基于ABAQUS的混合動力合成箱液壓閥板密封性分析

曹方迪，徐章祿，張彤

(科力遠(yuǎn)混合動力技術(shù)有限公司，上海 201500)

0 引言

混合動力合成箱是搭載在混合動力汽車上的自動變速器，某公司自主研發(fā)的混合動力合成箱采用功率分流式液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[1]，其中液壓換擋系統(tǒng)是動力合成箱中的核心部件，將整車控制器的換擋信號轉(zhuǎn)換為各個離合器的扭矩輸出，實(shí)現(xiàn)整車的換擋動作，并保證整箱的冷卻潤滑。所以液壓換擋系統(tǒng)是整車控制與合成箱總成銜接的紐帶，其性能指標(biāo)直接關(guān)系到整車的操縱平順性與舒適性[2]。

液壓換擋系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)和換擋元件兩大部分組成[3]。液壓系統(tǒng)的主要功能有：系統(tǒng)提供液壓動力源，控制各個換擋油路的壓力，用于控制離合器結(jié)合壓緊力控制駐車機(jī)構(gòu)動作，分配冷卻、潤滑油路的流量等；換擋元件由兩個離合器、一個制動器、一個多模離合器組成，其作用是根據(jù)液壓系統(tǒng)的壓力特性，輸出系統(tǒng)所需的扭矩。

液壓閥板是液壓系統(tǒng)的核心控制部件，將主調(diào)壓閥、先導(dǎo)電磁調(diào)壓閥、旁通閥、安全溢流閥、限壓閥、開關(guān)閥、換擋調(diào)壓閥、液控?fù)Q向閥進(jìn)行集成，運(yùn)用比例控制技術(shù)[4]，實(shí)現(xiàn)壓力的控制和流量的分配。液壓閥板將各個閥體進(jìn)行高度集成，為保證各油路的控制壓力和各閥體的工作性能，實(shí)現(xiàn)扭矩的準(zhǔn)確輸出和各換擋動作的順利完成，就要驗(yàn)證液壓閥板的密封性。作者利用ABAQUS有限元分析軟件對合成箱中液壓閥板進(jìn)行分析，通過其接觸狀態(tài)和應(yīng)力變化來計(jì)算液壓閥板的內(nèi)部泄漏量，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性。

1 計(jì)算液壓閥板泄漏量

液壓閥板由上閥板、中間隔板和下閥板組成，如圖1所示。

圖1 液壓閥板結(jié)構(gòu)組成

上、下閥板上均集成控制閥體，上、下閥板和中間隔板的連接方式為螺栓連接，中間不設(shè)有密封墊或者密封環(huán)，其密封方式依靠螺栓的預(yù)緊力。該密封方式有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便的優(yōu)勢，卻存在零件工藝、加工要求、螺栓選型和布局較高要求的弊端。在液壓回路系統(tǒng)中，其主要的壓力損失一方面由液阻產(chǎn)生，另一方面由密封性不良引起[5]。閥板內(nèi)流動的油液和流經(jīng)閥板的油液在流動時因液壓油本身固有的黏度阻力而產(chǎn)生壓力損失，因此產(chǎn)生的壓力損失為液壓油的本質(zhì)屬性，無法避免。為減少液壓回路系統(tǒng)中的壓力損失，液壓閥板的密封性成為衡量其工作性能的重要指標(biāo)。

1.1 液壓閥板的油路組成

液壓閥板為各個液壓閥體油路的集成，為了滿足閥體工作油壓需求，閥板上設(shè)有油壓不同且相互獨(dú)立的油路，并與閥板外的執(zhí)行元件后隔板、箱體相通。具體的油路布局如圖2所示。

圖2 液壓閥板油路組成

由圖2可知：液壓閥板的油路分為高壓油路和低壓油路，閥體將高壓油作用到換擋元件上，給換擋元件提供工作動力并釋放能量，隨后通過油路流經(jīng)動力合成箱中的其他工作部件，進(jìn)行冷卻和潤滑作用，再流回液壓閥板形成工作循環(huán)。由此可知，液壓閥板在工作狀態(tài)中主要的作用是保證高壓油路的壓力，降低高壓油路壓力損失。

