變速器液控系統(tǒng)電磁閥壓力波動問題分析

戴良順，殷艷飛，張安偉，梁東偉

變速器液控系統(tǒng)電磁閥壓力波動問題分析

戴良順，殷艷飛，張安偉，梁東偉

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

針對在變速器開發(fā)過程中出現(xiàn)液控系統(tǒng)直驅(qū)電磁閥壓力波動的問題，論文采用AMEsim軟件搭建了電磁閥仿真模型，建立了4種阻尼系統(tǒng)仿真模型進行仿真分析，研究了不同的阻尼對電磁閥出口壓力的影響，獲得了具有最佳壓力穩(wěn)定性的阻尼系統(tǒng)模型，并通過試驗進行了驗證。結(jié)果表明，直驅(qū)電磁閥出口增加阻尼的方法能有效地提高電磁閥出口壓力的穩(wěn)定性，4種阻尼系統(tǒng)模型中，四阻尼孔模型具有最佳的壓力穩(wěn)定性，能較快且較低成本地解決壓力波動的問題，該方法對壓力波動問題的解決提供了新思路。

變速器；液控系統(tǒng)；壓力波動；電磁閥；阻尼系統(tǒng)；四阻尼孔模型；壓力穩(wěn)定性

隨著汽車自動變速器技術(shù)的高速發(fā)展，變速器對其控制性能的要求也越來越高[1]。為了提高自動變速器的效率和性能，變速器中的液控系統(tǒng)逐漸由先導電磁閥和滑閥組合的形式變?yōu)殡姶砰y直驅(qū)控制，直驅(qū)閥的應用讓液控系統(tǒng)的設計更加簡單高效，尤其在自動變速器的選換擋和離合器控制中，直驅(qū)閥的應用讓液控系統(tǒng)更加簡潔，在量產(chǎn)過程中液控模塊出現(xiàn)問題的概率也更低[2]。在自動變速器的實際測試過程中，液控系統(tǒng)時常會出現(xiàn)壓力波動的問題，傳統(tǒng)的液控系統(tǒng)往往可以通過調(diào)節(jié)先導電磁閥出口的阻尼來控制滑閥的壓力調(diào)節(jié)，這種阻尼往往集成在隔板上，通常表現(xiàn)為節(jié)流孔的形式，隔板的修改相對改動較小且簡單，成本較低，同時也能達到較好的效果[3]。而新型液控系統(tǒng)由于多數(shù)為電磁閥直驅(qū)控制，電磁閥往往為選型件，通常為已量產(chǎn)產(chǎn)品，一旦在液控系統(tǒng)中出現(xiàn)控制壓力波動時，往往需要調(diào)整電磁閥內(nèi)部的阻尼系統(tǒng)或者液壓閥體油路需要重新設計，而調(diào)整電磁閥內(nèi)部的阻尼系統(tǒng)則涉及到電磁閥的結(jié)構(gòu)設計，同時需要做大量的電磁閥單體驗證，而且會導致電磁閥產(chǎn)線不共用的問題，需要的成本巨大；液壓閥體油路重新設計則需要花費較長的時間去布置油路，同時也無法得知修改后的設計是否會出現(xiàn)其他的壓力波動問題，相對改動的風險較大[4]。因此，針對直驅(qū)控制電磁閥的液控系統(tǒng)出現(xiàn)的壓力波動問題，需要提出新的解決方法。

本文針對國內(nèi)某合資品牌供應商已量產(chǎn)的壓力直驅(qū)電磁閥在某公司變速箱產(chǎn)品的應用過程中出現(xiàn)的壓力波動問題，采用AMEsim軟件搭建電磁閥仿真模型，在不改動閥體油路和電磁閥結(jié)構(gòu)設計的同時，在保證電磁閥能提供正常所需流量和壓力響應時間的前提下，改變電磁閥壓力出口的阻尼系統(tǒng)，進而解決壓力波動的問題。

1 問題與分析

1.1 問題描述

變速器為濕式雙離合變速器，液控系統(tǒng)采用葉片機械泵供油，電磁閥為國內(nèi)某合資品牌供應商已量產(chǎn)產(chǎn)品，在變速器的部分極限試驗工況中，溫度為90 ℃，直驅(qū)壓力控制閥的控制電流需要從0 mA階躍到1 000 mA，控制壓力從0 bar上升到12.6 bar，壓力達到目標值后出現(xiàn)較大的壓力波動，如圖1所示，波動幅值為2 bar。該電磁閥主要為系統(tǒng)提供二級控制壓力，輸入壓力為系統(tǒng)壓力，值為22 bar，試驗工況中電磁閥輸入壓力平穩(wěn)無波動；電磁閥出口為容積非常小的密閉容腔，油路和容腔體積約為12 ml。

圖1 壓力波動曲線

1.2 問題分析

針對變速器液控系統(tǒng)的壓力波動問題，通常需要排查許多方面的因素，需要對油液源頭到控制端進行逐一排查[5]。針對上述電磁閥控制壓力波動，經(jīng)多次測試和排查發(fā)現(xiàn)具有以下特性：

