基于AMESim的大功率自動變速器換擋電磁閥的仿真研究

張英鋒，王 迎，龐海龍，俞 妍，詹雋青

（1.軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161；2.軍事交通學院 基礎部，天津 300161；3.軍事交通學院 科研部，天津 300161）

目前，液力機械式自動變速器的換擋閥一般采用先導式換擋電磁閥，是一種二位三通閥，通過電磁力控制閥芯的左右移動，實現油路的切換，達到控制離合器油壓的目的。自動變速器控制器（TCU）通過輸出具有一定頻率的占空比信號控制換擋電磁閥油路的切換頻率和開啟時間，進而控制通往離合器的油壓，達到控制離合器接合（分離）速度的目的。

國外開展電磁閥研究已經有將近半個世紀的時間，技術相對成熟。而國內起步較晚，研究單位主要是高校和科研院所，研究方法主要是在進口電磁閥基礎上展開改進設計，例如清華大學在上個世紀研制了一種適應柴油機高壓燃油噴射的高速電磁閥[1]，北京理工大學近年針對Allison自動變速器換擋電磁閥展開了大量分析，空空導彈研究院在進口電磁閥基礎上設計了一種兩位三通大流量電磁閥[2]。雖然國內在電磁閥研究方面進展迅速，但仍存在著加工工藝差、壽命低、響應速度慢等不足[3]。

換擋電磁閥的設計在自動變速器控制系統設計中占有非常重要的地位，因為其性能的好壞直接和換擋性能相關。通過試驗的方法來改進換擋電磁閥設計參數不但費時費力，而且增加了成本，仿真手段的應用為換擋電磁閥的設計提供了一條捷徑。通過建立仿真模型并進行優化分析，可以為換擋電磁閥的設計提供參考。因此，在加工電磁閥、設定占空比信號之前，建立仿真模型并進行優化分析，具有實際指導意義。

1 換擋電磁閥工作原理

本文研究的大功率液力機械式自動變速器換擋電磁閥是一種常閉型先導式換擋電磁閥，在斷電時，主油路通往離合器油路是關閉的，此時離合器時刻處于泄油狀態，當通電時電磁閥打開，主油路向離合器油路充油，該電磁閥結構如圖1所示。

由圖1可以看出，換擋電磁閥主要包含兩條油路，一條油路連通主油路與離合器油路，用于給離合器充油；另一條油路連通離合器油路與回油油路，用于離合器泄油。當換擋電磁閥斷電時，磁場不產生作用力，電磁線圈內部的棒針允許閥球移動，閥芯左側無法建立壓力，并在彈簧力作用下位于左側，離合器油路與泄油油路導通，電磁閥泄油；當電磁閥通電時，磁場作用力使棒針向右推動閥球，堵住節流孔，來自閥芯油道的油液在閥芯左側建立壓力P，并克服右側彈簧力，推動閥芯右移，關閉泄油油路，使主油路與離合器油路連通，離合器充油。電磁線圈電流是來自TCU的占空比信號，此信號通過控制電磁閥的通斷來調節閥芯左右移動的時刻、持續時間，進而控制通往離合器的油壓，達到控制離合器接合（分離）速度的目的。

圖2所示為電磁閥通電狀態，閥芯主要受到控制油壓、離合器油壓、彈簧力等力的作用。假設離合器油液為理想油源，即不考慮油源清潔度、油溫、空氣滲入及壓力波動等因素的影響，建立閥芯運動的力學平衡方程[4-5]：

式中，pv為控制油壓，MPa；p0為滑閥輸出油壓，MPa；SA為滑閥左端圓柱體截面積，m2；SB為滑閥左端第2個圓柱體截面積，m2；SC為滑閥閥桿的截面積，m2；mV為閥芯及閥腔內油液質量，kg；xV為滑閥閥芯位移，m；BV為閥芯與閥套間的粘性摩擦因數；Bf為瞬態液動力阻尼系數；Kf為穩態液動力剛度；K為彈簧剛度，N/m；x0為彈簧預壓縮量，m。

