基于離合器結(jié)合的比例電磁閥動(dòng)態(tài)特性模型的設(shè)計(jì)

石志超

摘要：為提高離合器接合過程控制油壓響應(yīng)性能，提出比例電磁閥動(dòng)態(tài)性模型。建立比例電磁閥二位有限元模型，借助實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)建立電磁力電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)模型。以比例電磁閥閥芯質(zhì)量，黏性阻尼系數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以超調(diào)令接合歸一化綜合函數(shù)最小值為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。表明輸出油壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間減少18%，有效滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性要求。驗(yàn)證比例電磁閥電流油壓穩(wěn)態(tài)輸出特性，實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)方法提高離合器接合控制油壓綜合性能，提出設(shè)計(jì)方法對(duì)同類控制油壓問題具有借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：離合器接合;比例電磁閥;動(dòng)態(tài)特性;模型設(shè)計(jì)

離合器是工程機(jī)械動(dòng)力傳遞系統(tǒng)的重要部分，良好接合可以提高車輛壽命。電磁閥電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)換器在離合器接合中得到廣泛應(yīng)用，比例電磁閥在有效工作行程內(nèi)具有良好水平吸力特性[1]。國內(nèi)外對(duì)比例電磁閥進(jìn)行大量研究，Bayat等對(duì)研究電磁閥建立有限元模型仿真分析，但未考慮電磁力與流體耦合關(guān)系對(duì)閥輸出油壓特性的影響[2]。Lee等對(duì)比例電磁閥進(jìn)行性能分析，通過建立多物理場耦合熱力學(xué)模型對(duì)電磁閥熱實(shí)效分析。研究通過采用有限元仿真分析軟件對(duì)比例電磁閥電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析，建立數(shù)學(xué)模型對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。本文以離合器結(jié)合比例電磁閥為研究對(duì)象，對(duì)電磁鐵部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化表達(dá)，建模仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高相關(guān)性。

1.離合器結(jié)合中比例電磁閥工作原理

自動(dòng)變速器常閉型比例電磁閥包括閥芯與液壓流體部分，進(jìn)油口設(shè)計(jì)為球閥，閥芯與球閥鋼球和噴嘴擋板連接[3]。比例電磁閥不通電時(shí)輸出口無輸出，處于調(diào)壓階段輸出端定值輸出，換擋控制中吸收輸入壓力波動(dòng)峰值。比例電磁閥通電電流逐漸增大，電磁力大于電磁閥左端鋼球所受液壓力，電磁鐵推動(dòng)閥芯移動(dòng)，閥球打開輸入端油液進(jìn)入電磁閥油腔內(nèi)部，排油口開口量不斷減小，輸出端油壓不斷增長，通過不斷調(diào)整排油口開度控制輸出端壓力。電磁閥腔內(nèi)油壓較大，油壓作用在閥芯排油口處端面，通過調(diào)整彈簧控制溢流壓力值。

離合器結(jié)合系統(tǒng)主要由離合器機(jī)構(gòu)與比例電磁閥等組成，通過控制輸入油壓實(shí)現(xiàn)，性能影響離合器結(jié)合過程品質(zhì)，考慮摩擦片摩擦系數(shù)非線性等因素，比例電磁閥自身動(dòng)態(tài)性能對(duì)離合器結(jié)合有重要影響[4]。比例電磁閥主要由運(yùn)動(dòng)閥芯與電磁鐵等部分組成，比例電磁鐵對(duì)運(yùn)動(dòng)閥芯提供輸入控制電流近似比例關(guān)系電磁力。液橋部分閥芯進(jìn)排油節(jié)流口為對(duì)稱U型結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)彈簧組成調(diào)零機(jī)構(gòu)用于調(diào)整特性曲線。常閉式直流兩位三通閥結(jié)構(gòu)簡單。比例電磁閥在電磁鐵不通電時(shí)，進(jìn)油口為關(guān)閉狀態(tài)，保證離合器接合過程開始階段安全性。

控制電流增加使磁路磁勢增大，電磁力超過電磁閥復(fù)位彈簧力，排油開口量減小，油液通過進(jìn)油口進(jìn)入出油口，出油口油壓不斷咋鞥大。進(jìn)出油口開度變化可調(diào)節(jié)流量控制出油口油壓。比例電磁閥使用中涉及機(jī)械流體等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，相互間非線性較強(qiáng)。本文對(duì)比例電磁閥相關(guān)電場機(jī)械等相互影響性能分析。輸入控制信號(hào)后電場通過電流i與磁鏈相互影像，閥芯位移x變化使流場輸出壓力變化，流場部分輸出液壓力Pc作用于離合器實(shí)現(xiàn)接合過程。為了解比例電磁閥特性，對(duì)閥芯進(jìn)行電磁閥性能分析[5]。

