車用音圈式比例減壓閥試驗(yàn)研究

(1. 北京理工大學(xué) 車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081； 2. 重慶長安新能源汽車有限公司 動(dòng)力研究院， 重慶 401133)

引言

電液控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性直接影響著自動(dòng)變速器的換擋品質(zhì)與精度[1-2]。目前，對自動(dòng)變速器的控制多采用電液比例減壓閥實(shí)現(xiàn)離合器或制動(dòng)器的結(jié)合與分離[3-4]，然而電液比例減壓閥很難實(shí)現(xiàn)大流量或高壓下的直接驅(qū)動(dòng)。音圈電機(jī)是一種將直流電信號轉(zhuǎn)換成直線位移而無需中間形式能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的裝置，具有響應(yīng)速度快、力特性好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)[5-6]，因此廣泛應(yīng)用于超精密加工、半導(dǎo)體設(shè)備、光學(xué)系統(tǒng)以及高頻響的控制閥系統(tǒng)等領(lǐng)域[7]。

目前，國外研制音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)比例閥主要是Parker公司，其頻寬達(dá)到了350 Hz，額定流量為40 L/min。WU等[8]也研究了一種高頻響音圈電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)電液閥，通過仿真與試驗(yàn)分析了其動(dòng)態(tài)特性。GUO等[9]研究了基于音圈電機(jī)的高頻響直接驅(qū)動(dòng)電液閥，并指出其具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性。張立強(qiáng)等[10]運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制對音圈電機(jī)直驅(qū)閥進(jìn)行了研究，仿真結(jié)果顯示，很好的縮短了響應(yīng)時(shí)間和調(diào)整時(shí)間且無超調(diào)，極大的改善了音圈電機(jī)直驅(qū)閥。王大彧[11]采用模糊非線性PID控制器研究了音圈電機(jī)直驅(qū)閥，結(jié)果表明，具有更優(yōu)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。GILLELLA等[12]研究表明直接驅(qū)動(dòng)電液閥的音圈電機(jī)在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)都能夠?qū)崿F(xiàn)較高的控制精度。

為了提高車輛傳動(dòng)系統(tǒng)性能，以車用音圈式比例減壓閥為研究對象，開展了車用音圈式比例減壓閥動(dòng)態(tài)性能的試驗(yàn)測試工作。首先建立了音圈電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合試驗(yàn)研究了音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性。在車用音圈式比例減壓閥樣機(jī)測試的基礎(chǔ)上，通過與傳統(tǒng)比例減壓閥的對比，對音圈式比例減壓閥的階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性進(jìn)行了研究，以期為車輛控制用電液控制元件設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 基本原理

音圈式比例減壓閥的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由音圈電機(jī)、比例減壓閥兩部分構(gòu)成。音圈電機(jī)由線圈體、磁缸以及推桿組成，比例減壓閥由閥體、閥芯和復(fù)位彈簧等組成。

圖1 音圈式比例減壓閥的基本結(jié)構(gòu)

當(dāng)音圈電機(jī)未通入電流時(shí)，音圈電機(jī)線圈體不受洛倫茲力，電機(jī)推桿靜止不動(dòng)，比例電磁閥閥芯位移為0。當(dāng)音圈電機(jī)輸入一定大小的電流，音圈電機(jī)線圈體受洛倫茲力作用帶動(dòng)推桿向右移動(dòng)，推動(dòng)比例減壓閥閥芯右移，從而打開比例減壓閥工作油口A，此時(shí)進(jìn)油口P的油液流入工作油口，實(shí)現(xiàn)壓力的穩(wěn)定輸出。

根據(jù)上述音圈式比例減壓閥的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了音圈電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

音圈電機(jī)的工作過程是電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程，其電路存在外部電壓與電阻電壓、反向電動(dòng)勢和感生電動(dòng)勢之間的電壓平衡關(guān)系，其等效電路如圖2所示。

圖2 音圈電機(jī)等效電路圖

(1)

式中，u—— 外部電壓

R—— 線圈電阻

L—— 線圈電感

i—— 線圈電流

em—— 反向電動(dòng)勢

音圈電機(jī)的電磁力來自于通電線圈在磁場中受到的洛倫茲力，其表達(dá)式為：

Fe=Bil

(2)

式中，F(xiàn)e—— 音圈電機(jī)的電磁力

B—— 磁感應(yīng)強(qiáng)度

l—— 線圈長度

減壓閥的閥芯的平衡位置時(shí)的受力平衡方程式可以表示為：

Fe=Fp+Fx

(3)

Fp=pA·SA

(4)

Fx=k·(x+x0)

(5)

式中，F(xiàn)p—— 減壓閥反饋腔的壓力

Fx—— 復(fù)位彈簧力

pA—— 工作油口壓力

SA—— 反饋腔面積

k—— 復(fù)位彈簧剛度

x—— 減壓閥閥芯位移

x0—— 復(fù)位彈簧預(yù)壓縮量

2 試驗(yàn)裝置

為了研究音圈式比例減壓閥的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行了音圈式比例減壓閥和傳統(tǒng)比例減壓閥的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，包括階躍響應(yīng)與頻率響應(yīng)試驗(yàn)。音圈式比例減壓閥的試驗(yàn)裝置，如圖3所示，主要由XVLC80-06-00A型音圈電機(jī)、比例減壓閥、壓力傳感器、電流傳感器、液壓泵站、控制器以及數(shù)據(jù)采集裝置組成。