進行仿真研究時，需要根據式（1）建立仿真模型。

2 基于AMESim的換擋電磁閥仿真模型

AMESim（Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems）是一款多學科領域的仿真軟件，尤其擅長液壓系統仿真[6-7]。在研究換擋電磁閥工作原理、工作特性的基礎上，建立換擋電磁閥AMESim模型如圖3所示，仿真中假設液壓油為理想油液，并忽略油液的泄漏。

換擋電磁閥模型主要由以下幾個子模塊組成：占空比信號子模塊、電磁線圈子模塊、球閥子模塊、棒針及球閥質量子模塊、平衡液壓力子模塊、泄油子模塊、閥芯質量子模塊、主工作油路子模塊、彈簧子模塊、離合器油缸子模塊、離合器質量子模塊、離合器片子模塊等。

換擋電磁閥輸入的主油壓是經主調壓閥調節后的壓力，實際工作過程中會有波動，為了更為準確地研究其它參數對離合器油壓的影響，假定主油壓為定值。圖3中節流孔A表示圖1中換擋電磁閥閥芯油道的節流作用，節流孔B表示圖1中閥芯通往回位彈簧處油腔的油道節流作用。

3 仿真分析

沖擊度是評價液力機械式自動變速器換擋品質主要指標之一[8-9]，其表示車輛縱向加速度對時間的導數，其大小主要是受離合器油缸內油壓變化曲線（下文簡稱油壓變化曲線）影響[9]。所以仿真過程主要圍繞待接合離合器油缸內油壓變化規律進行。

大功率自動變速器換擋時間一般為2 s左右，故將離合器接合過程時間設置為2 s（仿真時間），時間間隔為0.001 s，主油壓為2.2 MPa。2 s時間內電磁閥輸入的控制信號各階段占空比及持續時間，如圖4所示，仿真得到的離合器油壓變化曲線如圖5所示，油壓變化曲線可以分為8個階段，其中，階段1為離合器初始接合壓力波動階段（其中在0.35 s時存在較大的壓力波動），階段6為最大接合壓力階段。

由圖5可以看出，油壓變化曲線是隨著占空比信號而變化的，并且在占空比信號變化時產生壓力波動，特別是離合器初始接合階段壓力波動最大，會使離合器接合初期產生較大沖擊，使換擋性能變差。實際上，在離合器接合過程中主油壓、電磁閥磁力、彈簧剛度等都會對壓力曲線產生影響，下面就具體分析油壓曲線隨各參數的變化規律。

3.1 主油壓對離合器油壓的影響分析

由式（1）可以看出，主油壓對閥芯的運動會產生影響，從而影響到壓力變化。在仿真過程中將主油壓分別設定為2.5 MPa、2.2 MPa、2.0 MPa、1.8 MPa和1.6 MPa，其它參數不變，得到油壓變化曲線如圖6所示。

由圖6可以看出，主油壓越大，則階段2、4、6、8的穩定油壓會有明顯增大，同時階段1、3、5、7的油壓波動也是略有提高，這是由換擋電磁閥特性決定的。當其它條件不變時，主油壓變大，離合器供油速度加快，造成離合器油壓曲線整體上移，特別是在最大接合壓力階段表現最為明顯，因為此時電磁閥基本全開，離合器油壓接近主油壓，四條曲線壓力差距最大。從仿真結果可以看出，主油壓對離合器油壓變化具有較大的影響，主油壓過大，則離合器接合時間縮短，會有較大的換擋沖擊；主油壓過小又會使離合器充油時間過長，換擋時間增加，增大了主、從動部分相對滑移時間，會引起離合器燒蝕。因此，根據仿真結果，將自動變速器的主油壓設定為2.2 MPa。但是，由于自動變速器在高擋時，高擋離合器所承受的轉矩要求會顯著下降，在高擋接合過程中可以降低主油壓，達到改變離合器接合壓力以降低換擋沖擊的目的，故可以在自動變速器離合器操作過程中采用變主油壓技術。

