功率流向图在阀控挡位离合器建模中的应用.pdf

机械 设计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 6期 2 0 1 0年 6月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 6 0 0 6 4 0 3 P o we r - o r i e n t e d gr a p h s a p p l i c a t i o n f o r s o l e n o i d v a l v e c o n t r o l s h i f t c l u t c h mo d e l i n g J I A Yu n h a i ， 一 ， Z HANG We n mi n g 。 XUE S h a n ， S O NG F e i ， YAO Yu a n V e h i c l e E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a B e i j i n g I n s t i t u t e o f E l e c t r o Ma c h i n i n g ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 ， C h i n a 【 摘要】 采用流体力学基本原理分析和建立了电 磁阀控挡位离 合器的动力学模型，结合实 验分析 得到摩擦片摩擦 系数特性曲线，通过直观的功率流向图描述出整个电磁阀控挡位离合器系统的功率传 ；递； 利用数学工具软件 M A T L A B仿真模块 S I M U L I N K建立了仿真模型， 以 I 挡为例， 得到电磁阀控挡位 ； 离合器的动态特性曲线和响应特性曲线 ， 与实验测试结果对比， 二者基本吻合， 证 实了动力学模型的正确 性。采用功率流向图 有助于分析电 磁阀控挡位离合器系统的动力学特性。 关键词 功率流向图； 电磁阀； 湿式摩擦离合器； 动力学模型 ； 【 A b s t r a c t 】 D y n a m i c m o d e l of s o l e n o i d v a l v e c o n t r o l s h if t c l u tc h t h a t W a S e s t a b l i s h e d a n d anal y z e d ； u s i n gh y d r o d y n a mi c s t h e o r y a n d F r i c t i o n c o e f fi c i e n t ofa c o u p l e off r i c t i o n d i s k s t h a t W aS o b t a i n e d i n e x 一 p e r t m e n t w e r e e x p r e s s e d ； mo r e o v e r t e r s e n e s s p o w e r o r i e n t e d g r a p h s d e s c r i b e d s y s t e m p o w e r t r a n s mt s s t o n ． ；F i r s t g e a r c l u t c h S i mu l a t i o n m o d e Z w a s s e t b y u s i n g S I MU L 1 N K t o o l b o x ， d y n a m i c r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c ； i ； ；a n d l o a d - p r e s s u r e c h ar a c t e r is t i c w e r e o b t a in e d an d v al i d at e d i n e x p e r im e n t． h e x p e r i m e n t al s o p r o v e d t h at d y n a m i c mod e l W aS e x a c t it u d e ． U s i n g p o w e r - o r i e n t e d gr aph s W aS p r o p i t i o u s to r e s e a r c h d y n a m i c c h ar a c te r s ofs o l e n o i d v al v e c o n t r o l s h if t c l u t c h ． K e y w o r d s P o w e r - o r i e n t e d g r a p h s ； S o l e n o i d v a l v e ； We t f r i c t i o n c l u t c h ； D y n a mi c mo d e li n g ； ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ● 中图分类号 T H 1 6 ， U 4 6 3 ．