基于高速开关阀的换挡离合器油压控制研究.pdf

2 0 1 5年 4月 第 4 3 卷 第 8 期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 8 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 3 8 基于高速开关阀的换挡离合器油压控制研究 单红艳 ，沈国清，邱英杰 杭 州职业技 术学院青年汽车学院 ，浙江杭州 3 1 0 0 1 8 摘要以变速器换挡离合器油压控制系统为研究对象，提出基于高速开关阀的换挡离合器油压控制方法，分析高速开 关阀的工作原理，建立以高速开关阀为液压控制主阀的换挡离合器油压控制系统，并且阐述了系统的工作过程。在此基础 上，基于 A ME S i m分别建立了包含电磁式高速开关二位三通阀和二位二通阀的换挡离合器油压控制系统模型，通过对两个 系统的油压控制性能进行仿真对比，表明选用二位三通阀作为主阀的油压控制系统性能更为优越。 关键词换挡离合器；高速开关阀；油压控制；性能分析 中图分类号 U 4 6 3 ． 3 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1【 2 0 1 5 8 1 1 1 5 Re s e a r c h o f Sh i f t Cl u t c h 0i l Pr e s s ur e Co nt r o l Ba s e d o n HS V S H A N H o n g y a n ，S HE N G u o q i n g ，Q I U Y i n g j i e Yo u n g ma n I n s t i t u t e o f A u t o mo t i v e，Ha n g z h o u Vo c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ， H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 1 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h e o i l p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m o f s h i f t i n g c l u t c h w a s c h o s e n a s t h e s t u d y o b j e c t a n d a n o i l p r e s s u r e c o n t r o l m e t h o d b a s e d o n HS V wa s p r o p o s e d ． A c c o r d i n g t o t h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f HS V ，t h e o i l p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m o f s h i f t i n g c l u t c h i n wh i c h HS V wa s t a k e n a s t h e h y d r a u l i c c o n t r o l v a l v e w a s e s t a b l i s h e d a n d t h e w o r k i n g p r o c e s s o f t h e s y s t e m wa s a n a l y z e d ． On t h i s b a s i s ， t h e o i l p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m mo d e l s i n w h i c h e l