装载机电液换挡操纵阀的设计研究.docx

第一章 绪论1.1 课题背景及现实意义工程机械工作环境通常比较恶劣，行驶状况复杂，换挡比较频繁，以装载机为例，每个作业循环需要换45次档，连续作业每小时须换上千次档1-2。目前我国装载机动力换挡变速箱普遍采用液压动力换挡，即操作者通过软轴或杠杆系统操纵换挡操纵阀，进行变速和换向。这种换挡操纵方式可靠，维修方便，但安装布置复杂，操纵力大,不能实现自动控制和远距离操作，并且换挡品质较差。随着液压和电子技术的发展，电液换挡技术逐渐成熟，电液换挡即把电磁铁和换挡操纵阀集成在一起，通过专用的换挡手柄进行换挡控制，换挡操纵阀具有调压功能，同时系统还具有互锁、安全保护等功能，可以使换挡过程平稳快速的完成3-5。由于电液换挡操纵灵活、布置方便，便于实现自动控制，有较好的换挡品质，因此电液换挡技术在装载机领域得到广泛的应用。我国基础设施建设投入的高速增长，促进了工程机械行业的大发展，我国已经成为工程机械生产和销售的大国 6。世界各大工程机械厂家纷纷进入中国市场，普遍采用电液换挡控制，我国工程机械要想走出国门，也必须配置电液换挡控制系统7-9。 由于我国的工程机械在国际市场上竞争力比较低，产品一般是中低端产品，高品质的电液换挡变速箱还不能生产，因此必须要加快电液换挡技术的研究与开发，提高变速箱的换挡品质，赶上国际流行趋势，这是我国工程机械与国际接轨的重要举措。电液换挡操纵阀连接换挡控制器和离合器，在整个换挡过程中，变速箱功能的实现和对离合器结合过程的控制主要由换挡操纵阀来控制的，换挡操纵阀的设计功能及工作性能直接影响着换挡功能的实现与换挡品质，因此，需要对换挡操纵阀的工作原理和设计过程进行研究。通过对装载机变速箱换挡过程及影响换挡品质因素的分析，能正确分析理解换挡操纵阀的工作原理和各功能元件的设计过程，并能根据换挡功能要求按照一般规律设计出相匹配的换挡操纵阀是这篇论文的主要目的。1.2 电液换挡控制技术的国内外发展现状1.2.1 电液换挡控制系统的分类电液换挡系统有全自动和半自动之分。全自动换挡系统可根据油门开度、车速和档位选择器位置信息等信号，按照设定的换挡规律求出对应当前工况的最佳档位，并控制换挡操纵阀进行换挡。半自动换挡系统则无油门开度等传感器信号，主要根据档位选择器位置开关信号来控制换挡操纵阀实现换挡10。图1.1 半自动换挡系统流程图半自动换挡系统控制流程图1.1所示，由电气开关信号即档位选择器发出换挡信号控制换挡电磁阀动作，然后由电磁阀发出先导油压控制液压控制阀来控制工作油液压力和方向的变化，进而控制换挡离合器的结合，电磁阀按照逻辑程序动作实现不同档位，同时系统还具有互锁、安全保护等功能11。通常电磁阀和液压控制阀集成在一个阀块内，称为换挡操纵阀。在半自动换挡系统中电气开关和电磁阀都是开关信号。在整个换挡过程中，变速箱的换挡功能和离合器结合过程的控制主要由换挡操纵阀来实现，因此对换挡操纵阀原理及性能的研究就非常必要。1.2.2 国内研究与发展现状国内装载机普遍采用机械换挡技术，电液控制换挡技术发展比较落后，换挡品质控制较差，但随着国外产品进入中国市场及市场需求的提高，电液换挡技术也是飞速发展。20世纪70年代末80年代初，我国为了改变工程机械落后的局面，开始引进工业先进国家的变速箱制造技术。1989年四川齿轮厂率先引进了美国CAT公司的动力换档变速箱、液力变矩器技术，1992年杭州前进齿轮箱集团引进了德国ZF公司180型变速箱技术，1995年柳工集团与德国ZF公司合资生产变速箱和湿式传动驱动桥，杭齿集团与柳工ZF合资厂根据用户需要均可生产先进的电液换档变速箱12。浙江临海海宏集团近年来引进美国、日本技术研制开发的变速操纵阀、片式多路换向阀，先导比例阀等一大批阀类组件。虽然国内电液换挡系统技术发展较快，但国产电液换挡系统产品有如下弱点：国产阀多数是仿国外的，例如仿德国ZF，但制造设备落后，制造工艺差，导致液压阀质量不稳定；机械调压阀只能模拟起步档升压特性，压力曲线单一，由于升到高速档是受制于调压阀的单一升压特性，高速升档、降档会产生冲击。1.2.3 国外研究与发展现状围绕提高装载机操作舒适性和换挡品质，国外的装载机换挡系统普遍采用电液换挡控制，可以实现全自动或半自动换挡。国外电液换挡技术发展比较成熟，各大工程机械厂家及变速箱厂家均有比较成熟的产品，如小松WA380、采埃孚4WG200等产品。采埃孚4WG200电液换挡控制系统，属于半自动换挡控制系统，变速箱是通过开关电磁阀切换变速档位，然后通过换挡操纵阀，实现其离合器摩擦片结合。