2 1 1 文献标识码 A 1 日 U商 湿式摩擦离合器适用于大扭矩、 大阻尼、 高耐久性的传动系 统中。液力一 机械变速箱换挡操作是通过液压系统控制不同挡位 的湿式摩擦离合器的结合或分离并与之协调配合来完成的； 依靠 换挡离合器摩擦片的摩擦力矩传递能量， 实现输出不同扭矩和转 速的目的。 液力一 机械变速箱换挡操作可以简化看作液压阀控单作用缸 的控制， 采用经典控制理论分析其系统的稳定性和响应特性。采 用流体力学的基本原理， 分析和建立从电磁阀、 连接管路到挡位 离合器的力学模型， 通过直观的功率流向图描述出整个电磁阀控 挡位离合器系统的功率传递并在S I MU L I N K中建立了仿真模型， 进行仿真分析其动态挣胜。 2电磁阀控多盘湿式摩擦离合器原理 电磁阀控湿式摩擦离合器的结构， 如图 l 所示。湿式摩擦离 合器由离合器毂盘、 离合器毂、 活塞、 多组主、 从动摩擦片、 复位弹 簧等组成； 电磁阀由电磁铁控制的滑阀结构的先导阀和液控滑阀 结构的主阀所组成。液力一 机械变速箱换挡原理图， 如图2 所示。 3 功率流向图的基本原理 功率流向图建模技术同波德图的基本思路相一致，通过运用 ★来稿日 期 2 0 0 9 0 8 0 5 -k 基金项目 自 然科学基金项目 N O ． 5 0 4 7 5 1 7 3 大系统中基本单元子系统之间的功率互相作用而建立数学模型H ，7 1 ， 比波德图更直观。 功率流向图包括两种基本模块， 如图3所示。 图 3 a 表示作用模块， 图3 b 表示连接模块。对于采用的变量x , y 没有严格的限制， 但函数 F x ， y 的物理含义只能是功率。两 种模块既可以代表矢量， 也可以表示标量。作用模块既可以存储 能量 ， 也可以消耗能量， 例如弹簧、 阻尼器等； 连接模块只能传递 能量， 没有能量消耗， 把一种形式的能量转化为另一种形式的能 量， 即 F x 。 ， Y ， G y 2 [4 _6 一 。 图1液力一 机械变速箱换挡离合器和控制阀工作图 Fi g ． 1 Mu l t i P l a t e We t F r i c t i o n Cl u t c h a n d S o l e n o i d Va l v e W o r ki n g S t r u c t u r e o f F i v e - S t a t i o n Hy d r o d y n a mi c Me c h a n i c a l Tr a n s mi s s i o n 第 6期 贾云海等 功率流向图在 阀控挡位 离合器建模 中的应用 6 5 挡位 离合器 图 2液力一 机械变速箱换挡原理 图 F i g ． 2 S hi ft P r i n c i p l e Gr a ph o f Fi v e S t a t i o n Hy d r o d y n a mi c Me c h a n i c a l T r a n s mi s s i o n V 匿 I ；．J．- m p rP 2 A p , -- b 一 k ， 一 x ∞ 一 一 5 Q 2 4 2 Q 2 6 式中 m 一主阀阀芯质量； 一主阀阀芯位移； A 一主阀阀芯控制 端有效面积； 6 一主阀粘性阻尼系数； ， 一主阀复位弹簧弹 性刚度 ； p 一主阀阀芯控制端压力 ； p 一主阀背压 ； 一主 阀弹簧的初始压缩量； 表示主阀阀芯运动时的液压卡 紧力， 0 ．2 7 f a 正 D E p ； 表示主阀阀芯运动的稳态液动 力 ， ； Q z 表示流入主阀的液体流量； Q 一 表示流出主阀的液体流量； c 一主阀滑阀流量系数； D 一 主阀阀芯台肩直径； 6 一主阀阀口开口量。 0 ， _ _ { ] ． _ 一 Y a 作用模块 b 连接模块 图 3功率流向图基本单元 F i g ．3 P o we r Or i e n t e d Gr a p h b a s i c b l o c k s 4电磁阀控湿式摩擦离合器动力学模 型的建立 4 ． 