徐文山，胡北京，，田晉躍

（1.江蘇華通動力重工機械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.江蘇大學 工程機械研究所，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

主壓力控制系統(tǒng)控制著主油路壓力，直接影響液壓系統(tǒng)的工作特性.當前的雙離合自動變速器液壓系統(tǒng)采用的是高速開關閥作為先導級對主壓力進行調節(jié)，但是高速開關閥控制是一種機械式的高速開關調制，這就很容易導致管路的壓力脈動和沖擊，對系統(tǒng)及控制元件的工作可靠性和產品的使用壽命產生很負面的影響［1］.增量式數字閥可以彌補這些缺陷，步進電機自身就是個數字化的元件，可以直接通過計算機進行控制.同時步進電機是無累積誤差的，重復性能良好.增量式數字閥對閥體沒有特別的要求，可以沿用現(xiàn)有常規(guī)閥的閥體［2］.由于增量式數字閥具有許多突出的優(yōu)點，所以本文設計了用于主調壓系統(tǒng)的增量式數字閥，以替代原先的高速開關閥.

1 工作原理及結構設計

增量式數字閥的功能是實現(xiàn)進油口壓力按照設定值保持穩(wěn)定，先導閥能夠控制主閥的啟閉.主閥口開度受到先導閥口開度的影響，先導閥口開度又跟系統(tǒng)壓力有關.如果系統(tǒng)壓力比先導閥調定壓力大，先導閥口開度將增大.也就是說，可以通過改變先導閥口開度的大小來控制主閥口的開度，進而控制主閥的溢流量，最終將系統(tǒng)平衡于設定壓力.所以，先導調壓彈簧預緊力決定了調定壓力的大小.增量式數字閥使用步進電機控制先導調壓彈簧預緊力，預緊力大，系統(tǒng)調定壓力就高，反之就低.

增量式數字閥的閥體結構如圖1所示.

圖1 增量式數字閥結構示意圖Fig.1 Structure of incremental digital valve

2 數學模型的建立

增量式數字閥由先導級和功率級兩部分組成.先導級控制液橋采取適用于錐閥的B型半橋，由半橋液阻設計理論可知，這種設計結構簡單，便于控制；功率級則采用了座閥式，級間反饋為常用的間接反饋.

圖2 增量式數字閥控制示意圖Fig.2 Incremental digital valve control diagram

在建立增量式數字閥的模型時分別對先導級和功率級建模，參見圖2，以力學方程和彈性流體流量方程作為建模工具建立了增量式數字閥的動力學方程［3－4］.圖2中，p1為輸入壓力；p2為先導腔壓力；Q0為系統(tǒng)總流量；Qm為主泄油孔流量；Qf為流經阻尼孔流量；k1為主閥彈簧剛度；k2為先導閥彈簧剛度，p為系統(tǒng)回油壓力.

閥芯運動方程：

先導閥的動態(tài)特性可以表示為一個二階阻尼系統(tǒng)，其方程式為

式中：F為步進電機的控制力；A2為受壓面積；m2為先導閥芯質量；y為先導閥芯位移；t為響應時間；c2為阻尼系數；y0為先導閥彈簧的預壓縮量.

同理，主閥芯的動態(tài)特性也可以表示為二階系統(tǒng)：

式中：A1為主閥芯下側受壓面積；A3為主閥芯上側受壓面積；m1為主閥芯質量；x為主閥閥芯位移；c1為主閥芯阻尼系數；x0為主閥彈簧的預壓縮量；Ffx為彈簧預緊力.

總流量方程：

式中：Qc為流經先導閥的流量.

主泄油孔的流量方程：

式中：Cdm為主泄油孔的流量系數；α1為主閥半錐角；d1為主閥腔直徑；ρ為流體密度.

阻尼孔的流量方程：

式中：A為阻尼孔截面積；V為先導閥前腔的容積；E為油液的體積彈性模量；Cdf為阻尼孔流量系數；d3為阻尼孔的直徑.

先導閥流量方程：

式中：Cdc為先導閥口流量系數；α2為先導閥閥半錐角；d2為先導閥座孔直徑.

增量式數字閥的壓力控制系統(tǒng)是雙輸入單輸出系統(tǒng).理想的增量式數字閥，要求在流量干擾ΔQ0輸入的情況下，閥進出口壓力差Δp1幾乎不變，壓力的調定主要是由彈簧壓緊力與控制油壓力對先導閥的作用力的合力ΔF來進行控制，可通過改變阻尼孔直徑和彈簧剛度等手段來提高閥的工作性能［5］.

3 主調壓控制系統(tǒng)的建模及仿真

利用AMESim建立如圖3所示的增量式數字閥仿真模型.在建模過程中主要結構參數選用實際設計參數，未計入熱交換對工作油溫的影響.假定工作油溫始終在常溫下，增量式數字閥的主要參數設置如表1所示.