e c t r o ma g n e t i c t w o - s t a t u s - t h r e e -wa y HS V a n d t w o - -s t a t u s -t w o -wa y HS V wa s c o n t a i n e d r e s p e c t i v e l y we r e b u i l t b a s e d o n AMES i m． I t i s s h o wn f r o m t h e p e r f o r ma n c e c o n t r a s t r e s u l t s o f t h e t w o o i l p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e ms t h a t t h e s y s t e m i n wh i c h t h e tw o - s t a t u s t h r e e - wa y HS V i s t a k e n a s t h e h y d r a u l i c c o n t r o l v a l v e h a s b e t t e r p e rfo r ma n c e ． Ke y w o r d s S h i f t i n g c l u t c h ；H i g h s p e e d o n o f f v a l v e H S V ； O i l p r e s s u r e c o n t r o l ； P e rf o r m a n c e a n aly s i s 离合器在 变 速器 换 挡过 程 中起 着 至关 重 要 的作 用 。随着汽车工业 的快速 发展 ，变速器的挡位数越来 越 多 ，同时带来变速器换 挡频率的加快 ．因此 ，如何 设计 良好的换挡离合器控制系统、获得理想的离合器 结合 和 分 离 特性 逐 渐 成为 汽 车 工程 界 的研 究 热 点 H 。 离合器是通过主动部件与从动部件间的摩擦效应 来传递转矩，摩擦效应主要取决于摩擦材料的摩擦因 数 以及压紧弹簧 的压 紧力 ，二者 在离合 器工作过程 中 均是动态变化，而弹簧压紧力可以通过控制离合器工 作 油缸的油压进行控制 ，易 于实 现 3 ] 。通过对油压进 行合 理的控制 。可 以有效避免离 合器在换挡过程 中产 生过 多的滑摩功和 冲击度 ，从 而提高换挡系统 的稳定 性 。 离合器油压控制的工作原理是系统根据电控单 元 的指令信号控制 电液控制 阀的开闭 。以此实现离合 器工作油缸油压的实时调节 ，使离合器操纵机构可以 自动完成离合器的分离和结合。由此可见，电液控制 阀对 油压控 制系统 的性能具有重要影 响。 目前 ，在离 合器油压控制系统 中使用较 为广泛 的电液 控制阀主要 包括压力 缓冲 阀、电液 比例 阀、步进 电机数字 阀 等 _ 4 ] 。压力缓 冲阀成本低 、控制简便 ，但 它对离 合器 主从动结合元件 的压力控制灵 活性 不足 ．易产生 较大 的冲进度 ；电液 比例 阀虽具有较好 的控制 精度 和灵 活 性，但成本相对较高．控制实现复杂步进电机式数 字阀以步进电机作为比例控制元件 ．具有 良好的可靠 性和抗污能力，但响应慢、延迟高，进而影响系统的 响应速度 。 高速开关 阀最初是应用在一些要求快 速操作 的液 压控制系 统 中 ，后来 ，高速 开关 电磁 阀 与脉 宽 调 制 P WM P u l s e Wi d t h Mo d u l a t i o n 控 制 技 术 实 现 了结 合 ， 系统便可 以通过控制 脉冲信 号 的频率 或者脉 冲宽 度实现对流量 、压力 的连续控制 。除 了具有 良好 的灵 活控制性能 、抗污性好 、结构简单外 ，高速 电磁开关 阀还具有 成 本 低 和 响 应 速 度 快 的优 点 ，从 而 方 便 E C U信号进行直接控制．提高系统在复杂工况下的 控制性 能 J 。 