基于MATLAB%2fSimulink的AMT换档液压缸动态特性研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 1年 第 9期 基于 MA T L AB ／ S i mu l i n k的 A MT 换档液压缸动态特性研究 衣 超 1 ． 李 翠芬 1 ． 1 ． 车辆传动国家重点实验室 ， 北京1 0 0 0 7 2 ； 崔晓颖 z 姜宏暄 ， z 2 ．中国北方车辆研究所 ， 北京 1 0 0 0 7 2 摘 要 机械式 自动变速箱 A MT 换档液压 缸的动态特性直接影响 A M T系统的换档动作和换档同步环 的寿命 。本文结 合换档液压缸 在 A MT系统 中的应用示 例 ，在分 析 了换 档液 压缸 的结构 特点 的基础 上 ，推 导并建 立 了换档液 压缸 的动态 数学 模型 ，然后 通过 MA T L A B ／ S i m u l i n k的建模 ， 仿真分析了换档液压缸的动态特性 ， 为 A M T系统的设计提供 了依据 。 关键词 S i m u l i n k ； 换档液压缸 ； A M T； 仿真 ； 动态特性 中图分类号 T HI 3 7 ． 8 T P 3 9 1 ． 9 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 9 0 0 5 4 0 4 Nu me r i c S i mu l a t i o n o f Dy na mi c Pe rfo r ma n c e o f Ge a r Cy h nd e r Ba s e d o n M ATLAB／ S i mu h n k Y l C h a o L I C u i - f e n C U I X i a o 归 J I A NG H o n g - x u a n 。 。 1 ． N a t i o n a l K e y L a b o f V e h i c u l a r T r a n s mi s s i o n ，B e i j i n g 1 0 0 0 7 2 ， C h i n a ； 2 ． C h i n a N o A h V e h i c l e R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 7 2 ， C h i n a A b s t r a c t T h e d y n a mi c p e r f o r m a n c e o f g e a r c y l i n d e r f o r a u t o ma t i c ma n u a l t r a n s m i s s i o n A MT i s s e v e r e l y a f f e c t e d t h e a c t i n g o f g e a r a n d t h e l i f e - s p a n o f t h e s y n c h r o n i z e r ．B a s e o n t h e u s e o f g e a r c y l i n d e r i n a u t o m a t i c m a n u a l t r a n s m i s s i o n A M T s y s t e m，t h e a r c h i t e c t u l e o f t h e g e a r c y l i n d e r w a s a n a l y z e d a n d t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l w a s b u i l t ． T h e n u me r i c s i mu l a t i o n o f t h e g e a r c y l i n d e r w a s ma d e b a s e o n t h e S i m u l i n k ．