2.電磁力電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)模型

比例電磁鐵位移特性研究常用磁路分析法，適用于形狀規(guī)則的磁路，采用磁場離散化數(shù)值計(jì)算法精度高。本文采用盆型止座結(jié)構(gòu)比例電磁閥，對(duì)油質(zhì)污染不敏感。由于磁路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電磁閥吸力特性難以通過磁路分析法計(jì)算得到。借助AnsoftMaxwell對(duì)比例電磁鐵進(jìn)行參數(shù)化模型設(shè)計(jì)。忽略線圈繞組內(nèi)渦流與溫度影響，將電場變量分離實(shí)現(xiàn)獨(dú)立電場。電磁力計(jì)算模型為Fmag=aW（x，i）/ax，x為銜鐵位移;W為磁場總能量;x為線圈繞組輸入控制電流。

確定比例電磁鐵結(jié)構(gòu)后產(chǎn)生電磁力與控制電流形成氣隙隔磁環(huán)形有關(guān)。使用參數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)表征比例電磁鐵位移特性。電磁力變化幅度偏離度δ=|Fms-Fme|/Fme，F(xiàn)me為期望電磁力，F(xiàn)ms為測試電磁力。電磁力水平平穩(wěn)度離散度變異系數(shù)Cv=，n為觀測次數(shù);Xi為工作位置附近觀測電磁力。對(duì)電磁鐵部分建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，建立電磁力與結(jié)構(gòu)參數(shù)響應(yīng)面模型，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供參數(shù)化表達(dá)。選取輸入電流為350-750mA，計(jì)算得δ<0.86%，電磁力平穩(wěn)度較高。不同電流下電磁力仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)誤差最大小于1%。數(shù)據(jù)具有較高相關(guān)性。

響應(yīng)面模型計(jì)算公式Fmag=mo+，mo，nij為待定項(xiàng)系數(shù);yrsm（i）為各點(diǎn)響應(yīng)面函數(shù);N為樣本點(diǎn)總數(shù);R2值接近1模型效果好。使用盆型極靴結(jié)構(gòu)使電磁力與電流成比例關(guān)系，電磁鐵水平吸力平穩(wěn)度由錐面磁通φ分配形成。結(jié)構(gòu)參數(shù)ABCD與磁阻有關(guān)，結(jié)合電磁力評(píng)價(jià)治療建立表征電磁力響應(yīng)面模型。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到響應(yīng)模型Fmagδ=13.6+0.111A2+0.545AB-7.8CD-1.2C2+12.88C+3.62ADC-1.93A-0.582A-3.19B，得到響應(yīng)面模型判定系數(shù)為0.914，以結(jié)構(gòu)參數(shù)內(nèi)A=8mm，C=2.7mm驗(yàn)證，得到建立模型電磁力為22.382N，建立模型可作為電磁力精準(zhǔn)設(shè)計(jì)參數(shù)表達(dá)。

3.比例電磁閥動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)

比例閥閥芯運(yùn)動(dòng)平衡方程為mvxv+cdxv+kv（xv+x0）=Fmag-Fflow，Xv為閥芯位移;Cd為閥芯粘性阻尼系數(shù);mv為閥芯質(zhì)量;Fflow為油液作用于閥芯合力;Kv為閥芯彈性剛度;KvXo為彈簧預(yù)緊力Fload;通過閥芯流量Ain（Xv）=πd（Xv-s），Ain（Xv）為閥進(jìn)油口面積，s為閥芯初始位置至進(jìn)油口開啟位置位移。比例電磁閥輸出油壓力與閥芯位移相關(guān)，閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性受彈簧剛度，電磁力等影響，假設(shè)液壓系統(tǒng)無泄漏等，進(jìn)行閥芯質(zhì)量，黏性阻尼系數(shù)為設(shè)計(jì)變量動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

