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(燕山大學 車輛與能源學院， 河北 秦皇島　066004)

引言

合理控制自動變速器的主油壓，可以改善換擋品質(zhì)，降低油泵損耗功率，提高變速器壽命[1-3]。以高速開關(guān)閥為比例溢流閥的先導級，采用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulated，PWM)信號控制的數(shù)字比例溢流閥具有可靠性高、成本低、環(huán)境敏感度低等特點[4]。

周中銳等[5-8]建立了數(shù)字比例溢流閥的仿真模型，分析了阻尼孔直徑等參數(shù)對閥輸出壓力的影響規(guī)律；郭曉林等[9]用MSC Easy5仿真分析了脈寬調(diào)制數(shù)字比例溢流閥在雙離合器自動變速器中的離合器油壓緩沖特性。但尚鮮見有關(guān)數(shù)字比例溢流閥特性的系統(tǒng)試驗研究。本研究通過仿真與試驗對比的方法研究數(shù)字比例溢流閥的特性，分析了其靜態(tài)特性和動態(tài)特性，該閥能夠滿足自動變速器主油壓調(diào)節(jié)要求。

1　數(shù)字比例溢流閥結(jié)構(gòu)及工作原理

自動變速器主油壓調(diào)節(jié)用數(shù)字比例溢流閥原理圖如圖1所示，包括高速開關(guān)閥、安全閥、主閥和阻尼孔。建模中還加入了主油路容腔和先導閥容腔部分。

1.高速開關(guān)閥　2.安全閥　3.主閥　4.阻尼孔圖1　數(shù)字比例溢流閥原理圖

無控制信號時，高速開關(guān)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，數(shù)字比例溢流閥工作過程與先導式溢流閥一致。主油路壓力p1由安全閥彈簧預緊力決定。

輸入PWM控制信號時，高速開關(guān)閥處于高速交替啟閉狀態(tài)。此時安全閥關(guān)閉，油液通過高速開關(guān)閥流回油箱。調(diào)制PWM信號占空比τ可以調(diào)節(jié)一個周期內(nèi)高速開關(guān)閥開啟與關(guān)閉狀態(tài)所占時長，進而控制流經(jīng)阻尼孔的流量。不同的流量經(jīng)過阻尼孔產(chǎn)生不同的壓力差，相應地可以控制主閥芯的工作狀態(tài)，即控制主油路壓力。PWM信號占空比τ越大，一個周期內(nèi)高速開關(guān)閥開啟時間越長，流經(jīng)阻尼孔的流量越大，則主油路壓力越低，當τ=1時，系統(tǒng)壓力達到最低。

2　數(shù)字比例溢流閥建模

數(shù)字比例溢流閥建模前，對部分條件進行如下假設：

(1) 忽略高速開關(guān)閥電磁鐵磁滯效應；

(2) 數(shù)字比例溢流閥工作時無泄漏；

(3) 油液體積模量恒定；

(4) 油源為理想恒流源。

2.1　高速開關(guān)閥數(shù)學模型

1) 控制信號模型

仿真模型中PWM信號生成過程如圖2所示。其中τ在0～1之間變化，并與幅值為1的鋸齒波做差，當差值大于0時輸出1，差值小于0時輸出0[10]，如式(1)所示：

(1)

式中,SJC為鋸齒波信號。

圖2　PWM信號生成原理圖

理想狀態(tài)下，高速開關(guān)閥閥芯所受電磁力F與控制信號的關(guān)系如式(2)所示：

(2)

式中，F(xiàn)0為電磁鐵最大電磁力，N；SPWM為PWM控制信號，1為高電平，0為低電平。

2) 高速開關(guān)閥動力學模型

(3)

式中，F(xiàn)為電磁鐵作用力，N；m1為高速開關(guān)閥閥芯質(zhì)量，kg；x1為高速開關(guān)閥閥芯位移，m；c1為高速開關(guān)閥芯黏性阻尼系數(shù)，N·s/m；k1為高速開關(guān)閥復位彈簧剛度，N/m。

3) 高速開關(guān)閥閥口節(jié)流方程

(4)

式中，q1為高速開關(guān)閥閥口流量，L/min；C1為高速開關(guān)閥閥口流量系數(shù)；d1為高速開關(guān)閥閥孔直徑，m；α1為高速開關(guān)閥閥口半錐角，°；p2為先導閥腔壓力，MPa。