由于操纵阀有调压功能，因此可以使离合器工作油压上升平稳、缓慢，以此方式来提高变速箱换挡品质。国内很多工程机械厂家如柳工、厦工等都选配采埃孚的ZF4WG200半自动换挡系统。电液比例换挡系统液压原理图1.2所示，电液比例阀为减压阀,控制器发出的PWM信号驱动比例电磁线圈,带动减压阀阀芯运动，比例阀的输出压力与PWM电流信号大小成正比，因此可以通过改变电流信号大小来控制比例减压阀的输出压力。电液比例技术更加柔性,可以通过控制系统调整离合器接合曲线，可以根据不同档位离合器的特点，低档位升档为慢-柔接合，高档位升档为快-柔接合，通过不同档位离合器的柔性接合实现动力传递的无缝过渡。ZF，CLARK, CNH 等公司都有采用电液比例阀换挡的变速箱13-14。图1.2 电液比例控制系统1.3 电液换挡控制技术的特点电液换挡控制系统是电子技术和液压技术相结合的产物，利用了电子技术在信号的控制、传输和放大等方面的优势及液压技术在功率转换放大和液压元件良好工作性能的优点，来共同实现电液换挡的优势15。其优点主要表现在：（1）液压传动系统的刚度大。由于液压油有很大的弹性模量，可以实现很大的速度负载刚度；（2）液压系统工作安全可靠，具有抗过载功能，能实现频繁的启动和制动，能实现大范围的调速控制；（3）具有很大的功率质量比，操纵阀的体积小、质量轻，便于布置；（4）操纵阀液压系统可以实现一些特殊功能，如调压、自锁、互锁或安全保护等功能，可简化电控部分和机械部分的设计。综上所述，电液换挡操纵阀具备液压技术及控制技术方面的优点，是实现自动换挡变速箱技术的关键环节之一。1.4 本文研究的主要内容本文研究的电液换挡操纵阀，以采埃孚ZF4WG200变速箱换挡操纵阀为基础，通过对装载机实际工况的计算分析，提出换挡操纵阀的功能和离合器工作油压曲线，然后分析换挡操纵阀液压系统工作原理，对关键元件进行力学分析，并设计其结构尺寸，最后通过数学模型仿真及试验来验证分析设计过程。（1）变速箱换挡过程分析。通过对换挡品质影响因素和离合器结合过程的分析，得到影响换挡品质的关键因素，提出改善换挡品质的途径；根据装载机实际工况和换挡功能的要求，对离合器充油升压过程的压力和流量进行计算，设计换挡操纵阀基本功能，并在此基础上提出离合器工作油压曲线。（2）换挡操纵阀液压系统原理分析。以ZF4WG200动力换挡变速箱电液换挡控制系统为例，介绍了液压系统的工作任务和基本功能，分析了系统的组成和各功能元件的结构特点，并对换挡操纵油路、调压油路和快慢换挡油路进行重点研究；在以上分析基础上，对换挡操纵阀的结构特点进行分析。（3）换挡操纵阀关键元件的力学分析和设计。对液压系统关键元件进行静力学分析，建立数学模型，研究影响工作性能的参数，总结分析设计过程。根据第二章设计的换挡操纵阀功能和压力曲线来设计各关键元件结构尺寸，在设计过程中要总结换挡操纵阀关键元件的设计规律与步骤，用于换挡操纵阀设计的一般规律。（4）换挡操纵阀的动态特性和稳定性分析。对调压阀进行动力学分析，并用MATLAB进行仿真，分析调压阀的动态特性，将改变仿真参数得到的仿真结果进行对比，分析影响调压性能的参数。对离合器油缸进行稳态分析，通过对阀控液压缸建模，用MATLAB求得到系统的Bode图，分析系统的稳定性。（5）电液换挡系统的仿真与试验分析。对电液换挡控制系统用AMESIM软件建模仿真，验证换挡操纵阀的各项功能与液压系统原理分析过程的正确性；通过将改变参数得到的仿真结果与用公式计算结果进行对比，验证力学分析和设计过程的正确性；分析了离合器节流口对换挡操纵阀工作性能的影响，用于解释测试曲线和设计曲线的差别。对电液换挡操纵阀进行试验，检测了离合器升压曲线和换挡重叠过程，根据试验情况分析换挡过程，将试验结果与仿真结果进行对比，进一步验证设计的换挡操纵阀功能和调压特性。第二章 变速箱换挡过程分析第二章 变速箱换挡过程分析本章以ZL50装载机定轴式变速箱为例，主要分析了离合器结构、换挡品质的影响因素和离合器结合过程，然后根据装载机实际工况设计换挡操纵阀要实现的功能及离合器工作油压曲线。2.1 离合器的结构图2.1 离合器结构1、齿轮 2、承压板 3、毂体 4、从动片 5、主动片 6、回位弹簧 7、活塞组件离合器结构图2.1所示，它包括一些带有摩擦材料的从动片和一些钢制主动片，从动片和主动片交替地安装在离合器榖体内。油压通过离合器毂体内的活塞作用，把从动片和主动片紧压在一起，使离合器处于结合状态。如果油压被消除，则回位弹簧使活塞回位，而使离合器处于分离状态。通常两组片子中从动片的内缘有内花键，而主动片的外缘则有外花键，主动片的外花键和主动的离合器榖体内花键相配合，从动片的内花键则和从动轴的外花键相配合，当离合器接合时，主动件通过离合器把动力传递给被动件。