胡萬強,姚寧
(許昌學院電氣信息工程學院,河南許昌 461000)
ZF4WG200變速箱電液換擋操縱閥研究
胡萬強,姚寧
(許昌學院電氣信息工程學院,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)鍵元件進行力學分析,最后通過數(shù)學模型仿真及試驗來驗證分析設計過程。
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
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
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),與設計油壓曲線的調(diào)壓階段相符合,因此調(diào)壓閥的設計是合理的。
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計是合理的。
圖7 換擋油壓重合曲線
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)。
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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
胡萬強 (1975—),男,講師,主要從事機電設計及其控制方面的教學與研究工作。E-mail:hwq@xcu.edu.cn。