摘 要: 应用AMESim软件对某型履带车辆液压助力变速系统建立仿真模型，调整系统中部分参数为模型注入故障信息，对系统进行了故障仿真, 为该系统的故障诊断提供了参考依据。结果证明该仿真模型可模拟实际系统的故障响应。
关键词:液压助力变速系统；AMESim；故障仿真
履带车辆的机动性不仅与动力装置、传动装置、行动部分有关,而且与其操纵是否灵活轻便也有着密切的关系。为提高机动能力,减少驾驶员的工作强度,履带车辆多采用液压助力操纵系统。
某型履带车辆变速操纵系统采用了液压助力,轻便可靠地实现了主离合器液力操纵、液力挂档。但液压系统是结构复杂的机、液综合系统,具有机液耦合、结构时变性和非线性等特性,这些都成故障检测与诊断的难题。笔者应用AMESim 软件对该液压系统进行了故障建模仿真,为液压系统的故障诊断提供参考依据。
1 液压助力变速操纵系统原理
1.1 液压助力变速操纵系统的构成
液压助力变速操纵系统主要由油泵、溢流减压阀、主离合器操纵阀、主离合器分离油缸、定压输出活塞两端形成压力差,使活塞跟随换档阀芯移动,活阀和换档油缸等组成。笔者所研究的液压助力变速操纵系统简化结构如图1所示。
1.2液压助力变速操纵系统工作过程
液压助力变速操纵系统的工作过程可分为3个阶段。
1)主离合器分离。踏下主离合器踏板,主离合器操纵阀芯向右移动,打开操纵阀进油口,液压油进入操纵阀推开单向阀进入主离合器油缸,但此时阀芯尚未完全关闭与油箱相通的出油口,主离合器油缸无动作。主离合器操纵阀阀芯继续向右移动,关闭与油箱相通的出油口,建立压力,推动离合器分离油缸动作,使主离合器摩擦片分离,切断动力输出。
2)液压换档。使主离合器操纵阀阀芯再向右移动,打开通向定压输出阀的出油口,液压油经定压输出阀,进入换档油缸,空档时换档油缸阀芯关闭左右液流孔,活塞不动;当操纵变速杆时,其带动换档油缸阀芯移动,阀芯关闭一侧流孔,开放另一流孔,活塞两端形成压力差，使活塞跟随换挡阀芯移动，活塞移动带动变速拨叉进行换档,换档后传动杆被弹子定位。
3)主离合器结合。换档完毕,松开主离合器踏板,回位弹簧使各轴、拉杆、拉臂、主离合器操纵阀阀芯等回位,关闭通往定压输出阀、换档油缸的油路, 同时打开与油箱相连的出油口,使主离合器油缸卸压降为零;主离合器压紧弹簧伸张将离合器分离油缸活塞推回至原位,被动摩擦片在压紧弹簧作用下与主动摩擦片结合,将动力传给变速箱,实现换档变速。
2液压助力变速操纵系统的仿真分析
AMESim (Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems)是IMAGINE公司于1995年推出的专门用于液压/机械系统的建模、仿真及动力学分析的软件包,为用户提供了完善的建模仿真环境。AMESim 软件采用基于功率键合图理论的建模方法,元件间均可双向传递数据,规定变量一般都具有物理意义,都遵从因果关系。笔者应用AMESim 可直观、方便、准确地建立液压助力变速系统动态模型,并能在改变某个参数时,分析其对系统动态特性的影响。
2.1系统建模仿真
2.1.1由液压助力变速系统工作原理图搭建系统仿真模型
AMESim 软件系统中没有滑套模型,笔者利用带弹簧的移动活塞与可相对运动且有相对位移限制的质量体组成滑套弹簧装置。
挂档时,齿轮与齿套接触发生滑摩时产生换档阻力;摘档时,其阻力与挂挡相比可忽略不计。笔者采用换档油缸活塞位移、速度控制与信号加载的方法产生换档阻力。
主离合器操纵阀、定压输出阀、换档油缸、主离合器油缸利用AMESim 软件的HCD (液压元件设计模块), 根据其工作原理搭建模型。
离合器与换档同步器分别由主离合器活塞位移信号和换档油缸活塞位移信号控制。
液压助力变速系统主要参数如下：
流量源: 100 L /min, 溢流调压阀: 11 bar, 主离合器操纵阀阀芯直径: 18 mm, 主离合器操纵阀阀芯杆直径: 11 mm, 换档油缸阀芯直径: 20 mm, 换档油缸阀芯杆直径: 15 mm, 换档油缸活塞直径: 65 mm, 换档油缸活塞杆直径: 35 mm, 减压阀弹簧预压力: 106 N, 发动机输出转矩: 1000 Nm, 离合器分离油缸最大位移:0.1 m, 换档油缸活塞位移范围: -0. 02～0. 02m。