当油压作用在活塞上时每一组片子的正压力都是相等的，片子数愈多、油压愈高，离合器可传递负荷的能力也愈大16。当离合器分离时，停止向活塞供给油压，并将其排泄。活塞在回位弹簧的作用下回到初始位置，使主、从动片分离。当处于分离状态时，为了解除活塞上的残留油压，在离合器上设置一个离心式单向阀，通过离心力把单向问打开，使部分残留油压迅速地从这里泄出，防止片间的拖滞现象发生。该定轴式动力换挡变速箱有六个离合器，分别为KV、KR、 K4和K1、K2、K3离合器，要求能实现前四档后三档的换挡，各档位之间互不影响，实现一个档位需要两个离合器相结合，换挡是通过液压动力来实现。根据变速箱的设计要求要能实现速度离合器比方向离合器结合快的功能，同时为了提高变速箱的效率及减小换挡冲击，操纵阀应能实现快慢换挡功能。2.2 换挡品质的影响因素2.2.1 离合器摩擦力矩变化对换挡品质影响摩擦离合器是动力换挡变速箱的关键部件之一，作为动力切换元件，换挡过程中，摩擦离合器传递力矩的变化会引起传动系统输出力矩的变化，降低换挡品质，引起传动系统的冲击17-18。离合器传递摩擦力矩的公式为： （2-1）式中传递力矩；摩擦元件的动摩擦系数；，摩擦面的内外半径；离合器衬面面积；法向总压力；离合器接触面数；离合器工作油压。由公式2-1可知，在离合器结构确定的条件下, 传递的摩擦力矩主要取决于摩擦因数与离合器工作油压。是滑摩状态下的摩擦系数，主要与离合器主从动片相对滑摩速度有关。由于是一个动态变化的过程，当压力变化较大时，离合器所传递的力矩将会产生很大的变化。由此可知，摩擦系数和离合器工作油压这两个因素在离合器结合过程中是变动的，而只有油压能够通过换挡操纵阀有效地进行控制19。为了改善换挡品质，因此需要对油压变化规律进行控制。2.2.2 换挡重叠对换挡品质影响换挡过程是分离一个或几个离合器，同时结合另外一个或几个离合器的过程，为了保证动力换挡功率不中断和换挡平稳性，离合器的结合和分离应该有一定的重合，这称为换挡重叠20。如图2.2所示升档时换挡重叠的三种情况。（1）重叠合适：在交点t2处结合离合器，开始传递一定的扭矩，功率传递不中断，发动机转速变化平稳，因此换挡冲击小。（2）重接不足：如图中虚线所示，传递功率小，发动机空载超速，离合器滑摩功大。（3）重叠过多，见图中点画线所示，在这种情况下，离合器摩擦力和摩擦时间增加，动力消耗增加，发动机转速急剧下降，会产生严重的换挡冲击。图2.2 换挡重叠情况2.3 离合器结合过程分析2.3.1 离合器工作油压升压规律为了研究离合器工作油压升压规律，可将离合器油缸的充油升压过程分为三个阶段。油缸充油阶段：离合器油缸油路接通，油路和油缸迅速充油，直至消除摩擦片间间隙为止21。在此阶段压力只需要克服活塞回位弹簧力，因此压力较小，充油时间较短。此阶段不产生摩擦力矩, 对换档品质的好坏没有影响, 只有换挡操纵阀节流孔和离合器油缸进油节流孔对充油过程起缓冲作用22。压力调整阶段：从摩擦片间间隙消除开始传递摩擦力矩, 到离合器片完全结合为止。在此阶段，离合器片间间隙已消除，油压开始快速增加，摩擦片间相对滑摩逐渐减小，直到离合器片完全结合23。由于油液是不可压缩的，如无特殊的控制装置，升压过程是非常短暂的，这将会使换挡产生很大的冲击，因此需要对此过程进行控制，使油压缓慢平稳的上升。调压控制常用的方法是采用调压阀、限流阀和节流孔。阶跃升压阶段：是从调压阶段结束到离合器油缸压力上升到系统压力过程。阶跃升压目的是使系统在稳定的系统油压下工作，保证离合器有足够的力矩储备。由于阶跃升压阶段是在离合器完全结合之后才开始，所以不影响换挡品质。由以上分析，在离合器的结合过程中，对换挡品质起决定作用的是压力调整阶段，调压阀的调压规律的设计和研究也就成为换挡操纵阀的核心。图2.3 离合器油压与输出扭矩关系2.3.2 离合器输出力矩与压力变化曲线关系把离合器结合过程当做理想的结合过程，对油压与扭矩变化曲线作定性分析，不做定量分析。在换挡过程中，由于主被动轴存在速度差，因此在离合器结合过程中，存在着滑摩过程。离合器传递的扭矩与工作油压成正比，在没有油压控制的情况下，离合器工作油压和输出扭矩的关系如图2.3(a)所示24-25。1-3阶段：1-2阶段，从系统向离合器油缸油路充油开始到活塞克服回位弹簧力开始移动结束。由于离合器的主被动摩擦片没有结合，对应的A-B阶段传递力矩为0；2-3阶段，从活塞克服回位弹簧力开始到消除离合器主被动摩擦片间隙为止。