自动变速器用两种电磁阀性能的分析

邱辉鹏

(陕西法士特公司研究院，陕西西安 710119)

自动变速器用两种电磁阀性能的分析

邱辉鹏

(陕西法士特公司研究院，陕西西安 710119)

对VBS和VFS电磁阀的结构进行分析，推导出电磁阀的输出控制压力的敏感因素，得出传统的VBS电磁阀会受到油温和供油压力的影响，而VFS电磁阀仅与控制电流相关。研究结果为自动变速器的电磁阀选型与标定提供了参考。

自动变速器；VBS电磁阀；VFS电磁阀；控制精度

0 引言

自动变速器无论在乘用车领域还是商用车领域都日渐普及。比例电磁阀作为自动变速器(包括AT (Automatic Transmission)、DCT(Dual Clutch Transmission)、CVT(Continuously Variable Transmission)、AMT(Automated Mechanical Transmission)等)控制系统及换挡系统的执行元件，其性能决定了自动变速器的控制性能及换挡舒适性[1]，因此对它的研究变得日益重要。当前发达国家主流自动变速器产品使用的比例电磁阀大致分为两种：一种为传统的闭环VBS电磁阀(Closed-End Variable Bleed Solenoid)，另一种为近几年开发成功的VFS电磁阀(Variable Force Solenoid)。后者在国外新开发的自动变速器上的应用越来越广泛，而国内对其研究很少，也没有选用它的产品。作者从结构、原理入手，对两种电磁阀进行分析，并通过试验对两种电磁阀的性能进行比较，为自动变速器的设计选用及标定提供参考。

1 结构原理

1.1 VBS电磁阀结构

传统的VBS电磁阀结构示意图如图1所示。

图中，SUPPLY对应的是电磁阀的供油口，CONTROL PORT是电磁阀的输出口，连接的是被控油路，EXHAUST 为电磁阀的泄油口。供油口、输出口和泄油口间通过密封圈进行密封[2]。供油油道和输出控制油道间、控制油道和泄油油道间均设计有截留口，而两个截留口的开启和关闭是反向相关的，可以将上述结构简化为如图2所示的原理图。

图1 VBS电磁阀结构图

图2 VBS电磁阀结构原理图

1.2 VFS电磁阀结构

VFS电磁阀液压部分的结构原理如图3所示。

图3 VFS电磁阀结构示意图

其外部接口尺寸以及密封形式与VBS电磁阀完全一致，最大的区别在于截留口形式的不同。在VFS电磁阀中，在阀芯的径向上设计有通孔，此通孔与阀座配合形成可变的截流孔。当阀芯向左运动时，供油油道与控制油道通过阀芯上的通孔连通，并可以通过给电磁线圈不同的电流，调节阀芯上的通孔与阀座形成的截留口大小。当阀芯向右运动时，阀芯上的通孔也向右运动，控制油道与泄油油道连通，而供油油道与控制油道不再连通，此时电磁阀不再输出控制压力。

2 控制原理分析

2.1 VBS控制原理分析

从图1和图2可以看出VBS上的可变截流孔是其输出控制压力的关键所在。目前自动变速器领域内使用的VBS电磁阀均通过球阀或滑阀来实现此可变截流孔，如图4所示。

图4 VBS电磁阀截流孔设计

当油液流过截流孔时会产生液动力，这种液动力是VBS电磁阀截流孔自身的一种属性，其大小与油液的温度和供油压力都有关系，如式(1)所示：

Fy=f(T,ps,x)

(1)

式中：T代表温度；ps代表截流孔的进入压力；x代表电磁阀阀芯的位移。

下面以滑阀截流孔型的VBS电磁阀为例，分析电磁阀输出控制压力与各因素的关系。VBS电磁阀阀芯受力如图5所示。

图5 VBS电磁阀受力平衡图

根据图5可以得出式(2)：

Fc=Fd+Ft+Fy-Ff

(2)

其中：Fc是电磁阀输出的控制油压作用在反馈面积上的力；Fd为电磁阀的电磁力；Ft为电磁阀中的弹簧力；Ff为电磁阀中的输入油压作用在阀芯上的不平衡面积上产生的力，如式(3)—(6)所示：

Fc=pc×Afb

(3)

Fd=f(x，i)

(4)

Ft=f(x)

(5)

Ff=ps×A

(6)

式中：pc为电磁阀输出的控制压力；Afb为电磁阀反馈作用面的面积；x为电磁阀阀芯的位移；A为电磁阀的供油压力作用的不平衡面积。对于具体的电磁阀，Afb和A都是常数，因此可以得出式(7)：

pc=f(x,i,T,ps)

(7)

