液壓緩沖閥動(dòng)態(tài)特性的研究

液壓緩沖閥動(dòng)態(tài)特性的研究

1緩沖閥動(dòng)態(tài)特性對(duì)于車(chē)輛的動(dòng)態(tài)日志交換裝置，日志交換操作是通過(guò)控制交換裝置的組合和分離來(lái)完成的。而換檔過(guò)程中離合器(或制動(dòng)器)摩擦力矩的變化對(duì)換檔品質(zhì)起著決定作用,除了結(jié)構(gòu)參數(shù)外,摩擦力矩主要取決于摩擦系數(shù)和換檔離合器油缸的壓緊油壓,這兩個(gè)因素在換檔離合器的結(jié)合過(guò)程中是變動(dòng)的,而只有油壓能夠通過(guò)緩沖閥有效地進(jìn)行控制。液壓緩沖閥在換檔過(guò)程中的特性是否合理影響到換檔過(guò)程中動(dòng)力性損失的程度和能否實(shí)現(xiàn)離合器平穩(wěn)結(jié)合,使車(chē)速平穩(wěn)地過(guò)渡而達(dá)到改善換檔品質(zhì)的目的。因此,需要合理地確定和控制換檔過(guò)程中緩沖閥的油壓特性。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中主要采取穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算,穩(wěn)態(tài)計(jì)算中,無(wú)法考慮離合器、元件質(zhì)量、管道以及油液粘度等參數(shù)對(duì)緩沖閥特性的影響。因此,需要建立反映系統(tǒng)真實(shí)工作的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,對(duì)緩沖閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析和預(yù)測(cè),達(dá)到減少產(chǎn)品的研制風(fēng)險(xiǎn),縮小開(kāi)發(fā)周期的目的。實(shí)際應(yīng)用中有多種離合器油壓控制方法,所采用的控制系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)也大不相同。本文針對(duì)作者所設(shè)計(jì)的一種用于車(chē)輛動(dòng)力換檔傳動(dòng)裝置換檔控制液壓緩沖閥(如圖1所示),建立了緩沖閥數(shù)學(xué)模型,采用MATLAB中的SIMULINK進(jìn)行仿真研究,求解除了緩沖閥輸出壓力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及動(dòng)態(tài)性能影響因素,并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)建模方法和仿真計(jì)算正確性。2緩沖閥工作原理如圖1所示,緩沖閥由液壓緩沖閥芯、緩沖彈簧和調(diào)壓閥芯協(xié)調(diào)配合,完成離合器的油的緩沖控制。換檔過(guò)程中可以完成離合器充油過(guò)程壓力變化的三個(gè)階段。①快速充油階段——從ECU(電子控制單元)發(fā)出換檔指令到離合器油缸開(kāi)始克服分離彈簧的預(yù)壓力,消除離合器摩擦片的間隙,使其達(dá)到貼合為止。在該階段中,緩沖閥芯在緩沖彈簧初始?jí)嚎s力的作用下,推動(dòng)緩沖閥芯使系統(tǒng)進(jìn)油口ps與輸出油口CL接通,快速向離合器及其油道內(nèi)充油。這段時(shí)間油壓特性影響到離合器的結(jié)合速度,當(dāng)放油特性一定的情況下,這段時(shí)間長(zhǎng)短影響到換檔過(guò)程中是否出現(xiàn)動(dòng)力中斷及中斷的程度,從而影響到車(chē)輛加速過(guò)程中的動(dòng)力性能。②緩沖升壓階段——從離合器摩擦片剛被壓緊達(dá)到完全接合且摩滑終止為止,這階段緩沖閥的油壓特性影響到換檔過(guò)程中變速箱輸出轉(zhuǎn)矩變化,因而對(duì)換檔過(guò)程中的品質(zhì)起著決定性的影響。在該階段中,緩沖閥的輸出控制壓力pCL通過(guò)緩沖閥芯上的反饋油孔O1作用到緩沖閥芯左端,與緩沖彈簧的變形量成比例變化,隨著輸出壓力pCL的不斷升高,輸出壓力經(jīng)過(guò)節(jié)流孔O2后作用到調(diào)壓閥的右端并推動(dòng)調(diào)壓閥逐漸向左移動(dòng),將緩沖彈簧不斷壓縮,作用到緩沖閥芯左端的壓力與彈簧力相平衡并隨之增長(zhǎng)。