一种用于自动变速器的比例电磁阀研究.pdf

第 5 0卷第 2 0期 2 0 1 4年 1 0月 机械工程学报 J OURNAL OF M E CHANI CAL E NGI NE E RI NG V_0 1 ． 5O 0c t ． N O ． 2 O 2 O l 4 DoI 1 O ． 3 9 0 1 ， J M E． 2 0 1 4 ． 2 0 ． 1 0 0 一 种用于自动变速器的比例 电磁阀研究水 孟 飞 陶 刚 陈慧岩 北京理工大学机械与车辆学院北京 1 0 0 0 8 1 摘要介绍一种用于 自动变速器的比例电磁阀结构，研究比例电磁阀的分析、设计方法及其稳态和动态特性。在结构分析的 基础上，分析其工作原理，将比例电磁阀分为电场、磁场、机械和流体四部分，分析这四部分的内在耦合关系。建立各个部 分的动态特性数学模型并进行耦合仿真分析，对比例电磁阀电磁特性进行研究，通过与试验结果对比，初步验证耦合仿真模 型的正确性。 通过计算分析电磁阀内部参量的动态变化特性，为优化电磁阀设计奠定基础。在液压部分中，进油口采用球 阀，排油口采用喷嘴挡板阀，通过控制排油口的开度可 以进行流量控制，间接控制油压输出。在比例电磁阀开启时，电磁力 与弹簧力的总和与球阀的液压力相平衡的工作模式， 使该比例电磁阀具有开关响应快、输入电流与输出油压线性关系好的特 点。研究结果表明，该比例电磁阀阀芯位移 0 ． 2 mi l l，开启响应时间在 2ms以内，油压建立在 4ms以内，适用于自动变速 器换挡执行回路中。 关键词 自动变速器；比例电磁阀；动态特性；耦合分析 中图分类号U4 6 3 Re s e a r c h o n Pr o p o r t i o na l So l e n o i d Va l v e Us e d f o r Au t o ma t i c Tr a ns mi s s i o n MENG Fe i T AO Ga n g CHEN Hu i y a n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , Be i j i n g 1 0 0 0 8 1 Ab s t r a c t Th e s t r u c t u r e o f a p r o p o r t i o n a l s o l e n o i d v a l v e f o r a u t o ma t i c t r a n s mi s s i o n i s i n tr o d u c e d ． T h e d e s i g n ， a n a l y s i s me t h o d o l o g y and d y n a mi c p e r f o r ma n c e s o f t h e v a l v e a r e d i s c u s s e d ．Ba s e d o n t h e s t r u c t u r a l a n a l y s i s o f t h e v a l v e ，t h e o p e r a t i n g p rin c i p l e i s i n v e s t i g a t e d ． F o u r s u b s y s t e ms t h a t are e l e c t r i c fi e l d ， ma gn e t i c fi e l d ， me c h ani c a l ， a n d h y d r a u l i c o f t h e p r o p o rt i o n a l s o l e n o i d v a l v e a r e d i v i d e d ， an d t h e i r i n h e r e n t c o u p l i n g i n t e r a c t i o n s are i n v e s t i g a t e d ． Th e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e d y n am i c p e r f o rm an c e o f the f o u r s u b s y s t e ms i s b u i l t s e p ara t e l y an d s i mu l a t i o n a n a l y s i s i s c a r r i e d o u t ． Th e a c t i v e p r o c e s s o f t h e p r o p o rt i o n a l s o l e n o i d v a l v e i s s t u d i e d b y c o mb i n i n g wi t h e x p e ri me n t a l r e s u l t s ， v e rifi e d the c o r r e c t n e s s o f t h e c o u p l i n g s i mu l a t i o n mo d e 1 ． I t wo u l d b e u s e f u l for p r o p o rti o n a l s o l e n o i d v a l v e o p t i ma l d e s i g n b y ana l y z i n g t h e i n t e r n a l p a r am e t e r s d yn am i c c h a n g e s o f the v a l v e ． I n t h e h y d r a u l i c s u b s y s t e m， t h e i n l e t p o r t u s i n g b a l l p o p p e