劉 神，度紅望，熊 偉，張啟暉

(1.大連海事大學(xué)船舶機(jī)電設(shè)備研究所，遼寧大連 116026； 2.江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西贛州 341000)

引言

車輛換擋用緩沖閥作為車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是保證離合器油腔內(nèi)油壓在換擋過程中有合理的油壓特性，從而減小換擋沖擊，使駕駛員、乘員有較好的駕駛和乘坐感受。緩沖閥的緩沖效果直接影響整個(gè)換擋過程的平穩(wěn)性，許多學(xué)者對(duì)不同類型的緩沖閥進(jìn)行了大量研究。馬彪等[1]選取不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的機(jī)械式緩沖閥進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)可以有效地控制緩沖時(shí)間和緩沖壓力。模擬實(shí)驗(yàn)中方便調(diào)節(jié)的參數(shù)只有節(jié)流孔的大小、緩沖彈簧預(yù)壓縮量、閥芯的位移量，且調(diào)節(jié)起來極不方便，所以該方法局限性很大。孟祥政等[2]先通過計(jì)算得到機(jī)械式緩沖閥的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，再利用AMESim進(jìn)行仿真分析，通過仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)要求相對(duì)比，驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)方法的可行性；施琪等[3]利用AMESim對(duì)機(jī)械式緩沖閥建立通用仿真模型并進(jìn)行仿真分析，較為準(zhǔn)確的反映出結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性的影響。結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變無法解決機(jī)械式緩沖閥易污染、易失效以及響應(yīng)慢、適應(yīng)性差等缺點(diǎn)，隨著電磁技術(shù)的發(fā)展，電液式緩沖閥逐漸受到關(guān)注。MORSELLI等[4]利用功率鍵合圖對(duì)含有電液式緩沖閥組的整個(gè)回路進(jìn)行仿真，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證其模型準(zhǔn)確性；張英鋒等[5]利用AMESim對(duì)電液式換擋緩沖閥建立了仿真模型，研究了主油壓、電磁閥結(jié)構(gòu)、節(jié)流孔直徑、閥芯質(zhì)量等因素對(duì)離合器油壓的影響，仿真結(jié)果說明以上因素均對(duì)離合器油壓有較大影響；鞏招兵等[6]建立了緩沖閥動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并利用Simulink對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析，分析了油液溫度、反饋油孔直徑和閥芯的搭合量對(duì)緩沖閥動(dòng)態(tài)性能的影響。相對(duì)機(jī)械式緩沖閥而言，電液式緩沖閥在性能方面有所提高，但控制精度、超調(diào)量大、體積過大的問題仍需解決。隨著數(shù)字技術(shù)的廣泛應(yīng)用，阮健等[7]發(fā)明了一種全新的2D數(shù)字伺服閥，該閥通過螺旋機(jī)構(gòu)將閥芯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為軸向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥的液壓功率放大功能同時(shí)具備良好的工作性能；2D數(shù)字技術(shù)在換向閥、高速開關(guān)閥[8]等都有應(yīng)用，張啟暉等[9-10]根據(jù)2D數(shù)字原理設(shè)計(jì)了一款緩沖閥，并利用Simulink和AMESim對(duì)所建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行聯(lián)合求解，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證聯(lián)合仿真模型的正確性。研究結(jié)果表明，2D數(shù)字緩沖閥的各性能指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)緩沖閥，但由于其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用開式齒輪傳動(dòng)，容易造成污染導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，傳動(dòng)精度降低。

針對(duì)現(xiàn)有2D緩沖閥易污染、傳動(dòng)精度低的問題，本研究設(shè)計(jì)了一款基于壓扭聯(lián)軸器的二維緩沖閥，并開展聯(lián)合仿真以驗(yàn)證閥的緩沖特性。

1 緩沖閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

為了保證離合器油腔在換擋過程中有合理的油壓特性，并且提高輸出壓力的控制精度，本研究設(shè)計(jì)了一款將剛性壓扭聯(lián)軸器與二維閥結(jié)合的緩沖閥[11]，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

