自动变速器主油压调节用数字比例溢流阀特性研究

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(燕山大学 车辆与能源学院， 河北 秦皇岛　066004)

引言

合理控制自动变速器的主油压，可以改善换挡品质，降低油泵损耗功率，提高变速器寿命[1-3]。以高速开关阀为比例溢流阀的先导级，采用脉宽调制(Pulse Width Modulated，PWM)信号控制的数字比例溢流阀具有可靠性高、成本低、环境敏感度低等特点[4]。

周中锐等[5-8]建立了数字比例溢流阀的仿真模型，分析了阻尼孔直径等参数对阀输出压力的影响规律；郭晓林等[9]用MSC Easy5仿真分析了脉宽调制数字比例溢流阀在双离合器自动变速器中的离合器油压缓冲特性。但尚鲜见有关数字比例溢流阀特性的系统试验研究。本研究通过仿真与试验对比的方法研究数字比例溢流阀的特性，分析了其静态特性和动态特性，该阀能够满足自动变速器主油压调节要求。

1　数字比例溢流阀结构及工作原理

自动变速器主油压调节用数字比例溢流阀原理图如图1所示，包括高速开关阀、安全阀、主阀和阻尼孔。建模中还加入了主油路容腔和先导阀容腔部分。

1.高速开关阀　2.安全阀　3.主阀　4.阻尼孔图1　数字比例溢流阀原理图

无控制信号时，高速开关阀处于关闭状态，数字比例溢流阀工作过程与先导式溢流阀一致。主油路压力p1由安全阀弹簧预紧力决定。

输入PWM控制信号时，高速开关阀处于高速交替启闭状态。此时安全阀关闭，油液通过高速开关阀流回油箱。调制PWM信号占空比τ可以调节一个周期内高速开关阀开启与关闭状态所占时长，进而控制流经阻尼孔的流量。不同的流量经过阻尼孔产生不同的压力差，相应地可以控制主阀芯的工作状态，即控制主油路压力。PWM信号占空比τ越大，一个周期内高速开关阀开启时间越长，流经阻尼孔的流量越大，则主油路压力越低，当τ=1时，系统压力达到最低。

2　数字比例溢流阀建模

数字比例溢流阀建模前，对部分条件进行如下假设：

(1) 忽略高速开关阀电磁铁磁滞效应；

(2) 数字比例溢流阀工作时无泄漏；

(3) 油液体积模量恒定；

(4) 油源为理想恒流源。

2.1　高速开关阀数学模型

1) 控制信号模型

仿真模型中PWM信号生成过程如图2所示。其中τ在0～1之间变化，并与幅值为1的锯齿波做差，当差值大于0时输出1，差值小于0时输出0[10]，如式(1)所示：

(1)

式中,SJC为锯齿波信号。

图2　PWM信号生成原理图

理想状态下，高速开关阀阀芯所受电磁力F与控制信号的关系如式(2)所示：

(2)

式中，F0为电磁铁最大电磁力，N；SPWM为PWM控制信号，1为高电平，0为低电平。

2) 高速开关阀动力学模型

(3)

式中，F为电磁铁作用力，N；m1为高速开关阀阀芯质量，kg；x1为高速开关阀阀芯位移，m；c1为高速开关阀芯黏性阻尼系数，N·s/m；k1为高速开关阀复位弹簧刚度，N/m。

3) 高速开关阀阀口节流方程

(4)

式中，q1为高速开关阀阀口流量，L/min；C1为高速开关阀阀口流量系数；d1为高速开关阀阀孔直径，m；α1为高速开关阀阀口半锥角，°；p2为先导阀腔压力，MPa。

2.2　安全阀数学模型

1) 安全阀动力学模型

(5)

式中，p2为先导阀腔压力，MPa；A2为安全阀阀口截面积，m2；m2为安全阀阀芯质量，kg；c2为安全阀芯粘性阻尼系数，N·s/m；k2为安全阀复位弹簧刚度，N/m；x2为安全阀阀芯位移，m；x02为安全阀弹簧预压缩量，m；F2=k2x02-p2A2为安全阀阀座反作用力，N。

2) 安全阀阀口节流方程

(6)

式中，q2为安全阀阀口流量，L/min；C2为安全阀阀口流量系数；d2为安全阀阀孔直径，m；α2为安全阀阀口半锥角，°。

2.3　主阀数学模型

1) 主阀动力学模型

(7)

式中，p1为主油路压力，MPa；A3为主阀阀口截面积，m2；m3为主阀阀芯质量，kg；c3为主阀芯黏性阻尼系数，N·s/m；k3为主阀弹簧刚度，N/m；x3为主阀阀芯位移，m；x03为主阀阀芯预压缩量，m。

2) 主阀阀口节流方程

(8)

式中，q3为主阀阀口流量，L/min；C3为主阀阀口流量系数；d3为主阀阀口直径，m；α3为主阀阀口半锥角，°。

2.4　阻尼孔数学模型

该阀的阻尼孔为细长孔，其数学模型为:

(9)

式中，qz为流经阻尼孔的流量，L/min；d为阻尼孔直径，m；μ为油液动力黏度，Pa·s；l为阻尼孔长度，m。

2.5　容腔数学模型

油液体积模量定义式为:

(10)

由式(10)得:

整理得:

(11)

根据式(11)可得到如下的容腔数学模型。

1) 先导阀容腔数学模型

(12)

