自動變速器液壓閥板密封性仿真分析

張晨光 臺格潤 楊瑄 趙偉偉

摘? 要：本文通過使用ANSYS仿真軟件計算壓緊力的仿真方法，對液壓閥板的密封性能進行了轉(zhuǎn)換評估。首先，我們建立了一個液壓閥板的三維CAD模型，并使用ANSYS軟件中靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊對其進行了網(wǎng)格劃分和物理模擬。然后，我們通過設(shè)置不同的工作條件和不同液壓元件的接觸形式及參數(shù)，模擬了液壓閥板對密封墊壓緊力的應(yīng)力分布情況，再通過局部的應(yīng)力數(shù)值與油道油液的壓力的比值，可得到具體某個物理點對應(yīng)的密封性安全系數(shù)。通過對不同的閥板材料、結(jié)構(gòu)以及螺栓預(yù)緊力的仿真，來幫助評估液壓閥板的密封性能，為設(shè)計和優(yōu)化提供有價值的參考。

關(guān)鍵詞：自動變速器；液壓閥板；密封仿真；壓緊力仿真

中圖分類號：TM137? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2024）03-0045-05

Sealing Simulation Analysis of Hydraulic Valve Pate for Automatic Transmission

Abstract： This study presents a simulation methodology for evaluating the sealing performance of a hydraulic valve plate by using ANSYS software. Firstly， a 3D-CAD model of the hydraulic valve plate was crated， and the meshing and physical simulation were performed using the static structural module in ANSYS. Subsequently， by varying the operating conditions and the contact form and parameters of the hydraulic components， the stress distribution of the sealing gasket due to the tightening force of the hydraulic valve plate was simulated. The specific sealing safety factor corresponding by analyzing the ratio of local stress values and oil pressure in the oil channel. By simulating different valve plate materials， structure， and bolt preload forces， this amis to assist in evaluating the sealing performance of hydraulic valve plates and provide valuable insights for design and optimization.

Key Words： Automatic Transmission; Hydraulic Valve Plate; Sealing Simulation; Bolts Preloads Simulation

1? ? 前言

液壓系統(tǒng)是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)和機械領(lǐng)域的能量傳遞系統(tǒng)，通過利用液體船體能量來實現(xiàn)力和運動的控制情況。在液壓系統(tǒng)中，液壓閥板作為最關(guān)鍵的控制零部件之一，主要用于調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)中油液的流體、壓力、和方向狀態(tài)。

液壓閥板的密封性仿真對于優(yōu)化設(shè)計和提高自動變速器的性能具有重要意義，因此為了評估液壓閥板的密封性能狀態(tài)，相關(guān)的密封性仿真技術(shù)被廣泛開發(fā)及應(yīng)用。通過對相關(guān)技術(shù)參數(shù)的模擬和分析可以有效預(yù)測和優(yōu)化閥板的密封性能，從而減少實際試驗的需求，提高設(shè)計效率。通常使用有限元分析（FEA）來模擬實際工作狀態(tài)下的密封行狀態(tài)，例如密封面接觸壓力、變形量、和變形應(yīng)力等分布云圖進行分析。

如果液壓閥板的密封性能不佳，會導(dǎo)致油液泄漏從而影響到變速器的換擋效果和整體性能。同時，液壓閥板的密封性能受到多種因素的影響，如密封材料的選擇、密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計等。通過仿真軟件進行分析可對其密封性能進行全面評估，提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題并采取相應(yīng)的應(yīng)對措施進行改進。另一方面，仿真分析還可減少實驗測試的成本和時間，提高實驗設(shè)計效率和可靠性。

2? ? 液壓閥板密封仿真方法

本次對與液壓閥板的密封性仿真使用的是ANSYS軟件中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊，通過對液壓閥板總成的三維模型進行各方面的技術(shù)參數(shù)設(shè)定以及環(huán)境變量的設(shè)定，可得到整個裝配總成中關(guān)鍵密封面的壓緊力、變形量、和變形應(yīng)力的分布云圖，同時通過計算每條油道周圍壁面上的接觸壓力與油液壓力的比值，可得到該條油道周邊的密封情況，同理可計算出整個閥板的接觸密封面的密封性狀態(tài)情況。具體實施方式如下：

1、建立液壓閥板裝配總成的三維模型

2、導(dǎo)入材料參數(shù)