上式表明：VBS电磁阀输出的控制压力不仅与电磁阀的控制电流i有关，还会受到油温T和供油压力ps的影响。

2.2 VFS控制原理分析

通过对VFS的结构分析可以知道，VFS电磁阀的阀芯上不会产生液动力。电磁阀阀芯的受力平衡关系如图6所示。

图6 VFS电磁阀的受力平衡图

根据图6可以得到式(8)—(9)：

Fc=Fd-Ft

(8)

pc=f(x,i,Afb)

(9)

由式(9)可知：VFS电磁阀的输出控制压力只与电磁阀的控制电流i相关，不再受到油温T和供油压力ps的影响，这就为实现精确控制和稳定控制奠定了基础。

3 控制精度试验

从上述理论分析可知，VFS电磁阀的输出控制压力仅与电流相关，而VBS电磁阀则会受到其他因素如供油压力和油温等因素的影响。基于此，作者开展了如下两个试验对其进行分析。

3.1 供油压力敏感性试验

随机选取30个VBS电磁阀和VFS电磁阀。首先，在供油压力为530 kPa时，调整控制电流使电磁阀的输出控制压力为150 kPa；保持电流稳定，并调整供油压力，分别在275、433、744和896 kPa条件下，记录输出的控制压力偏移值，整个试验过程保持油温70 ℃，得到图7所示的结果。

图7 电磁阀供油压力敏感性试验结果

图7中的黑点为偏移量的平均值，竖直柱条为偏移值的范围。从试验结果可见，VBS电磁阀的偏移范围为-23～3 kPa，VFS电磁阀的偏移范围为-8～4 kPa，仅为VBS偏移范围的46%；而对于偏移平均值，VBS的波动更大，且很难得出规律性，VFS的偏移平均值很小，且与供油压力呈一致性变化。

综合起来，相比于VBS，VFS电磁阀在后续关于不同供油压力的标定中可以很方便地给出偏移补偿。

3.2 油温敏感性试验

随机选取30个VBS电磁阀和VFS电磁阀，在70 ℃时使其输出控制压力为190、285 、380和475 kPa，并逐渐将油温升高到135 ℃，记录其温度偏移值，得到图8所示的结果。

图8 两种电磁阀温度敏感性试验结果

图8中黑点为偏移量的平均值，竖直柱条为偏移值的范围。从图8可见：当油温从70 ℃升高到135 ℃时，变速器油液黏度下降，电磁阀自身和测试系统的泄漏均会增加，将会导致测得的输出控制压力的偏移平均值均呈现负偏移；VBS电磁阀的平均偏移量变动范围很大，从-22 kPa到-4 kPa；而VFS电磁阀的平均偏移量非常稳定，均为-5.5～-5 kPa，考虑因油液黏度下降导致的泄漏，可以认为VFS对温度不敏感。

输出控制压力的偏移范围，VBS电磁阀非常宽泛，从-25 kPa到+7 kPa，说明VBS个体偏差非常大；而VFS的偏移范围在-8 kPa到-4 kPa，仅为VBS范围的12.5%，非常稳定。

综合起来，相比于VBS，VFS电磁阀在后续关于不同温度的标定中可以很方便地给出偏移补偿。

4 结论

电磁阀作为自动变速器中执行控制指令的核心零部件，对比传统的VBS电磁阀，VFS电磁阀的输出控制压力对供油压力和温度不敏感，只与控制电流相关，为变速器后期的标定工作提供了良好的基础。

VFS输出控制压力精度的提高，可以进一步提高离合器/制动器结合或脱开时工作压力的准确度，这将极大地改善车辆的换挡舒适性。

自动变速器的系统主油压一般都需要一定的安全富余量，而富余量一般是控制压力偏差的3倍左右。由于VBS自身的偏差就很大，系统的富余量就必须更大。使用VFS电磁阀，可以显著降低系统的富余量，这将减少油泵消耗的驱动功率、提升变速器的效率、降低燃油消耗。

[1]田晋跃.自动变速器构造原理与设计方法[M].北京:北京大学出版社,2009:26-28.

[2]孟飞，陶刚，张美荣，等.自动变速器比例电磁阀优化设计与分析[J].兵工学报，2014,35(5):590-596.

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PerformanceAnalysisoftheTwoTypesofSolenoidUsedinAutomaticTransmission

QIU Huipeng

(Shaanxi FAST Auto Drive Engineering Research Institute, Xi’an Shaanxi 710119, China)

The structures of VBS and VFS solenoids were analyzed, then the factors which influenced the solenoids output control pressure accuracy were deduced. From the research, it is known that the VBS solenoid is sensitive to the oil temperature and supply oil pressure, but the VFS solenoid is insensitive to the two factors, which is only related to the control current. The research results provide reference for the chosen and calibration of solenoid in automatic transmission.

Automatic transmission; VBS solenoid; VFS solenoid; Control accuracy

2016-12-22

邱辉鹏，男，硕士，研究方向为变速器设计。E-mail：qiuhuipeng@chinafastgear.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.009

U463.212

B

1674-1986(2017)08-042-04