资源描述:
.设计 . 计算. 研究. 重型货车离合器液压气助力操纵系统随动性能研究 陈德 鑫 李松松 吴亚军 中国第一汽车股份有限公司技术 中心 【 摘要】 基于键合图理论 , 采用 A M E S i m软件建立了某重型车离合器液压气助力操纵系统的计算模型, 并利用该 模 型分析 了影响离合器操纵系统随动性 能的关键 因素及关键结 构设计参数 。结果 表明. 管路直径 、 气 压控制 阀的预 紧力对总泵 回位时间影响显著 ; 助力泵排气 口直径 、 液控气 压阀预紧力以及气 压控 制阀的预紧力对操纵 系统 回位 时 间影响显著 。针对离合器操纵系统 随动性能 问题的实际故 障案例 , 找到了不 同故障模式的失效 原因。 主题词 重型货车离合器液压气助力操纵系统随动性能 中图分类号 U 4 6 3 . 2 1 1 文献标识码 A文章编号 1 0 0 0 3 7 0 3 2 0 1 2 1 2 0 0 2 4 0 6 Re s e a r c h o n S e r v o Pe r f o r ma n c e o f He a v y Du t y Tr u c k Cl u t c h Op e r a t i n g S y s t e m wi t h Hy d r a u l i c Co n t r o l a n d Ga s P o we r - a s s i s t a n c e C h e n D e x i n , L i S o n g s o n g , Wu Y a j u n C h i n a F A W C o . , L t d R D C e n t e r 【 Ab s t r a c t ] I n t h i s p a p e r , a c c o r d i n g t o t h e b o n d g r a p h t h e o r y , a c a l c u l a t i o n mo d e l f o r t h e c l u t c h o p e r a t i n g s y s t e m w i t h h y d r a u l i c c o n t r o l a n d g a s p 0 w e r a s s i s t a n c e o f a h e a v y d u t y v e h i c l e i s e s t a b l i s h e d i n AME S i m. T h rou g h t h i s mo d e l , t h e k e y f a c t o r s a n d k e y s t r u c t u r a l d e s i g n p a r a me t e r s t h a t a f f e c t t h e s e r v o p e r f o r ma n c e o f t h e s y s t e m a r e a n a l y z e d . Re s u h s s h o w t h a t p r e l o a d o f t h e l i n e d i a me t e r a n d p r e s s u r e c o n t r o l v a l v e e x e r t s g r e a t i n fl u e n c e o n p u mp r e t r a c t i o n t i me . Mo r e o v e r , t h e r e t r a c t i o n t i me o f t h e o p e r a t i n b s y s t e m i s g r e a t l y i n fl u e n c e d b y d i a me t e r o f t h e e x h a u s t p o rt o f t h e p o we r - a s s i s t p u mp , p r e l o a d o f t h e h y d r a u l i c c o n t r o l l e d p r e s s u r e v a l v e a s w e l l a s p r