r an d the n o z z l e fl a p p e r v a l v e for the o u t l e t p o rt． P r e s s u r e r e g u l a t i n g c a l l b e r e a l i z e d b y fl o w c o n t r o l v i a c o n tro l l i n g the o p e n i n g d e g r e e o f t h e o u t l e t ． T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w tha t the p r o p o r t i o n a l s o l e n o i d v a l v e h a s a s ma l l d i s p l a c e me n t 0 ． 2 m m i n t h e i n s t a n t ane o u s mo me n t o f o p e n i n g ， wi th an o p e n r e s p o n s e t i me l e s s t h an 2 ms and p r e s s ure r e s p o n s e t i me l e s s t h a n 4 ms ， i t i s s u i t a b l e for a u t o ma t i c tr an s mi s s i o n c o n tr o 1 ． Ke y wo r d s a u t o ma t i c tra n s mi s s i o n；p r o p o r t i o n a l s o l e n o i d v a l v e ；d y n a mi c p e rfo r ma n c e ；c o u p l i n g an a l y s i s 0 前言 液 力机 械 自动变速器 是依靠切换不 同的离合 器 或制动器 来改变挡位，换挡过程 中离合器摩擦 转矩的变化引起传动系统输出转矩的扰动，降低了 换挡品质，离合器摩擦转矩的控制主要取决于摩擦 片摩擦 因数和离合器液压缸充油压力的控制【 J J 。在 离合器结构参数一定的条件下，为了保证换挡过程 ’ 国家 高技术研 究发展计划 资助项 目 8 6 3 计划 ，2 0 1 2 A Al l 1 7 1 3 。 2 0 1 3 1 0 3 0收到初稿，2 0 1 4 0 4 0 5 收到修改稿 中 良好的换挡 品质 ，需要精确、快速的控制离合器 结合过程中液压缸的压力，使换挡离合器缓慢平稳 地结合。 比例 电磁 阀换挡控制回路的先导控制元件， 极大地提高 了换挡控制回路的性能，同时也使得先 进的控制策略和算法有 了应用 的基础平台L 2 j 。 因此， 比例电磁阀的性能对 自动变速器的控制影响深刻。 近年来，国内外诸多学者对多种类型的比例电 磁 阀通过仿真与试验的方法进行 了设计、控制等方 面 的研究 。 E R Y I L MA Z等[ 3 4 1 通过理论推导的方式， 建立 电磁 阀数学模型对 比例 电磁 阀进行 了研 究 。 DAS G UP T A等【 o J 通过键合图的方法， 对一种先导比 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 5 0卷第 2 0期 图 2 比例 电磁 阀内部信号耦合关 系图 2 数学模型 忽略软磁材料磁 阻与电涡流效应 的影响，同时 不考虑温度的影响。系统模型建立过程中，做如下 假设。① 假定供油压力恒定，假定 出口压力为零； ② 流体分析认为符合牛顿理论；③ 弹簧和阀芯质 量都集中为一个惯性参数； ④ 弹簧特性为线性特性。 2 ． 1 电场部分 理想情况下，电磁 阀线圈电压平衡方程为 尉 f 1 1 d f 、 式 中 线圈驱动电压 f 线圈驱动电流 ； R线圈电阻； 磁链。 磁路 磁链与通过绕组 的 电流和磁路 中的气 隙 相关，式 1 可表达为【 J u -t“O t d t - 箪It 2 ＼ ／ d Z 式 中 感应系数 ； 磁路气隙长度。 式 2 中，右端第一项为电阻压降，第二项 为电 流变化 引起 的感应 电动势，第三项为阀芯位移 引起 的 自感电动势 。由式 2 可 以看出磁路磁链、阀芯位 移和线圈电流之间的耦合关系 。 2 ． 2 磁场部分 忽略位移电流和磁滞效应，可以由麦克斯韦基 本方程得 出磁场矢量位函数方程[ 1 3 ] 娑 v f v 1 3 O t o 式 中 电导率； 磁位矢量； 相对磁导率 真空磁导率 源 电流密度 ； V 微分算子。 Ⅳ匝线圈通 电电流为 I 0 时的电流密度值 Nl I t 、 0 4 式中 线圈横截面积。 电磁力可通过式 5 进行计算 OW _ x , I 5 O X 式 中 一磁场能量 。 2 ． 3 机械部分 电磁 阀运动质量主要包括四个部分衔铁、阀 芯、喷嘴挡板 ，钢球和一部分的弹簧。将 以上集中 为质量 m。阀芯移动简化成为一维质量． 弹簧． 阻尼 系统，则 阀芯运动平衡方程为 ， ， 一 一 一 6 式中 阀芯位移 ； 电磁力； 流体作用在阀芯及其运动件上合力； 弹簧刚度系数 ； 黏性阻尼系数㈣ 。 7 7 a c 式 中 阀芯外径； 油液动力黏度； 阀芯与阀套之间间隙； 黏性摩擦长度 。 2 ． 4 液压部分 由以上分析可知 ，该 比例 电磁 阀进油 口为一球 阀，排油 口为一喷嘴挡板 阀，图 3 a 、3 b所示为两 阀 的计算结构示意图， 图 3 c所示为作用在挡板上的压 力计算示意图。下面分别对球 阀和喷嘴挡板 阀进行 建模分析。 2 ． 4 ． 1 球阀 ㈡ 2『 1 ／ 一 一 三 。 一 1 0 式中P 输入压力； P 输 出12 1 压力 。 2 ． 4 ． 