基于离合器结合的比例电磁阀动态特性模型的设计

石志超

摘要：为提高离合器接合过程控制油压响应性能，提出比例电磁阀动态性模型。建立比例电磁阀二位有限元模型，借助实验设计建立电磁力电磁铁结构参数模型。以比例电磁阀阀芯质量，黏性阻尼系数为设计变量，以超调令接合归一化综合函数最小值为优化目标进行优化设计。表明输出油压动态响应时间减少18%，有效满足动态响应特性要求。验证比例电磁阀电流油压稳态输出特性，实验表明设计方法提高离合器接合控制油压综合性能，提出设计方法对同类控制油压问题具有借鉴价值。

关键词：离合器接合;比例电磁阀;动态特性;模型设计

离合器是工程机械动力传递系统的重要部分，良好接合可以提高车辆寿命。电磁阀电机机械转换器在离合器接合中得到广泛应用，比例电磁阀在有效工作行程内具有良好水平吸力特性[1]。国内外对比例电磁阀进行大量研究，Bayat等对研究电磁阀建立有限元模型仿真分析，但未考虑电磁力与流体耦合关系对阀输出油压特性的影响[2]。Lee等对比例电磁阀进行性能分析，通过建立多物理场耦合热力学模型对电磁阀热实效分析。研究通过采用有限元仿真分析软件对比例电磁阀电磁铁结构参数影响分析，建立数学模型对结构参数优化。本文以离合器结合比例电磁阀为研究对象，对电磁铁部分结构进行参数化表达，建模仿真数据与实验数据具有较高相关性。

1.离合器结合中比例电磁阀工作原理

自动变速器常闭型比例电磁阀包括阀芯与液压流体部分，进油口设计为球阀，阀芯与球阀钢球和喷嘴挡板连接[3]。比例电磁阀不通电时输出口无输出，处于调压阶段输出端定值输出，换挡控制中吸收输入压力波动峰值。比例电磁阀通电电流逐渐增大，电磁力大于电磁阀左端钢球所受液压力，电磁铁推动阀芯移动，阀球打开输入端油液进入电磁阀油腔内部，排油口开口量不断减小，输出端油压不断增长，通过不断调整排油口开度控制输出端压力。电磁阀腔内油压较大，油压作用在阀芯排油口处端面，通过调整弹簧控制溢流压力值。

离合器结合系统主要由离合器机构与比例电磁阀等组成，通过控制输入油压实现，性能影响离合器结合过程品质，考虑摩擦片摩擦系数非线性等因素，比例电磁阀自身动态性能对离合器结合有重要影响[4]。比例电磁阀主要由运动阀芯与电磁铁等部分组成，比例电磁铁对运动阀芯提供输入控制电流近似比例关系电磁力。液桥部分阀芯进排油节流口为对称U型结构，调节弹簧组成调零机构用于调整特性曲线。常闭式直流两位三通阀结构简单。比例电磁阀在电磁铁不通电时，进油口为关闭状态，保证离合器接合过程开始阶段安全性。

控制电流增加使磁路磁势增大，电磁力超过电磁阀复位弹簧力，排油开口量减小，油液通过进油口进入出油口，出油口油压不断咋鞥大。进出油口开度变化可调节流量控制出油口油压。比例电磁阀使用中涉及机械流体等多个学科领域，相互间非线性较强。本文对比例电磁阀相关电场机械等相互影响性能分析。输入控制信号后电场通过电流i与磁链相互影像，阀芯位移x变化使流场输出压力变化，流场部分输出液压力Pc作用于离合器实现接合过程。为了解比例电磁阀特性，对阀芯进行电磁阀性能分析[5]。

2.电磁力电磁铁结构参数模型

比例电磁铁位移特性研究常用磁路分析法，适用于形状规则的磁路，采用磁场离散化数值计算法精度高。本文采用盆型止座结构比例电磁阀，对油质污染不敏感。由于磁路结构复杂，电磁阀吸力特性难以通过磁路分析法计算得到。借助AnsoftMaxwell对比例电磁铁进行参数化模型设计。忽略线圈绕组内涡流与温度影响，将电场变量分离实现独立电场。电磁力计算模型为Fmag=aW（x，i）/ax，x为衔铁位移;W为磁场总能量;x为线圈绕组输入控制电流。

确定比例电磁铁结构后产生电磁力与控制电流形成气隙隔磁环形有关。使用参数为评价指标表征比例电磁铁位移特性。电磁力变化幅度偏离度δ=|Fms-Fme|/Fme，Fme为期望电磁力，Fms为测试电磁力。电磁力水平平稳度离散度变异系数Cv=，n为观测次数;Xi为工作位置附近观测电磁力。对电磁铁部分建模进行结构参数设计，建立电磁力与结构参数响应面模型，为后续设计提供参数化表达。选取输入电流为350-750mA，计算得δ<0.86%，电磁力平稳度较高。不同电流下电磁力仿真数据与实测数据误差最大小于1%。数据具有较高相关性。

