液压缓冲阀动态特性的研究

液压缓冲阀动态特性的研究

1缓冲阀动态特性对于车辆的动态日志交换装置，日志交换操作是通过控制交换装置的组合和分离来完成的。而换档过程中离合器(或制动器)摩擦力矩的变化对换档品质起着决定作用,除了结构参数外,摩擦力矩主要取决于摩擦系数和换档离合器油缸的压紧油压,这两个因素在换档离合器的结合过程中是变动的,而只有油压能够通过缓冲阀有效地进行控制。液压缓冲阀在换档过程中的特性是否合理影响到换档过程中动力性损失的程度和能否实现离合器平稳结合,使车速平稳地过渡而达到改善换档品质的目的。因此,需要合理地确定和控制换档过程中缓冲阀的油压特性。传统设计方法中主要采取稳态设计计算,稳态计算中,无法考虑离合器、元件质量、管道以及油液粘度等参数对缓冲阀特性的影响。因此,需要建立反映系统真实工作的动态数学模型,对缓冲阀进行动态性能分析和预测,达到减少产品的研制风险,缩小开发周期的目的。实际应用中有多种离合器油压控制方法,所采用的控制系统原理和结构也大不相同。本文针对作者所设计的一种用于车辆动力换档传动装置换档控制液压缓冲阀(如图1所示),建立了缓冲阀数学模型,采用MATLAB中的SIMULINK进行仿真研究,求解除了缓冲阀输出压力的动态变化规律及动态性能影响因素,并通过台架试验验证了系统建模方法和仿真计算正确性。2缓冲阀工作原理如图1所示,缓冲阀由液压缓冲阀芯、缓冲弹簧和调压阀芯协调配合,完成离合器的油的缓冲控制。换档过程中可以完成离合器充油过程压力变化的三个阶段。①快速充油阶段——从ECU(电子控制单元)发出换档指令到离合器油缸开始克服分离弹簧的预压力,消除离合器摩擦片的间隙,使其达到贴合为止。在该阶段中,缓冲阀芯在缓冲弹簧初始压缩力的作用下,推动缓冲阀芯使系统进油口ps与输出油口CL接通,快速向离合器及其油道内充油。这段时间油压特性影响到离合器的结合速度,当放油特性一定的情况下,这段时间长短影响到换档过程中是否出现动力中断及中断的程度,从而影响到车辆加速过程中的动力性能。②缓冲升压阶段——从离合器摩擦片刚被压紧达到完全接合且摩滑终止为止,这阶段缓冲阀的油压特性影响到换档过程中变速箱输出转矩变化,因而对换档过程中的品质起着决定性的影响。在该阶段中,缓冲阀的输出控制压力pCL通过缓冲阀芯上的反馈油孔O1作用到缓冲阀芯左端,与缓冲弹簧的变形量成比例变化,随着输出压力pCL的不断升高,输出压力经过节流孔O2后作用到调压阀的右端并推动调压阀逐渐向左移动,将缓冲弹簧不断压缩,作用到缓冲阀芯左端的压力与弹簧力相平衡并随之增长。缓冲阀芯处于双边节流工作状态,即ps至CL与CL至T(系统回油口)同时处于节流状态,当输出压力超出预定控制压力值时,推动缓冲阀芯将ps至CL节流边关小,而将CL至T节流边开大,使输出压力下降;当输出压力低于预定的压力值时,在缓冲弹簧力的作用下推动缓冲阀芯向左移动,将CL和T节流边关小,ps和CL节流边开大,使输出压力提高。③阶跃升压阶段——从②阶段末开始至油缸的油压急剧升到系统油压,时间极短。在该阶段中,调压阀与缓冲阀芯右端相接触,缓冲弹簧变形量不再增加,调压阀与缓冲阀芯相当于构成一体,由于调压阀直径大于缓冲阀芯,因此在输出油压的作用下推动调压阀将ps和CL油口迅速开大,形成“阶跃升压”。“阶跃升压”阶段是为了保证换档离合器具有足够的力矩储备,当“缓冲升压”阶段结束后,缓冲阀的进油节流边全部打开,使油压急剧升到系统压力;因该阶段之前换档过程已经结束,所以对换档品质的好坏也没有影响。在离合器分离过程中,通过ECU使电磁阀断电,实现切换油路,控制继动阀推到右端工作位置,使缓冲阀芯将进油口关闭,而输出油口CL和回油口T接通,离合器在回位弹簧的作用下放油,使离合器分离。通过离合器充油和放油控制,实现相应的换档操作。3缓冲阀芯、调压阀芯模型的建立本文假定:(1)电磁阀和继动阀的动作在瞬间完成。(2)忽略油液的可压缩性和摩擦力与油道泄漏的影响。按照系统组成,分别建立了缓冲阀芯、调压阀芯的数学模型。(3)忽略电磁阀和继动阀快速响应所需时间的影响。3.1缓冲阀芯流量q方程缓冲阀芯的运动方程:m1¨x1+B1˙x1+p1A1=Κ(x0+x2-x1)m1x¨1+B1x˙1+p1A1=K(x0+x2−x1)式中:m1——缓冲阀芯及其随动部分的质量;x0——缓冲弹簧初始压缩量;x1——缓冲阀芯的位移;x2——调压阀芯的位移;K——缓冲弹簧刚度;B1——粘性阻尼系数;p1——缓冲阀芯左端压力;A1——缓冲阀芯左端承压面积;其它参数同前。