2.2　安全閥數(shù)學模型

1) 安全閥動力學模型

(5)

式中，p2為先導閥腔壓力，MPa；A2為安全閥閥口截面積，m2；m2為安全閥閥芯質(zhì)量，kg；c2為安全閥芯粘性阻尼系數(shù)，N·s/m；k2為安全閥復位彈簧剛度，N/m；x2為安全閥閥芯位移，m；x02為安全閥彈簧預壓縮量，m；F2=k2x02-p2A2為安全閥閥座反作用力，N。

2) 安全閥閥口節(jié)流方程

(6)

式中，q2為安全閥閥口流量，L/min；C2為安全閥閥口流量系數(shù)；d2為安全閥閥孔直徑，m；α2為安全閥閥口半錐角，°。

2.3　主閥數(shù)學模型

1) 主閥動力學模型

(7)

式中，p1為主油路壓力，MPa；A3為主閥閥口截面積，m2；m3為主閥閥芯質(zhì)量，kg；c3為主閥芯黏性阻尼系數(shù)，N·s/m；k3為主閥彈簧剛度，N/m；x3為主閥閥芯位移，m；x03為主閥閥芯預壓縮量，m。

2) 主閥閥口節(jié)流方程

(8)

式中，q3為主閥閥口流量，L/min；C3為主閥閥口流量系數(shù)；d3為主閥閥口直徑，m；α3為主閥閥口半錐角，°。

2.4　阻尼孔數(shù)學模型

該閥的阻尼孔為細長孔，其數(shù)學模型為:

(9)

式中，qz為流經(jīng)阻尼孔的流量，L/min；d為阻尼孔直徑，m；μ為油液動力黏度，Pa·s；l為阻尼孔長度，m。

2.5　容腔數(shù)學模型

油液體積模量定義式為:

(10)

由式(10)得:

整理得:

(11)

根據(jù)式(11)可得到如下的容腔數(shù)學模型。

1) 先導閥容腔數(shù)學模型

(12)

式中，V1為先導閥腔體積，m3。

2) 主油路容腔模型

(13)

式中，V2為主油路容腔體積，m3；qp為油源輸出流量，L/min。

2.6　數(shù)字比例溢流閥仿真模型

根據(jù)上述模型，在Simulink中建立的仿真模型如圖3所示。仿真參數(shù)見表1。

圖3　數(shù)字比例溢流閥仿真模型

符號參數(shù)值符號參數(shù)值符號參數(shù)值k1/N·m-11000k2/N·m-11000k3/N·m-11500c1/N·s·m-15c2/N·s·m-110c3/N·s·m-1100m1/kg0．005m2/kg0．015m3/kg0．035C10．65C20．65C30．65d1/m0．0005d2/m0．003d3/m0．01α1/deg45α2/deg20α3/deg15μ/Pa·s0．023ρ/kg·m-3860x03/m0．01

3　數(shù)字比例溢流閥試驗與仿真結(jié)果對比分析

數(shù)字比例溢流閥試驗臺如圖4所示，包括操作臺和試驗臺架兩部分，通過測控系統(tǒng)將兩部分聯(lián)系起來。

圖4　數(shù)字比例溢流閥試驗臺簡圖

試驗在流量50 L/min，油箱溫度40 ℃，PWM信號頻率50 Hz的條件下進行，先后進行了數(shù)字比例溢流閥的靜態(tài)特性和動態(tài)特性試驗，并將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比分析。

3.1　數(shù)字比例溢流閥靜態(tài)特性

分析靜態(tài)特性時，對高速開關(guān)閥輸入固定占空比信號，記錄不同占空比下對應的主油路壓力，得到的壓力-占空比關(guān)系曲線如圖5所示?？梢钥闯龇抡娼Y(jié)果和試驗結(jié)果基本一致。數(shù)字比例溢流閥控制壓力隨控制信號占空比近似線性變化，其中當壓力p1連續(xù)變化時，試驗結(jié)果對應的占空比τ范圍為30%～70%，仿真結(jié)果為30%～80%。

圖5　數(shù)字比例溢流閥靜態(tài)特性

占空比為70%～80%時，由于磁滯效應，實際工作中的高速開關(guān)閥閥芯保持完全開啟狀態(tài)，而仿真模型中閥芯已經(jīng)開始動作，并產(chǎn)生了壓力變化。