二維緩沖閥主要由電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器(比例電磁鐵)[12]、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(剛性壓扭聯(lián)軸器)、先導(dǎo)閥和主閥組成。比例電磁鐵通過內(nèi)螺紋安裝于緩沖閥上，銜鐵接頭則與楔形件過盈配合；楔形件通過滾輪和滾輪軸與先導(dǎo)閥芯接觸連接，軸用擋圈及孔用擋圈用于限制彈簧座位置，彈簧則用在比例電磁鐵失電時(shí)輔助先導(dǎo)閥芯回到原位；先導(dǎo)閥芯與先導(dǎo)閥套間隙配合，以便于兩者之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)，先導(dǎo)閥套和閥體之間則是過渡配合，利用鋼球?qū)烧咧g的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)摩擦，便于安裝；先導(dǎo)閥芯左端臺(tái)肩周向開設(shè)有高、低壓孔槽，先導(dǎo)閥套內(nèi)開設(shè)有斜槽，其中高壓孔槽連接壓力源，低壓孔槽連接油箱，斜槽則與敏感腔相通；主閥結(jié)構(gòu)原理則與傳統(tǒng)滑閥結(jié)構(gòu)相似。

1.端蓋 2.鋼球 3.O形圈 4.主閥芯 5.主閥套 6.閥體 7.主彈簧 8.先導(dǎo)閥套 9.先導(dǎo)閥 10.端蓋2 11.滾輪12.楔形件 13.銜鐵接頭 14.銜鐵 15.電磁鐵 Ⅰ.主閥部分 Ⅱ.先導(dǎo)閥部分 Ⅲ.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) Ⅳ.電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器圖1 緩沖閥結(jié)構(gòu)簡圖

圖2為緩沖閥工作原理圖。平衡狀態(tài)時(shí)，高壓腔截面積為敏感腔截面積的1/2，敏感腔壓力由高、低壓孔槽與斜槽相交的2個(gè)微小菱形面積串聯(lián)的液壓阻力半橋控制。若不考慮摩擦力及閥口液動(dòng)力的影響，高壓孔、低壓孔與斜槽相交的面積相等，敏感腔的壓力為高壓腔壓力的1/2，先導(dǎo)閥芯軸向保持靜壓平衡。當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，楔形件向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)由于先導(dǎo)閥芯受液動(dòng)力影響無法直接被推動(dòng)，而滾輪的旋轉(zhuǎn)給滾輪軸施加了驅(qū)動(dòng)力偶從而帶動(dòng)先導(dǎo)閥芯逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(從右向左看)，此時(shí)高壓孔槽與斜槽相交面積減小，低壓孔槽與斜槽相交面積增大，破壞了先導(dǎo)閥芯的軸向靜態(tài)平衡，導(dǎo)致高壓腔的壓力高于敏感腔壓力，此壓力差推動(dòng)先導(dǎo)閥芯向左運(yùn)動(dòng)，主彈簧則將力傳遞給主閥芯使主閥有一定的開口量，主閥工作原理與減壓閥相同，可以根據(jù)負(fù)載大小調(diào)節(jié)開口量以保證輸出壓力穩(wěn)定，達(dá)到緩沖效果；當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，楔形件右移回原位，此時(shí)滾輪軸帶動(dòng)先導(dǎo)閥芯反向轉(zhuǎn)動(dòng)，敏感腔的壓力高于高壓腔壓力，壓力差推動(dòng)先導(dǎo)閥芯復(fù)位，其中復(fù)位彈簧起輔助作用。

1.敏感腔 2.斜槽 3.低壓孔槽 4.高壓孔槽 5.高壓腔圖2 緩沖閥工作原理圖

2 緩沖閥的數(shù)學(xué)模型建立

在建立模型之前，假設(shè)：系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)；流體是理想液體；油源供油壓力穩(wěn)定；忽略泄漏。本研究采用聯(lián)合仿真，其中壓扭聯(lián)軸器和先導(dǎo)閥部分利用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真，所以只需建立這兩部分的數(shù)學(xué)模型[13]。