该阶段油压增长决定于回位弹簧弹性系数和活塞的面积，离合器的主被动摩擦片之间没有接触压力，对应A-B阶段的传递扭矩基本为0。3-4阶段:由于离合器摩擦片间间隙消除，活塞停止运动，油压急剧升高至系统压力油压。由于离合器输出扭矩与油压大小成正比，因此扭矩急剧上升，会产生很大冲击。 4-5阶段:离合器在稳定的系统油压下工作。由于离合器主被动件之间还存在速度差，因此离合器还需要经过C-D阶段的滑摩，当离合器主被动件速度差变为0，即离合器完全结合后，离合器传递扭矩开始由负载扭矩决定，传递扭矩急剧下降，产生冲击?。从上面的分析可以得到，在油压上升过程的B-C和D-E阶段均存在着冲击，因此要想办法减小冲击。B-C阶段是离合器滑摩阶段，对应的压力是3-4阶段，此段压力变化斜率大，如果控制压力缓慢上升，扭矩也将会缓慢上升。由于C点压力降低，D-E阶段的扭矩变化也会减小。因此要对B-C阶段压力进行控制，在离合器滑摩阶段压力缓慢上升，离合器完全结合后，再上升到系统油压。油压变化如图2.3(b)。2.4 改善换挡品质途径2.4.1 调压控制根据上述分析可知，接合过程中离合器工作油压变化越大, 则输出力矩扰动越剧烈。因此, 使离合器缓慢、平稳结合, 就能降低输出轴上的转矩波动, 从而改善换挡品质。常用的方法是在液压系统中增加蓄能器、节流口和调压等装置，控制油压上升曲线。（1）节流孔缓冲调压：节流孔结构及压力缓冲曲线如图2.4所示。它的降压作用主要在大流量时及充油阶段起作用，但在离合器滑摩过程中，油压增长很快；其次，节流孔后的油压对油温很明显；第三，节流孔在小流量时缓冲作用很小。 （a） （b）图2.4 节流孔结构及其缓冲特性节流孔的优点是结构简单，常用在要求不高的缓冲油路中，特别是用作控制离合器分开的油路中，保证适当的换挡重叠。(2)蓄能器调压:蓄能器结构及缓冲特性如图2.5所示。蓄能器是储存压力的装置，它与执行油路并联，使油压平稳增长，同时还能吸收液压冲击，保证系统油压稳定26。 （a） （b）图2.5 蓄能器结构及其缓冲特性蓄能器不仅能在油缸充油时起缓冲作用，在油缸放油时，蓄能器能维持一定的油压，使离合器分离比较缓慢。带蓄能器的缓冲系统已经应用于中小型车量动力换挡变速箱，但是对于大功率动力换挡变速箱效果不好。(3)调压阀缓冲调压:由于节流孔和蓄能器的调压特性不能满足车辆换挡平稳性要求，因此利用节流口、蓄能器及溢流降压原理设计出了调压阀。根据工作原理的不同，调压阀又可分为节流调压阀和溢流调压阀。本文研究的主要是带有节流调压阀的电液换挡操纵阀。2.4.2 定时控制离合器如果在换挡过程中衔接不好，会产生大的换挡冲击。理想的换挡过程是同步换挡。定时控制就是对结合离合器的结合和分离过程进行匹配, 使两个离合器得到最佳的换挡重叠。2.5 设计换挡操纵阀功能和离合器工作油压曲线2.5.1 离合器充油升压各阶段计算对离合器在换挡过程中的各阶段油压及油压变化规律进行分析如下：（a）充油阶段，换挡要求充油时间为，ZL50装载机变速箱离合器规格如表1所示。表2.1 ZL50装载机离合器油缸参数离合器名称油缸大径D()油缸小径d()活塞行程a()弹簧预紧力()弹簧弹性数(/)油缸体积（）KV2001003.88137043.20.0914KR2001003.88137043.20.0914K42001003.88137043.20.0914K1160803.88163044.30.0585K2160803.88163044.30.0585K3160803.88163044.30.0585(1)充油阶段的流量计算，要求充油阶段在内完成。设计要求离合器油缸充油时间为，流量为：由公式 （2-2）式中：离合器油缸流量，单位（）； 离合器油缸体积，单位（）； 充油时间，单位（）。求得：KV、KR和K4离合器在充油阶段的流量为13.7；K1、K2和K3离合器在充油阶段的流量为8.8。在充油过程中，也需要向离合器油缸管路充油，因此系统的实际流量要大于上述的计算值，取充油流量为18。（2）充油阶段的压力计算由于在离合器充油过程中，离合器没有结合，油缸内的压力决定于离合器回位弹簧力，同时由于弹簧弹性系数较和活塞行程较小，所以在充油过程中离合器油缸内压力变化很小，计算离合器油缸活塞开始移动和移动终了的油压可以看出：由公式 （2-3）式中：离合器油缸内的压力，单位（）； 弹簧力，单位（）； 活塞的有效作用面积，单位（）。求得：KV、KR和K4离合器在充油阶段开始和结束时的压力分别为和；K1、K2和K3离合器在充油阶段开始和结束时的压力为和。由计算可知，所设计的换挡操纵阀应该能满足充油时的压力和流量要求。