3.2　數(shù)字比例溢流閥動態(tài)特性

1) 數(shù)字比例溢流閥對階躍信號的響應

對數(shù)字比例溢流閥輸入的PWM信號占空比在0～5 s為100%，在5 s時階躍降至0%，并保持不變，先后調(diào)整阻尼孔直徑d和主閥彈簧預壓縮量x03，得到壓力-時間關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6　數(shù)字比例溢流閥階躍響應壓力-時間關(guān)系曲線

圖6a中，主油路最低壓力為0.6 MPa，仿真結(jié)果壓力響應時間為0.13 s，試驗結(jié)果為0.25 s；圖6b中最低壓力為0.48 MPa，仿真結(jié)果響應時間為0.19 s，試驗結(jié)果為0.3 s；圖6c中最低壓力為0.4 MPa，仿真結(jié)果響應時間為0.23 s，試驗結(jié)果為0.5 s?？梢钥闯鲭S著阻尼孔直徑的減小以及主閥彈簧預壓縮量的減少，系統(tǒng)可達到的最低壓力變小，壓力響應時間變長。

圖6中，隨最低壓力降低，仿真和試驗結(jié)果壓力響應時間的差別隨之變大。主要原因如下。

對于仿真模型，由于建模假設條件(3)，進行仿真時選取1 MPa壓力下的油液正切體積模量，大小為100 MPa。但實際油液體積模量隨著壓力減小而變小，所以在1 MPa以下時，試驗結(jié)果的建壓速度較仿真曲線慢。

對于試驗臺，從液壓泵到數(shù)字比例溢流閥間的管路過長，其中存留的油液較多，這部分油液對整個建壓過程起了緩沖作用，延長了壓力響應時間。

2) 數(shù)字比例溢流閥對連續(xù)變化信號的響應

對數(shù)字比例溢流閥輸入的PWM信號占空比在0～5 s內(nèi)保持100%，在5～5.8 s由100%線性減小至0%，之后保持0%不變，得到如圖7所示的壓力變化過程。圖中仿真結(jié)果中壓力在5.65 s時達到最大，p1連續(xù)變化時對應的占空比為20%～70%；試驗結(jié)果中壓力在5.7 s時達到最大，壓力連續(xù)變化時對應的占空比為10%～60%。

圖7　數(shù)字比例溢流閥對連續(xù)變化信號的響應

對比試驗與仿真結(jié)果可知，壓力連續(xù)變化時對應的占空比變化范圍相等，但起始值不同，試驗結(jié)果對應的占空比偏小。這種差異是建模時對高速開關(guān)閥磁滯效應及油液體積模量設定的假設條件導致的。

考慮到實際液壓控制系統(tǒng)集成在一塊閥體上，其中的油道很短，本研究仿真模型的誤差可以被縮小。另外，這種誤差導致仿真結(jié)果中壓力連續(xù)變化時對應占空比的起始值和終止值偏大，對占空比變化范圍無影響，對數(shù)字比例溢流閥進行特性分析時這種誤差可以忽略。

4　結(jié)論

(1) 針對某自動變速器主油壓調(diào)節(jié)用數(shù)字比例溢流閥結(jié)構(gòu)特點及工作原理，提出建模假設條件。在此基礎上利用Simulink軟件建立了該閥的仿真模型。仿真與試驗結(jié)果對比，結(jié)果表明：仿真模型能夠反映實際系統(tǒng)特性，所提出的假設條件合理；

(2) 參數(shù)適當?shù)臄?shù)字比例溢流閥控制壓力能隨控制信號占空比近似線性變化，滿足自動變速器主油壓調(diào)節(jié)要求；

(3) 數(shù)字比例溢流閥的階躍響應過程隨著阻尼孔直徑及主閥彈簧預壓縮量的減少，系統(tǒng)最低壓力降低，壓力響應時間變長；

(4) 數(shù)字比例溢流閥控制壓力隨占空比變化而連續(xù)變化，仿真與試驗結(jié)果，壓力連續(xù)變化所對應的占空比變化范圍相等，但起始值不同，試驗結(jié)果壓力連續(xù)變化時對應的占空比偏小，主要由高速開關(guān)閥磁滯效應引起。

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