2.1 剛性壓扭聯(lián)軸器數(shù)學(xué)模型

圖3為剛性壓扭聯(lián)軸器受力示意圖。剛性壓扭聯(lián)軸器將比例電磁鐵的軸向位移轉(zhuǎn)換為先導(dǎo)閥芯的旋轉(zhuǎn)角度，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

(1)

式中，θ—— 先導(dǎo)閥芯旋轉(zhuǎn)角度

xm—— 楔形件的軸向位移

r—— 中心軸傳遞力的有效半徑

α—— 楔形件上斜槽的傾斜角度

圖3 剛性壓扭聯(lián)軸器受力示意圖

忽略運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦力影響，其軸向力-扭矩轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

T=Fm·r/tanα

(2)

式中，T—— 聯(lián)軸器輸出的扭矩

Fm—— 比例電磁鐵對(duì)楔形件的作用力

2.2 先導(dǎo)閥數(shù)學(xué)模型

圖4為先導(dǎo)閥工作原理示意圖。

1.高壓孔槽 2.斜槽 3.敏感腔 4.低壓孔槽5.高壓腔 6.回油孔圖4 先導(dǎo)閥工作原理示意圖

重疊面積：

(3)

式中，h—— 高、低壓孔槽與斜槽相交面積的垂直高度

ω—— 高、低壓孔槽與斜槽相交面積的軸向?qū)挾?/p>

β—— 斜槽傾斜角度

h1=Rθsinβ-h0

(4)

h2=Rθsinβ+h0

(5)

式中，h1—— 低壓孔槽與斜槽相交面積的垂直高度

h2—— 高壓孔槽與斜槽相交面積的垂直高度

R—— 先導(dǎo)閥芯半徑

h0—— 先導(dǎo)閥芯在平衡位置時(shí)高、低壓孔槽與斜槽的初始垂直高度

將式(3)帶入式(4)得變化后高壓孔與斜槽相交面積：

A1=Rθω-ωh0/sinβ

(6)

將式(3)帶入式(5)得變化后低壓孔與斜槽相交面積：

A2=Rθω+ωh0/sinβ

(7)

流進(jìn)敏感腔的流量q1為：

(8)

流出敏感腔的流量q2為：

(9)

式中，Cd—— 先導(dǎo)閥閥口流量系數(shù)

ps—— 進(jìn)油口壓力

pc—— 敏感腔壓力

ρ—— 油液密度

假設(shè)油液不可壓縮，根據(jù)流量的連續(xù)性原理，先導(dǎo)閥流量方程為：

(10)

式中，AL—— 敏感腔閥芯作用面積

pc—— 敏感腔壓力

βe—— 油液體積彈性模量

x—— 先導(dǎo)閥芯位移

Vc—— 敏感腔容積

先導(dǎo)閥芯動(dòng)力學(xué)方程：

(11)

式中，Ar—— 高壓腔作用面積

m—— 先導(dǎo)閥芯的總質(zhì)量

Bp—— 先導(dǎo)閥芯的總黏性系數(shù)

Kv—— 負(fù)載的彈性剛度

先導(dǎo)閥的旋轉(zhuǎn)與輸出位移的關(guān)系：

Δh=h-h0=Rθsinβ-xcosβ

(12)

將式(10)、式(11)進(jìn)行拉氏變換可推導(dǎo)出先導(dǎo)閥傳遞函數(shù)：

(13)

3 聯(lián)合仿真

AMESim是基于物理模型的仿真軟件，其最大優(yōu)勢(shì)在于對(duì)系統(tǒng)及元件進(jìn)行物理建模而無需數(shù)學(xué)模型，可以極大的提高工作效率，但同時(shí)AMESim也具有局限性，一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)沒有相應(yīng)的模型，比如本研究中的先導(dǎo)閥和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分，需要手動(dòng)編輯相應(yīng)模塊，而且控制部分也不好實(shí)現(xiàn)，所以采用AMESim與Simulink聯(lián)合仿真，充分利用兩套軟件分別在液壓系統(tǒng)建模仿真與數(shù)據(jù)處理能力方面的優(yōu)勢(shì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析[14-17]。

