裝載機變速器液壓系統(tǒng)分析

張凱華，田晉躍，蘭士新，周平

(1. 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013;2. 總裝工程兵科研一所，江蘇無錫214035)

0 前言

某裝載機變速器液壓系統(tǒng)，由液力變矩器、換擋離合器、液壓操縱系統(tǒng)等構(gòu)成，變速器換擋過程是由液壓操縱系統(tǒng)控制換擋離合器的結(jié)合或分離來完成的。離合器的結(jié)合、分離的時間不當(dāng)會導(dǎo)致?lián)Q擋不平穩(wěn)，搭接過早會造成動力干涉，過晚會產(chǎn)生動力中斷。因此，準確分析變速器液壓系統(tǒng)、換擋離合器結(jié)合過程中的油壓變化，及換擋離合器結(jié)合、分離時序非常重要。

1 變速器液壓系統(tǒng)工作原理

變速器液壓系統(tǒng)由液力變矩器、換擋離合器、液壓操縱系統(tǒng)等組成，該變速器液壓系統(tǒng)如圖1 所示，主調(diào)壓系統(tǒng)是由1 個三聯(lián)閥組成，三聯(lián)閥由主壓力閥，進口壓力閥和出口壓力閥等組成，3 個液壓閥分別控制主油壓、變矩器入口油壓和變矩器出口油壓。油泵來的液壓油一部分送給變速操縱閥實現(xiàn)變速，另一部分通過壓力調(diào)節(jié)閥進入變矩器傳遞動力，當(dāng)油壓超過一定壓力時，進口壓力調(diào)節(jié)閥被打開，油流回變速器油底殼。變速器換擋靠變速器操縱閥的油路，控制6 個離合器的結(jié)合或分離，得到前四后四不同速度，每個擋位均需要同時結(jié)合兩個離合器才能傳遞動力。

圖1 變速器液壓系統(tǒng)原理圖

2 變速器調(diào)壓系統(tǒng)分析

該變速器的主調(diào)壓和液力變矩器調(diào)壓系統(tǒng)主要有三聯(lián)閥來完成，三聯(lián)閥結(jié)構(gòu)如圖2 所示，三聯(lián)閥安裝在變矩器齒輪箱上，由主壓力閥、變矩器進、出口壓力閥組成。3 個閥的作用和控制的壓力各不相同:主壓力閥用來保證變速器換擋離合器的工作油路壓力在1.4 ～1.7 MPa 范圍內(nèi)，以便操縱變速器的換擋離合器。進口壓力閥設(shè)在變矩器的進口處，工作壓力為0.6 ～0.65 MPa，其作用是通過閥前壓力的變化調(diào)節(jié)進入變矩器內(nèi)油液的流量。出口壓力閥的工作壓力為0.15 ～0.25 MPa，用保證變矩器循環(huán)圓內(nèi)具有一定壓力的油液，以防止變矩器內(nèi)進入空氣對變矩器產(chǎn)生氣蝕。

圖2 三聯(lián)閥結(jié)構(gòu)圖

發(fā)動機工作時，帶動變速變矩主液壓泵工作。液壓泵將油液從變速器油底殼吸入，壓力油經(jīng)單向閥到達三聯(lián)閥。一部分壓力油被送至變速操縱閥，用來操縱變速器的換擋離合器，實現(xiàn)換擋變速。另一部分壓力油進入三聯(lián)閥A 腔，當(dāng)油壓升高到1.4 ～1.7 MPa時，打開主壓力閥，經(jīng)閥內(nèi)徑向孔到B 腔，然后經(jīng)變矩器配油盤油道進入變矩器，當(dāng)壓超過0.6 ～0.65 MPa 時，打開進口壓力閥，多余的油經(jīng)油管流回變速器。變矩器的高溫油經(jīng)配油盤與渦輪軸構(gòu)成的油道進入出口壓力閥C 腔，當(dāng)壓力達到0.15 ～0.25 MPa 時，打開出口壓力閥，由D 腔通過油管到散熱器。

