液力自動變速器中影響離合器壓力控制元件控制壓力的因素

朱佳興，王凱峰，汪銳

液力自動變速器中影響離合器壓力控制元件控制壓力的因素

朱佳興，王凱峰，汪銳

（陜西法士特齒輪有限責任公司 智能傳動研究所，陜西 西安 710077）

自動變速器中的液壓控制系統(tǒng)是自動變速器的重要組成部分，其中壓力控制元件是控制離合器壓力能夠快速、準確、穩(wěn)定的關(guān)鍵元件。從該元件或部件的設(shè)計角度分析離合器壓力控制的影響因素，能夠清晰地認識該部分的元件對離合器壓力控制影響的重要程度及特點。這些因素的整體匯總，不僅有助于工程師更加明了地平衡設(shè)計過程中存在的沖突，也能幫助工程師準確快速的尋找具體工況下的出現(xiàn)問題。

自動變速器；液壓控制；離合器壓力控制；控制閥

前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和進步，搭載液力自動變速器（Au- tomatic Transmission，以下簡稱AT）的汽車因其良好的舒適性以及駕駛的簡便性受到越來越多消費者的歡迎，AT的換擋關(guān)鍵在于對換擋點的合理選擇以及對換擋過程的有效控制。換擋過程控制壓力的效果直接影響到AT的換擋平順性、零部件使用壽命及整車的駕乘體驗，因此離合器壓力的準確、穩(wěn)定控制是實現(xiàn)迅速平穩(wěn)換擋的基礎(chǔ)。AT中液壓控制模塊（Hydraulic Control Module，以下簡稱HCM）的液壓控制元件是控制離合器油壓準確性及穩(wěn)定性的基礎(chǔ)元件，在設(shè)計過程中需要考慮的因素有很多。本文針對離合器壓力控制的影響因素進行了總結(jié)，并說明了各影響因素對離合器控制元件的影響程度及影響趨勢，幫助設(shè)計工程師設(shè)計該類元件時考慮。

1 壓力控制元件結(jié)構(gòu)及原理

AT中HCM內(nèi)的液壓控制元件存在有兩種普遍型式：一種是圖1、圖2所示的直驅(qū)閥控制，即電磁元件的電磁力直接作用在控制離合器油壓的閥芯上，達到直接控制離合器油壓的效果，蓄能器將離合器油壓穩(wěn)定下來，該控制方式能夠單個閥控制離合器的最大油壓，響應快；另一種是圖3、圖4所示的先導閥控制，即電磁元件的電磁力先控制一個行程較短、直徑較小的閥芯，該閥芯控制的是壓力小的油壓（普遍為8 bar），受控的油壓受到蓄能器影響穩(wěn)定，再作用至控制離合器油壓的閥芯端口，達到間接控制離合器油壓的效果，該控制方式響應速度相對于第一種來講稍慢些，但由于受控的油壓已經(jīng)較為穩(wěn)定，且作用時具有的延時效果相當于一種阻尼特性，所控制的離合器油壓將會相對第一種型式更穩(wěn)定和更準確。

圖1 直驅(qū)式控制原理圖

圖2 直驅(qū)式控制結(jié)構(gòu)

圖3 先導式控制原理圖

圖4 先導式控制結(jié)構(gòu)

2 離合器壓力元件控制離合器壓力的影響因素

配合圖1—圖4，對離合器壓力控制元件影響壓力控制的因素進行分析：

2.1 閥芯、閥孔配合公差

閥芯閥孔的配合公差，在一定范圍內(nèi)是不影響其壓力控制精度的，但配合公差帶既不能太大，也不能太小。公差帶太大會導致閥芯各油道之間串油，并且閥體油液泄漏量較大，壓力調(diào)節(jié)時的響應速度會變慢。公差帶太小影響閥芯在閥孔中運動時克服的摩擦力大小，閥芯易磨損或卡、滯在閥孔內(nèi)，導致壓力控制不迅速、不準確、不穩(wěn)定。通常普遍的公差配合設(shè)計為H7/f6，在公差配合帶不改變的情況下，一般加嚴公差等級，變?yōu)镠7/f5或H6/f5。

2.2 閥芯、閥體材料

閥芯、閥塊的材料影響有兩種：一種是材料影響閥芯的質(zhì)量，也就是閥芯的慣性，慣性越大，電磁閥控制閥芯時克服的電磁力或液壓力需求越大，且該種因素影響控制壓力的響應速度、穩(wěn)定性，對于電磁閥特性有較高要求；另一種是材料的膨脹系數(shù)不同，會影響閥芯、閥孔熱態(tài)或冷態(tài)時的配合公差，閥芯、閥孔若采用同一種材料，則膨脹系數(shù)一致，對配合公差帶影響較小，閥芯、閥孔若采用不同材料（如鋁、鋼配合），則需考慮該因素帶來的影響。