1 先导阀阀芯的动力学分析 其功率流向图， 如图 4 a 所示。先导阀阀芯的力学方程、 流 量方程可以表示为 ml - ， _ P 。 A P I -- b 一 k p X 1 -- k p X O l - ． 1 Q 4 1 Q 2 式中 m 一先导阀阀芯质量 一先导阀位移； 。 一先导阀阀芯控 制端有效面积； 6 。 。 一先导阀粘性阻尼系数 ； 。 一先导阀复位 弹簧弹簧刚度 ； ， 一电磁铁产生的推力； p 。 一先导阀背 压 ． 一先导阀弹簧的初始压缩量； ，一表示先导阀阀芯运 动的稳态液动力， ； Q , --表示流入先导阀 的液体流量； p 。 表示流出先导阀的液体流量； p 表示油 液密度； 表示先导阀阀口处液流角； c 一先导阀滑阀流 量系数； D。 ～先导阀阀芯台肩直径； 6 。 一先导阀阀口开口量。 4 ． 2 先导阀腔与连接管路的压力一 流量方程 其功率流向图， 如图4 b 所示。 一 P 。 3 c 旦 Q Q。 4 式中 P 表示液力一 机械变速箱液压系统主油路压力； p 。 一先导 阀阀芯出口压力； ， ， 表示先导阀腔和连接管路液感； c 。 一 先导阀腔和连接管路内液体的液容； Q 一主油路提供给先 导阀的油液流量 ； 4 ． 3主阀阀芯的动力学分析 其功率流向图 ， 如图 4 c 所示 。主阀阀芯 的力学方程 、 流量 方程可以表示为 P 2 Q 。 Q P 2 Qz 一一 、 几 回 b P Q d 0 e 图4 电磁阀控挡位离合器功率流向图 F 4 P o we r - Or i e n t e d Gr a ph s o f S o l e n o id Va l v e Co n t r o l l i n g W e t F r i c t i o n Cl u t c h 主阀阀腔子系统的压力一 流量方程其功率流向图，如图4 d 所示。 c2d ec Q ， Q 7 - p z 8 式中 p 表示液力一 机械变速箱液压系统主油路压力； 一表示 主阀腔和连接管路液感； c 一主阀腔和连接管路内液体的液 容； Q 一主油路提供给主阀的油液流量； 4 ． 4从主 阀到闭锁离合器作用端的压 力一 流量方程 其功率流向图， 如图4 e 所示。 一P 9 c 虹d t Q 2 - A 1 0 式中 p 表示摩擦离合器工作压力； ， 一表示连接离合器管路 液感； c 一连接离合器管路和离合器内液体的液容； 4 ． 5湿式摩擦离合器的动力学方程 其功率流向图， 如图 4 e 所示。 m 誓 1 1 』 4 6 6 机 械设 计 与制 造 No ． 6 J u n ． 2 0 1 0 式中 p 摩擦离合器工作压力； m 湿式摩擦离合器活塞质量； A 一湿式摩擦离合器活塞有效作用面积 湿式摩擦离合 器活塞运动位移； 一摩擦离合器复位弹簧的初始压缩量； 6 湿式摩擦离合器内部的粘l 生 阻尼系数； 湿式摩擦离合 器复位弹簧的弹簧刚度； 一离合器摩擦片的弹性系数； 一 离合器摩擦片的弹『 生 变形量； 用于挡位离合器的外负载 力， N ； 啪塞运动时的密封摩擦阻力， 橡胶密封圈的 摩擦系数； ， v 厂橡胶密封圈的法向力。 塞中油液的总泄露 系数； V _ 闭缩离合器中油液压缩下的体积； 油液的体积 弹 漠量。 挡位离合器的外负载扭矩可以表示为 0 0 ￡ ￡ 1 0 ． 5 n } ， D I D 2 d ￡ t x -- t f Z 式中 表示主、 从动摩擦副的静摩擦系数； 表示主、 从动摩 擦片动摩擦系数变化率； 表示作用于挡位离合器摩擦片 上的法向压力， F n ； n 表示摩擦副的数量； t l ， t 表示摩擦 片压紧时间和滑磨时间； D ， D f - 袁 示摩擦片的内、 外直径。 常温环境挡位离合器摩擦扭矩与摩擦片转速比实验数据换 算后得到的摩擦片动摩擦系数曲线图， 如图5 所示。 0． 1 6 糍 世 褥 蔼 糍 龄 O． 1 O O． 08 O ．0 6 004 0． O2 Ooo 0 ．0 0 ． 2 04 0 ． 6 0 ． 8 1 ．0 从、 主动摩擦片速比 图 5摩擦片副动摩擦系数 曲线图 实验 F i g ．5 F ric t i o n C o e ffi c i e n t o f F ric t i o n Di s k s Ob t a i ne d i n Ex p e rime n t 5 仿真结果和实验结果的对比 按照前面所描述的系统动态数学模型和功率流向图， 利用数 学仿真工具软件 MA T L AB中的仿真工具箱 S I MU L I N K进行仿真 建模和仿真计算， 仿真模型， 如图6 所示。 