2 喷嘴挡板 阀 喷嘴挡板阀流量计算公式为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 6 机械工程学报 第 5 0卷第 2 0期 5 结论 1 介绍并分析 了一种用 于 自动变速器的比例 电磁 阀，并将其划分为四部分，讨论了其 内在的耦 合关系，建立了各部分的数学模型。 2 对 比例 阀的稳态和动态特性进行 了分析 ， 计算 与试验 结果表 明， 比例 电磁 阀 阀芯位移 0 ． 2 mm，响应时间 2ms ，油压建立时间在 4ms以内， 在 0 ． 2 5 A时开始建立压力，0 ． 9 A时压力达到最大 值 0 ． 7 MP a 。阀芯位移小、响应速度快，满足 了换 挡控制系统提 出的综合要求。 3 提出了电磁阀的耦合分析方法 ，并给 出了 计算步骤 ，通过试验验证 了计算结果的正确性，仿 真计算的电磁阀的电流响应、稳态性能和动态响应 特性与试验结果 比较吻合 ，通过该方法可用于 比例 电磁阀的优化设计，又同时可以应用于比例 电磁阀 的控制算法 的实现。 参考文献 【 1 】林峰，刘影，陈漫．电液 比例阀在车辆换挡离合器缓冲 控制中的应用[ J ] ． 兵工学报，2 0 0 6 ，2 7 5 7 8 4 7 8 7 ． L I N F e n g ， LI U Yi n g ， CHE N M a n ．T h e a p p l i c a t i o n o n e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l v a l v e f o r b u ffe ri n g c o n tro l o f v e h i c l e s h i ft c l u t c h [ J ] ．A c t a A r ma me n t a r i i ，2 0 0 6 ， 2 7 5 7 8 4 - 7 8 7 ． [ 2 】孟飞，陶刚，陈慧岩．自动变速器电液比例换挡阀动态 响应特性的研究[ J 】 ．汽车工程，2 0 1 3 ，3 5 3 2 2 9 - 2 3 3 ． M E NG F e i ， T AO Ga n g ， C HE N Hu i y a n ． A s t u d y o n t h e d y n a mi c r e s p o n s e c h a r a c t e ri s t i c s o f e l e c t r o - h y dra u l i c p r o p o r t i o n a l v a l v e for the s h i ft o f a u t o ma t i c t r a n s mi s s i o n [ J ] ． A u t o mo t i v e E n g i n e e ri n g ，2 0 1 3 ，3 5 3 2 2 9 ． 2 3 3 ． 【 3 ]E R Y I L MA Z B，WI L S O N B H． Un i fi e d mo d e l i n g and a n a l y s i s o f a p r o p o r t i o n a l v a l v e [ J ] ． J o u r n a l o f the F r a n k l i n I n s t i tut e ，2 0 0 6 ，3 4 3 I 4 8 - 6 8 ． [ 4 】崔剑，丁凡，李其朋，等．电液伺服转阀耐高压双向旋 转比例电磁铁[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 8 ， 4 4 9 2 3 0 ． 2 3 5 ． C UI J i a n ，DI NG F an，L I Q i p e n g ，e t a 1 ． Hi g h - - p r e s s u r e b i ～d i r e c t i o n a l r o t a r y p r o p o r t i o n a l s o l e n o i d for r o t a r y s e r v o v a l v e [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 8 ，4 4 9 2 3 0 2 3 5 ． [ 5 1 T A G HI ZA DE H M， G HA F F A R I A， N AJ AF I F ． Mo d e l i n g an d i d e n t i fi c a t i o n o f a s o l e n o i d v a l v e for P W M c o n tr o l a p p l i c a t i o n s [ J]．C o mp t e s R e n d u s Me c ani q u e ，2 0 0 9 ， 3 3 7 3 1 3 1 - 1 4 0 ． [ 6 】D AS G UP T A K， WA T T O N J ．