因此，文中决定选用电磁式高速开关阀作为换挡 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 ～ 0 2 基金项 目 杭州 职业 技术 学院科研 项 目 k y 2 0 1 5 3 6 作者简 介 单 红艳 1 9 8 1 一 ，女 ，硕士 ，讲 师 ，主要研究方 向为车辆动态性能模拟与控制 。E - m a i l 5 4 6 0 4 7 3 1 0 q q ． c o rn。 1 1 2 机床与液压 第 4 3卷 离合器油压控制系统的液压调节阀 ，同时建立相应 的 换挡离合器油压控制 系统 ．基 于 A ME S i m软件进行包 含两种不同形式的高速开关阀油压控制系统建模。完 成系统油压控制性能的分析。 1 高速开关阀 高速电磁开关阀的结构如图 1 所示，其工作原理 是通过控制电磁作用力来控制 3 个工作油口的开合。 当控制系统向开关阀输入控制信号时，衔铁 2在通电 线圈 1 的磁场作用下产生电磁作用力 ，通过连接作用 杆 5和分 离销 7使油 阀 6和 8 往右移动 ，此 时 回油 口 无油液通过，油液自供油口流入控制口；当控制 口的 油液压力大于电磁作用力时。回油阀左移，使一部分 油液溢流 回油箱 ，直 至回油 阀左右作用力平衡 。当没 有控制信号输入时，无电磁作用力产生 ，此时在供油 口和控制 口油液 压力 的作 用 下 ，油 阀 6和 8快 速右 移，供油口关闭，控制口中的油液通过回油 口快速泄 流 回油箱。 供油口 1 一 线 圈卜 衔铁卜 极 靴 4 一 阀体5 一连 接 作用 秆 6 一回油 阍7 一分离销 8 一供油阀 图 1 高速开关阀结构图 电磁式高速 开关 阀与其 他类 型 的高速 开 关 阀一 样，都是通过 E C U输出二进制高低电平来操作控制 阀的 “ 开” 和 “ 关 ”动作 ，而 “ 开” 和 “ 关 ” 动作 的持续时间一般都是根据 脉冲调 制原理 分配调节 “ 开” 和 “ 关” 的时间 比例 。在一个 脉 冲周期 里有 ， 有如下关系方程式 q q 。 r q ’T p／ T 1 式 中q为输出 的实际 流量 ，q为 阀全开 时通过 的最 大流量 ，r为 占空 比，7 1 n 为 脉 冲宽 度 ， 为 脉 冲周 期。 由式 1 可知 要使 高速开关 阀在每个 脉 冲周 期里通过一定流量 的油液 ．可 以通过调节 占空 比 丁的 大小进行实现 ，而 r的大 小可 以通过调 节 和 的 数值完成。脉冲的调节方式有多种 ，如脉宽调制 P WM 、脉码调 制 P u l s e C o d e Mo d u l a t i o n ， P C M 、 脉频调制 P u l s e F r e q u e n c y Mo d u l a t i o n ， P F M 、脉数 调制 P u l s e N u m b e r Mo d u l a t i o n ，P N M 以及 通 断控 制等。常用的两种调节方式分别是 P WM和 P F M，但 由于 P F M在脉 冲形成控 制环节 较难 实现 ，所 以文 中 采用的高速开关 阀的调节方式为 P WM 6 。 2 换挡离合器油压控制系统 基 于高速 开关 阀建立 的换挡离合器油压控制系统 结构如 图 2 所示 ，其组成包括两个 压力传感器 、离合 器 、高速开关 电磁 阀、小节 流 阀、卸荷 阀、过 滤器 、 单 向阀 、液压 泵 、溢 流 阀 、油 箱 及一 些 辅 助 液压 元 件 ，其 中高速 开关 电磁 阀为 常闭型 ．即在不通电的状 态下电磁阀的滑阀作 用位置在左边 。 芏 由 离1 小节涌 呼l l J 溢流阀J I 油 图 2 油压控制系统结构 图 2 ． 1 油压控 制 系统 的工作 原理 为了能够更好地对整个油压控制系统的工作原理 进行解析和研究 ，文中结合高速开关阀以及离合器的 结构 ，画出了离合器结合和分离过程 的油压控制系统 工作原理图 ．如图 3 所示 。 