圖3 增量式數字閥仿真模型Fig.3 Simulation model of incremental digital valve

表1 增量式數字閥主要結構參數表Tab.1 Main structure parameters of the incremental digital valve

4.1 增量式數字閥的動靜態(tài)工作特性

圖4顯示在20L·min－1的流量階躍輸入下，輸出壓力的變化情況.由圖4可以看出，系統(tǒng)在設計參數下是穩(wěn)定的，超調量約為15%，穩(wěn)定時間為30ms左右.對于不同的結構參數，超調量和穩(wěn)定時間均不一樣.

圖5顯示了不同先導彈簧預緊力對調控壓力的影響.從圖5可以看出，預緊力大，調定的壓力就大，而且壓力的調定與預緊力的大小成正比.

圖4 輸出壓力的階躍響應Fig.4 Step response of the pressure

圖5 先導閥彈簧預緊力對壓力的控制特性Fig.5 Pressure control characteristics of the pilot valve spring preload force

4.2 動態(tài)特性影響因素分析

本文主要選取阻尼孔直徑、先導閥彈簧剛度和主閥彈簧剛度這幾個重要參數進行分析.

圖6是阻尼孔直徑為0.95mm，1mm，1.05mm時在流量階躍輸入下輸出壓力的動態(tài)響應特性.直徑越小，超調量越大，穩(wěn)定時間也較長，壓力在穩(wěn)定前波動較大.隨著孔徑增大，超調量有所降低，但沒有太大變化，主要的影響集中在穩(wěn)定時間上.這說明阻尼孔在系統(tǒng)中主要作為阻性元件使用，其直徑的大小直接影響油壓的穩(wěn)定時間以及振幅.

圖7顯示了不同先導閥調壓彈簧剛度對系統(tǒng)響應的影響.3條曲線分別是先導閥彈簧剛度為2N·mm－1，4N·mm－1，6N·mm－1時的仿真結果.仿真結果顯示先導閥彈簧剛度對系統(tǒng)的響應影響較大.剛度較大，穩(wěn)定壓力也較高，穩(wěn)定性更好.

圖6 阻尼孔直徑對階躍輸入的響應Fig.6 Step response of the diameter of orifice

圖7 先導彈簧剛度對階躍輸入的影響Fig.7 Step response of pilot valve spring stiffness

圖8中的3條曲線分別是主閥彈簧剛度為1.5 N·mm－1，8N·mm－1，16N·mm－1時的仿真結果.對仿真結果分析可知，主閥彈簧剛度對系統(tǒng)的影響小于先導閥彈簧剛度對系統(tǒng)的影響.主閥彈簧剛度主要影響穩(wěn)態(tài)的輸出壓力，主閥彈簧剛度越大，輸出壓力就越大，反之則越小.

圖8 主閥彈簧剛度對階躍輸入的影響Fig.8 Step response of main valve spring stiffness

4.3 增量式數字閥的抗干擾特性和壓力控制特性

如圖9所示，流量從10L·min－1階躍到5L·min－1時，輸出壓力在階躍流量的干擾下壓力落差約為1.5MPa，經過60ms的調整時間就達到穩(wěn)定；流量從5L·min－1階躍到8L·min－1時，輸出壓力的變化及調整時間相對較小，總體上增量式數字閥有較強的抗干擾能力.

圖9 不同流量下的壓力階躍響應曲線Fig.9 Step response curve of pressure under different flow

如圖10為閥的增量式壓力控制特性.從圖10可以看出，增量式數字閥的輸出控制壓力與先導彈簧的預壓縮量呈現(xiàn)良好的線性關系.

圖10 增量式壓力控制特性Fig.10 Incremental pressure control characteristics

5 結論

設計了用于雙離合自動變速器主調壓控制系統(tǒng)的增量式數字閥，這使得系統(tǒng)的控制性能有了較大的提高；增量式數字閥綜合了先進的數字技術和先進的設計理念，具有很強的系統(tǒng)匹配性.同時增量式數字閥良好的控制特性和自鎖能力，使得電液控制系統(tǒng)在精確控制和節(jié)能控制方面都有很好的改進空間.

［1］黃宗益.現(xiàn)代轎車自動變速器原理和設計［M］.上海：同濟大學出版社，2006.HUANG Zongyi.Automatic transmission principle and design of modern cars［M］.Shanghai：Tongji University Press，2006.

［2］CHEN X，HUI G，XUAN W.Design and analysis of incremental digital valve［J］.Mechanical Research ＆ Application，2011，4：31－32.

［3］ELNASHAR G A，DIRECTOR－NGUYEN C C.Intelligent controllers based on fuzzy systems and neural networks［D］.Washington：The Catholic University of America，2000.

［4］LUQUE A，QUERO J M.High pressure valves in MEMS：theory and applications［C］.New York：IEEE，2002.

［5］MUSTAFA R，KASSEL T，ALVERMANN G，et al.Modelling and analysis of the electro－h(huán)ydraulic and driveline control of a dual clutch transmission［C］.London：FISITA，2010.