D y n a mi c ana l y s i s o f p r o p o r t i o n a l s o l e n o i d c o n tro l l e d p i l o t e d r e l i e f v a l v e b y b o n d g r a p h [ J ] S i mu l a ti o n Mo d e l l i n g P r a c t i c e and T h e o r y ，2 0 0 5 ，1 3 1 2 1 - 3 8 ． [ 7 】J E O NG G Y，J A NG S P ，L E E H Y，e t a 1 ． Ma g n e t i c - the r ma l - - fl u i d i c an a l y s i s for c o o l i n g p e r f o rm an c e o f ma g n e t i c ll a n o fl ui d s c o mp a r i n g wi th t r an s f o rm e r o i l an d a i r b y u s i n g f u l l y c o u p l e d fi n i t e e l e me n t me tho d [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n Ma gne t i c s ，2 0 1 3 ，4 9 5 1 8 6 5 - 1 8 6 8 ． [ 8 】B A Y A T F ，T E HR A NI AF ，D AN E S H M． F i n i t e e l e me n t an a l y s i s o f p r o p o r t i o n a l s o l e n o i d c h a r a c t e ris t i c s i n h y dra u l i c v a l v e s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Au t o mo t i v e T e c h n o l o g y ，2 0 1 2 ，1 3 1 8 0 9 - 8 1 6 ． 【 9 】WA NG Y， ME GL I T， H AG HG OO I E M， e t a 1 ． Mo d e l l i n g and c o n tr o l o f e l e c tr o me c h ani c a l v a l v e Ac tua t o r [ J ] ． S AE T r a n s a c t i o n s ，2 0 0 2 ，1 1 1 3 1 7 8 0 1 7 8 9 ． [ 1 0 ]刘艳芳，毛鸣狲，徐向阳，等．液压电磁阀多物理场耦 合热 力学分 析【 J 】 ．机 械工程 学报 ，2 0 1 4，5 0 2 1 3 9． 1 45 ． LI U Yanf a n g ，MAO Mi n g c h o n g，XU Xi a n g y ang，e t a 1 ． Mu R i d i s c i p l i n e c o u p l e d the rm o me c h ani c a l ana l y s i s o f h y dra u l i c s o l e n o i d v a l v e s [ J ] ．J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e e ri n g ，2 0 1 4 ，5 O 2 1 3 9 1 4 5 ． [ 1 1 】L E E G S ， S U NG H J ， M H C ． Mu l t i p h y s i c s a n a l y s i s o f a l i n e a r c o n t r o l s o l e n o i d v a l v e [ J ] ．J o u r n a l o f F l u i d s E n g i n e e ri n g ，2 0 1 3 ，1 3 5 1 0 1 1 1 0 4 ． [ 1 2 】T AO G ang ， C H E N Hu i y an， H E Z h o n g b o ． O p t i ma l d e s i gn o f ma gn e t i c fi e l d o f a h i g h - s p e ed r e s p o n s e s o l e n o i d v a l v e [ J ] ． Ma t e ri a l P r o c e s s i n g T e c hno l o g y ，2 0 0 2 ，1 2 9 5 5 5 ． 5 5 8 ． [ 1 3 】J I N J i a n mi n g ． Th e fi n i t e e l e me n t me t h o d i n e l e c tr o ma gne t i c s [ M] ． Ne w Y o r k J o hn Wi l e y S o n s ， 2 0 0 2 ． [ 1 4 】ME R R I T T H E ．Hy d r a u l i c c o n tr o l s y s t e ms【 M】 ．N e w Yo r k J o hn W i l e y S o n s 。 1 9 6 7 ． [ 1 5 】路 甬祥，胡大绒．电液比例控制技术[ M】 ．北京机械 工业 出版社 ，1 9 8 8 ． LU Yo n g x i a n g， HU Da h o n g ． Th e t e c h n o l o gy o f e l e c t r o - h y dra u l i c p r o p o rt i o n a l c o n tr o l [ M] ．B e i j i n g Ch i n a M a c h i n e P r e s s ， 1 9 8 8 ． 作者简介孟飞，男，1 9 8 2年出生，博士研究生。主要研究方向为车辆 传动与控制。 E ma i l b i t mf h o t ma i l ． c o m 陶刚 通信作者 ，男，1 9 7 7年出生，博士，硕士研究生导师。主要研究 方向为车辆传动与控制 。 E m a i l t a y i c h e n g y a h o o ．t o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m