基于高速开关阀的换挡离合器油压控制研究

2015年4月 第43卷第8期 机床与液压 015 3 03969j0013881201508038 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310018) 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：3 文献标志码：A 文章编号：10013881【2015)81115 1001 8，he of as an SV to SV，of in SV as of n in SV SV t is of in SV is as on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 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 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：20130802 基金项目：杭州职业技术学院科研项目(作者简介：单红艳(1981一)，女，硕士，讲师，主要研究方向为车辆动态性能模拟与控制。46047310qq112 机床与液压 第43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 (1) 式中：流量，1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 的 数值完成。脉冲的调节方式有多种，如：脉宽调制 (脉码调制( 脉频调制(脉数 调制(及通断控 制等。常用的两种调节方式分别是 由于以文中 采用的高速开关阀的调节方式为 。 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 油 图2油压控制系统结构图 21 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 113 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 。 22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，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控制系统的建模。在此之前。先要确定系统主要部 件的参数。 31 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=16 挡机构的传递效率为叼 =09， 每个挡位的换挡位移为L=5 挡液压缸快进时 速度为 =0056 ms，同步过程时速度 ，=003 ms。 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具体如下： 启动加速工况： F=(。)rl (2) 快速工况： F=( )r。 (3) 工进工况： F=( )叼1 (4) 制动减速工况： F=(F + 一0 (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 32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0205 过咨询相 关专家，这里取04 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187 114 机床与液压 第43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(7) 式中：值范围为1113，由 于文中的液压控制系统为小流量控制，所以取1；(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 =177 L33 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 额定压力定流量(L 调制率 最高切换频g启时间闭时间复精度 10 29 2090 200 35 25 0005 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。基于别搭建了两个不同的油压控制系统模型，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； 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；)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 00 05 10 15 20 25 30 时间，s (a)基于二位三通阀的系 统模型仿真结果图 1_谫 一。 00 05 10 15 20 25 30 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05 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 115 定时间为12 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01 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10 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。 。 系统压 日寸 图7无节流阀时的 需要13 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 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： 1H i002012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，2006，27(5)：784787 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，2005(11)：8184 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，2008 5王伟伟，宋健，李亮，等高速开关阀在高频比例功能J清华大学学报：自然科学版，2011，51 (5)：715719 6金英，潘再平脉宽调制控制方法研究J科技通报， 2005，21(1)：3033 7成大先机械设计手册：单行本：液压传动M北京：化 学工业出版社2003 8付永领，