式中，V1为先导阀腔体积，m3。

2) 主油路容腔模型

(13)

式中，V2为主油路容腔体积，m3；qp为油源输出流量，L/min。

2.6　数字比例溢流阀仿真模型

根据上述模型，在Simulink中建立的仿真模型如图3所示。仿真参数见表1。

图3　数字比例溢流阀仿真模型

符号参数值符号参数值符号参数值k1/N·m-11000k2/N·m-11000k3/N·m-11500c1/N·s·m-15c2/N·s·m-110c3/N·s·m-1100m1/kg0．005m2/kg0．015m3/kg0．035C10．65C20．65C30．65d1/m0．0005d2/m0．003d3/m0．01α1/deg45α2/deg20α3/deg15μ/Pa·s0．023ρ/kg·m-3860x03/m0．01

3　数字比例溢流阀试验与仿真结果对比分析

数字比例溢流阀试验台如图4所示，包括操作台和试验台架两部分，通过测控系统将两部分联系起来。

图4　数字比例溢流阀试验台简图

试验在流量50 L/min，油箱温度40 ℃，PWM信号频率50 Hz的条件下进行，先后进行了数字比例溢流阀的静态特性和动态特性试验，并将试验结果与仿真结果对比分析。

3.1　数字比例溢流阀静态特性

分析静态特性时，对高速开关阀输入固定占空比信号，记录不同占空比下对应的主油路压力，得到的压力-占空比关系曲线如图5所示。可以看出仿真结果和试验结果基本一致。数字比例溢流阀控制压力随控制信号占空比近似线性变化，其中当压力p1连续变化时，试验结果对应的占空比τ范围为30%～70%，仿真结果为30%～80%。

图5　数字比例溢流阀静态特性

占空比为70%～80%时，由于磁滞效应，实际工作中的高速开关阀阀芯保持完全开启状态，而仿真模型中阀芯已经开始动作，并产生了压力变化。

3.2　数字比例溢流阀动态特性

1) 数字比例溢流阀对阶跃信号的响应

对数字比例溢流阀输入的PWM信号占空比在0～5 s为100%，在5 s时阶跃降至0%，并保持不变，先后调整阻尼孔直径d和主阀弹簧预压缩量x03，得到压力-时间关系曲线如图6所示。

图6　数字比例溢流阀阶跃响应压力-时间关系曲线

图6a中，主油路最低压力为0.6 MPa，仿真结果压力响应时间为0.13 s，试验结果为0.25 s；图6b中最低压力为0.48 MPa，仿真结果响应时间为0.19 s，试验结果为0.3 s；图6c中最低压力为0.4 MPa，仿真结果响应时间为0.23 s，试验结果为0.5 s。可以看出随着阻尼孔直径的减小以及主阀弹簧预压缩量的减少，系统可达到的最低压力变小，压力响应时间变长。

图6中，随最低压力降低，仿真和试验结果压力响应时间的差别随之变大。主要原因如下。

对于仿真模型，由于建模假设条件(3)，进行仿真时选取1 MPa压力下的油液正切体积模量，大小为100 MPa。但实际油液体积模量随着压力减小而变小，所以在1 MPa以下时，试验结果的建压速度较仿真曲线慢。

对于试验台，从液压泵到数字比例溢流阀间的管路过长，其中存留的油液较多，这部分油液对整个建压过程起了缓冲作用，延长了压力响应时间。

2) 数字比例溢流阀对连续变化信号的响应

对数字比例溢流阀输入的PWM信号占空比在0～5 s内保持100%，在5～5.8 s由100%线性减小至0%，之后保持0%不变，得到如图7所示的压力变化过程。图中仿真结果中压力在5.65 s时达到最大，p1连续变化时对应的占空比为20%～70%；试验结果中压力在5.7 s时达到最大，压力连续变化时对应的占空比为10%～60%。

图7　数字比例溢流阀对连续变化信号的响应

对比试验与仿真结果可知，压力连续变化时对应的占空比变化范围相等，但起始值不同，试验结果对应的占空比偏小。这种差异是建模时对高速开关阀磁滞效应及油液体积模量设定的假设条件导致的。

考虑到实际液压控制系统集成在一块阀体上，其中的油道很短，本研究仿真模型的误差可以被缩小。另外，这种误差导致仿真结果中压力连续变化时对应占空比的起始值和终止值偏大，对占空比变化范围无影响，对数字比例溢流阀进行特性分析时这种误差可以忽略。

4　结论

(1) 针对某自动变速器主油压调节用数字比例溢流阀结构特点及工作原理，提出建模假设条件。在此基础上利用Simulink软件建立了该阀的仿真模型。仿真与试验结果对比，结果表明：仿真模型能够反映实际系统特性，所提出的假设条件合理；

(2) 参数适当的数字比例溢流阀控制压力能随控制信号占空比近似线性变化，满足自动变速器主油压调节要求；

(3) 数字比例溢流阀的阶跃响应过程随着阻尼孔直径及主阀弹簧预压缩量的减少，系统最低压力降低，压力响应时间变长；

(4) 数字比例溢流阀控制压力随占空比变化而连续变化，仿真与试验结果，压力连续变化所对应的占空比变化范围相等，但起始值不同，试验结果压力连续变化时对应的占空比偏小，主要由高速开关阀磁滞效应引起。

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