（b）调压阶段根据装载机在工作过程中传递的力矩的大小，可计算出离合器完全结合所需要的离合器油缸的压力，在不考虑泄露和摩擦力和离心力的的情况下，离合器完全结合所传递的扭矩为： （2-4）式中： 传递的力矩； 摩擦系数，一般为0.08； 离合器活塞作用面积； 离合器油缸的压力； 回位弹簧的弹性系数； 初始压缩量； 活塞的最大位移； 有效作用半径； 摩擦副数； 活塞密封件摩擦阻力。由公式2-4求得，。上述计算是在没有考虑离心力和摩擦力的情况下计算得到的结果，同时在装载机工作过程中，也会出现冲击引起力矩变化的情况，所以在设计换挡操纵阀的调压阶段结束油压时一定要大于此值27。一般取离合器的滑摩时间为左右，因此取调压阀缓冲结束油压为1.2，满足装载机冲击状况的要求，缓冲总时间为不少于。（c）阶跃升压阶段取系统压力为1.8,此压力的选择由摩擦副间的最大滑摩油压和保证离合器有足够的力矩储备。2.5.2 设计换挡操纵阀功能(1)装载机变速箱要实现前四后三的换挡功能，各个档位之间不相互影响。(2)要求变速箱能实现快慢换挡的功能，由于变速箱在前进或后退一和二档换挡时，离合器前后速差比较大，为了减小换挡冲击，换挡过程应该平稳缓慢，在其它档位时，由于离合器前后速差小，为了提高工作效率，较小离合器摩擦片间的磨损，换挡应尽可能快。(3)根据装载机和变速箱的工作及设计要求，在换挡过程中速度离合器要先于方向离合器结合。2.5.3 设计离合器工作油压曲线由以上对装载机离合器在换挡过程中的压力和流量分析，提出离合器工作油压变化曲线如图2.6所示28。主要检测曲线：1V1R、2R2V、3V4V。具体要求如下图所示：图2.6 离合器工作油压线图中： (1V1R、2R2V) (3V4V) (1V1R、2R2V) (3V4V)和之间的斜率为911.5。2.6 本章小结本章中，首先对换挡品质的影响因素和离合器在换挡过程中的充油升压过程进行分析，提出影响换挡品质的因素，然后根据分析结果，提出了提高换挡品质的途径。最后，根据装载机变速箱的功能要求和实际工况，设计换挡操纵阀的功能和离合器工作油压曲线。第三章 换挡操纵阀液压系统原理分析第三章 换挡操纵阀液压系统原理分析本章以ZF4WG200变速箱电液换挡操纵阀为基础，介绍换挡操纵阀工作任务和基本功能；分析系统组成元件及其结构与工作原理；重点研究换挡操纵油路、调压油路和快慢换挡油路；最后对换挡操纵阀的结构特点进行分析。3.1 电液换挡操纵阀工作任务和基本功能3.1.1 电液换挡操纵阀工作任务系统压力油经电液换挡操纵阀中的主压力阀限制工作压力后分两路，一路经过减压阀进入电磁阀作为先导油液控制换挡阀；另一路通过调压阀经过换挡阀进入离合器，档位离合器的动作由换挡阀实现。调压阀的作用是在换挡过程中调节离合器油缸的升压特性，即控制离合器油缸在充油过程处于低压，在升压过程平稳缓慢升压，实现平稳换挡。主压力阀在限制系统最高工作油压的同时，将溢出的油液送入变矩器及其后的润滑油路。3.1.2 换挡操纵阀基本功能(1) 供油系统，向整个液压系统提供稳定压力和足够流量的油液；(2) 换挡操纵系统，保证离合器按照一定逻辑关系结合和分离，实现换挡；(3) 换挡品质控制系统，即控制离合器油缸的转换搭接，控制结合或分离元件的油压上升和下降特性，以实现迅速平稳的换挡29；(4) 液压变矩器的供油和冷却润滑系统。3.2 液压系统原理图初步分析3.2.1 液压系统组成元件及其功能液压原理如图3.1所示，操纵系统基本组成包括：主压力阀1、调压阀2、压力设定阀3、排油阀4、换向阀5、减压阀6、换挡阀711、二级阀12、电磁阀M1M5、节流孔O1O3和两个单向阀组成。图 3.1 换挡操纵阀液压原理图3.2.2 元件功能分析（1）主压力阀：油泵供给换挡操纵系统的工作油压称为主油压。为保证供油系统的工作压力，供油系统设有主压力阀。对主压力调节有如下要求：a、保证供给主油路的压力在一定的范围内变化。输入压力和流量变化时，系统压力变化应尽可能小，保证系统压力的稳定性。当系统油压超过此值时应自动溢流，保持油压不变；b、主压力调节应保证变矩器和润滑系统在规定的油压下供油30。有时还要求供油量随车速和负荷的增加而提高；c、控制压力和流量的分配。图3.2 主压力阀结构和液压符号图3.2是主压力阀的结构和液压符号图，它有阀芯1、阀体2和弹簧3组成，阀芯上有节流小孔，使两个油腔A和B相通，同时减压阀的压力油和主压力阀的弹簧腔6相通。当从油路4引入油泵压力油时，压力油经小孔进入A腔，在阀芯1右端产生推力，使阀芯1克服弹簧力和背压力向左移动。