系统仿真模型搭建如图2所示。
2.1.2由空档挂入2档、由2档换入3档的动作过程仿真
根据实际操纵规程,应迅速踏下离合器使之迅速分离,在离合器分离期间进行挂挡操作,挂挡后使离合以适当的速度结合。所以加载到主离合器操纵阀和换档油缸阀芯处的作用力如图3所示。即在1 s时主离合器操纵阀迅速加力40 N, 持续1 s(在此期间挂挡),而后作用力在1s内由40 N 缓慢降为0。在1.1s 时在换档油缸阀芯处作用8N 的方波信号,实现由空档挂入2档。在第13 s时第2次踏下离合,使力持续作用1.2 s, 然后在1s内缓降为0。
在13.1s时在换档油缸阀芯处作用反向的10 N 的方波信号,实现由2档换3档。在第23 s时在换档油缸阀芯处作用8N 的方波信号,即不踩离合时挂挡状态仿真。
图4为主离合器位移图。由图4可知主离合器油缸活塞能够在踩下离合时实现迅速动作到死点位置,在松开离合器踏板时能平稳回到原位,即离合器能够迅速分离、平稳结合。图5 是位移图。从图5可以看出换档油缸阀芯在作用力的作用下可以运动到指定位置,活塞也可以在液压油的作用下完成跟随阀芯的伺服运动,使动力由相应的变速齿轮输出。但是在第23 s时未踩下离合而操纵换档油缸时,液压油无法进入换档油缸建立油压。此时操纵换档油缸,无法实现换档操作。换档油缸阀芯位移发生变化是由于阀芯与活塞间的自由间隙的原因。这与设计要求相符。图6为转矩曲线图。由图6可看出操纵离合器操纵阀时,发动机动力能即时切断、即时传递。
2.2故障状态仿真
调整溢流阀控制压力分别为11 bar、10.5 bar和10 bar。进行仿真,查看此参数对系统动态特性的影响。
图7为不同压力下主离合器油缸活塞位移图。由图7可知,当压力低于11bar 时,主离合器油缸无法动作到规定位置,即离合器不能完全分离或是无法分离。
调整定压输出阀弹簧预压力分别为106 N 、96 N和86 N 。进行仿真,查看此参数对系统动态特性的影响。图8为定压输出阀弹簧预压力不同时主离合器油缸活塞位移图。图9为定压输出阀弹簧不同预压力时换档油缸的进油压力图。图10 为定压输出阀弹簧不同预压力换档油缸阀芯、活塞位移曲线图。图11 为输出减压阀弹簧不同预压力时变速箱输出轴转矩曲线图。
由图8可知,定压输出阀弹簧预压力的改变对离合器动作不产生任何影响。由图9可知,定压输出阀弹簧预压力的改变直接影响输出阀的输出压力,由图10 可以看出,压力降低严重影响换档油缸的液压助力功能实现,甚至丧失助力功能,无法完成换档。由图11 可知当调定预压力96 N 时,变速箱输出轴没有动力输出,即挂挡变速失败。
调整换档油缸阀芯与活塞间自由间隙分别为(0.4 +0.4) mm、(0.8 +0.8) mm 和(1 +1)mm。验证此参数对系统动态特性的影响。
图12-15分别为换档油缸与活塞间间隙不同时换档油缸左油腔进油口开度曲线、左油腔压力曲线、阀芯位移和活塞位移曲线。图16 为不同换档油缸与活塞自由间隙时变速箱输出轴转矩曲线。由图12 可以看出,当自由间隙为(1 +1)mm 时,在1～2s 时,左侧活塞腔进油口开口度> 0, 即左侧活塞腔进压力油。当间隙减小以后,液压油进入活塞腔的进油口将无法打开。由图13 可见,没有液压油进入活塞油腔建立压力。由图14 、15 可见在无液压助力时阀芯的运动只是其上作用力的作用结果,活塞的运动是阀芯通过压缩弹簧而作用的结果。由图16 可知,无助力时,只作用原来大小的力将无法实现挂档功能,变速箱输出轴无动力输出。
3结束语
采用AMESim 软件建立机液一体的液压助力变速操纵系统模型,进行仿真。可以方便、直观地将机、液耦合系统的数学物理模型转换成可视化、模块化的仿真模型, 并通过修改系统模型某一参数来注入故障信息,建立某一参数与系统动态特性之间的关系,实现液压助力变速系统故障的动态仿真。
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