2.3 閥芯、閥孔表面粗糙度

表面粗糙度實際上影響的是閥芯在閥孔中運動時克服的摩擦力大小，閥芯、閥孔的表面粗糙度越差，摩擦副產(chǎn)生的黏滯阻力越大。反之，表面粗糙度要求越高，則摩擦副產(chǎn)生的黏滯阻力越小。過高的表面粗糙度要求，也會適得其反，在閥芯初始運動前所需要克服的靜摩擦力較大，也稱之為壓力控制死區(qū)，因此設(shè)計合適的表面粗糙度是離合器壓力控制的關(guān)鍵，通常閥芯表面粗糙度為0.2，閥孔表面粗糙度為0.4。

2.4 閥芯、閥孔同軸度、圓柱度

閥芯、閥孔為了達到能夠切換油路、控制壓力的目的，通常會有斷續(xù)設(shè)計如圖1、圖3所示。在油路切換時，閥芯與閥孔的斷續(xù)設(shè)計互相影響，因此閥芯、閥孔的同軸度、圓柱度也對閥芯在閥孔中運動有著相當重要的約束作用。閥芯、閥孔的同軸度要求不合適，也會出現(xiàn)油路切換時的卡、滯現(xiàn)象，導致離合器壓力控制不穩(wěn)定，不準確。一般的閥芯、閥孔圓柱度要求越小越好。

2.5 結(jié)構(gòu)應力

控制離合器的壓力的閥芯、閥孔通常是集成在復雜的液壓控制模塊中。在安裝或使用中，螺栓緊固力、油液壓力引起的閥孔形變會使閥芯、閥孔配合發(fā)生變化，進而影響閥芯在閥孔中運動時克服的摩擦力大小。在布置螺栓位置、油液油道時，需要考慮應力分布，可在不影響布置、油路的前提下，增大倒圓角或增加筋來規(guī)避此類影響。

2.6 潤滑油類型

由于離合器壓力控制的根本是潤滑油，因此潤滑油的特性對離合器壓力控制元件有著相當大的影響。潤滑油的潤滑性會影響閥芯在閥孔中運動時所克服的摩擦力。潤滑油的黏度會影響油液的泄漏量及離合器壓力控制響應速度。

2.7 溫度

溫度會影響潤滑油的黏度、閥芯閥孔的配合公差。溫度越高，潤滑油黏度越低，泄漏量越大，黏滯阻力越小，離合器壓力控制響應速度越快；溫度越低，潤滑油黏度越高，泄漏量越小，黏滯阻力越大，離合器壓力控制響應速度越慢。

2.8 清潔度

離合器壓力控制元件控制離合器壓力時的潤滑油清潔度。油液清潔度較差，對電磁閥的響應、閥芯在閥孔中的運動會有較大的影響。油液清潔度影響電磁閥自身的特性，包括但不限于直驅(qū)電磁鐵、先導閥，也同樣影響閥芯在閥孔中運動時的黏滯阻力大小，因此油液清潔度也是液力自動變速器、雙離合變速器等的關(guān)鍵管控指標，清潔度越高對離合器壓力的控制越好。

2.9 閥芯與油道的重疊

閥芯重疊量是指閥芯在閥孔中的初始位置與油路切換位置的距離，該距離會影響死區(qū)大小。重疊量越大，在受控的離合器壓力發(fā)生變化之前（從0至最大控制壓力，或從最大控制壓力至0），閥芯需要移動的距離就越多，壓力死區(qū)就越大，壓力控制響應越慢；相反的，重疊量越小，閥芯需要移動的距離越小，壓力死區(qū)就越小，壓力控制響應越迅速。

2.10 閥芯回復力

在離合器壓力控制過程中，控制元件想要將離合器壓力控制在一個穩(wěn)定值，需要有彈簧產(chǎn)生的彈力時刻作用在運動的閥芯上，反饋作用在閥芯上的抖動只會在一個方向上施加負載，作用在閥芯上的整體返回力是通過彈簧彈力和反饋液壓力的合力，該返回力的最大加速力將限制抖動有效的頻率，即調(diào)節(jié)離合器壓力的穩(wěn)定性，因此彈簧彈力的穩(wěn)定性是保證離合器壓力控制穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵因素。在設(shè)計中體現(xiàn)在反饋節(jié)流孔的尺寸一致性、閥芯反饋面積的尺寸一致性及彈簧力的一致性。