当阀芯打开油路5时，压力油从5排出，于是A和B腔压力降低，阀芯又向右回来一点，通过控制阀芯位移控制排油量，使主压力保持一致。在背压力一定的情况下，主压力大小决定于弹簧力的调整。（2）减压阀：减压阀的主要作用是经过减压阀降低系统压力用作控制换挡阀的先导油压。其结构是直动式定值减压阀，结构和液压符号如图3.3所示，由阀芯1、阀体2和弹簧3做成。图3.3 减压阀结构和液压符号（3）调压阀、压力设定阀和排油阀：调压阀、压力设定阀和排油阀一起组成了调压油路。调压油路的主要作用是调节离合器工作油压升压特性，使离合器工作油压缓慢平稳上升，减少换挡冲击，提高换挡的可靠性和稳定性。在油路分析部分会重点研究调压油路工作原理和结构特点。压力设定阀的作用是当离合器工作油压增加到一定值时，使调压阀的各阀芯恢复到原始位置，为下一次换挡做准备。排油阀结构及液压符号如图3.4所示，是一个二位三通阀，排油阀的主要作用是保证了换挡过程中油路中的油迅速回到油箱，有效的减少换挡滞后现象。当油压达到克服弹簧力时，阀芯下移，使调节油压与蓄能器背压接通，开始调压。当弹簧腔通主油压时，阀芯在弹簧力作用下使阀口关闭，蓄能器背腔压力油缓慢排出，使油压变化平稳31。 图3.4 排油阀的结构和液压符号（4）节流孔的作用节流孔O1：在执行油缸的进油路中，串入节流孔，可以起到节流和降压的作用。离合器充油阶段的油压和流量主要由节流孔O1控制。节流孔O2：实现对进入蓄能器背腔的液流进行阻尼，通过调整节流孔的大小可以实现调压时间的长短，它是与调压阀和压力设定阀组合实现其功能的。 节流孔O3：实现在换挡过程中速度离合器先于方向离合器结合的功能。 （5）换向阀：换向阀的目的是实现快慢换挡，换向阀结构是二位三通式，通过液压控制，结构和液压符号如图3.5所示。当控制油路没有油液时，换向阀在复位弹簧作用工作在右位，系统压力油和二级阀相通；当控制油路有压力油时，阀芯克服复位弹簧力右移，换向阀工作在左位，系统压力油阻断，二级阀油液回油箱。 图3.5 换向阀结构及液压符号（6）二级阀：二级阀作用是给蓄能器背腔施加一个额外力，使初始调压压力增加，减少调压时间，实现快换挡功能。图3.6 二级阀结构3.3 油路分析由于液压操纵系统油路比较复杂，把整个系统分为液压油源油路、换挡操纵油路、调压油路和快慢换挡油路四部分。由于电液换挡操纵阀系统图不包含油泵部分，液压油源仅包括主压力阀和减压阀两个元件，油路比较简单，不在此做具体分析。3.3.1 换挡操纵油路如图3.7所示，油路由先导电磁阀、换挡阀、节流孔和单向阀组成，可分成A和B两组：A组由3个先导电磁阀分别控制3个二位三通换挡阀组成，操纵离合器K4、KV和KR，并联油路和独立操纵离合器，用电气控制 K4、KV和KR之间的互锁；B组由两个先导电磁阀分别控制二位四通和二位七通换挡阀，操纵离合器K1、K2和K3，二位四通和二位七通换挡阀为优先互锁油路，能防止任意两个离合器同时接合，但不能独立操纵这三个离合器的结合或分离。先导油压经过减压阀，压力低于系统压力，经过调压阀的压力油分成两路，分别通过单向阀供给A组和B组，单向阀的作用是防止A和B组离合器接合油回流。B组另有来自液压泵经节流孔的油路，因此B组速度挡离合器较A组方向挡离合器接合的快 32。从表3.1可以看出，前4后3方案中，1至3挡之间顺序换挡只需结合一个电磁阀或切断一个电磁阀，但3与4档之间的换挡需要同时切断一个电磁阀和结合一个电磁阀。图3.7 换挡操纵油路表3.1 电磁阀、离合器的档位组合档位电磁阀离合器M1M2M3M4M5前进KV+K1KV+K2KV+K3K3+K4后退KR+K1KR+K2KR+K3注：“”表示电磁阀起作用3.3.2 调压油路（1）调压油路基本组成调压油路如图3.8所示，由已知排油阀4的作用是保证换挡过程中油液迅速回油，减小换挡的滞后性，对调压过程不影响，故在分析调压过程时将排油阀排除。调压油路结构和液压符号分别如图3.8a和3.8b所示，由调压阀和压力设定阀两部分组成。1为调压阀阀芯、2和3为蓄能器弹簧、4为蓄能器柱塞、5为压力设定阀弹簧、6为压力设定阀阀芯、7为节流口。蓄能器弹簧一端支承在调压阀阀芯上，另一端支承在蓄能器柱塞上，蓄能器柱塞移动改变弹簧力，从而改变调压阀的控制油压。调压阀是节流型调压阀，串联在离合器油缸进油路上，调压过程开始时，进油节流口关的很小，以后逐渐增大，实现压力调整33。（2）工作原理在换挡瞬间，离合器油缸迅速充油，PG腔(和离合器油缸相连)油压迅速下降，调压阀阀芯、蓄能器柱塞和压力设定阀阀芯在弹簧力作用下均处在原始位置。