圖5 聯(lián)合仿真Simulink環(huán)境下的液壓系統(tǒng)模型

圖6 聯(lián)合仿真AMESim環(huán)境下的液壓系統(tǒng)模型

3.1 Simulink仿真模型

將數(shù)學(xué)模型進(jìn)行線性化處理，然后進(jìn)行拉氏變換，根據(jù)傳遞函數(shù)構(gòu)建壓扭聯(lián)軸器和先導(dǎo)閥的仿真模型，模型如圖5所示，仿真參數(shù)設(shè)置參照表1。

表1 先導(dǎo)閥部分仿真參數(shù)取值

3.2 主閥及系統(tǒng)其他元件AMESim模型

液壓系統(tǒng)及主閥部分利用AMESim中提供的液壓庫、液壓元件設(shè)計(jì)庫、機(jī)械庫等建立仿真模型，其中需要特別注意的是Simulink接口模塊的設(shè)置，整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型如圖6所示。

仿真參數(shù)設(shè)置參照表2。

表2 主閥部分仿真參數(shù)取值

3.3 仿真結(jié)果

二維緩沖閥的緩沖特性是本研究仿真的重點(diǎn)，根據(jù)濕式離合器的工作原理，可以將離合器油缸的油壓變化分為3個(gè)階段：快速充油階段、緩沖升壓階段和階躍升壓階段。仿真輸入輸出曲線對(duì)比如圖7所示，圖中橫軸代表時(shí)間，縱軸代表緩沖閥輸出壓力，先導(dǎo)閥芯在比例電磁鐵的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)角度變化如圖8所示，敏感腔壓力在工作過程中的變化如圖9所示。

圖7 緩沖特性仿真曲線

圖8 先導(dǎo)閥旋轉(zhuǎn)角度變化曲線

圖9 敏感腔壓力變化曲線

根據(jù)圖7～圖9可知，緩沖閥在0.5 s時(shí)開啟，整個(gè)緩沖過程在1.6 s內(nèi)完成，在壓力突變的拐點(diǎn)有明顯的壓力波動(dòng)，但都能在短時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定跟隨精度η為壓力穩(wěn)定輸出時(shí)輸入信號(hào)與輸出壓力的最大誤差率：

(14)

式中，p0—— 緩沖閥穩(wěn)定輸出壓力

Ui—— 緩沖閥輸出壓力穩(wěn)定時(shí)的輸入信號(hào)

與現(xiàn)有2D緩沖閥的跟隨精度4.71%相比有明顯提升[10]。仿真曲線證明緩沖閥確實(shí)能夠使輸出的油液壓力緩慢上升，并使得進(jìn)入離合器內(nèi)的油壓與理想曲線一致。

進(jìn)一步分析其超調(diào)量，即最大偏差δ：

(15)

式中，p0—— 輸出壓力的峰值

Ui—— 峰值所對(duì)應(yīng)的給定值

該二維緩沖閥的超調(diào)量22.1%遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電液式緩沖閥的超調(diào)量105%，并且也優(yōu)于現(xiàn)有2D緩沖閥的超調(diào)量31.2%。

4 結(jié)論

本研究對(duì)二維緩沖閥整體建立了數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出先導(dǎo)閥傳遞函數(shù)，利用MATLAB/Simulink與AMESim聯(lián)合仿真對(duì)該閥的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析。研究結(jié)果表明：

(1) 設(shè)計(jì)的緩沖閥緩沖過程中的跟隨精度為2.13%，與現(xiàn)有2D緩沖閥的跟隨精度4.17%相比，有明顯提高；該閥的超調(diào)量為22.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電液式緩沖閥組的超調(diào)量104%，也優(yōu)于現(xiàn)有2D緩沖閥的31.2%；

(2) 設(shè)計(jì)的二維緩沖閥具有較短的緩沖時(shí)間和穩(wěn)定的輸出壓力，有效補(bǔ)償了換擋沖擊，使駕駛員和乘員有更好的駕駛、乘坐體驗(yàn)；同時(shí)未來應(yīng)該向體積更小、反應(yīng)更迅速、控制更精確的方向發(fā)展。