3.2 電磁力對離合器油壓的影響分析

電磁閥電磁力直接影響到閥球的開關速度，電磁力越大，其開關速度越大，但是，電磁力過大可能會引起閥球的振動，反而使開關速度受到影響。仿真過程中，將電磁力分別設定為3 N、5 N、10 N及25 N，其它參數不變，進行仿真研究，得到油壓變化曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，電磁力在10 N以下逐漸增大時，除階段1外的其它階段油壓曲線會整體上移，這是因為此時電磁力不足以推動閥球將節流孔完全堵住，閥芯不能將離合器供油油路完全打開，離合器將會一邊充油一邊放油，達不到預期的油壓曲線，而電磁力越大，離合器供油速度越快，造成油壓曲線整體上移；當電磁力大于10 N時，最大接合壓力保持不變，僅僅階段4和階段8略有提高，這是因為只有電磁力大于一定值時，才能使閥球克服來自閥芯內部油道的油壓，將節流孔完全堵住，使主油路和離合器油路完全導通；在換擋電磁閥控制器設計中，選擇25 N電磁力，即選取2.5倍左右的安全系數。這是因為在離合器完全接合的情況下，閥球要完全封住控制油壓的泄油通道，若電磁力不取安全系數，則存在兩種情況：一是在電磁閥供電電壓或電流發生波動時，會造成電磁力下降，使閥球打開，引起接合狀態的離合器松動，導致脫擋；二是當主油壓增大時，控制油壓對閥球的作用力增大，所以需要閥球的封堵力增大，但電磁力此時不夠，同樣會引起脫擋。

3.3 節流孔直徑對離合器油壓的影響分析

如圖2所示，此換擋電磁閥有兩個節流孔A和B，其中A孔是先導控制油路，B為反饋控制油路。下面以節流孔B為例，分析其對離合器油壓的影響。節流孔B的直徑大小直接關系到閥芯的動態平衡，因而對離合器油壓有較大影響。將節流孔直徑分別設定為0.5 mm、0.8 mm、1 mm、1.3 mm和1.5 mm，進行仿真分析，得到油壓變化曲線如圖8所示，其中放大后的階段3和階段4油壓曲線如圖9所示。

由圖8可以看出，節流孔直徑對離合器最大接合壓力影響不大，這是因為在離合器最大接合壓力階段，供油油路完全打開，節流孔的自反饋油路不起作用。但是節流孔直徑不能太小，例如0.5 mm節流孔對應的離合器壓力曲線整體響應太慢，這是因為閥芯自反饋油道太細，造成了自反饋延遲，使閥芯打開或關閉時間延長，從而對離合器油壓產生較大影響。同時，由階段1、3、7可以看出，隨著節流孔直徑的增大，離合器油壓響應會加快，這是因為節流孔直徑增大，加快了反饋油路的供油速度，進而提高了離合器油壓的響應速度。從圖9可以很好地看出階段3的變化趨勢。由階段2、4、8可以看出，節流孔直徑減小，會使這3個階段的穩定油壓增大，這是因為在這3個階段離合器供油油路沒有全部打開，若閥芯自反饋力減小，則閥芯供油端口開度會增大，造成階段性油壓增高，由圖9可以很好地看出階段4的變化趨勢。

3.4 閥芯質量對離合器油壓的影響分析

閥芯質量是影響離合器油壓的另外一個重要因素。將閥芯質量分別設定為24 g、100 g、500 g和1 000 g，進行仿真分析，得到油壓變化曲線如圖10所示，其中放大后的階段3和階段4油壓曲線如圖11所示。

從圖中可以看出，當閥芯質量為24 g、100 g時，離合器油壓變化曲線基本重合，當閥芯質量增大到500 g、1 000 g時，階段2、4、8中同一時刻的油壓明顯增大，這是因為當閥芯質量過大時，會增大慣性，引起電磁閥開啟和關閉時間延遲，造成這些階段的油壓上升，由圖11可以很好地看出階段4的變化趨勢。但是，4種閥芯質量下的離合器油壓最大值是相等的，這是因為由于此時電磁閥均為全開，離合器油壓接近主油壓，與實際情況相符。