T h e d y n a mi c p e rf o r ma n c e o f g e a r c y l i n d e r for a u t o m a t i c m a n u a l t r a n s mi s s i o n A MT c o u l d b e r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n o f AMT s y s t e m． Ke y W o r d s Ma t l a b ／ S i mu l i n k； g e a r c y l i n d e r ； AMT；s i mu l a t i o n； d y n a mi c p e rf o rm a n c e O 前 言 近些年随着电子控制技术的蓬勃发展 ，汽车行业 发生了翻天覆地 的变化 ，传统的机械变速箱逐渐在淡 出历史舞 台， 机械式 自动变速箱 A MT 、 液力 自动变速 箱 A T 和无级变速器 C V T 和双离合器变速器 D C T 得到了越来越广泛的应用 [ 1 1 。在重型卡车和特种车辆 中 ， 基于我国现有的机械变速箱所 占的市场份额 ， A MT 得到了广泛的关注。全 国各大变速箱和整车企业都在 致力于 AM T产品的研发和市场化开发。机械式 自动变 速箱 AMT ， 是在传统 的固定轴式齿轮变速器和干式 离合器的基础上 ， 应用 电子技术 和 自动变速理论 ， 以电 子控制单元为核心 ，通过操纵系统控制离合器的分离 和结合 ， 选 、 换档液压缸动作以及发动机油门的调节 ， 来实现车辆起步 、 换档的 自动操纵控制[2 1 。换档液压缸 收稿 13 期 2 0 1 1 - O l 一 2 O 作者简介 衣超 ， 男 ， 1 9 7 4 一 ， 中国北方 车辆 研究所 ， 高级 工程师 ， 主要从 事车辆传动与控制技术的研究工作。 5 4 作为机械式 自动变速箱 A MT 系统中重要的执行机 构 ． 决定着系统换档行程和换档力 的控制 ， 是机械式 自 动变速箱 A MT 系统 中重要的执行部件 ， 深 入的对换 档液压缸进行动态特性研究 ， 对 A MT产品的研发起着 至关重要的作用。 1 AMT换档液压缸结 构及工作 原理 机械式 自动变速箱 A MT 系统 中换档液压缸为两 端带 阀套 的双作用液压缸} 3 】 ， 由缸体 、 换档活塞 、 两个换 档阀套和两个端盖组成。通过换档活塞和两个换档阀 套的配合运动可实现三个换档位置 ， 即奇数档位置 、 偶 数档位置和空档位置 。当换档活塞两端液压控制 阀同 时供油时 ，换档活塞在两个换档阀套的推动下运动剑 中间位置可实现空档 ， 结构示意简图如图 l 所示 。换档 活塞一端液压控制 阀供油 ． 另一端液压控制 阀卸油时 ， 换档活塞在供油端换档阀套 的推动下运动到另一端 ， 交换供油 、 会有电磁阀的工作状态 ， 可推动换档活塞运 动到另外一端 ， 这样可分别实现奇数档或偶数档 ， 结构 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ． 9 ． 2 0 1 1 示意简图如图 2所示。 图 1 换档液压缸空档位置结构简图 图 2 换档液压缸奇数档 、 偶数档位置结构衙图 针对换档液压缸 由奇 偶 数档换空档工况 ， 即运 动到中位工况 ， 换档活塞两端液压控制阀同时供油， 换 档活塞由一端 向中间运动。由图 l可以看出， 作用于换 档液压缸的推力为作用腔液压力 ，阻力为 回油腔液压 力 、 回油腔回油阻力 、 动态换档力和摩擦力的合力 。 针对换档液压缸 由空档换奇 偶 数档工况 ， 即运 动到两端工况 ， 换档活塞一端液压控制阀供油 ， 另一端 液压控制阀卸油 ， 换档活塞由中间向一端运动。由图 2 可以看出 ， 作用于换档液压缸的推力为作用腔液压力 ， 阻力为回油腔回油阻力、 动态换档力和摩擦力 的合力。 2 A MT换档液压缸数学模型 综合机械式 自动变速箱 A MT 换档 液压缸的运动 到两端 、 运动到中位两种工况 ， 可 以得 出作用于换档液 压缸的推力为作用腔液压力 ， 阻力为 回油腔液压力 、 回 油腔 回油阻力 、 动态换档力和摩擦力的合力 ， 换档液压 缸的运动函数关系式如公式 1 所示 。 一 一 R 一 僦 1 式中 作用腔液压力 ； 回油腔液压力 ； 回油腔 回油 阻力 ； R 动态换档力 ； 摩擦 力 ； m 系统惯性质量 换档活塞线性加速度。 当液压 阀供油驱动换档液压缸活塞运动时 ．产生 作用腔压力如公式 2 所示 ， 作用腔流量如公式 3 所 示[ 4 1 。 i i 2 Q i x Ai 3 式 中P ； 作用腔液压阀压力 ； A； 作用腔面积 ； Q ； 作用腔流量 ； 换档活塞线性速度。 