自动变速器液压系统动态响应特性试验研究

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(北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081)

引言

自动变速器的液压系统主要由接收电信号的电磁阀、起功率放大作用的流量阀、以及供油系统和系统定压阀等组成[1]。通常将从变速器油泵输出到换挡离合器油腔之间的控制阀体及其油道回路称作换挡控制回路。在以往的研究中，已经对液压系统中的单个阀进行了大量的特性研究[2-6]，但很少有文献涉及整个换挡控制回路的动态响应特性研究。

为满足换挡品质控制对离合器油压缓冲控制特性的要求，以某液力机械自动变速器液压系统为研究对象，试制了其中的换挡控制回路，通过试验的方法对该回路的动态响应特性进行了研究和分析，由于变速器油液对温度变化很敏感[7]，本研究还分析了变速器油液温度变化对换挡控制回路动态充油特性的影响。

1 液压系统工作原理

图1为试制的某液力机械自动变速器的液压系统工作原理图，系统组成如图所示。根据构件各自功能的不同，该液压系统可分为供油部分、调压部分、换挡控制回路和辅助部分。

调压部分由主调压阀、主控调压阀和CPS4组成。主调压阀控制着液压系统的供油压力pZ和流量，该系统压力可以通过可调节电磁力的CPS4进行调整，主控调压阀控制着电磁阀的控制压力pC。

换挡控制回路包括电磁阀、双边节流阀、锁止阀和相应油路。通过电磁阀控制双边节流阀向离合器供油，HSS的输出压力可以调节L1和L2的阀芯位置，从而切换不同离合器换挡控制回路的通断。双边节流阀起一个功率放大器的作用，向换挡离合器及闭锁离合器工作油腔供油。

从工作原理图中可以看出C1～C3和C5换挡控制回路不论通电与否都要经过L1、L2，因此在断电时将根据L1、L2阀芯的位置确定上述换挡控制回路的通断，进而控制相应离合器的接合或分离，保证车辆能够安全行驶。因为L1、L2锁止阀的作用，电磁阀与离合器也不再是简单的一一对应的关系，电磁阀和离合器的控制逻辑以及挡位的关系见表1。

1.压力诊断阀 2.诊断开关阀DS 3.锁止阀L2 4.锁止阀L1 5.离合器C5 6.离合器C3 7.离合器C2 8.离合器C1 9.回油背压阀10.离合器C4 11.闭锁离合器 12.双边节流阀 13.蓄能器 14.常闭比例电磁阀CPS3 15.常闭比例电磁阀CPS216.常闭比例电磁阀CPS1 17.常开比例电磁阀OPS1 18.高速开关阀HSS 19.常开比例电磁阀OPS2 20.主控调压阀21.常闭电磁阀CPS4 22.主调压阀 23.主滤清器 24.油泵 25.吸滤器 26.泄压阀图1 自动变速器液压系统工作原理图

离合器挡位常开比例电磁阀常闭比例电磁阀开关阀诊断开关锁止阀OPS1OPS2CPS1CPS2CPS3CPS4HSSDSL1L2C5空√√√√上上C3、C5倒√√√√上上C1、C5一√√√√△上下C1、C4、CLU二√√√√√√下下C1、C3、CLU三√√√√√下下C1、C2、CLU四√√√下下C2、C3、CLU五√√√√√下下C2、C4、CLU六√√√下上

表中：√表示相应电磁阀通电，对DS表示压力开关打开，√△表示由空挡升入一挡或从一挡回到空挡时，HSS电磁阀需短时间

工作，上/下表示L1、L2阀芯在阀腔中的位置。

此外，由于L1阀芯位置对换挡控制至关重要，为保证换挡控制能正常进行，需要诊断开关DS来监测锁止阀L1阀芯的位置，当L1阀芯处于下端时DS打开，反之，当L1阀芯处于上端时DS关闭，所以通过监测DS的开关状态就可以知道L1阀芯的位置。

2 试验与分析

2.1 试验条件

液压系统测试平台主要包括测试台架、控制系统、信号采集系统等。图2为液压模块中某离合器换挡控制回路的动态特性测试平台原理图，其通过PS1～PS4四个油压传感器采集换挡控制回路中的控制油压pC、主油压pZ、输出油压pCLx和蓄能器压力，油温表记录油液温度。控制器根据控制策略输出给相应电磁阀来调节离合器换挡控制回路的充放油过程，并由数据采集软件实时记录试验过程中的油压。测试平台由液压泵来提供油源，其额定流量为100 L/min，主油压最高可达到20 bar，电磁阀驱动电压为24 V，系统温度范围0～120 ℃。PWM控制频率为1 kHz，采样周期为10 ms。

图2 液压系统动态特性测试系统原理图

2.2 试验结果及分析

以标定过的换挡过程充放油控制策略为基础设计各电磁阀的控制时序和占空比的变化规律。图3所示为80 ℃油温下，由不同类型电磁阀控制的各离合器换挡控制回路在换挡过程中充放油时的动态压力响应曲线，此时液力变矩器已经闭锁，系统的主油压pz保持在12.8 bar左右，主控油压稳定在6.76 bar。

图3 C3和C4换挡控制回路充/放油的动态曲线

分析图3可知，由常闭比例电磁阀CPS2控制的C4换挡控制回路的关闭响应时间Δtab(从发出快放油占空比控制指令到油压开始下降)大约为40 ms、放油响应时间Δtcd(输出压力从90%稳定压力第一次降低到10%稳定压力)大约为120 ms；由常闭比例电磁阀CPS1控制的C3换挡控制回路的开启响应时间Δtef(从发出快充油占空比控制指令到油压开始上升)约为80 ms、充油响应时间Δtgh(输出压力从10%稳定压力第一次上升到90%稳定压力)约为160 ms。类似地，统计其他各电磁阀控制的换挡回路输出压力的动态响应时间如表2所示。

表2 各换挡回路输出压力的动态响应时间 ms

2.3 油温对响应曲线的影响

如图4所示，为在相同的控制策略下，五种油液温度对离合器充油压力特性造成的影响。随着温度的升高，充油压力的动态响应时间变短，并且稳态压力也随着温度升高而有所升高，70 ℃和90 ℃的充油压力曲线基本保持一致，但当温度超过100 ℃后液压系统工作状态将变得不稳定。油温变化主要影响油液的黏度，油温低黏度大，不利于形成油膜，油温高黏度小，油膜容易破裂。因此，温度过高和过低都不利于对液压系统离合器换挡控制回路的充放油控制。为提高换挡

品质，考虑将油温对响应特性的影响进行标定，进而对输出占空比进行补偿。

图4 油温对动态充油压力特性的影响

3 结论

在分析某液力机械自动变速器液压系统的工作原理的基础上，试制了其中的核心部件换挡控制回路，并对其输出压力进行了动态响应特性测试。

(1) 试验数据表明常闭型和常开型比例电磁阀所控制的换挡控制回路的充油动态响应特性较一致，充油响应时间在150～200 ms，而放油动态响应特性存在一定差异，常开型比例电磁阀控制的换挡控制回路关闭响应时间比常闭型的要略长，应分别设计适宜的控制策略去适应它们的控制特性。

(2) 通过分析油温变化对离合器换挡控制回路充油特性的试验数据，可以得到占空比对温度影响的补偿值，将其列为数据表嵌入到换挡控制的前馈控制中，将有利于提高其换挡品质。

参考文献：

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[4] 张鑫,李苏铭,权龙,等.用于自动变速器换挡控制的比例方向阀研究[J].液压与气动,2013,(6):48-50.

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