响应面模型计算公式Fmag=mo+，mo，nij为待定项系数;yrsm（i）为各点响应面函数;N为样本点总数;R2值接近1模型效果好。使用盆型极靴结构使电磁力与电流成比例关系，电磁铁水平吸力平稳度由锥面磁通φ分配形成。结构参数ABCD与磁阻有关，结合电磁力评价治疗建立表征电磁力响应面模型。实验设计得到响应模型Fmagδ=13.6+0.111A2+0.545AB-7.8CD-1.2C2+12.88C+3.62ADC-1.93A-0.582A-3.19B，得到响应面模型判定系数为0.914，以结构参数内A=8mm，C=2.7mm验证，得到建立模型电磁力为22.382N，建立模型可作为电磁力精准设计参数表达。

3.比例电磁阀动态特性优化设计

比例阀阀芯运动平衡方程为mvxv+cdxv+kv（xv+x0）=Fmag-Fflow，Xv为阀芯位移;Cd为阀芯粘性阻尼系數;mv为阀芯质量;Fflow为油液作用于阀芯合力;Kv为阀芯弹性刚度;KvXo为弹簧预紧力Fload;通过阀芯流量Ain（Xv）=πd（Xv-s），Ain（Xv）为阀进油口面积，s为阀芯初始位置至进油口开启位置位移。比例电磁阀输出油压力与阀芯位移相关，阀芯动态响应特性受弹簧刚度，电磁力等影响，假设液压系统无泄漏等，进行阀芯质量，黏性阻尼系数为设计变量动态特性优化设计。

阶跃信号下比例电磁阀压力上升时间反映快速性，考虑系统中阻尼振荡特性，结合输出油液压力上升时间，H=ησp/σPi+（1-η）tr/tri，η为权重系数，0<η<1，σPi为优化前超调量，σp为电磁阀动态响应压力超调量;tri为优化前上升时间0.01s;tr为输出压力上升时间。选取阀芯质量mv，弹簧预紧力Fload为优化设计变量，采用遗传算法对目标函数优化，复制率80%，变异概率10%，综合考虑压力上升时间，分析多组不同权重系数下数据，优化后参数结果mv=0.012kg，Fload=0.7044N。比例电磁阀输出压力动态响应特性由结构决定，受到影响粘结性阻尼系数温度等因素影响，以粘性阻尼系数对目标函数分析，标准差1.5正态分布范围内随机取值，均值集中于01.1855左右，方差为1.34×107左右，降低对噪声变量的敏感性[6]。

为分析比例电磁阀动态特性，采用定制试验台对优化模型测试，油温控制在80℃，采用HUBA油压传感器，控制电流0-830mA信号加载至线圈。实验与仿真曲线一致，油压与电流近似性关系，与阀芯运动至开启时弹簧力对应;满足离合器控制油压要求，出现阀芯开启说明模型准确表达油压动态特性。分析输入阶跃控制电流为500mA，比例电磁阀仿真与实验油压响应曲线对比图，曲线具有一致性，仿真数据具有准确性，油压动态特性改善，超调量降低31%左右。

结语

随着人类生活品质的提高，对汽车经济舒适性要求提高。近年来节能减排成为汽车行业热门话题，对汽车企业提出严峻挑战。汽车企业要努力寻求技术突破，我国自动变速器技术相比发达国家存在很大不足，现代汽车自动变速器包括CTV与AMT等类型，电液控制系统是自动变速器核心部分。DCT成为我国变速器企业研发对象，但我国自动变速器技术起步较晚，离合器系统摩擦特性等多项技术受制于国外企业。本文介绍离合器关键技术研究，叙述离合器接合中比例电磁阀工作原理;建立电磁力电磁结构模型，进行比例电磁阀动态特性设计。以偏差度为电磁铁吸力特性水平评价指标，借助实验设计建立电磁力与结构参数映射关系模型。采用遗传算法对电磁阀结构参数优化设计，提高阀的动态响应特性，证明建立模型为后续离合器结合仿真压力控制模块参数化表达。

参考文献

[1]罗轩. 湿式双离合器液压控制系统特性仿真与试验研究[D].重庆理工大学，2021.

[2]苏梦月. 湿式DCT液压换挡控制系统特性仿真与试验研究[D].重庆理工大学，2021.

[3]于怀智. 电控液压离合器执行机构控制方法研究[D].吉林大学，2021.

[4]赵士伟. 某种汽车变速箱在线检测试验台液压系统设计及其动态特性分析[D].安徽工程大学，2020.

[5]张银涛. 湿式双离合器自动变速器液压控制系统仿真研究与分析[D].华南理工大学，2020.

[6]李晓祥，王安麟，樊旭灿，李晓田.面向离合器接合过程的比例电磁阀动态特性模型与设计[J].西安交通大学学报，2020，54（05）：46-52.