摘要：通过对自动变速箱换挡阀块低温时缓冲时间过长的问题进行分析, 得出不同的节流孔类型对于换档缓冲时间的影响, 并提出了解决该问题的方案。建立了该换档阀块溢流型缓冲阀的AMESim模型, 通过仿真分析验证了改进方案的可行性和有效性。
关键词：溢流型缓冲阀; 换挡缓冲; 节流孔
自动变速箱换挡时是通过液压操纵结合元件来实现挡位的变换。但由于液体的不可压缩性, 液压传动系统的刚度较大, 一旦液体充满液压缸, 摩擦片间隙消除后, 油压便瞬时升高, 这样使得离合器结合过猛, 产生换挡冲击, 这不但影响乘坐的舒适性, 还可能造成动载过大使传动装置损坏。所以在换挡阀块中的油路上串联或并联一个缓冲阀, 来控制离合器结合时油压的平稳增长。在实际使用中, 缓冲时间应控制在015～115 s[ 1 ] , 若时间太短则换挡冲击大, 若时间太长又会因为滑磨导致发热严重, 并造成动力损失。
1 需解决的问题
在目前设计一种自动变速箱的换挡阀块时, 采用电液操纵阀块来控制离合器结合, 即在每个挡位都并联配置了一个溢流型缓冲阀, 通过缓冲阀来控制离合器的平稳结合, 但是当温度低时, 油液的粘度变大,会出现阻尼增加的现象, 这样会使缓冲阀的性能变差。比如: 当传动油温在车辆常用温度范围80 ～110℃内时缓冲时间在1 s左右, 能够满足使用要求。然而, 低温时缓冲时间会变得很长, 甚至能长达六七秒, 使车辆的使用性能变差, 并影响离合器换挡摩擦片的寿命。在设计操纵阀块时, 必须想办法降低缓冲时间受温度影响的敏感性, 解决低温时缓冲时间过长的问题。
为此, 需要对溢流型缓冲阀的结构原理和调压特性进行分析。
2缓冲阀数学模型的推导和分析
211溢流型缓冲阀的结构原理[ 2 ]
溢流型缓冲阀的结构简图如图1所示。充油开始时, 泄油口关闭, 油泵来油迅速向离合器油缸充油,片间间隙消除后, 压力油经节流口6进入油腔5压缩缓冲弹簧2, 泄油口慢慢打开, 离合器油缸油压慢慢上升。当柱塞3到达极限位置时节流口6的左右压力相等, 阀芯1在回位弹簧4作用下关闭泄油口, 离合器油缸压力上升到油泵主压。
图1 溢流型缓冲阀的结构简图
2.2溢流型缓冲阀的数学模型推导
为了推导数学模型分析其调压特性。设:
S、a分别为柱塞3面积、节流口6面积;
Ld 为最大缓冲行程;
K1、K2 分别为回位弹簧4 的刚度、缓冲弹簧2的刚度;
Xh、X2 分别为回位弹簧4预压缩量、缓冲弹簧2预压缩量;
pc、px 分别为离合器压力、油腔5压力;
X 为柱塞3行程。
则阀芯1平衡方程为
pc·S = px·S + K1·Xh - K1·X ( 1)
柱塞3平衡方程为
px·S + K1·Xh - K1·X = K2·(X2 + X) (2)
节流口6流量方程为
流量平衡方程为
S·dx =Qdt (4)
将式(1) 、(2) 、(3) 、(4) 联立求得
分析上面的推导结果式( 5) 可得, 缓冲时间t的长短主要与缓冲阀的结构参数有关, 如弹簧刚度、柱塞面积、节流口面积、最大缓冲行程等。另外如流量系数Cd≈ 0.62 和密度ρ≈ 860kg/m2 也基本可以看成常数, 上述各个参数基本不受温度的影响。然而,实际中缓冲时间受温度影响较大。通过分析溢流型缓冲阀的结构发现, 节流口6的结构形式对缓冲时间的影响很大。上面推导中使用的节流公式Q = Cd·a 是适用于薄壁小孔的, 应满足L / d < 0.5, L为孔长, d为孔直径。而实际上该换挡阀块中溢流缓冲阀的节流口6 的L / d > 4, 属于细长孔, 其流量应按下式计算:
2.3 模型分析及改进方案[ 3 ]
通过分析推导结果式( 7) 可得, 采用细长节流孔的缓冲阀, 其缓冲时间t的长短除了与缓冲阀的结构参数有关, 还与传动油的粘度μ有关, 粘度越大缓冲时间越长。而传动油的粘度受温度影响很大, 低温粘度大, 高温粘度小, 而且会相差很多倍。这就造成了该换挡阀块的换挡缓冲时间受温度影响较大。因此该换挡阀块在低温时就会产生缓冲时间过长的问题。
已知某种传动油的运动粘度40℃时为38.9mm2 / s,100℃时为6.5mm2 / s。将缓冲阀的结构参数, 如K1、S、L、Ld、d等代入式(7) , 并分别将该传动油40℃和100℃时的运动粘度代入, 计算得, 在40℃时t =6.76s, 在100℃时t = 1.3s。所得出数据与问题相同。
因此为了解决该换挡阀块缓冲时间受温度影响较大的现象, 应该在结构上将节流口6的形式由细长孔改为薄壁小孔。
3 建立缓冲阀AMESim模型并仿真分析[ 4 ]
为了验证改进小孔结构的可行性, 在AMESim环境下建立溢流缓冲阀的仿真模型, 如图2所示, 并根据该阀的实际结构参数设定相关仿真模型的参数。
图2 缓冲阀AMESim模型
首先将节流口6按照该缓冲阀的结构设定为细长小孔, 分别在低油温、高粘度和高油温、低粘度的环境下对缓冲特性进行仿真, 结果如图3和4所示。可见该结构缓冲时间受温度影响较大。低温时缓冲时间过长, 不满足使用要求。
然后将节流口6的结构设定为薄壁小孔, 同样条件下分别在低油温、高粘度和高油温、低粘度的环境下对缓冲特性进行仿真, 结果如图5和6所示。可见该结构缓冲时间几乎不受温度影响。
通过上述仿真结果可知, 将原换挡阀块中的溢流型缓冲阀的节流孔由细长孔改为薄壁孔, 由于该结构缓冲时间几乎不受温度影响, 所以解决了油液粘度受温度影响阻尼变大、缓冲时间变长的问题, 对于解决该阀块在低油温时缓冲时间过长的问题是可行有效的。在项目试车中, 通过更改小孔结构, 解决了问题, 达到了理想的效果。
4 结论
在液压系统计算中, 不同类型节流孔的流量公式差别较大, 应认真分析后再合理选用。对于溢流缓冲阀, 其节流孔应采用薄壁小孔, 可以降低其缓冲时间对温度的敏感度。
参考文献
【1】马彪, 叶明, 等. 车辆自动换挡缓冲控制设计[ J ].兵工学报, 1994 (4).
【2】王康. 自动变速器电液控制系统研究与试验[D ]. 同济大学, 2001.
【3】刘祚昱. 车辆液压传动[M ]. 北京: 国防大学出版社, 1988.
【4】吕庆军, 李明全, 等. 一种车辆液压缓冲阀研究[ J ]. 车辆动力与技术, 2006 (3).(end)
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