基于高速開(kāi)關(guān)閥的濕式離合器緩沖控制系統(tǒng)研究

馬克凡, 王立勇, 唐長(zhǎng)亮, 賈然

(北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100192)

0 前言

濕式離合器是大功率液力機(jī)械傳動(dòng)裝置中重要的傳動(dòng)部件，其工作狀態(tài)直接影響設(shè)備的安全可靠運(yùn)作。濕式離合器依靠其摩擦副擠壓產(chǎn)生的摩擦力實(shí)現(xiàn)力矩的傳遞。其傳遞力矩的大小主要取決于摩擦副的摩擦因數(shù)和離合器的接合油壓。由于摩擦因數(shù)直接取決于摩擦副的材料和結(jié)構(gòu)，不能隨意改變，而接合油壓可以靈活地控制，因此合理地控制換擋過(guò)程中接合油壓的變化，能夠有效地限制變速箱轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)、降低換擋沖擊、減少功率損失、提高換擋質(zhì)量[1-5]。

為得到良好的換擋品質(zhì)，研究人員在濕式離合器接合油壓控制方面進(jìn)行了大量研究。陳漫等人[6]將濕式離合器接合油壓控制過(guò)程劃分成3個(gè)階段，分別是快速充油階段、緩沖升壓階段和階躍升壓階段。其中快速充油階段油液推動(dòng)活塞移動(dòng)，以消除摩擦副之間的間隙，接合迅速；緩沖升壓階段摩擦副產(chǎn)生滑摩，接合緩慢；階躍升壓階段摩擦副完成滑摩并剛性連接，接合油壓迅速上升至系統(tǒng)穩(wěn)定工作油壓。該三段式油壓控制方法有效降低了離合器接合過(guò)程中的功率損失，減少?zèng)_擊擾動(dòng)，大大提高了濕式離合器的接合品質(zhì)。

為實(shí)現(xiàn)三段式接合油壓控制，一種機(jī)械式液壓緩沖閥被設(shè)計(jì)并應(yīng)用于離合器接合控制。該類緩沖閥制造成本低、控制簡(jiǎn)便，但其輸出油壓受自身油孔直徑、彈簧剛度等多種機(jī)械因素的影響較大，控制精度及靈活性不足[7-9]。為增強(qiáng)濕式離合器控制效果，以電液比例閥為先導(dǎo)閥的液壓緩沖系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于離合器控制中。在此基礎(chǔ)上研究人員對(duì)其控制信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化，使得比例閥在控制離合器接合過(guò)程中能夠有效降低油壓波動(dòng)，減小沖擊，提高接合品質(zhì)[10-11]。電液比例閥雖具有較好的控制精度和靈活性，但成本相對(duì)較高，對(duì)油液污染十分敏感，在極端惡劣工況下的控制可靠性降低。因此，為了進(jìn)一步提高離合器控制的精度及可靠性，越來(lái)越多的液壓控制系統(tǒng)選擇使用高速開(kāi)關(guān)閥替代電磁比例閥[12]。高速開(kāi)關(guān)閥只有開(kāi)、關(guān)2種工作狀態(tài)，其工作過(guò)程簡(jiǎn)單、抗污能力強(qiáng)，且制造成本低，可實(shí)現(xiàn)微流量和小壓力輸出情況下快速精準(zhǔn)地控制系統(tǒng)輸出流量和壓力[13]，但由于高速開(kāi)關(guān)閥普遍工作壓力低、通流流量小等問(wèn)題，不能直接參與控制離合器等大流量設(shè)備[14]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文作者以高速開(kāi)關(guān)閥為先導(dǎo)閥體設(shè)計(jì)了一種濕式離合器接合油壓控制系統(tǒng)，采用高速開(kāi)關(guān)閥為先導(dǎo)閥體，控制主閥位移[15]，實(shí)現(xiàn)濕式離合器接合的緩沖控制。

1 液壓控制系統(tǒng)

1.1 液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

濕式離合器液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其組成包括兩部分：由油泵R、過(guò)濾器、單向閥、溢流閥、高速開(kāi)關(guān)閥組成的控制油路；由油泵C、過(guò)濾器、主閥油腔、主閥、低壓溢流閥、高壓溢流閥組成的充油油路,以及一些輔助液壓元件。