階躍信號(hào)下比例電磁閥壓力上升時(shí)間反映快速性，考慮系統(tǒng)中阻尼振蕩特性，結(jié)合輸出油液壓力上升時(shí)間，H=ησp/σPi+（1-η）tr/tri，η為權(quán)重系數(shù)，0<η<1，σPi為優(yōu)化前超調(diào)量，σp為電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)壓力超調(diào)量;tri為優(yōu)化前上升時(shí)間0.01s;tr為輸出壓力上升時(shí)間。選取閥芯質(zhì)量mv，彈簧預(yù)緊力Fload為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，采用遺傳算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化，復(fù)制率80%，變異概率10%，綜合考慮壓力上升時(shí)間，分析多組不同權(quán)重系數(shù)下數(shù)據(jù)，優(yōu)化后參數(shù)結(jié)果mv=0.012kg，F(xiàn)load=0.7044N。比例電磁閥輸出壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性由結(jié)構(gòu)決定，受到影響粘結(jié)性阻尼系數(shù)溫度等因素影響，以粘性阻尼系數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)分析，標(biāo)準(zhǔn)差1.5正態(tài)分布范圍內(nèi)隨機(jī)取值，均值集中于01.1855左右，方差為1.34×107左右，降低對(duì)噪聲變量的敏感性[6]。

為分析比例電磁閥動(dòng)態(tài)特性，采用定制試驗(yàn)臺(tái)對(duì)優(yōu)化模型測試，油溫控制在80℃，采用HUBA油壓傳感器，控制電流0-830mA信號(hào)加載至線圈。實(shí)驗(yàn)與仿真曲線一致，油壓與電流近似性關(guān)系，與閥芯運(yùn)動(dòng)至開啟時(shí)彈簧力對(duì)應(yīng);滿足離合器控制油壓要求，出現(xiàn)閥芯開啟說明模型準(zhǔn)確表達(dá)油壓動(dòng)態(tài)特性。分析輸入階躍控制電流為500mA，比例電磁閥仿真與實(shí)驗(yàn)油壓響應(yīng)曲線對(duì)比圖，曲線具有一致性，仿真數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確性，油壓動(dòng)態(tài)特性改善，超調(diào)量降低31%左右。

結(jié)語

隨著人類生活品質(zhì)的提高，對(duì)汽車經(jīng)濟(jì)舒適性要求提高。近年來節(jié)能減排成為汽車行業(yè)熱門話題，對(duì)汽車企業(yè)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。汽車企業(yè)要努力尋求技術(shù)突破，我國自動(dòng)變速器技術(shù)相比發(fā)達(dá)國家存在很大不足，現(xiàn)代汽車自動(dòng)變速器包括CTV與AMT等類型，電液控制系統(tǒng)是自動(dòng)變速器核心部分。DCT成為我國變速器企業(yè)研發(fā)對(duì)象，但我國自動(dòng)變速器技術(shù)起步較晚，離合器系統(tǒng)摩擦特性等多項(xiàng)技術(shù)受制于國外企業(yè)。本文介紹離合器關(guān)鍵技術(shù)研究，敘述離合器接合中比例電磁閥工作原理;建立電磁力電磁結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行比例電磁閥動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)。以偏差度為電磁鐵吸力特性水平評(píng)價(jià)指標(biāo)，借助實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)建立電磁力與結(jié)構(gòu)參數(shù)映射關(guān)系模型。采用遺傳算法對(duì)電磁閥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，證明建立模型為后續(xù)離合器結(jié)合仿真壓力控制模塊參數(shù)化表達(dá)。

參考文獻(xiàn)

[1]羅軒. 濕式雙離合器液壓控制系統(tǒng)特性仿真與試驗(yàn)研究[D].重慶理工大學(xué)，2021.

[2]蘇夢月. 濕式DCT液壓換擋控制系統(tǒng)特性仿真與試驗(yàn)研究[D].重慶理工大學(xué)，2021.

[3]于懷智. 電控液壓離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方法研究[D].吉林大學(xué)，2021.

[4]趙士偉. 某種汽車變速箱在線檢測試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其動(dòng)態(tài)特性分析[D].安徽工程大學(xué)，2020.

[5]張銀濤. 濕式雙離合器自動(dòng)變速器液壓控制系統(tǒng)仿真研究與分析[D].華南理工大學(xué)，2020.

[6]李曉祥，王安麟，樊旭燦，李曉田.面向離合器接合過程的比例電磁閥動(dòng)態(tài)特性模型與設(shè)計(jì)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，54（05）：46-52.