胡萬強，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

胡萬強，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，并進行了系統(tǒng)的動態(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。以裝載機為例，每個作業(yè)循環(huán)需要換4～5次擋，連續(xù)作業(yè)每小時須換上千次擋。目前我國裝載機動力換擋變速箱普遍采用液壓動力換擋，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，通過專用的換擋手柄進行換擋控制，可以使換擋過程平穩(wěn)快速地完成。由于電液換擋操縱靈活、布置方便，便于實現(xiàn)自動控制，有較好的換擋品質(zhì)，因此電液換擋技術(shù)在裝載機領(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閥塊內(nèi)，稱為換擋操縱閥。電液換擋操縱閥連接換擋控制器和離合器，在整個換擋過程中，變速箱功能的實現(xiàn)和對離合器結(jié)合過程的控制主要由換擋操縱閥來控制，換擋操縱閥的設(shè)計功能及工作性能直接影響著換擋功能的實現(xiàn)與換擋品質(zhì)，因此，需要對換擋操縱閥的工作原理和設(shè)計過程進行研究。

以ZF4WG200變速箱電液換擋操縱閥為研究對象，通過分析其液壓系統(tǒng)工作原理，對關(guān)鍵元件進行力學(xué)分析，最后通過數(shù)學(xué)模型仿真及試驗來驗證分析設(shè)計過程。

1 液壓系統(tǒng)組成元件及其功能

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、二級閥12、電磁閥M1～M5、節(jié)流孔O1～O3和兩個單向閥。

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)過減壓閥進入電磁閥作為先導(dǎo)油液控制換擋閥;另一路通過調(diào)壓閥經(jīng)換擋閥進入離合器，擋位離合器的動作由換擋閥實現(xiàn)。調(diào)壓閥的作用是在換擋過程中調(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程處于低壓，在升壓過程平穩(wěn)緩慢升壓，實現(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滑油路，保證變矩器和潤滑系統(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，使兩個油腔A和B相通，同時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，壓力油經(jīng)小孔進入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。當(dāng)閥芯打開油路5時，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

2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

由于離合器油缸是最終的執(zhí)行機構(gòu)，其動態(tài)性能同樣影響換擋過程穩(wěn)定性，因此需要對換擋閥和離合器油缸進行穩(wěn)定性分析，簡化后的系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)簡化模型

通過對換擋閥流量方程、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°時的穿越頻率大于幅頻特性在0 dB時的穿越頻率，由對數(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

3 系統(tǒng)動態(tài)性能分析

在AMESim軟件中建立ZF4WG200變速箱電液換擋操縱閥仿真模型，仿真的目的是驗證換擋操縱閥的功能和調(diào)壓特性，檢驗離合器升壓特性、換擋操縱閥工作原理和設(shè)計過程的正確性。

(1)充油升壓過程分析

慢換擋時的離合器工作油壓仿真曲線如圖5所示，在調(diào)壓階段，從離合器摩擦片被壓緊，開始傳遞摩擦力矩，經(jīng)過離合器滑摩，直到摩擦片完全結(jié)合。調(diào)壓開始油壓約為0.27 MPa，調(diào)壓結(jié)束油壓為1.2 MPa，調(diào)壓時間約為1.5 s，升壓平穩(wěn)，與設(shè)計油壓曲線的調(diào)壓階段相符合，因此調(diào)壓閥的設(shè)計是合理的。

圖5 離合器工作油壓曲線

(2)快慢換擋功能過程

快慢換擋過程仿真圖形如圖6所示，通過對比可以看出:快換擋調(diào)壓階段時間為1 s，充油時間和階躍升壓時間不變，開始調(diào)壓壓力為0.5 MPa，結(jié)束調(diào)壓壓力為1.2 MPa;快換擋比慢換擋時間少0.6 s。以上仿真結(jié)果與設(shè)計要求的快換擋曲線符合，可以說明快、慢換擋油路分析和設(shè)計過程的正確性。

圖6 快慢換擋油壓曲線對比

(3)換擋操縱閥試驗分析

換擋過程是離合器結(jié)合和分離的過程，為了保證換擋過程平穩(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)，避免了動力中斷和沖擊，因此換擋操縱閥的設(shè)計是合理的。

圖7 換擋油壓重合曲線

4 結(jié)束語

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現(xiàn)與換擋品質(zhì)。從仿真結(jié)果來看，換擋操縱閥的設(shè)計是比較合理的，但這里面忽略了一些實際因素。因此為了得到合理的換擋品質(zhì)，需要在對工程機械進行工況計算的基礎(chǔ)上多做試驗，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)。

【1】馬彪，葉明.車輛動力換擋液壓緩沖閥動態(tài)響應(yīng)特性研究［J］.機械設(shè)計，2000，17(4):17－19.

【2】龔鵬，陳慧巖，王娟.換檔離合器電控液壓緩沖閥的設(shè)計［J］.液壓與氣動，2007(5)20:21.

【3】林峰，劉影，陳漫.電液比例閥在車輛換檔離合器緩沖控制中的應(yīng)用［J］.兵工學(xué)報，2006，27(5):784－787.

【4】王康.自動變速器電液控制系統(tǒng)研究與試驗［D］.上海:同濟大學(xué)，2000.

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

胡萬強 (1975—)，男，講師，主要從事機電設(shè)計及其控制方面的教學(xué)與研究工作。E－mail:hwq@xcu.edu.cn。