e l o a d o f t h e p r e s s u r e c o n t r o l v a l v e F i n a l l y ,w i t h r e g a r d t o a c t u a l ma l f u n c t i o n c a s e s o f t h e s e r v o p e rf o r ma n c e o f t h e c l u t c h o p e r a t i n g s y s t e m,c a u s e s for f a i l u r e s i n d i f f e r e n t ma l f u n c t i o n mo d e l s a r e f o u n d . Ke y wo r d s He a v y d u t y t r u c k ,Cl u t c h ,Op e r a t i n g s y s t e m t h h y d r a u l i c c o n t r o l a n d g a s p o we r a s s i s t a n c e . S e r v o p e r f o r ma n c e 1 前言 2 离合器操纵 系统回位时随动过程分析 离合器液压气助力操纵系统 目前已被广泛应用 于重型商用车离合器操纵装置中.但在用户实际使 用过程中, 却经常暴露出诸如离合器踏板回位迟缓 、 离合器踏板不完全 回位导致的离合器异常磨损甚至 烧片.以及快速连续踩踏板时出现的离合器踏板沉 重及无法踩踏到位等故障模式。研究表 明.引起这 些故 障的主要原因是离合器操纵系统 回位过程的随 动性能无 法满足使用要 求Ⅲ 本 文通过键合 图理 论阁 . 分析 了影响离合 器操纵 系统 回位过程 随动性 能的因素. 探讨了提高随动性能的措施 . 并将其成功 应用 于重型车离合器操纵系统随动性能的故障案例 分析 中。 一 2 4 一 离合器液压气助力操纵 系统 的结构原理 如图 1 所示。离合器操纵系统随动过程可分 为分离 、 平 衡和 回位 3个过程 . 文中重点分析其 回位时的随动 过程。当松开离合器踏板时 . 总泵活塞在回位弹簧 的作用下 回位 . 同时 . 助力泵气缸活塞在离合 器盖 总成膜片弹簧 的作用力下回位 . 从而推动油液 回流 总泵 . 使得系统的液压降低 。当系统压力小于液控 气压阀的开启压力时. 气压控制阀在 回位弹簧作用 下 回位 . 此时助力泵 中的气体排出。对于带补偿 阀 结构 的总泵 ,当油液流速小 于总泵活塞移动速度 时 . 在总泵液压腔中会 出现真空 . 此时补偿 阀由于 压力差的作用 打开 . 油液流人液压腔 当总泵 回位 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 设计 . 计算 . 研究 . 后 , 补偿 阀也会 打开 , 多余 的油液 可以从补偿 阀中 流回油杯。 l 2 3 4 5 67 8 9 1 0 1 1 1 2 1 . 离合器助力泵 总成2 . 助力泵气缸 活塞3 . 油管总 成4 . 进气 口 5 . 液控气 压阀6 . 放气 口 7 . 气压 控 ;制阀8 . 离合器 总泵 总成9 . 补偿 阀 1 O . 总泵 活塞 l 1 . 进油 口 1 2 . 踏板 图 1 离合器液压 气助力操纵 系统结构原理 3 离合器操 纵系统键合图建模 离合器液压气助力操纵系统 的回位过程 . 是液 体及气体的动态流动过程 . 而气体和液体 的流动状 态相当复杂而且 同时伴随不同能量 的转化 . 因而采 用传统的信号流建模分析其随动性能相对 比较困 难【 3 J 0 功率键合 图是一种描 述系统动态结构 的建模 方法 . 它能够形象地描述系统能量网络 中功率流的 流向与分 配 、 能量 的汇集与转换等 。 清晰准确地表 达系统动态结构特征及各种影响 因素。因此 . 利用 键合图理论 . 对离合器操纵系统回位过程进行建模 分析 。 图 2为离合器操纵系统 回位 过程的键合 图模 型。其 中。 离合器的分离力作为势源 E , 液控气压阀 的预紧力作为势源 . 