基于AMESim與MATLAB聯合仿真的車輛換擋緩沖技術研究

邢俊文， 孟祥政， 蒲宏武， 王亮， 馬向平

（裝甲兵工程學院機械系車輛室，北京100072）

1 引言

換擋緩沖技術有兩方面的要求：一是換擋過程應盡量迅速完成，減少因換擋時間過長而產生的摩擦元件滑摩，減少因換擋時動力中斷引起的速度損失；二是換擋過程應盡量平穩，避免使乘員感到顛簸或沖擊，避免動力傳動裝置中產生過大的沖擊載荷。顯然，換擋過程的這兩項要求是矛盾的：換擋過程越迅速，就越容易產生較大的沖擊和動載；反之，如果為了改善換擋過程的平穩性而延長離合器（制動器）的接合時間，則會增加離合器（制動器）的滑摩時間，影響離合器（制動器）的使用壽命。對換擋緩沖進行研究的目的就是要解決這一矛盾，合理地進行換擋過程的控制，迅速而平穩地完成換擋過程。

利用AMESim可方便建立國產某型履帶車的整車液壓模型，并與MATLAB聯合仿真，可對機械式換擋緩沖閥緩沖特性的因素進行研究，并能對緩沖時間對換擋品質的影響進行仿真分析。AMESim與MATLAB聯合仿真，既能發揮AMESim突出的液壓元件的仿真效能，又可借助MATLAB強大的數值處理能力，使系統的仿真效果更加完善，很有效地解決仿真技術問題［1］。

2 機械式緩沖閥的原理分析

國產某型履帶車使用機械式緩沖閥進行換擋緩沖。機械式緩沖閥主要由節流閥、蓄能器、差動溢流閥組成，其原理圖如圖1所示。

緩沖閥工作過程可分為五個階段。第一個階段：欲充油階段。從泵來的油先充滿管路、閥和液壓缸，此階段油路中的壓力幾乎為零。第二階段：快速充油階段。從泵來的高壓油P會直接作用于差動溢流閥的左端，并且同時經過節流閥，作用于差動溢流閥的右端，當差動溢流閥的左端壓力超過右端的壓強與彈簧產生的壓力之和時，油壓達到緩沖初始壓力P，這時差動溢流閥會產生溢流降壓作用，差動溢流閥能夠保持節流閥兩端有固定的壓力差。第三階段：緩沖階段。隨著蓄能器活塞的右移，A點的壓力逐漸變大，從而B點的壓力也逐漸變大，直到蓄能器活塞右移到行程終點，油壓會達到緩沖終止壓力Pt。在這個過程中，B點的壓力隨著活塞的右移緩慢上升，這樣就起到了換擋壓力緩沖的作用。第四階段：快速升壓階段。蓄能器活塞右移到行程終點后，B點油壓快速上升到系統油壓，完成充油過程。第五階段：油壓保持階段。此階段中，油壓保持不變。在緩沖過程中B點油壓上升曲線如圖2所示。

圖1 機械式緩沖閥原理圖

圖2 緩沖特性圖

如圖2所示，緩沖特性主要有緩沖時間、緩沖初始壓力和緩沖終止壓力來決定。因此，對影響緩沖特性的因素研究，也從這三個方面進行。

3 換擋操縱液壓系統建模

在AMESim中，建立換擋操縱液壓系統總體模型，總體模型可分為三個部分：液壓緩沖部分，機械變速部分和控制計算部分，如圖3所示。

圖3 換擋操縱系統總體模型

液壓緩沖部分包含了換擋操縱油路、潤滑油路、冷卻油路和變速箱的各個油缸的子模型。其中重點對操縱油路進行了建模，潤滑油路和冷卻油路使用節流閥組進行代替。換擋操縱油路又包含了主系統閥、機械式緩沖閥、增壓閥等子模型。機械變速部分主要是建立了行星變速箱模型和燃氣輪機模型。其中行星變速箱模型包括4個行星排和6個離合器（制動器）。控制計算部分包括滑摩功和沖擊度的計算。

圖4 MATLAB與AMESim聯合仿真界面

由于液壓缸得到了油壓無法直接傳遞到相應的離合器（制動器）上，采用壓力-電信號轉換模塊，將液壓缸得出的油壓轉換為電信號，作為離合器（制動器）的輸入信號。

AMESim提供了圖像生成工具，將要生成圖像的參數名拖出參數對話框即可。但如果改變參數，需重新進行仿真，才能得出新的結果。為了減少操作步驟，更形象直觀地觀察圖像，進行AMESim與MATLAB的聯合仿真。AMESim與MATLAB聯合仿真界面如圖4所示。

AMESim與MATLAB的聯合仿真，通過MATLAB中GUI進行仿真界面的設計，界面包括蓄能器參數、節流閥參數、泵參數及仿真運行參數的設定等內容。聯合仿真可通過MATLAB強大的圖像生成能力，將仿真結果顯示在界面中，并進行對比分析。

4 影響緩沖特性的因素分析

從油溫、蓄能器彈簧、節流閥孔、泵四個方面對緩沖特性的影響規律進行仿真分析。

4.1 蓄能器彈簧對緩沖的影響

彈簧是蓄能器的主要部件，也是影響緩沖特性的最主要的因素之一。可從彈簧彈性系數和彈簧初始壓力兩方面進行仿真分析。分別設定不同的彈簧彈性系數和彈簧初始壓力，對其進行緩沖特性的仿真，其結果如圖5所示。