1.2 液壓閥板的泄漏量計(jì)算

由圖1中可知，液壓閥板整體由3個部分組成，其中上閥板和中間隔板、下閥板和中間隔板分別形成了兩個平行平板縫隙流動。在液壓閥板上取平行平板中的一個微小單元進(jìn)行縫隙泄漏量的分析。如圖3所示，在上閥板和中間隔板中取一段，其中兩板之間的間隙為h，寬度和長度分別為b和l，且一般恒有b>>h和l>>h。油液產(chǎn)生流動有兩種方式：(1)平行平板間左右兩端存在壓差Δp=p1-p2；(2)平行平板間不存在壓差Δp，但兩平行平板間存在相對運(yùn)動，由于油液具有一定的黏性，液壓油會被平板帶動。綜合兩種液壓油的流動方式計(jì)算平板間隙產(chǎn)生的泄漏量。

在液壓油流體中取一個單元dx、dy(寬度方向上取單位長度)，作用在流體單元左右兩個端面上的壓力為p和p+dp，上、下兩端面受到的切應(yīng)力為τ+dτ和τ，其受力情況如圖3所示。

由微單元的受力情況，得到該微元體的受力平衡方程：

pdy+(τ+dτ)dx=(p+dp)dy+τdx

(1)

圖3 微單元受力情況

(2)

式中：μ為液體的動力黏度，Pa·s。

對式(2)積分兩次得到：

(3)

式中：C1、C2為積分常數(shù)，可利用邊界條件求出。當(dāng)平行平板間的相對運(yùn)動速度為u0時，在y=0處，u=0，在y=h處，u=u0，則解得C1、C2的值：

C2=0

(4)

此外，假設(shè)液體為層流，壓力p是x的線性函數(shù)，則存在p和x的比例關(guān)系：

(5)

將式(5)代入到式(3)整理得到：

(6)

由此得通過平行平板縫隙的泄漏量[6]：

(7)

由于油壓存在兩種流動方式，所以當(dāng)平行平板間沒有相對運(yùn)動時，油液的流動則為壓差引起，這種情況稱為壓差流動，其泄漏量[7]：

(8)

當(dāng)縫隙兩端不存在壓差時，油液的流動就為平板的運(yùn)動引起的，這種情況稱為剪切流動，其泄漏量[7]為

在計(jì)算液壓閥板的縫隙流量時，由于液壓上、下閥板和中間隔板均由螺栓固定，不存在平行平板運(yùn)動的情況，所以采用式(8)來計(jì)算文中液壓閥板的泄漏量，在壓差的作用下，流經(jīng)縫隙的泄漏量與縫隙高度的3次方呈正比，即閥板間的縫隙大小對泄漏量影響很大。所以在對液壓閥板進(jìn)行有限元分析的過程中，要得到上、下閥板與中間隔板的剛度位移及對應(yīng)位移量的壓力差。

2 建立有限元模型

采用行業(yè)內(nèi)通用的有限元分析軟件ABAQUS[8-11]對該液壓閥板進(jìn)行密封性分析，通過其剛度位移和面壓的變化計(jì)算閥板的泄漏量，對比計(jì)算的泄漏量和允許的泄漏量，判斷其密封性能。

在對液壓閥板進(jìn)行分析的過程中，不僅需要液壓閥板的實(shí)體模型，還需要與其相互聯(lián)系和作用的后隔板和箱體。在有限元分析的過程中，要充分考慮到重點(diǎn)分析元件和其他關(guān)聯(lián)元件的相互作用。因?yàn)橛邢拊治霰旧砭痛嬖谡`差，這種誤差存在于每一個參數(shù)的設(shè)置中，為了盡量減少誤差避免剛性連接，要將與分析元件有關(guān)的關(guān)聯(lián)元件一起放入分析中?？紤]到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和運(yùn)行內(nèi)存，如果關(guān)聯(lián)元件過大，也可以將關(guān)聯(lián)元件進(jìn)行切割，留下與分析元件相連接的部分即可。文中將分析所需的關(guān)聯(lián)元件后隔板和箱體進(jìn)行了分割處理，處理后的實(shí)體模型如圖4所示。

圖4 液壓閥板處理后實(shí)體模型

2.1 網(wǎng)格劃分

采用的網(wǎng)格劃分軟件為SimLab。SimLab是HyperWork平臺下的一個批量處理網(wǎng)格的工具，其最大的優(yōu)勢是能將同一范圍內(nèi)的面和線選取進(jìn)行批量處理。由于閥板上及油道內(nèi)存在大量的倒角和圓角，在對這些倒角和圓角進(jìn)行批量的劃分又不影響其網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，得到液壓閥板的有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)如表1所示。