圖3 調(diào)壓系統(tǒng)的AMESim 模型

在AMESim 中建立三聯(lián)閥調(diào)壓系統(tǒng)模型如圖3 所示，圖4 為發(fā)動機的輸入轉(zhuǎn)速。圖5 為流向離合器操縱閥的油液壓力變化曲線，由仿真曲線可以得到:經(jīng)過調(diào)節(jié)主油壓在0.1 s 左右就穩(wěn)定在1.5 MPa 左右，且隨著油泵的轉(zhuǎn)速升高，進入系統(tǒng)的油液量增加，但油壓保持穩(wěn)定沒有出現(xiàn)較大波動。圖6 為變矩器入口和出口調(diào)壓曲線，進口壓力在0.3 s 左右穩(wěn)定在0.64 MPa 左右，出口壓力在0.3 s 左右穩(wěn)定在0.25 MPa 左右，且隨著油液流量的變化進出口的油壓都能維持在要求的范圍內(nèi)。

圖4 發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線

圖5 主油壓調(diào)節(jié)曲線

圖6 變矩器入口和出口調(diào)壓曲線

3 濕式換擋離合器

3.1 濕式換擋離合器工作原理

換擋離合器工作原理:換擋離合器結(jié)構(gòu)如圖7 所示，換擋離合器工作過程中，由變速器操縱閥來的壓力油進入油道12，然后進入活塞8，推動右活塞，使內(nèi)摩擦片總成7 和外摩擦片6 結(jié)合，右側(cè)聯(lián)齒輪與換擋軸2 形成一體，把聯(lián)齒輪得到的動力通過齒輪3 傳遞到下一級。當(dāng)變速器操縱閥切斷該油路時，右活塞在螺旋彈簧11 作用下回位，同時活塞室內(nèi)油液通過泄油閥9 瀉出。使內(nèi)、外摩擦片脫離，聯(lián)齒輪自由旋轉(zhuǎn)，不傳遞動力。

圖7 濕式換擋離合器結(jié)構(gòu)圖

圖8 濕式換擋離合器原理圖

3.2 濕式換擋離合器活塞動力學(xué)方程

離合器結(jié)合過程分為三個階段，第一階段離合器消除間隙階段，第二、三階段離合器摩擦片工作壓力的增長階段，接合完成后壓力保持的階段。

第一階段:

第二階段:

第三階段:

式中:mp為活塞及隨動部分質(zhì)量之和;

xp為活塞位移，xp0為離合器油缸回位彈簧的初始被壓縮量，xpmax為活塞運動到最大位移處，x·p 為活塞的速度，為活塞的加速度;

cp為黏性阻尼系數(shù)，與油液黏度等因素有關(guān);

kp為回位彈簧剛度;

Fp為液體作用在活塞上的力;

Fc為活塞施加于摩擦片的作用力。

忽略離合器油缸、油路的泄漏損失，假設(shè)充油過程中壓力油溫度不變，離合器活塞運動過程壓力油流量平衡方程:

在第一階段離合器活塞運動過程中，離合器的流體連續(xù)性方程為

結(jié)合過程的第二、第三階段，忽略摩擦片的彈性變形，則油缸活塞不再移動，即=0，此時離合器的流體連續(xù)性方程為:

式中:Qc為離合器油缸的液壓油輸入流量;

β 為壓力油的有效體積彈性模量;

Ap為離合器油缸活塞截面積;

V0為xp=0 時離合器油缸初始體積和離合器供油管路體積的總和;

pc為離合器油缸的控制油液壓力。

在該離合器調(diào)壓系統(tǒng)中采用換向閥是由高速開關(guān)電磁閥作為先導(dǎo)控制，如圖9 所示的原理圖，閥端作用著彈簧另一端受電磁閥的先導(dǎo)油壓作用。當(dāng)高速開關(guān)電磁閥不通電時，換向閥在右側(cè)彈簧的作用下處于左位，換向閥不通，當(dāng)高速電磁閥通電，高速閥球閥打開，油液經(jīng)過電磁閥流入開關(guān)閥的控制腔，隨著流入的液壓油增多壓力增大，當(dāng)控制腔的壓力足夠大時將推動換向閥閥芯克服彈簧力向右移動，此時液壓油就能經(jīng)過換向閥進入離合器，控制離合器的結(jié)合。因此可以通過電磁閥的脈寬調(diào)制(PWM)來控制進入控制腔的油液流量，進而控制通過換向閥進入離合器的油液流量來控制離合器油壓的變化。