2.11 蓄能器

蓄能器具有穩(wěn)定壓力的作用，在離合器控制過程中，通常如圖1所示與離合器腔并聯(lián)連接在所控制的離合器壓力油路或如圖3所示與離合器壓力控制滑閥的控制端并聯(lián)連接，它合理的設(shè)計，能降低壓力的峰值大小，相當于對離合器控制壓力產(chǎn)生濾波效果。

2.12 電磁閥控制能力

電磁閥的電感，阻尼孔都將會影響作用在閥芯上的電磁力，無論直驅(qū)式控制或先導式控制，穩(wěn)定、迅速、準確的響應控制需求是電磁閥的目標。

2.13 電磁閥的抖動補償

電磁閥的抖動補償，也稱dither補償，會改善比例閥的可控性，減少摩擦和死區(qū)的影響。抖動的目的是通過使閥芯在平均位置附近擺動來消除摩擦的影響，為此，振蕩力必須大于摩擦力，并且作用力的持續(xù)時間必須足以使閥芯運動打破靜摩擦，該設(shè)計的存在也是精確、迅速控制離合器壓力必不可少的部分。抖動補償包含振幅和頻率：振幅的大小將確定作用力的大小，若抖動過多，并且閥芯振蕩超過死區(qū)的限制，則會導致泄漏過多；而頻率將確定作用力的時間，當然頻率也會影響相位滯后，從而影響施加的力幅度。由于實際調(diào)節(jié)離合器壓力的元件有多個，且均有與理論設(shè)計存在差別的值，因此需要在標定工作中標定這類不確定值。

2.14 阻尼

阻尼是指先導閥或離合器壓力控制滑閥的反饋油路中存在的節(jié)流孔。經(jīng)過阻尼處理，有助于減小壓力反饋調(diào)節(jié)時產(chǎn)生較大的振蕩。相比2.13中施加的電磁閥抖動補償，兩者之間存在沖突。因此在設(shè)計離合器壓力控制元件時，除了考慮電磁閥抖動補償外，還需要調(diào)整阻尼。

2.15 油道過流結(jié)構(gòu)

圖5 閥體凹槽

圖6 閥芯凹槽

圖7 閥芯導流結(jié)構(gòu)示意圖

過流結(jié)構(gòu)是指閥芯閥孔油道切換時的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將影響控制油液在切換時流動的狀態(tài)，若切換時產(chǎn)生較大的開合或封閉狀態(tài)，則會導致控制的離合器壓力波動較大，從而使得控制壓力不穩(wěn)定。解決該問題的辦法一般有三種：第一種是在閥孔上做文章，將油壓控制切換狀態(tài)的閥孔油道壁面增加較小的凹槽，該凹槽如圖5所示（僅作示意），形狀多種多樣，目的就是提前或滯后油壓切換，該開口處于油路切換狀態(tài)時，相當于產(chǎn)生阻尼效果，減小壓力波動性；第二種是在閥芯上做文章，將油壓控制切換狀態(tài)的閥芯避免增加較小的凹槽，該凹槽如圖6所示（僅作示意），形狀、作用與閥孔壁面類似；第三種是將閥芯油路切換的位置設(shè)計為減少擾流的結(jié)構(gòu)，如圖7所示（僅作示意），油路切換時，該結(jié)構(gòu)約束油液的流動，使得壓力波動更小。

3 總結(jié)

本文對離合器壓力控制元件控制壓力的因素進行了概括性分析，對離合器壓力控制元件的設(shè)計及具體問題的查找有一定幫助。本文共介紹了15種緊密的影響因素并對其重要程度進行評價，有些影響因素可根據(jù)設(shè)計進行規(guī)避或消除，有些影響因素需要根據(jù)重要程度進行權(quán)衡，但實際的離合器壓力控制是多個元件共同配合達到的效果，因此還需要綜合多個因素進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，來達到離合器壓力穩(wěn)定、快速、準確控制的目的。

Factors Affecting the Control Pressure of the Clutch Pressure Control Element in the Automatic Transmission

ZHU Jiaxing, WANG Kaifeng, WANG Rui

( Shaanxi Fast Gear Co., Ltd., Intelligent Transmission Research Institute, Shaanxi Xi’an 710077 )

The hydraulic control system in the automatic transmission is an important part of the automatic transmission, and the pressure control element is the key element that can control the clutch pressure quickly, accurately and stably. Analyzing the influencing factors of clutch pressure control from the perspective of the element or component design, it is possible to clearly understand the importance and characteristics of the influence of this part of the element on clutch pressure control. The overall summary of these factors not only helps engineers to more clearly balance the conflicts in the design process, but also helps engineers to accurately and quickly find problems in specific working conditions.

Automatic transmission; Hydraulic control; Clutch pressure control; Control valve

U463.212

A

1671-7988(2021)23-196-04

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.055

朱佳興，就職于陜西法士特齒輪有限責任公司智能傳動研究所。