3、設(shè)定邊界條件

4、進行仿真分析

5、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

本次使用的三維模型為傳統(tǒng)自動變速器中液壓閥板+隔板+密封墊+固定殼體的裝配形式進行仿真，其中閥板和固定殼體將采用傳統(tǒng)鋁合金和灰鑄鐵兩種材料進行對比，隔板使用普通鋼材，密封墊使用發(fā)泡橡膠。其次根據(jù)實際的總成裝配形式設(shè)定各個零部件之間的接觸關(guān)系，根據(jù)實際工況設(shè)定閥板油道的工作壓力、溫度、螺栓預(yù)緊力等邊界條件進行仿真。仿真結(jié)果顯示采用應(yīng)力分布、變形情況等分布云圖。最后對仿真結(jié)果進行分析并對液壓閥板進行結(jié)構(gòu)改進從而提升整個總成的密封性能。

3? ? 液壓閥板的密封仿真分析

液壓閥板的密封仿真分析主要通過密封墊受壓的一面、隔板受壓的一面、以及閥板油道方向端面的等效應(yīng)力分布、等效彈性應(yīng)變分布、接觸工具壓力分布的幾種云圖對整個閥板總成的密封性能進行詳細分析。

仿真時，閥板及固定殼體材料選用鋁合金以及灰鑄鐵進行對比，閥板的整體固定形式選用固定殼體底面固定，同時添加螺栓預(yù)緊力以及油道壁面的壓力。此處三維總成螺栓預(yù)緊力使用15000N與20000N進行對比；油道壁面的作用壓力模擬液壓系統(tǒng)油液壓力，不同油道對應(yīng)壓力不同，總體在1至3MPa之間。

首先對閥板總成的初始結(jié)構(gòu)進行仿真分析，具體仿真結(jié)果如下：

如圖2所示，對于該閥板結(jié)構(gòu)，整體的變形量最大可到0.162mm，主要集中在螺栓包頂部位置處，對于閥板密封面的密封情況影響較小。閥板總成的總等效應(yīng)力分布云圖可觀測到整體應(yīng)力主要集中在螺栓孔周圍位置，隔板以及密封墊表面的壓緊和密封狀態(tài)主要由螺栓的位置布局以及其擰緊力所決定。

隔板的等效應(yīng)力分布云圖可明確看出閥板上的油道壓緊到隔板上所呈現(xiàn)出的具體形狀和布局，且隔板上的應(yīng)力分布值明顯較大，普遍處于30-50MPa之間，隔板上應(yīng)力越集中的位置代表其發(fā)生翹曲或變形的風(fēng)險越大，具體情況取決于隔板自身的材料強度。同理，對于密封墊而言，因為其自身的材料選用為彈性材料，收到壓力時自身的變形量較大，所以其應(yīng)力分布云圖當(dāng)中所承受的應(yīng)力值都較小，普遍在1-2MPa之間，說明密封墊極為容易發(fā)生變形。

最后，整個閥板總成的密封性主要由閥板密封端面、以及密封墊受壓面的接觸壓力分布云圖說明，傳統(tǒng)自動變速器液壓系統(tǒng)的油液壓力普遍在2MPa左右，因此理論上來說只要油道周圍的接觸壓力值大于2MPa，則說明該油道不會泄漏。通常而言可以把接觸壓力與油液壓力的比值看作一個安全系數(shù)（FS），為了降低液壓系統(tǒng)的泄漏風(fēng)險，且油道存在油液的沖擊，一般所需的安全系數(shù)需要不小于4。

如圖2中所示，密封墊的接觸壓力分布云圖普遍較低，紅色區(qū)域才勉強可達到3的安全系數(shù)，藍色區(qū)域為FS小于1的區(qū)域，及藍色區(qū)域都有較大泄漏的風(fēng)險。閥板密封端面的接觸壓力普遍大于6MPa，紅色區(qū)域為8MPa，整體的密封性還是較為安全的，圖中靠近左側(cè)的大閥芯對應(yīng)的油道區(qū)域的整體密封性較差，其他區(qū)域密封性可滿足需求。

另一方面，現(xiàn)實中同步做了該閥板總成的壓緊試紙測試，用于對比實際情況和仿真結(jié)果的真實性差異。如圖3所示：整體的壓緊狀態(tài)區(qū)域還是比較接近實際情況下壓緊試紙的測試狀態(tài)，可側(cè)面驗證該次仿真結(jié)果的真實性和可參考性。

初版閥板材料鋁合金材料，考慮到鋁合金材料的易變形特征以及高油壓工作環(huán)境，增加一組灰鑄鐵材料的密封接觸壓力的分布狀態(tài)對比圖。如圖4所示，灰鑄鐵較鋁合金材料相比，密封墊位置的接觸壓力分布云圖中藍色區(qū)域（<2MPa）的區(qū)域范圍明顯減少，但紅色區(qū)域（>6MPa）區(qū)域范圍變化不大，因此可得出結(jié)論閥板的灰鑄鐵較比鋁合金材料可適度增強閥板密封強度，但材料對整體密封性的影響不算太大。