图 6电磁 阀控挡位离合器动态仿真模型 F i g ．6 Dy n a mi c S i mu l a t i o n Mo d e l o f S o l e n o i d Va l v e C o n t r o l l i n g We t F ric t i o n C l u t c h 以安装于 4 5吨重型车辆上的五挡液力一 机械变速箱中的 I 挡离合器为例，电磁铁推力 F I 3 8 N ，先导阀阀芯质量 m ． O ． 0 2 k g ， 先导阀最大通流面积 A 1 ．5 2 x 1 0 i n ， 先导阀内部的粘性 阻尼系数 6 。 7 ．5 6 k s ，先导阀弹簧的弹性系数 k l, l 5 4 2 0 N ／ m， 先 导阀阀芯运动位移 6 mm； 主阀阀芯质量 m -- 0 ． 1 0 4 k g ， 主阀控 制端面积A 。 ， 1 ．2 7 7 x 1 0 m ， 主阀最大通流面积A 。 2 3 ． 8 4 8 x 1 0 m ， 主阀内部的粘性阻尼系数 6 1 9 ． 4 7 k g ／ s ， 主阀弹簧的弹性系数k 3 5 0 0 N ／ m， 初始空行程 ／ 1 6 m m， 主阀阀芯运动位移 - - -2 2 mm； I 挡离合器活塞质量和负载折算到活塞的质量 m 0 ． 1 0 4 k g ， I 挡 离合器活塞有效作用面积A 3 ．4 9 2 x 1 0 - Z m ， I 挡离合器活塞运 动位移 X c 6 m m， I 挡离合器复位弹簧的弹性系数 1 ．9 5 1 5 x 1 0 6 N ／ m； 仿真结果， 如图6所示。 在变速箱实验台测定的 I 挡离合 器的负载压力特性曲线 ， 如图7 所示。 1 0- 3 ， 、 i f 1 f i l i j l I l l l i I l i 0 0 ．0 2 0 ． o 4 0 ．0 6 O ． O 8 O ． 1 a 先导阀响应杼 陛曲线 x l 0 ， ， l ／ r ／ ／ O ．0 3 0 ． 0 25 O． 02 O ． O1 5 0 ． 1 O ． 0 0 5 0 2 ． 5 2 1 ． 5 1 0 ． 5 0 A }l l} l l 『 { ＼ A - - L{ } ； I l r l{ {l f }{l l l l l 『；{}}l }i 『l i l}{ i l 0 O ． 0 2 0 ． O 4 0 ． O 6 O ．0 8 O ． 1 b 主阀响应特性曲线 ， r l ／ c 挡位离合器响应特性曲线 d 挡位离合器负载压力特性曲线 图 7电磁阀控挡位离合器响应特性曲线和负载压力特陛曲线 F i g ．7 Dy n a mi c r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c c u r v e a n d l o a d p r e s s u r e c h a r a c t e ris t i c c u r v e o f S o l e n o i d Va l v e Co n t r o l l i n g W e t F ric t i o n C l u t c h 6结 论 1 通过对于电磁阀控挡位离合器的动态仿真， 说明了控制 阀和挡位离合器运动是稳定的， 动态响应满足实际要求。 2 通过 仿真数据和实验数据的对比证实了电磁阀控湿式摩擦离合器动 力学模型的正确性。 3 同时也证明了使用功率流向图的方法建 立电磁阀控湿式摩擦离合器动力学模型是科学合理的。 4 通过 仿真模型的研究对挡位离合器的工作过程有了深入的认识， 对今 后挡位离合器的设计和控制方式的进一步研究具有一定的参考 价值。 5 作电磁阀控挡位离合器动力学建模分析和仿真时， 忽略 了一些影响控制阀和挡位离合器运动的非线性因素以及挡位离 合器外负载扭矩的变化， 需要今后进一步深入分析， 建立更加完 善的数学模型和更加接近于实际的仿真模型。 参考文献 1 H ．E ．M e r r i t t 著， 陈燕庆译． 液压控制系统[ M] ． 北京 科学出版社， 1 9 7 6 8 2 宋鸿尧， 丁忠尧等编． 液压阀设计与计算[ M] _ 北京 L1 9 8 2 1 o 3 陆元章编著． 液压系统的建模与分析 [ M ] ． 上海 上海交通大学出版社， 1 9 8 9 1 2 4 马彪， 刘影， 陈建文． 车辆综合传动换档离合器结合过程动态特性研究[ J ] ． 北京 中国机械工程 ， 2 0 0 0 ， 1 1 6 5 9 1 5 9 6