緩沖閥芯處于雙邊節(jié)流工作狀態(tài),即ps至CL與CL至T(系統(tǒng)回油口)同時(shí)處于節(jié)流狀態(tài),當(dāng)輸出壓力超出預(yù)定控制壓力值時(shí),推動(dòng)緩沖閥芯將ps至CL節(jié)流邊關(guān)小,而將CL至T節(jié)流邊開(kāi)大,使輸出壓力下降;當(dāng)輸出壓力低于預(yù)定的壓力值時(shí),在緩沖彈簧力的作用下推動(dòng)緩沖閥芯向左移動(dòng),將CL和T節(jié)流邊關(guān)小,ps和CL節(jié)流邊開(kāi)大,使輸出壓力提高。③階躍升壓階段——從②階段末開(kāi)始至油缸的油壓急劇升到系統(tǒng)油壓,時(shí)間極短。在該階段中,調(diào)壓閥與緩沖閥芯右端相接觸,緩沖彈簧變形量不再增加,調(diào)壓閥與緩沖閥芯相當(dāng)于構(gòu)成一體,由于調(diào)壓閥直徑大于緩沖閥芯,因此在輸出油壓的作用下推動(dòng)調(diào)壓閥將ps和CL油口迅速開(kāi)大,形成“階躍升壓”?！半A躍升壓”階段是為了保證換檔離合器具有足夠的力矩儲(chǔ)備,當(dāng)“緩沖升壓”階段結(jié)束后,緩沖閥的進(jìn)油節(jié)流邊全部打開(kāi),使油壓急劇升到系統(tǒng)壓力;因該階段之前換檔過(guò)程已經(jīng)結(jié)束,所以對(duì)換檔品質(zhì)的好壞也沒(méi)有影響。在離合器分離過(guò)程中,通過(guò)ECU使電磁閥斷電,實(shí)現(xiàn)切換油路,控制繼動(dòng)閥推到右端工作位置,使緩沖閥芯將進(jìn)油口關(guān)閉,而輸出油口CL和回油口T接通,離合器在回位彈簧的作用下放油,使離合器分離。通過(guò)離合器充油和放油控制,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的換檔操作。3緩沖閥芯、調(diào)壓閥芯模型的建立本文假定:(1)電磁閥和繼動(dòng)閥的動(dòng)作在瞬間完成。(2)忽略油液的可壓縮性和摩擦力與油道泄漏的影響。按照系統(tǒng)組成,分別建立了緩沖閥芯、調(diào)壓閥芯的數(shù)學(xué)模型。(3)忽略電磁閥和繼動(dòng)閥快速響應(yīng)所需時(shí)間的影響。3.1緩沖閥芯流量q方程緩沖閥芯的運(yùn)動(dòng)方程:m1¨x1+B1˙x1+p1A1=Κ(x0+x2-x1)m1x¨1+B1x˙1+p1A1=K(x0+x2?x1)式中:m1——緩沖閥芯及其隨動(dòng)部分的質(zhì)量;x0——緩沖彈簧初始?jí)嚎s量;x1——緩沖閥芯的位移;x2——調(diào)壓閥芯的位移;K——緩沖彈簧剛度;B1——粘性阻尼系數(shù);p1——緩沖閥芯左端壓力;A1——緩沖閥芯左端承壓面積;其它參數(shù)同前。如圖2a所示,在快速充油階段和階躍升壓階段,緩沖閥芯工作在進(jìn)油口A的閥口節(jié)流工作狀態(tài),流經(jīng)閥口A的流量Q方程為:Q=CdπdxV√2ρ(ps-pCL)Q=CdπdxV2ρ(ps?pCL)??????????√式中:d——緩沖閥芯直徑;xV——閥口開(kāi)度;ps——油源系統(tǒng)工作壓力,為恒定值;pCL——緩沖閥輸出壓力;Cd——流量系數(shù);ρ——油液密度;其它參數(shù)同前。當(dāng)離合器摩擦片被壓緊后,進(jìn)入到緩沖升壓階段,此時(shí)流過(guò)節(jié)流邊A的流量很小,緩沖閥芯處于雙邊節(jié)流工作狀態(tài),即進(jìn)油口節(jié)流邊A和回油口節(jié)流邊B均處于節(jié)流工作狀態(tài),如圖2b所示。且有QA≈QB,也就是:QA=πdδ3(ps-pCL)12μ(a-x)=QB=πdδ3pCL12μxQA=πdδ3(ps?pCL)12μ(a?x)=QB=πdδ3pCL12μx式中:δ——緩沖閥芯與閥孔的間隙;a——重疊量,即C和D之間的距離減去A和B之間的距離,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,當(dāng)a>0時(shí)為正重疊,當(dāng)a<0時(shí)為負(fù)重疊,當(dāng)a=0時(shí)為零重疊,本文采用正重疊結(jié)構(gòu)形式;μ——油液的動(dòng)力粘度;x——B與D之間距離;其它參數(shù)同前。由此可以得出:pCL=xa(x≤a)pCL=xa(x≤a)緩沖閥芯上的節(jié)流孔O1為細(xì)長(zhǎng)孔,通過(guò)它的流量Q1表達(dá)式為:Q1=πd41128μL(pCL-p1)式中:d1——反饋油孔O1的直徑;L——節(jié)流孔O1的長(zhǎng)度;其它參數(shù)同前。