气压控制阀的预紧力作 为势 源 , 总泵活塞 的预紧力作为势源 , 总泵活塞速 度和助力泵液压缸活塞速度之差所产生的负压作为 势源 , 助力泵 的进气端作为流源 , 助力泵排气 端作为流源 图 2 离合器操纵系统键合 图模 型 对 于回位过程的阻性元 、 容性元 、 惯性元和转换 器的具体考虑如下 。 a . 阻性元 2 0 1 2年第 1 2期 助力泵气缸的阻性效采用 R 描述 ;助力泵 阻 尼孔的阻性效采用 描述 ;管路 的液阻效采用 描 述 b . 容 性元 助力泵气缸 的气容效采用。 C 描述 ;管壁柔度 的容性效采用 C 2 描述 ;气压控制 阀弹簧 的容性效 采用 刚度 , 描述 ;总泵 活塞 弹簧 的容性效采用 刚 度 , 描述 c.感性元 助力泵气 缸及液压缸活塞质量采用 描 述 气 压控 制 阀质 量采 用 描 述 总泵 活 塞 的质 量 用 描 述 d . 转换 器 系统能量在助力泵气压缸处有机械能转换成气 压能 , 其变换 比用 m 描述 ; 助力泵液压缸处有机械 能转换成液压能 , 其变换 比用 m 描述 ; 助力泵气压 控制阀处有机械能转换成液压能 . 其变换 比用 m 描 述 总泵活塞处有液压能转换成机械能, 其变换 比用 m ,4 描述 根据 已经建立的离合器操纵系统键合 图模型 . 列出操纵 系统回位过程状态方程 目 。 4 目 目 B 目 目 1 其中. A 目 l g l q 2 4 I q z 7 目 q 3 4 P3 J P 2 1 I P 3 2 , X目 j E l l E 2 l E 3 , 1 l B 1 F 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 击 0 0 o 0 0 1 一 等 0 0 0 0 0 0 击 一 1 0 一 1 0 一 R1 0 0 0 K 一 1 o 0 R2 0 0 0 0 0一 警 . . 蚴. . . 蛐. 触 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m .设计 . 计算 研究 B目 O 0 O O 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 l 1 0 0 0 0 0 0 0 1 m4 0 0 式 中 , 为状态 变量 列 向量 ; 为 输人 变量 列 向量 ; A 为状态变量系数矩阵 ; B回 为输入变量 系数矩阵 ; q 7 为助力泵气缸 的体积 ; q 2 7 为管路管壁 的体 积膨 胀 ; q 3 4 为总泵活塞位移 ; q 为气压控制阀活塞位移 ; P 3 为助力泵气缸活塞动量 ; P 为气压控制阀活塞动 量 P 为总泵活塞动量。 4 离合器操纵 系统 随动性能仿真分析 4 . 1 AME S i m 仿 真模型 的 建立 根 据 离 合 器 操 纵 系 统 键 合 图模 型 .利 用 A ME S i m软件建立 了离合器操纵系统模型 图 3 , 模型中主要结构 、 性能参数见表 1 所列。 ◇ ④ 0 蠓 图 3 离合器操纵 系统 A ME S i m模型 表 1 离合器操纵系统 主要结构 、 性能参数 参数 数值 参数 数值 油液在 2 0 ℃时 液控气压阀刚度, N. m 一 1 3 . 1 1 0 3 2 密度/ k g m 助力泵气 缸直径 液控气压阀预紧力, N 4 0 1 0 2 / mm 气压控制阀刚度, N. m 一 1 2 . 7 4 液压缸直径/ m m 2 5 . 4 助力泵气缸推杆 气压控制 阀预紧力/ N 4 0 1 2 直径/ m m 总泵弹簧预紧力, N 1 8 . 8 总泵活塞直径/ mm 2 0 . 5 总泵弹簧刚度, N . m 一 1 0 . 9 9 阻尼孔直径/ mm 3 助力泵气缸弹簧刚度, N. m 一 1 0 . 7 6 油管直径/ m m 4 助力泵排气 口 助力泵气缸预紧力/ N 7 0 .2 5 直径/ m m 油液在 2 0 ℃时的运动粘度 / m m s 1 一 1 5 _ 3 6 总泵过油间隙/ ra m 2 . 5 离合器总泵助力泵输出端 固定 ,当气压分别为 1 0 0 k P a和 6 0 0 k P a时 . 其助力泵输 出特性的试验结 果与仿真结果对 比如图 4所示。 