（1）該壓力波動現(xiàn)象具有普遍性和規(guī)律型；

（2）壓力波動頻率與葉片泵流量特性無關(guān)；

（3）電磁閥輸入端壓力、流量正常；

（4）電磁閥輸出端油路和控制部件均無異常；

（5）該壓力波動只出現(xiàn)在電流從0 mA到 1 000 mA階躍；

（6）更換電磁閥和電磁閥顫振信號該壓力波動無明顯改善；

（7）供應商電磁閥單體測試無該波動出現(xiàn)，且在其他量產(chǎn)產(chǎn)品中無類似情況出現(xiàn)；

（8）溫度在70 ℃以上的該工況均存在該壓力波動。

針對上述特性，另外一種可能的情況為該電磁閥控制油路壓力與變速器環(huán)境形成共振，導致了壓力波動[6]，而針對這種情況需要改變變速器結(jié)構(gòu)或者油路布置，需要對零部件進行重新設計，且變更后模具也需要相應的修改，需要的時間和成本均較高。因此，本文提出一種只修改液壓模塊中隔板阻尼的方法，通過改變該電磁閥出口油路的阻尼作用，進而改變油路壓力和流量的變化規(guī)律，起到壓力穩(wěn)定的作用。針對隔板的修改方案，通常采用仿真軟件對問題進行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果獲得隔板的修改方案，并選取最優(yōu)方案進行試驗驗證。因此，隔板阻尼方案需要設置多種，本文設置了4種阻尼模型，同時增加無阻尼系統(tǒng)作為對照組，通過對比分析獲得最佳的阻尼系統(tǒng)模型。

2 仿真模型搭建

2.1 電磁閥仿真模型搭建

阻尼系統(tǒng)仿真模型的搭建首先需要搭建電磁閥的仿真模型，采用AMEsim軟件搭建電磁閥模型，封裝模型與內(nèi)部詳細模型如圖2所示，其中電磁閥尺寸、開口量、電磁力、流量等數(shù)據(jù)依據(jù)電磁閥供應商提供并導入模型中，電磁閥輸入有壓力輸入信號和電流信號，分別為接口1和4；輸出有控制端口A和卸油口T，分別為3和2接口。

圖2 電磁閥AMEsim模型

2.2 阻尼系統(tǒng)仿真模型搭建

阻尼系統(tǒng)仿真模型同樣采用AMEsim軟件搭建，設置了4種阻尼系統(tǒng)和無阻尼系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。系統(tǒng)模型從左開始依次為無阻尼（0）、單阻尼孔（1）、雙阻尼孔（2）、三阻尼孔（3）和四阻尼孔（4）模型，其中無阻尼系統(tǒng)仿真模型為對照組，單個模型中阻尼孔采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。在實際工況中，需要考慮油路的通流能力，對照組無阻尼孔模型采用問題數(shù)據(jù)中的油路直徑和長度等數(shù)據(jù)，其余4種帶阻尼系統(tǒng)均采用同樣的通流能力，經(jīng)換算系統(tǒng)需求的通流節(jié)流孔為2，因此，單阻尼孔、雙阻尼孔、三阻尼孔和四阻尼孔模型的阻尼孔徑分別為2、1.4、1.2和1。

圖3 系統(tǒng)仿真模型

所有模型中電磁閥模型均為已封裝模型，電流信號采用統(tǒng)一電流信號作為輸入，信號采用step階躍信號，如圖4所示，電流在1 s時刻從0 mA上升為1 000 mA，所有模型均忽略電磁閥電流顫振的影響。電磁閥P口連接22 bar壓力的恒壓源和5 ml的容腔，A口連接12 ml的容腔，T口直接連接油箱。液壓油采用該變速器所使用的液壓油，其90 ℃時密度為816.5 kg/m3，動力粘度為6.3 mPa·s；–40 ℃時密度為842.4 kg/m3，動力粘度為53 026.6 mPa·s。

圖4 電流step曲線

2.3 結(jié)果與分析

所有模型在90 ℃的仿真結(jié)果如圖5所示，由圖可知，5種模型均存在較大的壓力超調(diào)，與實際測試具有較大的差異，其原因主要在于仿真模型中所有油路和容腔默認為充滿油液狀態(tài)，而實際測試過程中油路中無存油，因此實際測試中壓力超調(diào)較小。在5種模型中，無阻尼系統(tǒng)模型壓力波動最大，且無法收斂；其余4種阻尼系統(tǒng)模型均存在壓力波動，但隨著時間增加逐漸收斂至平穩(wěn)，壓力收斂速度隨著阻尼孔數(shù)量的增加而變快，其中，四阻尼孔模型的收斂速度最快，能較快地達到壓力穩(wěn)定。因此表明在保證通流能力同時，增加阻尼孔的數(shù)量有利于控制壓力穩(wěn)定性的提高。

圖5 壓力曲線

5種模型在–30 ℃的壓力響應時間近提取1 s到1.05 s內(nèi)的仿真結(jié)果如圖6所示，由圖可知，5種模型中，無阻尼系統(tǒng)模型的壓力超調(diào)最大，響應時間最快，而有阻尼作用的超調(diào)相對較小，響應時間相對較慢。