圖1 液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 高速開(kāi)關(guān)閥控制原理

高速開(kāi)關(guān)閥作為先導(dǎo)閥體控制油路輸出流量，控制油路輸出的流量進(jìn)入充油油路的主閥油腔產(chǎn)生液動(dòng)力推動(dòng)主閥移動(dòng)。該液壓控制系統(tǒng)選用常開(kāi)型電磁式高速開(kāi)關(guān)閥，開(kāi)關(guān)閥采用PWM信號(hào)(脈寬調(diào)制信號(hào))控制。開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理為當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)閥閥芯在彈簧力和液壓力的作用下壓緊在最左端，此時(shí)閥口打開(kāi)，進(jìn)油口與出油口聯(lián)通，控制油路的油液經(jīng)高速開(kāi)關(guān)閥閥口全部回流入油箱；主閥油腔無(wú)流量輸入不產(chǎn)生油壓，主閥不發(fā)生位移。當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)閥線圈通電產(chǎn)生吸力，推動(dòng)閥芯克服液壓力和彈簧力向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)閥口關(guān)閉，進(jìn)油口與出油口斷開(kāi)；控制油路油液進(jìn)入主閥油腔產(chǎn)生壓力，推動(dòng)主閥產(chǎn)生位移。

圖2 高速開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)

1.3 液壓控制系統(tǒng)主閥工作原理

液壓控制系統(tǒng)主閥工作原理如圖3所示。

圖3 主閥閥芯工作原理

高速開(kāi)關(guān)閥不通電，控制油路油液全部由高速開(kāi)關(guān)閥回流入油箱。此時(shí)主閥閥芯在回位彈簧作用下壓緊在最右端，各油口不聯(lián)通，離合器不充油。

高速開(kāi)關(guān)閥輸入信號(hào)，控制油路油液流入主閥油腔，流量為QR，油腔內(nèi)產(chǎn)生液壓力pR，此時(shí)主閥閥芯在液壓力作用下克服回位彈簧彈力開(kāi)始向左移動(dòng)，位移為xv。當(dāng)主閥右端端面位移在ab段時(shí)，閥座進(jìn)油口1與出油口3聯(lián)通，此階段離合器在離合器油泵C輸出流量Qs(即進(jìn)入離合器活塞腔流量Qc)作用下快速充油。為保證該階段下離合器系統(tǒng)壓力不會(huì)超過(guò)快速充油階段所需要的最大壓力，在出油口3處設(shè)計(jì)低壓溢流閥。

當(dāng)主閥右端端面位移在bc段時(shí)，閥座進(jìn)油口1與出油口2和回油口6聯(lián)通，如圖4所示。進(jìn)油口油液一部分通過(guò)出油口2進(jìn)入離合器活塞腔，流量為Qc，另一部分通過(guò)回油口流入油箱。在此行程階段，閥體處于雙邊節(jié)流狀態(tài)(進(jìn)油口、回油口均處于臨近關(guān)閉但并未完全關(guān)閉狀態(tài))，使離合器接合油壓能夠線性緩慢上升，達(dá)到離合器接合的緩沖升壓階段。

圖4 雙邊節(jié)流時(shí)主閥位置

主閥右端端面行駛過(guò)bc段后，閥座進(jìn)油口1與出油口2聯(lián)通，油液全部進(jìn)入離合器活塞腔，進(jìn)油口開(kāi)口量增大，離合器油壓階躍升高，此階段離合器完成階躍升壓階段。

2 系統(tǒng)建模

2.1 高速開(kāi)關(guān)閥

高速開(kāi)關(guān)閥電路的電壓平衡方程：

(1)

式中:L(x)為控制線圈電感；x為閥芯位移；R為控制線圈電阻；i為控制線圈產(chǎn)生的電流。

線圈產(chǎn)生的電磁吸力為

(2)

式中：u0為空氣中的導(dǎo)磁率；S0為氣隙面積；n為控制線圈匝數(shù)；li為氣隙長(zhǎng)度。

對(duì)閥芯產(chǎn)生的液動(dòng)力：

Fs=2CdCVωΔp

(3)

式中:Cd為閥口流量系數(shù)；CV為閥口速度系數(shù)；ω為閥口面積梯度；Δp為閥口壓降。

高速開(kāi)關(guān)閥閥芯動(dòng)力學(xué)方程：

(4)