7 8 堇 d 是 3 试验 气压为 图 4 助力泵输 特性试验结果与仿真结果 的对 比 当助力泵输出端与离合器盖总成连接 、助力泵 气源气压为 6 0 0 k P a 、离合器总泵输入位移为3 5 mm 时 .离合器操纵系统外特性试验结果与仿真结果对 比如图 5所示。 g 0.0 2 5 O .0 2 0 星 0 _0 1 5 o - ol 0 0 . 0 05 盘0 图 5 离 合 器 操纵 系统 外 特 性 试 验 结 果 与仿 真 结 果 对 比 从 对 比结 果 可 以看 出 .离合 器操 纵 系统 的 A ME S i m模型计算结果 与试验数据能较好 吻合 . 因 此可利用该模型对离合器操纵系统的随动性能进行 模拟预测和分析 4 . 2 离 合器 操纵 系统 总泵 回位 时间影 响 因素 分析 离合器踏板 回位不及时主要体现为离合器总泵 回位时间较长 由离合器操纵系统回位过程的键合 图模型可知. 除总泵 自身的回位弹簧及摩擦阻力外 . 总泵结构 、助力泵液控气压阀及气压控制阀的预紧 力、 油管直径等因素也影响总泵 回位时间。 利用 AME S i m软件的批处理功能 . 分别改变各 因素的结构参数 . 对该系统模型进行仿真计算 . 所得 结果如图 6 ~ 图 9所示 0 . 0 3 5 g 0 . 0 3 0 0 . 0 2 5 0 . 01 0 0 . 0 0 5 0 图 6 总泵结构对总泵回位 时间的影响 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m .设计 . 计算. 研究. 7油管直径对总泵回位时间的影 响 时 间/ s 图 8 助力泵液控气压阀预紧力对总泵回位时间的影响 昌 魁 艄 媲 拍 时 I 司/ s 图 9 助力泵气压控制阀预紧力对总泵 回位时 间的影响 从 图 6 ~ 图 9可以看出. 不带补偿阀结构的总泵 回位时间比带补偿阀结构的总泵慢 0 . 1 2 s 液控气 压阀预紧力为4 0 N时比液控气压阀预紧力为 1 0 0 N 时的总泵 回位时间慢 0 . 0 7 S 气压控制阀预紧力为 2 0 N时 比气 压控制阀预紧力 为 1 0 0 N时的总泵 回 位时间慢 0 . 2 8 s 当管路直径小 于 3 m m 时 , 离合器 总泵接近于不 回位 。 4 . 3离合器操纵 系统回位时间影响因素分析 离合器踏板完全回位后 .助力泵推杆处仍有残 余推力 . 以较快速度连续踩踏板 , 离合器踏板踩不到 底、踏板沉重等故障模式主要是体现为系统 回位时 间较长 由离合器操纵系统 回位过程的键合 图模 型 可知 . 总泵排油量 、 回位速度 、 结构形 式 、 助力泵排 气 口直径 、液控气压 阀及气压控制阀的预紧力 、 气 压缸 和液压缸直径及 油管直径 等因素影响助力泵 回位时间 利用 A ME S i m软件的批处理功能 . 分别改变各 因素的结构参数 . 对该系统模型进行仿真计算 . 所得 结果如图 1 O ~ 图 1 7所示 2 0 1 2年第 l 2期 时间, s 1 0 总泵排油量对系统 回位时间的影响 时间/ s 总泵 活塞 回位速度对 系统 回位时 间的影响 时间/ s 1 2 总泵结构对系统回位时间的影 响 时间, s 助力泵排 气 口直径对 系统 回位时 间的影响 时间/ s 图 1 4 助力泵液控气压阀预紧力对系统回位时间的影 响 吕 龄 嗽 盏 时间, s 图 1 5 助力泵气压控制阀预紧力对 系统 回位时 间的影响 一 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m .设计 . 计算 研究 0 . 0 3 0 0 . 0 2 5 0 . 0 2 0 粪0 .0 1 5 0 . 01 0 0 . 0 0 5 O 时 间/ 图 1 6 助力泵液压缸 、 气缸直径对系统回位 时间的影响 龄 堪 盘 时 f nq / s 图 1 7 油管直径对 系统 回位时间的影 响 从 图 1 0可以看出.通过适 当减小踏板行程 . 近 而减少总泵排油量的方法可以有效减小系统回位时 间 从图 1 1 可 以看出。 总泵回位速度越大 。 越有利 于提高系统的回位时间 从图 l 2可以看 出. 不带补 偿阀的总泵虽然有利于系统回位时间的减小 .