3.2調(diào)壓閥芯流量的特性調(diào)壓閥芯的運(yùn)動(dòng)方程:m2¨x2+B2˙x2+p2A2=Κ(x0+x2-x1)式中:m2——調(diào)壓閥芯及其隨動(dòng)部分的質(zhì)量;B2——粘性阻尼系數(shù);p2——調(diào)壓閥芯右端壓力;A2——調(diào)壓閥芯右端承壓面積;其它參數(shù)同前。節(jié)流孔O2為薄壁孔,通過(guò)它的流量Q2表達(dá)式為:Q2=Cdα2√2ρ(pCL-p2)式中:α2——節(jié)流孔O2的通流面積;其它參數(shù)同前。3.3流量平衡當(dāng)只關(guān)心緩沖閥的特性時(shí),其流量平衡方程為:Q=Q2-Q1,Q1=A1˙x1,Q2=A2˙x24仿真和試驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程,利用MATLAB中SIMULINK求解緩沖閥輸出壓力pCL隨時(shí)間t的變化規(guī)律。采用15W/40CD潤(rùn)滑油,油溫50℃,流量系數(shù)Cd=0.65,緩沖閥芯直徑為16mm,調(diào)壓閥芯的直徑為25mm,緩沖彈簧的剛度為4.305N/mm,反饋油孔O1的直徑d1=1mm,節(jié)流孔O2的直徑0.8mm,且x0=16mm,x2=19mm,分別對(duì)重疊量a值為2.2mm和0.14mm時(shí)進(jìn)行緩沖閥動(dòng)態(tài)特性計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn),快速充油、緩沖升壓和階躍升壓三個(gè)階段緩沖閥特性的仿真計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3a和圖4a所示,快速充油階段的仿真計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3b和圖4b所示。對(duì)比仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果,仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,說(shuō)明所設(shè)計(jì)的液壓緩沖閥能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的緩沖特性,所采用的數(shù)學(xué)模型和仿真計(jì)算方法能夠反映液壓緩沖閥的動(dòng)態(tài)特性。此外,油液溫度、緩沖閥芯上反饋油孔O1的直徑d1對(duì)快速充油階段響應(yīng)特性影響較大,在快速充油階段的仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從仿真結(jié)果可以看出,隨著油液溫度的升高、反饋油孔O1的直徑d1的增大和重疊量a減小,快速充油階段的壓力性能響應(yīng)速度提高,因此有利于減小換檔離合器在快速充油階段的時(shí)間,減小換檔過(guò)程中動(dòng)力損失的程度。結(jié)合圖1、圖3和圖5,在結(jié)構(gòu)和加工精度允許的條件下,應(yīng)盡可能將反饋油孔O1的直徑d1增大和重疊量a減小,但a的絕對(duì)值越小系統(tǒng)響應(yīng)速度越快,而加工精度要求較高。5仿真結(jié)果對(duì)換檔系統(tǒng)性能的影響本文針對(duì)為重型車(chē)輛所設(shè)計(jì)的換檔離合器液壓緩沖閥,建立了其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型并利用MATLAB中SIMULINK對(duì)緩沖閥的動(dòng)態(tài)性能及其影響因素進(jìn)行了分析。通過(guò)仿真分析,能夠較為準(zhǔn)確地了解液壓緩沖閥的充油特性和離合器所組成的換檔系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律,以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。(1)結(jié)合動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了建模和仿真計(jì)算方法的正確和有效性。通過(guò)仿真分析,能夠較為準(zhǔn)確地了解液壓緩沖閥的充油特性和離合器所組成的換檔系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律,以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響,所得到的仿真結(jié)果可以用于車(chē)輛動(dòng)力換檔離合器與液壓系統(tǒng)的性能匹配和性能預(yù)測(cè)。(2)油液溫度、緩沖閥芯上反饋油孔