馬先潤，李波，葛文慶，譚草

(1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院交通工程系，山東煙臺(tái) 264670；2.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東淄博 255049)

0 前言

電動(dòng)掃地車、電動(dòng)拖拉機(jī)等新能源特種車輛通常需要2種及以上的動(dòng)力以滿足行駛過程中特種作業(yè)的要求，而新能源特種車輛一般只有一個(gè)電機(jī)作為動(dòng)力源，它需要一種快速響應(yīng)的動(dòng)力分配裝置，對(duì)動(dòng)力源進(jìn)行分配以提升其工作效率。目前主流的動(dòng)力分配裝置均采用機(jī)械液壓相結(jié)合的方式，一般由先導(dǎo)閥的液壓力推動(dòng)主閥芯移動(dòng)，通過二次液壓放大執(zhí)行控制器指令。YU等[1]針對(duì)DCT直動(dòng)式電磁閥進(jìn)行了建模仿真分析，其電磁閥不存在復(fù)位彈簧這一裝置，其電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出力較小導(dǎo)致其響應(yīng)速度較長。TAO等[2-4]對(duì)大功率AT液壓換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，提供了一種針對(duì)先導(dǎo)型電磁閥調(diào)壓過程數(shù)學(xué)建模的方法，并通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。BALAU等[5]提出一種用MATLAB/Simulink對(duì)直動(dòng)式電磁閥性能進(jìn)行建模的方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，模型和試驗(yàn)結(jié)果互相匹配。提升動(dòng)力分配裝置性能需提升電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器性能，文獻(xiàn)[6-7]為電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)化提供了參考思路，文獻(xiàn)[8-10]對(duì)裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了思路。文獻(xiàn)[11]將電磁閥直接驅(qū)動(dòng)閥芯的技術(shù)應(yīng)用于車輛制動(dòng)系統(tǒng)，大大提升了制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

本文作者提出一種新型的應(yīng)用于新能源特種車輛的直動(dòng)閥控動(dòng)力分配裝置。由高功率密度的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器直接驅(qū)動(dòng)電磁閥閥芯，通過液壓控制離合器的結(jié)合與分離實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力的分配。相較于傳統(tǒng)的車用液壓控制系統(tǒng)，省去先導(dǎo)閥的建壓時(shí)間，以提升新能源特種車輛動(dòng)力分配裝置的響應(yīng)速度與控制精度。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 直動(dòng)閥控動(dòng)力分配裝置方案設(shè)計(jì)

文中提出了一種新型的應(yīng)用于新能源特種車輛的直動(dòng)閥控雙動(dòng)力分配裝置方案，如圖1所示。新能源特種車輛電機(jī)經(jīng)減速齒輪連接到離合器的輸入軸，離合器的輸出軸作為動(dòng)力源用于車輛自身驅(qū)動(dòng)和連接各種車載特種作業(yè)裝備。直動(dòng)式電磁閥通過控制離合器液壓腔的充放油狀態(tài)從而控制離合器的結(jié)合與分離，進(jìn)而控制新能源特種車輛的動(dòng)力分配。

圖1 直動(dòng)閥控雙動(dòng)力分配裝置方案Fig.1 The dual power distribution scheme of direct-acting solenoid valve

文中采用高功率密度的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器直接驅(qū)動(dòng)電磁閥閥芯，相較傳統(tǒng)的車載電控液壓裝置省去了一級(jí)液壓功率的放大、先導(dǎo)閥建壓的過程以及先導(dǎo)建壓的時(shí)間，響應(yīng)速度大大提升。此設(shè)計(jì)方案由于減少了一級(jí)液壓放大，從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上減少了系統(tǒng)的非線性度，提升了新能源特種車輛動(dòng)力分配裝置的控制精度。

1.2 直動(dòng)閥原理

文中采用的直動(dòng)閥是由高驅(qū)動(dòng)力密度動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器和雙彈簧閥體結(jié)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器無電磁力輸出時(shí)，電磁閥閥芯在雙彈簧作用下處于中間位置，電磁閥處于閉合狀態(tài)，離合器液壓腔內(nèi)無壓力，離合器處于分離狀態(tài)；當(dāng)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器有向左的電磁力輸出時(shí)，閥芯位置向左移動(dòng)，離合器液壓腔內(nèi)開始有壓力油輸入，離合器逐漸閉合，離合器輸出軸開始有動(dòng)力輸出；當(dāng)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器有向右的電磁力輸出時(shí)，閥芯位置向右移動(dòng)，離合器液壓腔開始排油，離合器逐漸分離，動(dòng)力輸出逐漸中斷。

圖2 直動(dòng)式電磁閥方案模型Fig.2 Direct-acting solenoid valve scheme model

2 電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器性能分析

2.1 仿真分析

文中采用有限元電磁場分析軟件建立電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出電磁力分析模型，計(jì)算出電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器在各個(gè)位置及各種電流狀態(tài)下輸出的電磁力。在電磁力分析模型中設(shè)置了永磁體的五環(huán)Halbach陣列以提高氣隙的磁通密度，線圈分為上下2個(gè)電流方向相反的繞組以抵消電樞反應(yīng)，通過仿真模型計(jì)算出電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器在各行程位置及各電流大小輸出的電磁力。電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器三維模型網(wǎng)格劃分及磁通密度云圖如圖3、4所示。