此时，蓄能器背腔C2和蓄能器弹簧腔C3通过调压阀阀芯上的通道相连，而C3通过压力设定阀和泄油通道T相通，蓄能器弹簧腔压力油通过C3油口排回油箱。当离合器油缸充满压力油后，开始调压，随着PG腔压力的上升，调压阀阀芯克服蓄能器弹簧作用力右移，使C2和C3通道逐渐关小，直到关闭，进入蓄能器背腔的压力油推动蓄能器柱塞逐渐左移，使弹簧变硬，调压阀控制的系统油压逐渐上升。当PG腔压力增大到一定值时，压力设定阀阀芯克服弹簧力右移，PG腔和油口C3相通，同时切断C3去回油T的通道，压力油由C3进入蓄能器弹簧腔，此时蓄能器弹簧腔和背腔压力相等且都等于PG腔油压，调压阀阀芯在弹簧力作用下移至最左边，而蓄能器柱塞在弹簧力作用下移至最右边，PG腔压力升至系统最大值33。 （a）油路结构 （b）液压符号图3.8 调压油路3.3.3 快慢换挡油路（1）快慢换挡油路组成快慢换挡油路如图3.9所示，由先导电磁阀M4、换向阀和二级阀组成。图3.9 快慢换挡液压油路（2）工作原理换向阀的目的是实现快慢档，在前进或后退1、2档换挡时时，先导油液通过电磁阀M4传递到换向阀，使换向阀工作在右位，这样到二级阀的油液被切断，离合器油缸升压在没有经过二级阀的条件下进行的，因此换挡过程在低压力下进行，调压时间较长，实现慢档功能。在高档位时，电磁阀M4 不动作，换向阀在弹簧力作用下复位，油液通过换向阀作用于二级阀，此时离合器工作油压在经过调压阀和二级阀共同作用后快速增大，弹簧刚性增强，调压时间短，可以实现迅速换挡。3.4 电液换挡操纵阀结构换挡操纵阀的结构简图3.10和三维模型图3.11所示。换挡操纵阀采用液压集成块阀组，换挡操纵阀各功能元件按照一定规律布置在集成阀块内。按照集成阀块组各部件的功能不同将其分为主阀部分、上下盖板、功能阀块等主要四部分 34。图3.10 换挡操纵阀结构简图图3.11 换挡操纵阀三维模型（1）主阀：液压系统的主要功能都在主阀上实现，它由电磁阀、减压阀、主压力阀、调压阀、换挡阀、单向阀等各种功能元件组成，阀通过油道按照一定逻辑关系连通，实现换挡功能。各阀具体作用和工作原理已经论述。图3.12 主阀三维模型（2）上盖板：上盖板一方面起着连接主阀和功能阀块的作用，另一方面也阻断了主阀上的部分阀口，使不需要外流的油路阻断，另外上盖板上的小孔起节流作用，有利于稳定换挡阀的油压。这种隔板式的结构，结构简单，功能强大，能够简化阀体设计结构，使换挡操纵阀能实现复杂液压系统。图3.13 上盖板（3）功能阀块:功能阀块与上盖板一起配合主阀的工作，可以简化设计和加工制作过程。图3.14 功能阀块三维模型（4）下盖板:下盖板起着连接阀和变速箱的作用，换挡操纵阀的进油和回油都通过下盖板连接。图3.14 下盖板三维模型换挡操纵阀结构的优缺点：优点是，电液换挡油路上的各功能阀都集成在同一个阀体内，节约了安装空间，极大的优化了各功能阀的设计结构；整体铸造阀体，减少了泄漏和液压油在油路中的压力损失；操作轻便灵活，减轻操作者劳动强度；离合器油缸的升压过程平稳，柔和，减少了冲击和磨损，更好的保护离合器等零部件。缺点是，加工工艺手段复杂；出现问题时，故障难以排除；换挡功能和调压性能的匹配性不强。3.5 本章小结本章中，首先介绍了换挡操纵阀的工作任务及功能特点；然后对液压系统组成和功能元件进行分析，并对功能油路进行重点研究；最后介绍了换挡操纵阀的结构特点。通过对换挡操纵阀工作原理分析，对换挡操纵阀的结构特点和各功能油路的工作有了深入理解，对下一步换挡操纵阀的设计做好铺垫。第四章 换挡操纵阀关键元件的力学分析和设计第四章 换挡操纵阀关键元件的力学分析和设计本章针对电液换挡操纵阀要完成的任务和基本性能，对操纵阀中关键元件进行力学分析，建立数学模型，对工作原理进行分析，分析影响各功能元件工作性能的参数，总结设计过程，并根据装载机变速箱实际工况要求设计关键元件的结构尺寸。4.1 调压阀力学分析与设计计算用静力学和动力学方程来表示调压阀各要素的相互作用和调压特性，即调压开始和结束时的压力，调压过程总时间，离合器油缸压力增长规律。按图3.8所示结构模型进行分析。4.1.1 调压阀力学分析在静力学分析过程中，忽略摩擦力、惯性力和液动力。建立阀芯1和柱塞3的作用力平衡方程式： （4-1） （4-2） 式中：执行油缸油压； 蓄能器背腔油压； 蓄能器弹簧腔油压； 阀芯1 的作用面积； 柱塞4的作用面积；弹簧2和3 的等效弹性系数；柱塞4与阀芯1的相对位移量；蓄能器弹簧初始压缩量。