当换档活塞向中位运动即选择空档时 ，回油腔液 压阀供油 ， 由此产生 回油腔压力如公式 4 所示。 A 4 式中p 回油腔液压阀压力； A 回油腔 面积 。 当液压 阀供油驱动换档液压缸活塞运动时 ，在 回 油腔端液压油通过液压阀的压降由液压 阀的过油流量 决定[5 1 ， 如公式 5 所示 。 ’ 卸 Q ／ k 5 因此 ，作用在换档液压缸活塞上的回油腔回油阻 力为 a p A 6 式中△ p 回油腔液压 阀压降 ； Q 回油腔流量 ； 比例系数。 其中 ， 回油腔流量 由换档活塞线性速度决定 。 如公 式 7 所示 。 Q x A x A i Q i 7 式中 卜回油腔面积与作用腔面积的比率 ， ／ A i 。 本论文 中所述换档液压缸动态换档力由试验测试 所得 ， 与换档液压缸运动位移存在函数关系， 关 系式如 下 R 8 摩擦力 由材料摩擦系数 、活塞腔压力以及接触面 积确定 ， 函数关系如公式 9 所示。 - - f p i r r D S 9 式中 活塞行程 ．卜 摩擦系数 ； D活塞直径 ． s 密封圈宽度。 将公式 2 、 公式 5 、 公式 6 、 公式 8 和公式 9 代入公式 1 可 以推 出换档液压缸的合力方程为 ’ 1 P i A i _ 一 x k A - _ p A ， 舭 1 O 其 中 G r r D S 由公式 1 0 可知 ， 换档液压缸的动态特性 方程是 一 个 复杂 的二次 微分方程 。通过 对换档 活塞线性加 速度 的积分 可得 到换档行程 。换 档行程 主要 由液压 阀的 比例系数 、 密 封圈特性 、 液压缸几 何参数等 因素 决 定 。 5 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 1年 第 9期 3 A M T换档液压缸动态仿真模型 MA T L AB是美 国 Ma t h Wo r k s 公司推出的一种面 向科学与工程计算 的高级语言 ，是当前 国际上 自动控 制领域 的首选计算机语言。在许多领域得到了充分的 利用 ， 逐渐成为计算机辅助设计与分析 、 算法研究与应 用开发的基础工具与仿真分析平 台 [6 3 。S i mu l i n k作 为 MA T L A B中一个动态系统建模 、 仿真和分析 的软件包 ， 为工程师提供了一种基于 MA T L A B的框图设计环境 ， 可针对各种物理环境 、数学系统进行建模 、仿真和分 析 ， 广泛应用于线性系统 、 非线性 系统 、 离散／ 连续时间 系统等[7 、 。 在机械式 自动变速箱 A MT 换档过程中存在换奇 数档 、 换偶数档和摘空档三种动作 ， 相对于换档液压缸 存在运动到两端、 运动到中位两种换档工况 。依据换档 液压缸数学模型， 利用 S I MU L I N K提供 的可视化工具 ， 建立了 A MT换档液压缸动态仿真模型。仿真模型主要 由换档力计算模块和换档液压缸模块组成 ，如图 3所 示 旺 互 _ _ ． 1 R E S E T l 匝 _ _ ．I x _ m t l 匹五五 ． 1 x 一 ⋯ I 匝五 X m in x { m 卜 匹 D 匦 l 1 甄巫 d F cn ga gr[N ]h l 口 m l L互玉 五 图 3 AMT换 档 液 压 缸 动态 仿 真 模 型 换档力计算模块主要是根据换 档的两种 1 二 况 ， 对 不同的工况进行作用腔液压力和 回油腔液压力的作用 合力进行计算 ， 输 出结果为液压阀作用合力。换档力计 算模块 内部仿真模型如图 4所示 。 换档液压缸模块主要 由回油腔 回油阻力模块 、 动 态换档力模块 、 摩擦力计算模块和换档行程模块组成 。 公式 6 封装在 回油腔 回油阻力模块 中 ， 公式 8 封装 在动态换档力模块 中， 公式 9 封装在摩擦力计算模块 中。换档液压缸模块如图 5所示。 图 4 换档力计算模块仿真模型 图 5换档液压缸模块仿真模型 4 换档液压缸动态仿真分析 结合机械式 自动变速箱 AM T 换档液压缸的静态 计算结果 ， 对动态仿真模型进行初始赋值 ， 其中奇数档 和偶数档液压 控制阀的控制压力依据 A MT系统实际 换档需求进行赋值 。然后进行了从奇数档换偶数档的 5 6 离线仿真 ，此仿真过程涵盖换档液压缸的两种换档工 况 ， 即从奇数档摘空档和从空档换偶数档。仿真结果如 图 6所示 。