曲線(xiàn)符合,可以說(shuō)明快、慢換擋油路分析和設(shè)計(jì)過(guò)程的正確性。
圖6 快慢換擋油壓曲線(xiàn)對(duì)比
(3)換擋操縱閥試驗(yàn)分析
換擋過(guò)程是離合器結(jié)合和分離的過(guò)程,為了保證換擋過(guò)程平穩(wěn),離合器結(jié)合與分離需要有一定的重疊,其仿真圖線(xiàn)如圖7所示。從圖中看出,離合器分離和結(jié)合有合理的重疊區(qū),避免了動(dòng)力中斷和沖擊,因此換擋操縱閥的設(shè)計(jì)是合理的。
圖7 換擋油壓重合曲線(xiàn)
電液換擋操縱閥是連接換擋控制器和離合器的主要元件,換擋操縱閥的工作性能直接影響著換擋功能的實(shí)現(xiàn)與換擋品質(zhì)。從仿真結(jié)果來(lái)看,換擋操縱閥的設(shè)計(jì)是比較合理的,但這里面忽略了一些實(shí)際因素。因此為了得到合理的換擋品質(zhì),需要在對(duì)工程機(jī)械進(jìn)行工況計(jì)算的基礎(chǔ)上多做試驗(yàn),掌握換擋操縱閥和離合器的匹配規(guī)律,只有這樣才能得到理想換擋品質(zhì)。
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Research on Electro-hydraulic Shift Control Valve for ZF4WG200 Gear-box
HU Wanqiang,YAO Ning
(College of Electrical and Information Engineering,Xuchang University,Xuchang Henan 461000,China)
As a key connecting part of the shift controller and clutch,the performance of electro-hydraulic shift control valve directly affects the function and shift quality of transmission system.The system components and functions of the ZF4WG200 gear-box electro-hydraulic shift control valve were introduced.Then according to the transfer function,the system stability and dynamic performance were analyzed.
Electro-hydraulic shift control valve;Hydraulic system;Performance analysis
TH137
B
1001-3881(2014)8-087-3
10.3969/j.issn.1001-3881.2014.08.029
2013-03-08
胡萬(wàn)強(qiáng) (1975—),男,講師,主要從事機(jī)電設(shè)計(jì)及其控制方面的教學(xué)與研究工作。E-mail:hwq@xcu.edu.cn。