但不 利于总泵 回位时间的减小 从 图 l 3和图 1 4可以看 出.当助力泵排气 口直径从 l m m增大到 7 mm时. 系统回位时间可提高 O . 1 5 S 液控气压 阀预紧力为 4 0N比 1 0 0N时的系统 回位时间慢 0 . 1 3 s 从图 1 5 可以看出 . 气压控制阀预紧力为 2 0 N比 1 0 0 N时的 系统回位时间慢 0 . 5 0 s 。从图 l 6可以看 出. 液压缸、 气缸直径仅影响助力泵 的输出位移及输 出力 .并不 影 响 系统 的 回位 时 间 5 离合器操纵 系统 随动性 能故 障案例分析 5 . 1 离合器总泵故障案例分析 在采用不带补偿阀结构的总泵进行系统随动性 能试验时 .发现部分样品的助力泵推杆无法正常回 位. 使得离合器没有完全接合 . 进而导致离合器的异 常磨损 . 甚至烧片。将 问题样件进行拆检发现 . 由于 如图 1 8所示的总泵活塞进油 口直径大小各异 . 导致 活塞进油 口与皮碗之间的相对位置产生误差 .使部 分总泵 的进油 15与皮碗之 间不能产生过油间隙. 从 而引起活塞腔与油杯无法相连 一 2 8 一 图 1 8 活塞进油 口 利用在 A ME S i m软件中建立 的离合器操纵 系 统模型分别对有过油间隙和无过油间隙总泵所组成 的系统进行了仿真分析 。 结果如图 1 9和图 2 0所示 。 3 .5 3 .0 至2 . 5 2 .0 丑1 . 5 1 . 0 0 . 5 O 时间, s 图 1 9助力泵输 出力对 比结果 1 . 2 日 1 . 0 皇 0 . 8 亩 0 . 6 雾0 . 4 0 . 2 O - 0 . 2 时I 司I s 图 2 O 总泵油压对 比结果 从图 1 9和图 2 0中看出. 无过油间隙总泵所组成 系统中. 在总泵已经回位时 . 总泵腔中仍然保持 0 . 4 4 6 M P a的油压 . 导致助力泵推杆无法回位 . 并且有 4 8 0 N的残余推力 , 导致离合器处于半接合状态 。 5 . 2离合器 助 力泵故 障案例 分析 对于无同步器结构的重型车变速器进行降挡操 作时. 为了更轻便换挡 . 往往需要进行连续踩踏离合 器踏板的动作 . 一般踩踏频率在 1 H z 左右。而在实 际用户反馈中发现 . 在整个离合器操作系统中. 使用 A、 B厂商生产 的助力泵 , 在连续踩踏踏板时出现踩 不到底以及踏板力沉重的现象 而在更换了 C厂商 生产的助力泵后 .此现象消除。为此对这几种样品 在相同的总泵和管路条件下进行台架试验。 表 2为不同踩踏踏板频率下各系统残余力 从 表 2可以看出 , A、 B样品在较大频率踩踏踏板且踏 板完全 回位时 . 助力泵 回位较慢 . 从而导致再次连续 踩踏板时助力泵推杆处存在残余力.进而出现踏板 力沉重的现象 表 2不同踩踏踏板频率下各系统的残余力 样品 助 力 泵推 杆 处 残 助力 泵 回位 时 踏 编号 平均频率, H z 余 力最大值/ N 板最大频率, H z O .9l 1 3 6 A 0 . 8 3 2 . 2 9 6 5 0 . 9 2 1 4 7 B 0 . 7 6 2 . 5 6 1 4 4 5 0 . 9 1 0 C 1 . 2 0 2 . 9 0 4 4 4 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m .设计 计算 研究 . 利用 A ME S i m仿真模型 . 根据表 3各助力泵参 数的实际测量结果 , 模拟连续踩踏踏板的工况 , 表 4 为在相 同踩踏频率下.助力泵推杆处残余力仿真计 算与试验的对比结果 。 表 3助力泵主要参数测量结果 参数 A B C 气压控制阀预紧力/ N 3 8 . 7 2 5 _ 3 5 7 I 2 液控气压阀预紧力, N 5 4 . 3 4 0 . 2 3 1 - 3 排气孑 L 直径/ m m 4 . O 3 . 5 3 . 2 助力泵气缸直径/ m m 2 2 2 2 2 5 . 4 助力泵液压缸直径/ m m 1 0 0 1 0 2 1 0 0 表 4 相 同踩踏频率下助力泵推杆处残余 力试验结 果与 仿 真 结 果 的 对 比 N 样 品编号 A B C 残余力 的试验结果 1 3 6 . 