其中第一幅 图为奇数档液压阀控制压力和 偶数档液压阀控制压力对 比图，第二幅图为液压阀作 用合力和换档活塞作用合力对 比图 ，第三幅图为换档 兰 数档液压阀控制压力 、 偶数档液压阀控制压力 、 活塞运 动位 移的试验测试结果与仿真分析结果基本相 同， 满 足换档动作要求。 从试验测试结果还可以测出 ， A MT换档液压缸摘 档时间为 0 ． 1 l s ， 换档时间为 0 ． 2 9 s ， 与仿真分析结果基 本相 同， 满足 A MT系统换档时间要求。 由实车测试结果与仿真分 析结果对 比分析可知 ， A MT系统换档液压缸的动态仿真模型建模准确 ，仿真 分析结果可靠 。依据仿真分析结果进行的系统设计完 全满 足机械式 自动变速箱 系统对换 档动态特性 的要 求 。 6结 论 通过对机械式 自动变速箱 A MT 的换档液压缸的 动态特性 的分析 ，本文应用 MA T L AB ／ S i m u l i n k建立了 仿真模型 ， 并仿真分析了换档液压缸的动态特性。从仿 真结果看 ， 整个换档动作和换档时间满足 A MT系统工 作要求。依据仿真模型中设定 的参数进行的工程试制 ， 经实车试验， 试验结果与仿真结果基本吻合。 机械式 自动变速箱 A MT 换档液压缸动态仿真模 型的建立 ， 为 A MT系统的设计提供了依据。深人的进 行换档液压缸动态仿真模 型的研究 ， 将对 A MT系统的 数字化开发起到巨大的帮助 。 活塞运动速度 ， 第四幅图为换档活塞运动位移 。 图 6 AM T换 档 液 压 缸 仿 真 分 析 结 果 从仿真结果可 以看出 ，在奇数档液压 阀和偶数档 液压 阀同时工作时 ，换档活塞从奇数档位置运动到空 档位置 ， 实现了摘空档动作 ， 随后偶数档液压 阀继续供 油 ， 奇数档液压阀卸油 ， 换档活塞 向偶数档 运动 ， 在换 档活塞运动到 7 m m， 即换档同步环到达接触点时 ， 活塞 行程保持不变 ， 换档活塞作用合力逐渐增加 ， 实现换档 同步 ， 而后换档行程继续增加 ， 完成换偶数档动作 。从 仿 真结果看 ， 整个换档动作满足 A MT系统换档动作流 程要求 ． 摘档时间为 0 ． 1 s ， 换档 时间为 0 ． 3 s ， 满足 A MT 系统换档时间要求。 5 换档液压缸实 车试验结果分 析 按 照换档液压缸结构及仿真模型 中设定 的参数 ， 进行了演示样机 的工程设计 、试制及装车试验验证工 作。鉴于试 车实验条件 ， 无法对液压 阀作用合力 、 换档 活塞作 用合力 和换 档活塞运 动速度进行 试验数 据采 集 ，试验过程中应用采集系统对奇数档液压阀控制压 力 、偶数档液压阀控制压力和换档活塞运动位移进行 了采集 。换档液压缸从奇数档换偶数档的实车试验结 果如图 7所示。其 中第 1幅图为奇数档液压阀控制压 力和偶数档液压阀控制压力对 比图，第 2幅图为换档 活塞运动位移。 ；l x l l 0 ／ 厂 I I l l I 图 7 A MT换档液压缸试验测试结果 从试验测试结果可 以看 出， A MT换档液压缸的奇 参 考 文 献 [ 1 ] 潘旭峰 ， 等． 现代汽车电子技术【 M】 ． 北京 北京理工大学出版 社 ． 1 9 9 8 ． [ 2 ] 葛安林 ， 林 波．A MT换 档品质 的研究【 J J ． 汽车技术 ， 2 0 0 3 2 ． 【 3 】 陈伟， 等． A MT换档液压缸 的结构设计【 J ] ． 液压与气动， 2 0 0 8 6 [ 4 ] 金朝铭． 液压流体力学[ M】 ． 北京 国防工业出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 5 】 雷天觉 ， 等． 新编液压工程手册[ M ] ． 北京 北京理工大学出版 社 ． 2 0 0 5 ． [ 6 ] 薛定 宇． 控制系统计算机辅助设计MA T I J A B语言与应用 第 2版 【 M】 ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 7 】 雷玉勇 ， 等． 基于 S I MU L I N K的水射流动态特性仿真『 J ] ． 机床 与液压。 2 0 0 7 4 ． 【 8 】 陈杰 ． M A T L A B宝典【 M】 ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 9 】 李颖 ， 等． S i m u l i n k动态系统建模 与仿 真基础【 M】 ． 西安 西安 电 子 科 技 大 学 出 版 社 ． 2 0 o 4 ． 5 7