圖6 響應時間

對不同溫度下的情況進行仿真，結(jié)果如表1所示，由表可知，對比不同溫度下的壓力值，溫度越高壓力穩(wěn)定越差，壓力超調(diào)也更大，響應時間更快。在90 ℃和120 ℃時，系統(tǒng)不增加阻尼孔則無法達到壓力穩(wěn)定；在增加阻尼孔后，定義壓力穩(wěn)定的標準為壓力波動范圍≤0.25 bar，隨著節(jié)流孔的數(shù)量增加，壓力穩(wěn)定的時間更短，在變速器長時間溫度90 ℃情況下，4種阻尼系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定時間分別為240 ms、215 ms、185 ms和155 ms，且在4個阻尼孔的情況下，壓力波動能較快地達到壓力穩(wěn)定，具有較好的壓力穩(wěn)定特性。同樣高溫情況下壓力超調(diào)也更大，響應時間也更短。在低溫情況下，由于油品粘度增大，油液在油路中流動的阻尼增加，因此油道和控制端容腔填充油液的速度也相對較慢，對應的壓力建立的時間更長，壓力穩(wěn)定時間也更長。而在增加了阻尼孔的作用下，系統(tǒng)的壓力的超調(diào)明顯降低；在–30 ℃時，相比無阻尼孔系統(tǒng)，4種阻尼系統(tǒng)的壓力超調(diào)分別降低了62.52%、69.73%、80%和88.29%。然而，阻尼孔的增加讓壓力的響應時間更長，在4個阻尼孔的作用下，壓力響應時間達到28.5 ms，相比于無阻尼的情況下，響應時間延長了111%。通常電磁閥的響應時間要求小于60 ms，因此，增加阻尼系統(tǒng)后，4種阻尼系統(tǒng)方案的響應時間均滿足要求。

表1 不同方案的仿真結(jié)果

2.4 試驗驗證

為了驗證仿真結(jié)果的可靠性，選取仿真結(jié)果最佳的四阻尼孔模型進行驗證。液壓模塊的隔板采用激光切割方式進行加工，所有阻尼孔均在隔板中體現(xiàn)。將新的隔板替換到原有變速器上進行試驗，結(jié)果如圖7所示，電磁閥控制壓力相對平穩(wěn)，波動僅為0.19 bar，表明增加阻尼孔方案能有效提高電磁閥出口壓力的穩(wěn)定性。

圖7 實測曲線

3 結(jié)論

對于變速器開發(fā)過程中出現(xiàn)的直驅(qū)電磁閥控制壓力波動問題，采用仿真和試驗驗證的方法進行分析，獲得結(jié)論如下：

（1）采用增加電磁閥出口阻尼的方法能有效地提高電磁閥出口壓力的穩(wěn)定性，可較快且較低成本地解決壓力波動的問題；

（2）不同阻尼系統(tǒng)對電磁閥控制壓力影響不同，阻尼孔數(shù)量越多，對電磁閥出口壓力影響越大，其中，4個阻尼孔模型具有最佳的壓力穩(wěn)定性；

（3）對于電磁閥壓力控制系統(tǒng)，系統(tǒng)溫度越高，控制壓力穩(wěn)定越差，壓力超調(diào)更大，響應時間更快。

[1] 雷先華,何美生,周熙欽,等.汽車自動變速器技術(shù)的總結(jié)與展望[J].機電工程技術(shù),2020,49(5):82-84.

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[5] 韓玲,張立斌,安穎,等.無級變速器電液控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 吉林大學學報(工學版),2014,44(5): 1247-1252.

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Analysis on Pressure Fluctuation of Solenoid Valve in Transmission Hydraulic Control System

DAI Liangshun, YIN Yanfei, ZHANG Anwei, LIANG Dongwei

( Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Company Limited,Guangzhou 511434, China )

Aiming at the problem of pressure fluctuations in the direct drive solenoid valve of the hydraulic control system during the development of the transmission. In this paper, AMEsim software was used to build the simulation model of solenoid valve, and four kinds of damping system simulation models were established for simulation analysis. The influence of different damping on the outlet pressure of solenoid valve was studied, and the damping system model with the best pressure stability was obtained, which has been verified by experiments. The results show that the method of increasing the damping of the direct drive solenoid valve outlet can effectively improve the stability of the solenoid valve outlet pressure. Among the four damping system models, the four orifice model has the best pressure stability. This method can solve the problem of pressure fluctuations quickly and at a lower cost, and provides a new idea for solving the problem of pressure fluctuations.

Transmission;Hydraulic control system; Pressure fluctuation; Solenoid valve; Damping system;Four orifice model;Pressure stability

U463.2

A

1671-7988(2022)23-149-05

U463.2

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1671-7988(2022)23-149-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.027

戴良順（1993—），男，助理工程師，研究方向為自動變速器液壓控制系統(tǒng)，E-mail:2536671734@qq.com。