a 结合 示意 图 b 分离示意 图 图 3 油压 控制系统工作 原理图 第 8 期 单红艳 等基于高速开关阀的换挡离合器油压控制研究 1 1 3 可 以看 出电磁 阀控制部分 的系统输 入变量为供 油压力 P 和控制 电磁 阀产 生电磁作用力 F ⋯ 的电流 i ， 系统输 出为控制离合器结合 和分离的油压 P 。 在高速开关阀内部存在 3个工作腔 ，即左工作腔 腔 内油 压为 P ，流量 为 Q 、主工 作腔 腔 内油压 为 P ， ，流量为 Q 和 右工 作 腔 腔 内油 压为 P ，流 量为 Q 。控制阀通过油管与左右工作 腔相连 ，进而 得 到各 工作腔 的 机械 反 馈 变量 如速 度 、位 移 、作 用力等 。这里 的反馈 变量 为作用 力 ，即作 用在左 工 作腔的作用力 F 和作用在右工作腔的作用力 。系 统根据 F 、F 和 电磁 作用 力 F ⋯ 的数 值 变化 控制 高 速开关 阀的阀芯位置 ．进而实现控 制主工作腔 内的油 压 P 。 2 ． 2油 压控 制 系统 的工作 过 程 由图 2和图 3 a 可 知 在 离合 器 结合 充 油过 程 中 ．定量油 泵 提供 一定 流 量 的液 压 油输 入 到 系统 中．油液流向过滤器．当油液压力大于单向阀的设定 值 时 ，部分油液进人 蓄能器 ，这样 可以防止油液系统 出现过 大的油压波动 。此外 ，流向过滤器的油液随后 进入 高速开关 阀，油液通过供 油 口流 入 ，这时 ，E C U 通过调 节一个 周期 内输人高 电平 的时间即 占空 比来控 制高 速开关阀 ，具体方式是 进入 高电平时 ．高速开 关 阀产 生 电磁作用力 ，电磁作用力 大于阀芯 的反馈压 力 ，阀芯向左移动；进入低电平时，无电磁作用力产 生 ，复位弹簧推动阀芯快速回位。当高速开关阀采样 的信号 频率足够高时 ．输入 主工作 腔的油压可 以认为 是稳定 连续的 。此时卸荷 阀处 于关 闭状态 ，无油液通 过其 流向 回油箱 。 由图 2和图 3 b 可知 在离合 器 分离 放油 过 程中，此时 E C U没有 向高速开关阀输 入脉冲信号 ， 因此 ，经滤油器流 出的油液无 法到达高速开关 阀。随 着油泵输 出的油液到达一定 压力 时 ．溢流阀打开 ．油 液从其 流 回油箱 ，从而 防止 系统 由于压力过大 ，破坏 系统 的液压元 件 。与此 同时 。卸荷 阀打开 ，部分油液 从其流 回油箱 。文 中在高速 开关 阀与离合器 间的油路 中增加了小节流阀，这是考虑到离合器在高速转动 时。部分油液受到离心力的作用会贴合在换挡液压缸 的内壁 ，不是 通过卸荷 阀流 回油箱 。当经 过一定 时间 的卸荷后 ，活塞向左移动，这样贴合在液压缸内壁的 油液可 以通过 小节流 阀流 回油箱 。 3 换挡离合器油压控制系统的建模 为了分析所建立的换挡离合器油压控制系统的实 际控制性能，考虑通过液压仿真软件 A ME S i m进行油 压控制系统的建模。在此之前 。先要确定系统主要部 件的参数。 3 ． 1 离合 器驱动 液压 缸 为 了方便下 面参数 的计算 ，初定定 量泵 的输出油 压为P 1 ． 6 MP a ，换挡机构 的传递效率为 叼 0 ． 9 ， 每个挡位的换挡位移为 L 5 m m，换挡液压缸快进时 速度 为 0 ． 0 5 6 m ／ s ， 同步 过 程 时 速 度 ， 0 ． 0 3 m／s 。 换挡液压缸 的负载 主要 由静摩 擦 力 F 动摩擦 力 、惯性 负载 和换挡 力负 载 F 构成 。换 挡时通 常经过 4个负载工况 ，且每个作用工 况下的负载 F不 同．具体如下 启动加速工况 F Ff lFf2F。 ／ r ／ l 2 快速工况 F Ff lF ／ r ／ 。 3 工进工况 F Ff lFf2F ／ 叼 1 4 制动减速工况 F F 一F i ／ 0 5 通过上述分析和查询相关手册 ] ，可以进一步得 到各个工 所 示。可 Z 搦 图 4 液压缸的负载和工作速度 3 ． 