表1 液壓閥板有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2 材料屬性

在建立液壓閥板有限元分析模型之前，先要確定每個元件的材料參數(shù)。液壓閥板的材料參數(shù)如表2所示，表中所示材料均為線性材料，不涉及彈性計(jì)算。

表2 液壓閥板材料參數(shù)表

2.3 邊界條件及載荷

(1)接觸對的設(shè)定

由于液壓閥板整體為裝配組件，是由上閥板、中間隔板、下閥板、后隔板、箱體組成，并由螺栓鏈接，所以在接觸設(shè)定的過程中要考慮其間的約束關(guān)系。但接觸問題是一種高度非線性計(jì)算，占用大量的計(jì)算空間，為了建立合理的接觸關(guān)系，需要對閥板與中間隔板的接觸區(qū)域進(jìn)行劃分，扣除油路和減重槽，擬合實(shí)際的接觸區(qū)域。

(2)添加邊界條件

表3為閥板內(nèi)部液壓油壓力，在工況分析時，假設(shè)油壓為理想狀態(tài)充滿整個油道，不考慮油液的流動，將油液的壓力以靜載的方式施加在油道表面。表4為液壓閥板中鏈接螺栓的預(yù)緊力，上、下液壓閥板和中間隔板靠著螺栓的預(yù)緊力壓緊，并通過螺栓與后隔板和箱體相連。

表3 閥板內(nèi)部液壓油壓力

表4 螺栓預(yù)緊力

具體的有限元模型如圖5所示。

圖5 液壓閥板的有限元模型

3 分析結(jié)果

由接觸狀態(tài)分析可以得到上、下閥板與中間隔板之間的縫隙高度變化，由接觸面的靜壓力分析可以得到上、下閥板和中間隔板的壓力差。以上兩個值滿足對液壓閥板泄漏量的計(jì)算，從而可以求得閥板整體的泄漏量。

通過ABAQUS有限元軟件，在液壓閥板充滿油壓的工況下，對上、下閥板和中間隔板進(jìn)行接觸狀態(tài)分析。接觸狀態(tài)的衡量原則是從面上的節(jié)點(diǎn)到主面的距離，如果節(jié)點(diǎn)處接觸距離大于0，表示節(jié)點(diǎn)與主面沒有接觸，即存在縫隙高；如果節(jié)點(diǎn)接觸距離為0或者非常接近0，則表示該節(jié)點(diǎn)與主面相接觸，即不存在縫隙。中間隔板的接觸狀態(tài)變化如圖6所示。

圖6 上、下閥板和中間隔板的接觸距離變化圖

定義非常接近于0的限度為10-4，對中間隔板與上、下閥板的接觸面進(jìn)行接觸狀態(tài)篩選。由接觸距離變化量圖6可知：中間隔板與上閥板的接觸面上有4處存在接觸距離，中間隔板與下閥板的接觸面上有8處存在接觸距離。中間隔板與上、下閥板的接觸面的應(yīng)力變化如圖7所示。

圖7 上、下閥板和中間隔板的接觸面應(yīng)力變化圖

對比圖2上、下閥板的油路組成可知，圖6(a)中點(diǎn)1內(nèi)側(cè)并非油路而是減重槽，通過圖7(a)可知點(diǎn)1所在位置也沒有壓力變化，所以點(diǎn)1即使存在接觸距離也沒有泄漏影響。圖6(b)中點(diǎn)8情況與圖6(a)中點(diǎn)1情況一樣，均為有接觸距離無泄漏。圖6(b)中點(diǎn)5、6、7三處所在的油路對比圖2中的油壓變化可知，這三處油路的油壓相同，當(dāng)液壓閥板充滿油液進(jìn)行工作時，由于油壓相同，點(diǎn)5、6、7即使存在接觸距離卻因沒有油壓的變化而不會產(chǎn)生泄漏。所以排除圖6(a)中點(diǎn)1和圖6(b)中點(diǎn)5、6、7、8的影響，統(tǒng)計(jì)接觸距離和壓力差如表5所示。