圖3 電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器三維模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid generation of electro-mechanical converter 3D model

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器仿真模型的計(jì)算精確性，完成了電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的樣機(jī)制備，搭建電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器靜態(tài)輸出特性測試臺(tái)架，如圖5所示。測試臺(tái)架由力傳感器、位移傳感器和數(shù)據(jù)采集儀等組成，完成對(duì)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器各個(gè)位置及各種輸入電流狀態(tài)下的輸出電磁力的測試。

圖5 電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器靜態(tài)性能測試臺(tái)架Fig.5 Static performance test bench for electro-mechanical converter

為滿足閥芯驅(qū)動(dòng)性能要求，分別對(duì)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸入電流為2、4、6、8、10、12 A的中位左右各5 mm行程內(nèi)的輸出電磁力特性進(jìn)行測試。電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出力仿真與試驗(yàn)對(duì)比如圖6所示。

圖6 電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出力對(duì)比Fig.6 Output force comparison of electro-mechanical converter

結(jié)果表明：仿真值與試驗(yàn)值相互印證，電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸入電流和輸出電磁力呈比例關(guān)系。電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸入電流為12 A時(shí)，在初始位置輸出的峰值電磁力為198 N，完全滿足閥芯驅(qū)動(dòng)性能要求。

3 裝置輸出性能分析

3.1 仿真分析

建立直動(dòng)閥控動(dòng)力分配裝置特性仿真模型，模型分為電磁線圈部分、電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器部分及閥芯運(yùn)動(dòng)三部分，如圖7所示。將電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器在各個(gè)狀態(tài)下輸出的電磁力輸入到雙彈簧閥體結(jié)構(gòu)及液壓輸出特性仿真模型中，從而搭建出直動(dòng)式電磁閥控制的動(dòng)力分配裝置的性能分析模型，對(duì)裝置性能進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

圖7 液壓輸出特性仿真模型Fig.7 Simulation model of hydraulic output characteristics

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證裝置的輸出特性，搭建了直動(dòng)閥控動(dòng)力分配裝置輸出特性試驗(yàn)臺(tái)架，臺(tái)架由直動(dòng)式電磁閥、壓力傳感器、電流傳感器和控制器等組成，如圖8所示，通過試驗(yàn)驗(yàn)證裝置的輸出特性。

圖8 電磁閥輸出特性試驗(yàn)臺(tái)架Fig.8 Performance test bench of direct-acting solenoid valve

裝置中，當(dāng)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出的電磁力克服彈簧彈力、摩擦力及液動(dòng)力等阻力時(shí)，推動(dòng)閥芯逐漸開啟，液壓油流經(jīng)電磁閥進(jìn)入離合器，離合器內(nèi)壓力逐漸建立。裝置輸出特性如圖9所示，在仿真過程中，離合器腔內(nèi)壓力逐漸增大，在51 ms時(shí)，壓力達(dá)到2 MPa；在試驗(yàn)過程中，電流傳感器在9 ms時(shí)檢測到有電流進(jìn)入電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，開始輸出壓力，在69 ms時(shí)，裝置離合器內(nèi)壓力達(dá)到2 MPa。因此，裝置建壓時(shí)間需要69 ms。

圖9 電磁閥輸出特性Fig.9 Output characteristic of solenoid valve

裝置在0～9 ms內(nèi)無壓力輸出，此時(shí)間為控制器響應(yīng)時(shí)間、傳感器響應(yīng)時(shí)間及裝置響應(yīng)時(shí)間之和。試驗(yàn)過程中裝置建立液壓力時(shí)間比仿真過程中建立液壓力時(shí)間滯后18 ms，除控制器響應(yīng)時(shí)間、傳感器響應(yīng)時(shí)間外，仿真過程中沒有考慮電磁閥的泄漏等因素。仿真和試驗(yàn)結(jié)果相互印證，直動(dòng)閥控動(dòng)力分配裝置可在69 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力分配，將電機(jī)的動(dòng)力輸入到特種新能源車輛的作業(yè)機(jī)構(gòu)中，大大提升了特種新能源車輛動(dòng)力分配裝置的響應(yīng)速度。

4 結(jié)論

(1)提出了一種新型的應(yīng)用于新能源特種車輛的直動(dòng)閥控雙動(dòng)力分配裝置方案，該方案由高功率密度的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器直接驅(qū)動(dòng)電磁閥閥芯，通過液壓控制離合器的結(jié)合與分離實(shí)現(xiàn)動(dòng)力分配。

(2)對(duì)裝置的核心部件電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器進(jìn)行理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：該電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力特性完全滿足裝置閥芯驅(qū)動(dòng)力要求。

(3)對(duì)裝置的輸出特性進(jìn)行理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，裝置在69 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力分配，大大提升了特種新能源車輛動(dòng)力分配裝置的響應(yīng)速度。

(4)文中通過直動(dòng)閥控動(dòng)力分配裝置對(duì)新能源特種車輛進(jìn)行動(dòng)力分配，大大提升特種作業(yè)響應(yīng)速度，對(duì)于豐富新能源特種車輛的動(dòng)力分配裝置具有重要的科學(xué)意義。