式中：m為閥芯及銜鐵質(zhì)量；B為油液黏性阻尼系數(shù)；Fk為彈簧力；

流經(jīng)高速開(kāi)關(guān)閥閥口的流量方程為

(5)

式中：Cd為閥口流量系數(shù)；A0為閥口的通流面積；Δp為閥口壓降；ρ為油液密度。

(6)

2.2 液壓泵方程

液壓系統(tǒng)中支路油液與濕式離合器接合過(guò)程中的油液均靠液壓泵提供動(dòng)力，流量方程為

Qp=npVpη

(7)

式中:Qp為液壓泵輸出流量；np為液壓泵電機(jī)轉(zhuǎn)速；Vp為液壓泵排量；η為液壓泵容積效率。

2.3 溢流閥方程

溢流閥正常工作，只有當(dāng)油液壓力大于開(kāi)啟壓力pk時(shí)才開(kāi)始溢流，其余時(shí)間Qy=0。

(8)

式中:Cd為溢流閥閥口流量系數(shù)；d1為溢流閥閥口直徑；ps為系統(tǒng)油壓；k為溢流閥彈簧剛度；α為溢流閥閥芯半錐角。

2.4 液壓系統(tǒng)主閥閥芯動(dòng)力學(xué)方程

主閥油腔產(chǎn)生液壓力推動(dòng)主閥閥芯運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力學(xué)方程如下：

(9)

式中：AV為主閥端面面積；mV為主閥閥芯質(zhì)量；x0為主閥閥芯初始位移；xV為主閥閥芯位移；cV為主閥閥芯阻尼；kV為主閥閥芯彈簧剛度；pL為主閥左側(cè)壓力。

2.5 濕式離合器接合動(dòng)力學(xué)方程

根據(jù)離合器活塞受力情況的不同，得出摩擦片和鋼片在靠近過(guò)程與壓緊形變過(guò)程的活塞動(dòng)力學(xué)方程：

(10)

Fl=pcAc

(11)

式中：pc為油缸內(nèi)壓力；Ac為活塞作用面積；mc為活塞質(zhì)量；cc為阻尼系數(shù)；ks為回位彈簧剛度；λ0為彈簧初始?jí)嚎s量；ksc為摩擦元件形變剛度；Ff為密封圈動(dòng)摩擦力；Fl為油液離心壓力。

公式(10)表征離合器活塞克服彈簧力與摩擦力，摩擦片和鋼片逐漸靠近的過(guò)程。公式(11)表征摩擦片和鋼片貼緊后受力形變的過(guò)程。

2.6 控制油路流量平衡方程

控制油路中液壓泵輸出總流量等于推動(dòng)主閥閥芯的流量、流經(jīng)高速開(kāi)關(guān)閥的泄漏流量以及溢流閥流量。QP是液壓泵輸出流量為定值，滿足流量平衡方程：

QP=QR+QV+QY

(12)

式中：QR為推動(dòng)主閥閥芯油液流量；QV為高速開(kāi)關(guān)閥泄漏的流量；QY為溢流閥流量。

(13)

式中：β為油液彈性模量；VV0為主閥油腔初始容積。

2.7 離合器接合過(guò)程的流量平衡方程

離合器油缸內(nèi)油液來(lái)自油泵C，建立濕式離合器的流量平衡方程如下：

QP2=Qc+Qh/Qd+Qe+QL

(14)

式中：Qc為推動(dòng)活塞油液流量；Qh為高壓溢流閥流量；Qd為低壓溢流閥流量；Qe為油管容積引起的流量變化；QL為油缸卸油孔流量。

根據(jù)上述方程，利用MATLAB仿真環(huán)境計(jì)算求解了高速開(kāi)關(guān)閥的流量特性、主閥閥芯位移以及離合器接合油壓。

3 仿真結(jié)果

3.1 高速開(kāi)關(guān)閥流量特性

如圖5所示，負(fù)載壓力一定時(shí)，脈沖控制信號(hào)的占空比增大，高速開(kāi)關(guān)閥的通過(guò)流量減小，并在一定范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。脈沖控制信號(hào)的頻率對(duì)高速開(kāi)關(guān)閥的流量特性具有較大影響；頻率增大，流量特性的線性區(qū)間減小，如表1所示。