0 1 4 7 . 0 0 残余力 的仿真计算结果 1 0 6 . 1 2 1 4 . 3 2 5 . 9 从表 4可以看 出.仿真计算结果与试验结果的 趋 势一 致 。 从影 响助力泵 回位时间 的因素分析 中可以看 出, 排气 口直径 、 液控气压阀预紧力 以及气压控制阀 预紧力的增大均能减少助力泵的回位时间 但从表 3 样 品参数的测量结果可以看出 .虽然 C样品的排 气孔直径和液控气压阀预紧力均小于 A、 B样品 . 但 C样品推杆处 的残余力最小 因此 .应从适 当增大 A、 B样 品气压控制 阀预紧力人手进行产品改进 。 参考 文献 1 周平 . 杨浩 泉. 气压助力式离合器 操纵系统故障研究. 液压 与气动 , 2 0 0 7 5 7 3 ~ 7 4 . 2 王中双. 键合 图理论及 其在系统动力学 中的应用. 哈尔滨 哈尔 滨工程大学 出版社 . 2 0 0 0 . 3 李成 功 . 和彦淼 . 液 压系统建模 与仿真分 析. 北京 航空 工 业 出版社 . 2 0 0 8 . 4 余仁义,粱涛.汽车离合器操纵机构的设计.专用汽车, 2 0 0 3 4 1 7 1 9 . 5 潘孝 春. 离合器助 力泵故 障模式 分析及 改进设 计 『 学位 论文1 . 长春 吉林大学 , 2 0 0 5 . 6 刘世洲. 浮动式汽车离合器助力装置及其设计 . 汽车技术 . 2 0 0 2 2 1 5 - 1 8 . 责任编辑学林 修改稿 收到 日期为 2 0 1 2年 1 1 月 2 6 13。 上 接 第 2 3页 C A1 0 T A1 9 0 M变速器的主箱 内没有 同步器 , 换 挡是靠滑动齿套来进行的 。即滑动齿套通过渐开线 花键套在 2轴上 .移动滑动齿套使其外花键齿与 2 轴齿轮的内花键啮合传递动力 图 1 1 。滑动齿套和 2轴各挡齿轮齿端有相同大小的锥角 3 5 o 。由于 2 轴和 2轴齿轮处于浮动状态 , 所以挂挡时 , 这两个锥 面能起到一定的 自动定心和同步作用。此种结构在 简化操作 、 缩短换挡时间、 实现同步换挡上可起到部 分同步器的作用 .但是因为这种结构不具有同步器 的锁止作用. 要实现无冲击换挡 , 还有赖于驾驶员操 作的熟练程度。此结构提高了变速器的可靠性, 简化 了变速器的结构 , 使其轴 向尺寸减短 , 质量减轻 , 减 少了对工艺和材料要求较高的零件. 降低 了成本 。 2轴齿 图 1 1 换挡 滑动齿套 2 0 1 2年第 1 2期 2轴 2 . 9 其 它结构 特点 在设计过程 中. 考虑直接挡和超速挡的互换性 。 在其它齿轮不变 的情况下 .仅对调 主箱常啮合齿轮 和 4挡齿轮的齿轮参数 . 就可以变成超速挡变速器 . 从而实现系列产品 整个产品系列 的零部件通用化 程度极高 . 极大地方便 了生产。 l轴 、 2轴上所有的齿轮内花键为同一规格的花 键 .换挡滑套各挡通用 。副箱两个 中间轴前轴承的 轴承孔包容了倒车惰轮轴 的轴孔 ,方便倒车惰轮轴 的拆装 副箱可 以独立装成副箱总成 ,方便整箱 的 装配 参 考 文 献 1 刘惟信. 汽车设计. 北京 清华大学出版社 , 2 0 0 1 . 2 张洪欣. 汽车设计. 北京 机械工业出版社 . 1 9 9 6 . 3 胡家 棠. F u U e r 双 中间轴 变速器结构 特点分析.湖南大 学 学报 , 1 9 8 9 , 1 6 4 . 4 曹世卫. 嵇 晓霞. 汽车变速箱齿轮修形. 汽车齿轮 , 2 0 0 6 2 . 5 付治钧. 齿形齿 向修形初探. 汽车工艺 与材料 , 1 9 9 7 4 . 6 C h a d e s M P.T h e F u l l e r F a mi l y o f T wi n Co u n t e r s h a f t A N e w C o n c e p t f o r He a v y Du t y S e r v i c e . S AE P a p e r 7 2 1 B , 1 9 6 3 . 责任编辑学林 修改稿收到 13期为 2 0 1 2年 l 0月 8日。 一 29 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
展开阅读全文