表5 中隔板與上、下閥體接觸面的接觸距離和壓力差

4 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

參照動力合成箱-液壓閥板試驗(yàn)規(guī)范[12]進(jìn)行泄漏量測試，獲取常溫狀態(tài)下的各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證液壓閥板的密封性，為產(chǎn)品開發(fā)提供依據(jù)。

4.1 測試目的

測試閥板出口流量與冷卻潤滑油路的流量，計(jì)算泄漏量，避免過多的流量損失，驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.2 試驗(yàn)方法

(1)試驗(yàn)工況為電動油泵單獨(dú)工作，閥板入口流量最大，旁通閥與冷卻溢流閥均未開啟；

(2)調(diào)節(jié)先導(dǎo)電磁閥電流，使系統(tǒng)壓力達(dá)到最大設(shè)定值；

(3)在電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000r/min時，每隔1min記錄高壓/低壓油路出口、冷卻油路出口流量情況，一共記錄10次，在計(jì)算泄漏量時取10次的平均值。

4.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備明細(xì)如表6所示。

表6 試驗(yàn)設(shè)備明細(xì)

注：ATFDEXRONVI潤滑油常溫狀態(tài)下試驗(yàn)時的油液溫度為(40±5) ℃；清潔度：試驗(yàn)用油液的固體顆粒污染等級代號不高于19/16。

試驗(yàn)臺現(xiàn)場如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)臺現(xiàn)場

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

通過上述試驗(yàn)，得到泄漏量測試數(shù)據(jù)折線圖如圖9所示。

圖9 泄漏量測試數(shù)據(jù)折線圖

圖中泄漏量等于高壓油路流量加上低壓油路流量減去冷卻油路流量，要求泄漏量不大于1L/min。

泄漏量測試中，取得10次計(jì)算的平均值為0.05L/min，該泄漏量小于1L/min，所以該液壓閥板滿足設(shè)計(jì)要求，密封性良好。

對比試驗(yàn)和有限元仿真得到：

(1)邊界約束

在試驗(yàn)狀態(tài)下，將液壓閥板工裝放置為工作角度，管路和線束鏈接完整；在有限元分析狀態(tài)下，盡量貼近試驗(yàn)情況。

(2)載荷施加

在有限元仿真狀態(tài)下，主油路的最高壓力接近于18×105Pa；在試驗(yàn)狀態(tài)下，采用油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000r/min時測試數(shù)據(jù)，該油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速能給主油路提供18×105Pa左右的壓力，所以在載荷方面仿真和試驗(yàn)相近。

(3)結(jié)果對比

試驗(yàn)所測試的平均泄漏量為0.05L/min，而仿真計(jì)算得到泄漏量為0.04L/min，試驗(yàn)和仿真存在0.01L/min的誤差?？偨Y(jié)誤差產(chǎn)生的原因有3點(diǎn)：①仿真計(jì)算中網(wǎng)格精度產(chǎn)生的誤差，計(jì)算過程中接觸設(shè)置摩擦因數(shù)的設(shè)定及接觸容差的選擇都可能產(chǎn)生誤差；②液壓閥板在澆筑、工藝及裝配過程中產(chǎn)生的誤差；③試驗(yàn)測試時溫度采集的誤差等。所以試驗(yàn)和仿真存在一定的誤差，但是該誤差在可以接受的范圍內(nèi)，由此可知通過該試驗(yàn)驗(yàn)證了有限元仿真的準(zhǔn)確性，同時也證明該液壓閥板的密封性良好，滿足其性能和功能的需求。

5 結(jié)論

(1)基于對液壓閥板工作原理的分析，建立了液壓閥板泄漏量的數(shù)學(xué)模型，形成了泄漏量的理論計(jì)算方法。

(2)采用ABAQUS平臺的接觸狀態(tài)參數(shù)設(shè)置規(guī)則，建立了液壓閥板的仿真計(jì)算模型。

(3)利用有限元分析方法，對液壓閥板的計(jì)算模型進(jìn)行仿真，并與液壓閥板泄漏量測試試驗(yàn)進(jìn)行比較。結(jié)果表明：在高壓油路為1.78MPa、低壓油路為0.59MPa的情況下，試驗(yàn)和有限元分析的誤差為0.01L/min。并通過誤差分析驗(yàn)證了有限元分析液壓閥板密封性的可行性，為評估液壓閥板內(nèi)部泄漏的風(fēng)險和后續(xù)性能優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。