圖5 0.9 MPa負(fù)載壓力下高速開(kāi)關(guān)閥流量特性

表1 不同頻率下高速開(kāi)關(guān)閥的線性控制范圍

如圖6所示:隨著負(fù)載壓力增大，高速開(kāi)關(guān)閥的最大通過(guò)流量增大。當(dāng)負(fù)載壓力為0.9 MPa時(shí)，最大通過(guò)流量為17.6 L/min；當(dāng)負(fù)載壓力為0.3 MPa時(shí)，最大通過(guò)流量為10 L/min。系統(tǒng)所選用高速開(kāi)關(guān)閥的最大負(fù)載壓力為0.9 MPa，由于濕式離合器在穩(wěn)定接合時(shí)所需要的最大壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.9 MPa，高速開(kāi)關(guān)閥不可以直接用于控制濕式離合器接合。因此，該系統(tǒng)使用高速開(kāi)關(guān)閥為先導(dǎo)閥驅(qū)動(dòng)主閥閥芯來(lái)控制離合器接合。

圖6 不同負(fù)載壓力下高速開(kāi)關(guān)閥流量特性

3.2 主閥閥芯運(yùn)動(dòng)分析

主閥運(yùn)動(dòng)位移與主閥油腔壓力變化如圖7和圖8所示。由圖7可知，主閥油腔壓力達(dá)到0.13 MPa，閥芯開(kāi)始克服回位彈簧的彈性力發(fā)生位移；壓力達(dá)到0.9 MPa，溢流閥打開(kāi)，穩(wěn)定控制油路的系統(tǒng)壓力，保持高速開(kāi)關(guān)閥的工作環(huán)境壓力。從圖8可以看到：主閥油腔壓力到達(dá)0.86 MPa時(shí)，主閥閥芯運(yùn)動(dòng)到最大位移處。

圖7 不同占空比下主閥油腔壓力

圖8 不同占空比下主閥位移

給定控制信號(hào)的占空比越大，主閥油腔壓力達(dá)到穩(wěn)定所用的時(shí)間越短，主閥運(yùn)動(dòng)到最大位移所用的時(shí)間越短，數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表2。

表2 不同占空比下主閥動(dòng)作時(shí)間

3.3 給定控制信號(hào)下的閥芯位移

根據(jù)濕式離合器接合不同階段，選用占空比信號(hào)，控制該接合階段對(duì)應(yīng)主閥位移區(qū)間的運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，控制離合器的充油過(guò)程。初步試用信號(hào)頻率為50 Hz，信號(hào)占空比詳見(jiàn)表3，信號(hào)如圖9所示。

表3 控制信號(hào)占空比

圖9 控制信號(hào)

圖10所示為主閥閥芯隨信號(hào)的位移曲線，控制開(kāi)始后的0.18～0.55 s，主閥閥芯在ab區(qū)間快速運(yùn)動(dòng)，在0.6 s進(jìn)入bc區(qū)間，并緩慢運(yùn)動(dòng)到最大位移處。圖11所示為該液壓系統(tǒng)輸出接合油壓pc:0～0.6 s接合油壓快速上升到0.4 MPa；0.6～1.15 s接合油壓從0.4 MPa緩慢上升到0.7 MPa；1.15～1.28 s接合油壓快速上升到1.3 MPa。接合油壓明顯呈“快-慢-快”三段式上升。

圖10 主閥閥芯位移

圖11 濕式離合器控制油壓pc

結(jié)合液壓系統(tǒng)分析，當(dāng)主閥閥芯位移處于ab段時(shí)，閥體進(jìn)油口與離合器油道聯(lián)通，離合器快速充油，當(dāng)壓力達(dá)到0.4 MPa時(shí)低壓溢流閥工作，保持快速充油階段油壓；主閥閥芯位移處于bc段時(shí)，閥體進(jìn)油口與離合器油道和回油口聯(lián)通，閥體處于雙邊節(jié)流狀態(tài)，接合油壓緩慢上升，離合器緩沖升壓；主閥閥芯位移越過(guò)bc段，閥座進(jìn)油口與離合器油道聯(lián)通，且進(jìn)油口開(kāi)口量增大，離合器油壓階躍升高。該液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了濕式離合器接合油壓三段式上升的緩沖控制。

3.4 高頻信號(hào)下的主閥響應(yīng)