如图2a所示,在快速充油阶段和阶跃升压阶段,缓冲阀芯工作在进油口A的阀口节流工作状态,流经阀口A的流量Q方程为:Q=CdπdxV√2ρ(ps-pCL)Q=CdπdxV2ρ(ps−pCL)−−−−−−−−−−√式中:d——缓冲阀芯直径;xV——阀口开度;ps——油源系统工作压力,为恒定值;pCL——缓冲阀输出压力;Cd——流量系数;ρ——油液密度;其它参数同前。当离合器摩擦片被压紧后,进入到缓冲升压阶段,此时流过节流边A的流量很小,缓冲阀芯处于双边节流工作状态,即进油口节流边A和回油口节流边B均处于节流工作状态,如图2b所示。且有QA≈QB,也就是:QA=πdδ3(ps-pCL)12μ(a-x)=QB=πdδ3pCL12μxQA=πdδ3(ps−pCL)12μ(a−x)=QB=πdδ3pCL12μx式中:δ——缓冲阀芯与阀孔的间隙;a——重叠量,即C和D之间的距离减去A和B之间的距离,在实际应用过程中,当a>0时为正重叠,当a<0时为负重叠,当a=0时为零重叠,本文采用正重叠结构形式;μ——油液的动力粘度;x——B与D之间距离;其它参数同前。由此可以得出:pCL=xa(x≤a)pCL=xa(x≤a)缓冲阀芯上的节流孔O1为细长孔,通过它的流量Q1表达式为:Q1=πd41128μL(pCL-p1)式中:d1——反馈油孔O1的直径;L——节流孔O1的长度;其它参数同前。3.2调压阀芯流量的特性调压阀芯的运动方程:m2¨x2+B2˙x2+p2A2=Κ(x0+x2-x1)式中:m2——调压阀芯及其随动部分的质量;B2——粘性阻尼系数;p2——调压阀芯右端压力;A2——调压阀芯右端承压面积;其它参数同前。节流孔O2为薄壁孔,通过它的流量Q2表达式为:Q2=Cdα2√2ρ(pCL-p2)式中:α2——节流孔O2的通流面积;其它参数同前。3.3流量平衡当只关心缓冲阀的特性时,其流量平衡方程为:Q=Q2-Q1,Q1=A1˙x1,Q2=A2˙x24仿真和试验结果分析根据描述系统运动方程,利用MATLAB中SIMULINK求解缓冲阀输出压力pCL随时间t的变化规律。采用15W/40CD润滑油,油温50℃,流量系数Cd=0.65,缓冲阀芯直径为16mm,调压阀芯的直径为25mm,缓冲弹簧的刚度为4.305N/mm,反馈油孔O1的直径d1=1mm,节流孔O2的直径0.8mm,且x0=16mm,x2=19mm,分别对重叠量a值为2.2mm和0.14mm时进行缓冲阀动态特性计算和台架试验,快速充油、缓冲升压和阶跃升压三个阶段缓冲阀特性的仿真计算和台架试验结果分别如图3a和图4a所示,快速充油阶段的仿真计算和台架试验结果分别如图3b和图4b所示。对比仿真计算结果和试验结果,仿真计算结果和试验结果吻合较好,说明所设计的液压缓冲阀能够实现预定的缓冲特性,所采用的数学模型和仿真计算方法能够反映液压缓冲阀的动态特性。此外,油液温度、缓冲阀芯上反馈油孔O1的直径d1对快速充油阶段响应特性影响较大,在快速充油阶段的仿真计算结果如图5所示。从仿真结果可以看出,随着油液温度的升高、反馈油孔O1的直径d1的增大和重叠量a减小,快速充油阶段的压力性能响应速度提高,因此有利于减小换档离合器在快速充油阶段的时间,减小换档过程中动力损失的程度。结合图1、图3和图5,在结构和加工精度允许的条件下,应尽可能将反馈油孔O1的直径d1增大和重叠量a减小,但a的绝对值越小系统响应速度越快,而加工精度要求较高。5仿真结果对换档系统性能的影响本文针对为重型车辆所设计的换档离合器液压缓冲阀,建立了其动态数学模型并利用MATLAB中SIMULINK对缓冲阀的动态性能及其影响因素进行了分析。通过仿真分析,能够较为准确地了解液压缓冲阀的充油特性和离合器所组成的换档系统各个参数的变化规律,以及结构参数对系统动态特性的影响。(1)结合动态设计和动态台架试验结果,验证了建模和仿真计算方法的正确和有效性。通过仿真分析,能够较为准确地了解液压缓冲阀的充油特性和离合器所组成的换档系统各个参数的变化规律,以及结构参数对系统动态特性的影响,所得到的仿真结果可以用于车辆动力换档离合器与液压系统的性能匹配和性能预测。(2)油液温度、缓冲阀芯上反馈油孔