初始狀態(tài)的閥板總成中采用15000N的螺栓預(yù)緊力，因為仿真結(jié)果采用壓緊力的分布狀態(tài)來擬合密封強度分析，因此螺栓預(yù)緊力對密封強度有著正向直接影響，仿真結(jié)果也證明了該理論的成立，如圖5所示：

對于初版的閥板結(jié)構(gòu)來說，在不考慮泄漏風(fēng)險對其功能的影響情況下，局部區(qū)域的密封性安全系數(shù)較低，可以通過改變閥板自身結(jié)構(gòu)的方式增加對應(yīng)區(qū)域的密封性強度。如圖6所示，在密封性強度較弱的區(qū)域內(nèi)增加了2個螺栓包的結(jié)構(gòu)，從而近一步得改善其局部的密封性，從結(jié)果來看，密封墊的接觸壓力分布藍色區(qū)域（FS < 1）的占比明顯減少；同時，閥板的接觸壓力分布紅色區(qū)域（FS > 3）占比明顯增大，新添加的螺栓包結(jié)構(gòu)明顯加強了對應(yīng)區(qū)域的密封性，近一步的驗證了該次仿真分析的有效性和可參考性。

為了進一步的驗證閥板結(jié)構(gòu)的改進對液壓系統(tǒng)密封性的影響狀態(tài)，對2種結(jié)構(gòu)的液壓閥板依次進行了液壓臺架試驗驗證。如圖7所示，對閥板出口端的潤滑流量進行了數(shù)據(jù)監(jiān)測，原始結(jié)構(gòu)下，在油泵轉(zhuǎn)速為800RPM下時，潤滑流量隨著溫度的升高而隨之降低，當(dāng)溫度最高升至110℃時，閥板發(fā)生泄漏導(dǎo)致流量將至0L/min；當(dāng)油泵的轉(zhuǎn)速變高后，潤滑油路的流量也相應(yīng)的隨之升高，但是在溫度最高升至110℃時，潤滑流量都有會一個明顯的下降趨勢，說明該閥板液壓系統(tǒng)內(nèi)的密封元件在110℃時的密封性能會大幅度降低。從而影響到潤滑油路的流量。結(jié)構(gòu)改進后的潤滑流量在不同轉(zhuǎn)速和溫度情況下的趨勢走向更加趨于平穩(wěn)，同時在800RPM和110℃的工作環(huán)境下，閥板未發(fā)生大規(guī)模泄漏情況，相比原始結(jié)構(gòu)，其潤滑流量在相同工作環(huán)境情況下由0L/min改進為5L/min。通過實際液壓臺架試驗驗證，進一步說明閥板結(jié)構(gòu)的改進確實對液壓系統(tǒng)的密封性有著非常明顯的影響。

4? ? 總結(jié)

自動變速器液壓閥板密封仿真分析是一個關(guān)鍵的研究領(lǐng)域，旨在解決自動變速器中閥板密封問題。通過利用計算機輔助仿真軟件，可以模擬液壓閥板的工作環(huán)境并評估其密封性能。

在進行仿真分析時，需要考慮多個因素，包括密封材料的物理性質(zhì)、密封結(jié)構(gòu)的幾何形狀以及工作環(huán)境條件等。本次仿真分析主要通過對密封墊以及閥板密封端面的接觸壓力分布云圖情況，再通過計算接觸壓力與液壓油液的壓力比值，從而得出評估閥板總成密封性強弱的安全系數(shù)值（FS），同時與現(xiàn)實壓緊試紙的測試狀態(tài)進行對比驗證其有效性，最終通過針對性的進行結(jié)構(gòu)設(shè)計改進，從而達到加強整個液壓系統(tǒng)的密封性強度的作用。

同時本次仿真結(jié)果證明灰鑄鐵較比鋁合金材料的密封強度好一些，但材料對整體總成的密封性影響不大；不同的螺栓預(yù)緊力對整體密封性影響較大，但合適的螺栓大小對零部件的功能及強度影響更重要；不同的閥板物理結(jié)構(gòu)對整體密封性的影響最大。

自動變速器液壓閥板密封仿真分析的重要性在于幫助提高自動變速器的性能和可靠性。通過優(yōu)化閥板密封性能，提供了優(yōu)化自動變速器設(shè)計的有效手段，并可減少液壓油泄漏和性能下降的風(fēng)險，從而降低維護成本并提升用戶體驗。

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