由第3.1小節(jié)可知，給定脈沖控制信號(hào)的頻率越大，高速開(kāi)關(guān)閥輸出流量的線性可控區(qū)間越小。如圖12所示，給定控制信號(hào)頻率為200 Hz，高速開(kāi)關(guān)閥的控制區(qū)域可劃分為3個(gè)區(qū)間，1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)。1區(qū)開(kāi)關(guān)閥輸出流量不隨控制信號(hào)發(fā)生改變， 2區(qū)開(kāi)關(guān)閥輸出流量隨信號(hào)做非線性變化，僅3區(qū)間開(kāi)關(guān)閥輸出流量隨信號(hào)線性變化。

如圖13所示，控制信號(hào)頻率為200 Hz，選取1區(qū)內(nèi)任一占空比作為液壓控制系統(tǒng)輸入信號(hào)。τ<0.31時(shí)，主閥閥芯無(wú)動(dòng)作。τ>0.67時(shí)，主閥閥芯總是以最快速度移動(dòng)到最大位移處，且在1區(qū)間內(nèi)任意選取占空比大小，主閥運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不隨信號(hào)變化而改變，因此該信號(hào)區(qū)間液壓系統(tǒng)輸出不可控。2區(qū)間為非線性控制區(qū)間，該區(qū)間不能利用控制信號(hào)對(duì)主閥進(jìn)行精準(zhǔn)控制，故該區(qū)間仍為不可控區(qū)間，不做討論。

圖12 200 Hz控制信號(hào)下的開(kāi)關(guān)閥輸出特性

圖13 200 Hz下1區(qū)信號(hào)控制的主閥位移響應(yīng)

如圖14所示，高速開(kāi)關(guān)閥的線性可控占空比區(qū)間為0.461～0.562，在此區(qū)間內(nèi)給定控制信號(hào)，主閥的運(yùn)動(dòng)時(shí)間最快為0.73 s(τ=0.562)、最慢為0.86 s(τ=0.461)，時(shí)間變化范圍僅有0.13 s。

圖14 200 Hz下給定控制信號(hào)的主閥位移響應(yīng)

從離合器接合角度分析，如圖15所示，在頻率為200 Hz的控制信號(hào)下，無(wú)論如何改變控制信號(hào)，主閥運(yùn)動(dòng)時(shí)間均很快，導(dǎo)致油道開(kāi)閉速度快，油壓上升速度極快，不能有效控制油壓上升。主閥只能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能，控制濕式離合器油道的開(kāi)閉，不能實(shí)現(xiàn)濕式離合器充油油壓的分段控制，故該頻率下無(wú)法完成濕式離合器接合油壓的緩沖控制。

圖15 200 Hz下濕式離合器控制油壓pc

如圖16所示，給定控制信號(hào)頻率為150 Hz，高速開(kāi)關(guān)閥的線性可控區(qū)間拓寬，占空比區(qū)間為0.185～0.825，主閥運(yùn)動(dòng)時(shí)間最快為0.43 s(τ=0.185)、最慢為1.38 s(τ=0.825)，可控時(shí)間變化范圍拓寬，該頻率下可以對(duì)主閥運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

圖16 150 Hz線性區(qū)間控制信號(hào)下的主閥位移響應(yīng)

由上述分析可知:隨著控制信號(hào)頻率減小，高速開(kāi)關(guān)閥的線性可控范圍增大，液壓系統(tǒng)對(duì)濕式離合器接合油壓的緩沖控制效果越好。

4 結(jié)論

文中基于電磁式高速開(kāi)關(guān)閥設(shè)計(jì)了一種用于濕式摩擦離合器的液壓緩沖控制系統(tǒng)。通過(guò)計(jì)算證明該液壓系統(tǒng)能夠?qū)袷诫x合器接合進(jìn)行緩沖控制，實(shí)現(xiàn)接合油壓三段式緩沖上升。

該液壓系統(tǒng)在高頻信號(hào)下無(wú)法有效完成濕式離合器接合油壓緩沖控制，在低頻信號(hào)下有較好的控制精度。該系統(tǒng)通過(guò)改變控制信號(hào)占空比的大小，控制濕式離合器接合過(guò)程，使接合控制更為靈活，為優(yōu)化控制提供了理論依據(jù)。