2液 压 泵 为 了选取满足换挡 控制 系统 工作需 要 的液压泵 ， 需要确定液压泵 的最大工作压力 和最 大流量 。 1 最 大工作 压力 P 在液压控制 系统 中 ．液压泵 的工作压力应满 足如 下关系 P P ∑△ p 6 式中 P 为 执行元器件的最高控制压力； ∑△ p 为工 作油路各 阶段 的油 压 损失 总 和 ．一般 的液压 控 制 系 统， ∑△ p 的取 值范围为0 ． 2 0 ． 5 M P a ， 通过咨询相 关专家，这里取 0 ． 4 MP a 。 由图 4可知 在工进工况下 ，负载最大 ．所 以在 这个负载工况下，其工作压力可作为液压缸循环工况 中的最大工作压力。通过进行相关计算可得 P _『 _ 1 ． 8 7 MPa 1 1 4 机床与液压 第 4 3卷 2 最大流量 Q 由于在文中的电液控制系统设计中，主要是 以 单液压定量泵同时向系统中的不同执行单元提供液 压 油 ，所 以液压 泵 的 最 大 流量 Q 应 满 足如 下 关 系 式 Q ≥A ∑q i 7 式中A为回油泄漏系数，取值范围为 1 ． 1 ～ 1 ． 3 ，由 于文 中的液 压控 制 系统为 小流 量控 制 ，所 以取 A为 1 ． 1 ； ∑q i 为 个同时工作的执行元件流量之和 的最 大值 。根据 相关 参数 进 行计 算 ，得 到 Q 1 ． 7 7 L ／mi n。 3 ． 3 高速 开关 阀 高速 开关 阀是文 中所设计 的油压控制系统 的重要 元件 ，高速开关阀的选取首先应根据执行元件的动作 要求 、卸荷要求 、换 向平稳性能 以及排除执行元器件 间的相互 干扰等 因素确定滑 阀的机能 ，然后再根据通 过阀的最大流量 、工作压力以及操纵定位方式等选择 适当的型号。根据前文计算得到的相关参数 ，选取的 高速开关 阀主要技术参数如表 1 所示 。 i ． ． ． ． ． ． ． 一 ． 一 一 ． 一 ． ． ． a 基于二位三通阀的系统模型 表 1 高速开关阀的主要参数 额定压力／ MP a 额定流量／ L ra i n 调制率／ ％ 最高切换频 g ／ H z 开启时 间／ m s 关闭时间／ m s 重复精度 1 0 2～9 20～90 2 00 3． 5 2． 5 0． 00 5 根据工作位数和通道数的不 同，电磁阀具有 多种 形式 ．文 中选取二位三通式高速开关阀和二位二通式 高速开关 阀作为系统的主 阀。基于 A M E S i m仿真软件 分别搭建 了两个不 同的油压控 制系统模 型l 8 J ，如 图 5 所示 ，其 中图 5 a 是 以电磁式 高速 开关二位 三通 阀为主 阀的油压控制 系统 ，图 5 b 是 以 电磁 式 高 速开关二位二通阀为主阀的油压控制系统。两种系统 的工 作 方 式 为 通 过 电磁 式 高 速 开 关 二 位 二 通 阀 或二位三通 阀 的通 电与否 以及 通 电时 间的长短来 控制换挡离合器液压缸 内的油压变化 ，使活塞在一定 的时间内具有一定 的移动速度 ，进而控制离合器摩擦 片之间的结合 和分离 。 图 5 不 同主阀的比较模 型 4系统性能仿真分析 根据图 5 所示的模型，对换挡离合器油压控制系 统 的性能进行仿真分析 。需要 指出的是 ，高 速开关 阀 采用的调 节方式 为 占空 比补偿 优化 算法 ，如 式 8 所示 Jr t r 。 p 。 一 P t 8 式 中 t 为信号优化控制系统输出 占空 比； 为根 据 系统 的控制特性初定 的 占空 比；y为反馈 系数 ，该 系数 的数值选择应使 ￡ 的数值大于 0 、小 于 1 ； P 为理论上换挡液压缸 控制油压 平均值 ； P n I lf ￡ 为换 挡 液压缸控制油压 实际值 。 根据上述分析 ，对换挡离合器的工作过程进行仿 真，仿真步长设定为 0 ． O 1 ，仿真时间为 3 S 。仿真得 b 基于二位二通阀的系统模型 到的换挡油压曲线如图 6 所示 。 目 星 出 0 ． 0 0． 5 1． 0 1 ． 5 2 ． 0 2． 5 3． 