圖9 離合器調(diào)壓系統(tǒng)原理圖和仿真圖

離合器油壓控制AMESim 模型如圖9 所示，為了方便研究，現(xiàn)將液壓控制系統(tǒng)進行簡化，將其簡化為操縱閥控制單個離合器，壓力源P 是通過調(diào)壓三聯(lián)閥進入離合器的油壓。仿真結(jié)果如圖10 所示表明離合器液壓缸壓力分為三個階段，充油階段，0.4 s 時油液進入離合器內(nèi)部，消除內(nèi)部間隙;第二階段活塞開始克服彈簧并逐漸壓緊摩擦片，離合器液壓缸壓力開始逐漸上升，此時摩擦片處于滑磨階段;第三階段缸內(nèi)壓力迅速增長，直到擋位所需的控制壓力。

圖10 離合器結(jié)合、分離壓力變化曲線

4 變速器液壓系統(tǒng)模型及仿真分析

利用AMESim 建立液壓系統(tǒng)模型如圖11 所示，變速器液壓控制系統(tǒng)由三聯(lián)閥、多路換向閥、高速開關(guān)電磁閥、換擋離合器組成。三聯(lián)閥主要調(diào)節(jié)系統(tǒng)主壓力，使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在一定值，換向閥主要起到換向作用，變速器換擋過程是由液壓操縱系統(tǒng)控制換擋離合器的結(jié)合或分離。通過給定相應(yīng)電磁閥信號可實現(xiàn)變速器換擋，分析前進4 個擋位，仿真時間100 s，由仿真結(jié)果表明，10 s 開始，離合器L1、L6 開始結(jié)合，液壓油先消除離合器內(nèi)部間隙，然后摩擦片開始結(jié)合，離合器液壓缸內(nèi)部壓力增長，到最后L1、L6 離合器內(nèi)壓力保持不變，結(jié)合完成，變速器處于一擋。30 s 開始，離合器L1 泄油，開始分離，離合器L2 開始結(jié)合，離合器L6 壓力保持不變，L6 結(jié)合、L1 分離完成，實現(xiàn)變速器二擋。50 s 開始離合器L1開始結(jié)合、L2 開始分離，離合器L5 開始結(jié)合、L6開始分離，結(jié)合、分離完成實現(xiàn)變速器三擋。90 s 開始，離合器L1 開始分離、L2 開始結(jié)合，離合器L5保持不變，分離、結(jié)合完成，實現(xiàn)變速器四擋。由分析可知，換擋過程是由液壓操縱系統(tǒng)控制換擋離合器的結(jié)合或分離來完成的。離合器的結(jié)合、分離的時間不當(dāng)會導(dǎo)致?lián)Q擋不平穩(wěn)，搭接過早會造成動力干涉，過晚會產(chǎn)生動力中斷。離合器的分離、結(jié)合時序?qū)τ谧兯倨鲹Q擋至關(guān)重要。為了追求最佳的離合器結(jié)合、分離時序，換擋過程采用電子控制系統(tǒng)如圖18 所示，通過采集離合器缸內(nèi)油壓，通過電子控制系統(tǒng)分析油壓變化規(guī)律，計算出開關(guān)電磁閥信號通電斷電時刻，從而達到離合器最佳的結(jié)合、分離時序。

圖11 變速器液壓系統(tǒng)仿真模型

圖12 離合器L1 內(nèi)的壓力曲線

圖13 離合器L2 內(nèi)的壓力曲線

圖14 離合器L3 內(nèi)的壓力曲線

圖15 離合器L4 內(nèi)的壓力曲線

圖16 離合器L5 內(nèi)的壓力曲線

圖17 離合器L6 內(nèi)的壓力曲線

圖18 變速器液壓系統(tǒng)電子控制圖

5 結(jié)論

通過對某裝載機變速器的液壓系統(tǒng)分析、建模和仿真，分析了采用三聯(lián)閥的主調(diào)壓系統(tǒng)，能使系統(tǒng)壓力達到一定值且保持不變，調(diào)壓效果滿足要求;理論分析了換擋離合器結(jié)合過程分3 個階段完成，用AMESim 仿真驗證了離合器結(jié)合、分離過程，且滿足壓力要求;分析了液壓整個控制系統(tǒng)，驗證變速器換擋過程是由液壓操縱系統(tǒng)控制換擋離合器的結(jié)合或分離，且離合器結(jié)合、分離時序?qū)τ趽Q擋有重要影響。

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