其中圖 5（a）為蓄能器彈簧的彈性系數對緩沖特性的影響，從中可以看出，蓄能器彈簧彈性系數影響緩沖階段油壓上升的快慢，彈性系數越大，油壓上升越快，反之亦然。

圖 5（b）為蓄能器彈簧初始壓力對緩沖特性的影響，從中可以看出，蓄能器彈簧的初始壓力影響緩沖特性的初始緩沖壓力，蓄能器彈簧的初始變形壓力越大，緩沖特性的初始緩沖壓力就越大。

4.2 節流閥孔對緩沖特性的影響

節流閥孔是影響緩沖特性的另一個重要的因素。節流孔大小主要是限制進入蓄能器油液的流速?？稍O定仿真時間為2.5s，節流閥孔直徑分別為1mm、1.25mm、1.5mm和1.75mm，其仿真結果如圖6所示。

圖5 蓄能器彈簧對緩沖特性的影響

從圖6可以看出，當節流孔直徑設定為 1mm、1.25mm、1.5mm 和 1.75mm時，其緩沖時間分別為1.8s、1s、0.8s和 0.4s。緩沖時間隨著節流孔直徑的增大逐漸減小，但當節流孔直徑大于某一值時，緩沖閥將不再起緩沖作用。節流孔的大小對緩沖初始壓力和緩沖終止壓力沒有影響。

圖6 小孔直徑對緩沖特性的影響

4.3 泵轉速對緩沖特性的影響

在車輛運行過程中，泵的轉速隨發動機轉速的變化而變化，因此，有必要對泵轉速對緩沖的影響進行仿真研究。取泵的轉速為1000～4000r/min，其它仿真條件不變，其仿真結果如圖7所示。

從圖7中可以看出，隨著泵轉速的增加，其緩沖充油時間變短，緩沖時間減少。而緩沖初始壓力和終止壓力變化不大。

圖7 泵轉速對緩沖特性的影響

4.4 油溫對緩沖特性的影響

液壓油的粘度對溫度的變化極為敏感，溫度升高，液壓油分子的內聚力減小，其粘度將顯著降低。液壓油粘度與溫度的關系可以用下式表示［2］。

式中：μ0-1 個標準大氣壓下液壓油的動力粘度，Pa·s；μt-某一溫度下液壓油的動力粘度，Pa·s；λ-隨液壓油而異的常數。

通過實驗表明，46cst的石油基液壓油在溫度升高到100℃時，其粘度下降到 7cst左右［3］。液壓系統油溫升高，使液壓油粘度降低，勢必會影響緩沖特性。通過模型仿真得出油溫對緩沖特性的影響如圖8所示。

從圖8中可以看出，隨著溫度的升高，緩沖時間變短，并且減小的幅度也逐漸變小。當油溫大于100℃時，緩沖時間變化不再明顯。

圖8 不同的油溫下緩沖特性對比

5 緩沖時間對換擋品質影響的仿真分析

緩沖時間是影響換擋品質的最主要因素，緩沖時間對換擋品質的影響可從滑摩功和沖擊度兩個方面進行分析。

將仿真模型的仿真時間定為10s，仿真步長為0.01s。分別進行節流閥孔大小、蓄能器彈性系數和蓄能器彈簧的初始壓力的調節，確保緩沖初始壓力為 0.35，緩沖終止壓力為0.75，并使得到的緩沖曲線的換擋緩沖時間分別為 0.5s、1s、1.5s和 2s，其緩沖特性曲線如圖9所示。

滑摩功和沖擊度的對比曲線分別如圖10和圖11所示。

從圖10和圖11中可得出，隨著緩沖時間的增加，其離合器（制動器）接合所產生的滑摩功越來越大，而沖擊度越來越小?；εc沖擊度是相互矛盾的兩個方面，即應考慮滑摩功不能太大，又要考慮沖擊度不能太高。因此，合理的選擇換擋時間是提高換擋品質的一個重要措施。

圖9 不同緩沖時間換擋緩沖特性

圖10 滑摩功對比

圖11 沖擊度對比

6 結論

利用AMESim與MATLAB聯合仿真，對機械式換擋緩沖閥緩沖特性的因素進行研究，分析影響機械式緩沖閥緩沖特性的因素，即研究油溫、蓄能器彈簧、節流閥孔、泵四個方面對緩沖特性的影響。其中，節流閥孔大小、泵轉速、油溫主要是影響換擋緩沖時間，而蓄能器彈簧主要影響換擋緩沖的初始壓力和終止壓力。同時，合理選擇緩沖時間是提高換擋品質的一個重措施。

［1］ 李霏霞，曾聲奎，馬紀明，等.AMESim與SimuLink聯合仿真在舵機可靠性研究中的應用［C］//2008系統仿真技術及其應用學術會議論文集，2008：490-491.

［2］ 劉軍營.液壓與氣壓傳動［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2008：11-13.

［3］ 王榮林，殷勁松.基于液壓油油溫對液壓系統性能影響的研究［J］.中國科技信息，2008（24）：104.