表1為所研究的音圈式比例減壓閥的系統(tǒng)參數(shù)。試驗(yàn)過程中，調(diào)節(jié)液壓泵站供油壓力2.5 MPa，通過控制器給音圈電機(jī)輸入不同的電流信號， 音圈電機(jī)推桿在洛倫茲力的作用下推動(dòng)比例減壓閥的閥芯移動(dòng)，進(jìn)而打開減壓閥的工作油口。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后維持一段時(shí)間進(jìn)行斷電卸壓。壓力傳感器直接測量工作油口處壓力，電流傳感器實(shí)時(shí)測量控制器輸入到音圈電機(jī)的電流大小，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集裝置內(nèi)。傳統(tǒng)比例減壓閥的試驗(yàn)裝置不同之處在于采用傳統(tǒng)的比例電磁鐵對減壓閥進(jìn)行控制。

圖3 音圈式比例減壓閥試驗(yàn)裝置

參數(shù)數(shù)值最大電流/A6.3最大電壓/V33.6最大推力N80持續(xù)推力/N22.6總行程/mm6.3電感/mH1.02直流電阻/Ω4.8力常數(shù)/N·A-112.7線圈外徑/mm33.8減壓閥通徑/mm4

3 結(jié)果與討論

3.1 推力特性

圖4為音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性試驗(yàn)與仿真對比曲線。試驗(yàn)過程中，分別采集音圈電機(jī)上升過程與下降過程中不同電流值對應(yīng)的推力大小，并與仿真結(jié)果對比。結(jié)果表明，音圈電機(jī)的推力和電流呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，但是在上升與下降階段推力略有差別，下降階段的推力略高于上升階段的推力，這是因?yàn)橐羧﹄姍C(jī)存在遲滯特性。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型的可行性。

圖4 音圈電機(jī)靜態(tài)推力-電流特性

3.2 階躍響應(yīng)

音圈式比例減壓閥和傳統(tǒng)比例減壓閥的壓力階躍特性曲線如圖5和圖6所示，試驗(yàn)過程中，使兩種減壓閥的壓力分別達(dá)到1.6 MPa。從圖5中可以看出音圈式比例減壓閥的壓力上升時(shí)間為7 ms左右，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間約為70 ms。傳統(tǒng)比例減壓閥壓力上升的時(shí)間為15 ms左右，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間約為80 ms。音圈式比例減壓閥的壓力波動(dòng)峰值低于傳統(tǒng)比例減壓閥。

從圖6中可以看出音圈式比例減壓閥的壓力下降時(shí)間僅需15 ms左右，而傳統(tǒng)比例減壓閥的壓力下降達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間約為100 ms。試驗(yàn)結(jié)果表明，音圈式比例減壓閥階躍響應(yīng)速度明顯快于傳統(tǒng)比例減壓閥，階躍上升階段時(shí)間縮短了53.3%，下降階段時(shí)間縮短了85%。

試驗(yàn)過程中，音圈式比例減壓閥和傳統(tǒng)比例減壓閥的電流差異主要由音圈電機(jī)與比例電磁鐵的電流-力特性的差異引起的。由于所選用的音圈電機(jī)的力常數(shù)為12.7 N/A，所以為了使減壓閥壓力響應(yīng)達(dá)到1.6 MPa，所需的工作電流為1.9 A。而對于比例電磁鐵，當(dāng)輸入電流為0.4 A時(shí)，其輸出力為20 N，此時(shí)減壓閥的壓力響應(yīng)達(dá)到1.6 MPa。減壓閥的輸出壓力直接由壓力傳感器測量，因此壓力形成的時(shí)間主要包括比例電磁鐵或音圈電機(jī)作用在閥芯的時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明，音圈式比例減壓閥的階躍特性優(yōu)于傳統(tǒng)比例減壓閥。音圈式比例減壓閥的下降時(shí)間明顯低于傳統(tǒng)比例減壓閥，這是因?yàn)楸壤姶盆F一般由磁場滯后于電流的時(shí)間和銜鐵運(yùn)動(dòng)的時(shí)間組成，當(dāng)電流撤去之后，比例電磁鐵由于磁滯現(xiàn)象無法瞬間撤去推力。而音圈電機(jī)是由永磁體提供磁場，在下降階段，音圈電機(jī)電流撤去，其推力也瞬間撤去，下降過程主要由線圈動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間決定。

圖5 階躍上升過程

3.3 頻率響應(yīng)

音圈式比例減壓閥和傳統(tǒng)比例減壓閥的壓力頻率響應(yīng)特性曲線如圖7所示。試驗(yàn)過程中，通過控制器輸入頻率為5 Hz的電流信號，使壓力上下幅值為1.5 MPa和0.3 MPa。

圖6 階躍下降過程

從圖7中可以看出，音圈式比例減壓閥的頻率響應(yīng)特性也優(yōu)于傳統(tǒng)比例減壓閥。在5 Hz的信號輸入條件下，兩種減壓閥的壓力波形均出現(xiàn)了較小的波動(dòng)。音圈式比例減壓閥的壓力能夠很好的跟隨電流且相位滯后不明顯，而傳統(tǒng)比例減壓閥的壓力與電流存在約30 °的相位滯后。

4 結(jié)論

研究了一種車用音圈式比例減壓閥，結(jié)合樣機(jī)與傳統(tǒng)比例減壓閥試驗(yàn)對音圈式比例減壓閥進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性研究。結(jié)果表明，音圈式比例減壓閥的動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于傳統(tǒng)比例減壓閥。音圈式比例減壓閥的階躍上升時(shí)間為7 ms左右，階躍下降時(shí)間僅為15 ms左右，而傳統(tǒng)比例減壓閥階躍上升時(shí)間約為15 ms，階躍下降時(shí)間約為100 ms。在5 Hz以下的低頻區(qū)，音圈式比例減壓閥的相位滯后不明顯，而傳統(tǒng)比例減壓閥在5 Hz存在30 °的相位滯后。音圈式比例減壓閥可提高車輛電液系統(tǒng)壓力控制精度。

圖7 頻率響應(yīng)特性