0 时 间， s a 基 于二 位三 通 阀 的系 统 模型 仿真 结 果 图 ⋯ ．1_谫 № ． 一。 0． 0 0． 5 1． 0 1． 5 2 ． 0 2． 5 3． 0 时 间， s b 基 于 二位 二通 阀 的系 统模 型 仿真 结果 图 图 6 换挡油压仿真曲线 由图 6可 以看 出基于二位三通阀的换 挡离合器 结合油压控制稳 定时 间为 0 ． 5 s ，且过 渡过 程较为 平 稳 而基于二位二通 阀的换挡离合器结合油压控制稳 第 8 期 单红艳 等基于高速开关阀的换挡离合器油压控制研究 1 1 5 定 时间为 1 ． 2 s ，大 于前者 ，并 且在 过 渡到稳 压状 态 过程 中出现了较大幅度 的压 降。此 外 ，两 个系统 的离 合器分离过程所需时间均小于 0 ． 1 s ，满足离合器分 离控制要求。由以上分析可知 ，选用二位三通阀作为 主阀更为合适 ，换挡离合器油压控 制系统 的性能更加 优 越。 同时 。文 中还探究 了在 系统不设 置高速开关 阀与 离合 器油路之 间的小 青流 阀的情 况下 ，离合器油压控 制系统 的性能 。经仿真得 到去除小节流阀后 的系统换 挡油压 曲线 。如 图 7所示 。 结合图 6 a 和图 7 。 可以看 出若 无 小流 量 节 5 流阀 ，油压 曲线 在离 合 器 芝1 ． 0 结合 过程 和稳定 过程 中变 0 5 化不 大 ，而在 离 合器 分 离 0 过程中， 无节流阀的油压 0 ‘。 。 。 L 0 n ． 。。 系 统 压 日寸 图 7 无 节 流 阀 时 的 需 要 1 3 s 。通过前 文分析 一 换 线 可知 ．这是 由于 换挡 液 压 缸是 随着离合器一起 高速运 动 ．离心力使一些油液贴 在液 压缸的内壁上 ，因此导致压 降缓慢 。通过仿真可 以发现 为 了 防 止 这 种 现 象 造 成 离 合 器 分 离 不 完 全 ，应设置小节流阀，且节流阀的位置需保证在离 合器结合阶段不溢油，在离合器分离阶段起 到溢流 的作 用 5结论 I 在分 析不同电液控 制 阀性 能特 点的基 础上 ． 提 出采用基 于高速开关 阀的离合器 油压控 制系统 ，分 析 了系统 的工作原理和工作过程 。 2 分别建立了基于二位二通式高速开关 阀和 二位三通 式 高速 开关 阀 的油压 控 制 系统 模 型 ，通 过 A ME S i m进行了系统控制性能 的仿真。仿真结果表 明二位三通式高速开关阀性能更为优越 ；此外 ．在 高速开关 阀与离合器油路之 间应设 置小节 流阀 。 参考文献 [ 1 ]C H O B a c k H y u n ， O H J o n g S u n ， L E E N Wo n H i ． Mo d e l i n g o f Pu l s e W i d t h Mo d u l a t i o n P r e s s u r e C o n t r o l S y s t e m f o r A u t o m a t i c T r a n s m i s s i o n [ R] ． S A E P a p e r ， 2 0 0 2 0 1 - 1 2 5 7 ． [ 2 ]林峰， 刘影， 陈漫． 电液 比例阀在车辆换挡离合器中的应 用[ J ] ． 兵工学报， 2 0 0 6 ， 2 7 5 7 8 4 7 8 7 ． [ 3 ]杨树军， 胡纪滨， 荆崇波． 湿式离合器充油过程动态特性 研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 1 1 8 1 8 4 ． [ 4 ]何谦． 基于高速开关阀的液压同步控制系统设计与研究 [ D] ． 长沙 湖南师范大学， 2 0 0 8 ． [ 5 ]王伟伟， 宋健 ， 李亮 ， 等． 高速开关阀在高频 P WM控制下 的比例功能[ J ] ． 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