由公式4-2可得 （4-3）由公式4-1和4-2可得 （4-4） （4-5）调压工作过程开始时，活塞位移,由公式4-4可得调压开始的油压为 （4-6）调压工作结束时，活塞顶死，这时候的位移量，由公式4-4可得调压结束时的压力为 （4-7）由公式4-6和4-7可知，调压开始和调压结束时的油压决定于蓄能器弹簧刚性、初始压缩量、活塞总行程和蓄能器弹簧腔压力。由阀芯1的作用力平衡条件和节流孔7向蓄能器充油的连续条件，可以写出下列微分方程 （4-8） （4-9）式中： 油缸油压的微分增量；蓄能器背腔行程的微分增量；节流孔充油时间的微分增量；经过节流孔的流量，按下式确定； （4-10） 流量系数； 节流孔的面积； 油液的密度。 由公式4-8可得 （4-11）将公式4-10和4-11代入公式4-9，可得 （4-12）将公式4-3的代入公式4-12，可得 （4-13）将公式4-5的代入公式13，可得 （4-14）对公式4-14积分，左边的积分从调压开始到结束（，），右边的积分限从开始压力到结束压力（，），得当时，并将公式4-6和4-7的和代入公式，可得调压总时间为 （4-15） 按公式4-15，如已知结构参数和、值，可以计算总调压时间。如果已知要求的调压时间，则可求出节流孔直径。下面按不同的结构形式，推导公式。当时， （4-16）当时， （4-17） 由公式4-16和4-17可以看出，对调压时间有影响。当时，公式4-16和4-17中的应该用替代。4.1.2 调节油压变化规律对公式4-14两端积分，左端积分限从（0，）,右端积分限（,），得当时，积分上式得 （4-18）由公式4-18，如已知结构参数和、值，可以求出到达油压时所需的调压时间，或已知调压时间，求出相应的调节压力。下面不同的结构形式，列出1.5、2时的计算式。为计算简便，化为的形式。当时， （4-19）当时， （4-20） 调压阀油压的变化规律计算比较麻烦，由于时间较短，一般可用、两点所连直线表示。设计计算式最主要关心的是油压、值和缓冲总时间。应当指出在上述节流型调压系统中，当时，不能起调压作用，由公式4-17和4-18可以看出，此时的调压时间为负值，此种结构不可采用。由公式4-19和4-20可以看出，油压变化规律计算比较繁琐，但是压力的瞬态变化对离合器性能影响很大，所以在调压阀的设计过程中，油压变化规律的计算始终贯穿其中。4.1.3 设计方法与步骤上述对调压阀模型的受力分析以及推导出的设计计算公式，可以用作调压阀研究和设计的理论依据，也可以在上述理论基础上做一般调压阀的设计工作。总结其设计方法和步骤如下：(1)决定调压开始和结束时的油压、和调压时间。值应大于油缸充油时的压力；应小于离合器摩擦副允许的最大滑摩油压；(2)根据车辆换挡要求，选定调压总时间应大于摩擦片滑摩时间，一般为0.51.5。对于重型车辆，调压时间较长； (3)调压曲线的设计。根据离合器的工况和结构，合理设计调压阀的调压曲线。 (4)选定调压阀结构形式，画出简图，决定滑阀直径，计算和。(5)选定活塞最大行程,一般为1530，并根据液压系统情况决定弹簧腔压力。 (6)由公式4-6和4-7计算和，应满足、的要求，否则需改变或。 (7)根据选定参数，用的缓冲时间公式和选定的缓冲时间设计节流孔直径，一般根据实验确定。 (8)在设计过程中要用推导出的数学公式反复验算，确保设计的调压阀的动静态特性。4.1.4 设计结果按照调压阀设计方法和设计步骤，根据ZL50装载机变速箱实际工况设计调压阀： (1) 根据ZL50装载机的工作状况，大于充油过程时的油压，取，同时取摩擦片的滑摩时间为0.7，缓冲调压时间大概为1.4；(2)由已知离合器的结构图2.1所示，要求离合器的充油压力为0.1，根据离合器传递力矩计算摩擦片完全结合即离合器结束滑摩的压力为0.9，离合器滑摩时间为0.7左右，系统最大压力为1.8，设计调压阀的调压曲线如图2.6所示；(3) 调压阀的结构为节流型调压阀，简图如图3.8所示。这种结构的优点是结构简单、性能稳定，调压效果好。初步设计调压阀芯和蓄能器柱塞的直径分别为20和26，其对应的面积为；。(4)活塞的最大相对行程为19，蓄能器弹簧腔压力为0；(5)把已知参数带入公式4-6和4-7可得，和，求得，；(6)由于节流孔是薄壁孔，所以，根据公式4-17求节流孔直径。将已知参数带入上式，求得；(7)在设计过程中要用推导出的数学公式反复验算，所设计的结构参数应满足调压阀的性能要求。4.2 主压力阀力学分析和设计4.2.1 主压力阀力学分析由主压力阀结构和液压符号图3.2所示，根据主压力阀的结构和功能，对主压力阀其进行力学分析。公式4-21给出了直动式主压力阀的工作压力的表达式，实际上，滑阀开启后受流经阀口的液动力的影响，主压力阀的进口压力还要提高，直到所有作用在滑阀上的力