3.5 蓄能器對離合器油壓的影響分析

由圖6～11可以看出，在0.35 s時，即離合器剛開始充油時，存在一個較大的油壓沖擊，由于待分離離合器此時還沒有完全分離，若此油壓過大，則會使待接合離合器進入接合，從而產生較大的換擋沖擊，因此，減小此沖擊油壓對提高換擋平順性具有重要意義。從前面的分析也可以看出，僅僅改變換擋電磁閥的結構參數或調節主油壓是無法減小此沖擊油壓的，較好的解決措施是在離合器油路中設置蓄能器[10-11]。蓄能器一般并聯安裝在換擋電磁閥至離合器的油路中，主要結構包括缸體、活塞和彈簧，離合器充油過程中活塞在油壓作用下擠壓彈簧，以吸收沖擊能量，消除油壓沖擊峰值，防止瞬時油壓過大而使離合器迅速接合，產生換擋沖擊。

在原有換擋電磁閥及離合器仿真模型的基礎上，增加蓄能器仿真模型，如圖12所示。設置蓄能器有關參數，并進行仿真，得到待接合離合器油壓變化曲線如圖13所示。由圖13可以看出，在換擋電磁閥其它參數不變的情況下，增加蓄能器能顯著減小開始階段0.35 s處油壓沖擊，降幅約為0.4 MPa，從而使離合器油壓變化更為平緩，有利于減小換擋沖擊，達到了提高換擋品質的目的。

4 結論

本文在分析某大功率自動變速器換擋電磁閥工作原理和工作特性的基礎上，建立了換擋電磁閥AMESim仿真模型，分析了主油壓、電磁閥結構參數等因素對離合器油壓的影響，得到了如下結論。

（1）隨著主油壓的增大，離合器接合過程中各階段的油壓也隨之增大，最大接合油壓變化尤為明顯，為了減小離合器接合沖擊，應根據擋位調節主油壓的數值。

（2）電磁力、節流孔直徑、閥芯質量等電磁閥自身參數對離合器接合過程中的油壓影響較大。其中，電磁力太大，會引起閥球的振動，從而影響閥球的開關速度；節流孔直徑增大，階段性油壓會減小，油壓變化時響應速度加快，但最大接合壓力不變；閥芯質量增大，離合器油壓會增大，但是最大接合壓力不變。

（3）主油壓、電磁閥參數等雖然能對離合器接合過程中的油壓變化產生較大影響，但并不能減小0.35 s處的壓力波動，經仿真分析，在離合器油路中增加蓄能器，可以有效降低0.35 s處的壓力波動，從而降低換擋沖擊。

References)

[1]盧啟龍. 電控柴油噴射用高速強力電磁閥的結構設計與功率驅動 [J]. 車用發動機，1996(3)：33-37.Lu Qilong. Structure Design Power Drive of High-Speed Powerful Solenoid for Electronic Diesel Injection [J].Vehicle Engine，1996(3)：33-37. (in Chinese)

[2]劉嘯，聶文杰. 電磁閥設計計算 [J]. 電氣開關，2008(3)：11-13.Liu Xiao，Nie Wenjie. Design of an Electromagnetic Valve[J]. Electric Switchgear，2008(3)：11-13. (in Chinese)

[3]劉超. 化解自動變速箱國產化難題 共建電控硬件平臺是關鍵 [N]. 中國電子報，2008，10(17)：9.Liu Chao. ECU Hardware Platform is the Key of Solving AT Localization Problem [N]. China Electronics News，2008，10(17)：9. (in Chinese)

[4]張濤，陳慧巖. 基于AMESim的HD4070PR自動變速器主調壓閥仿真分析 [J]. 機床與液壓，2010(10)：105-107.Zhang Tao，Chen Huiyan. Simulation & Analysis of the Main Pressure Regulator Valve of HD4070PR Automatic Transmission Based on AMESim [J]. Machine Tool &Hydraulics，2010(10)：105-107. (in Chinese)

[5]黃宗益. 現代轎車自動變速器原理和設計 [M]. 上海：同濟大學出版社，2006.Huang Zongyi. Theory and Design for Modern AT [M].Shanghai：Tongji University Press，2006. (in Chinese)

[6]付永領，祁曉野. AMESim系統建模與仿真 [M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2006.Fu Yongling，Qi Xiaoye. Modeling and Simulation for AMESim System [M]. Beijing：Beihang University Press，2006.(in Chinese)

[7]蘇明，陳倫軍. 基于AMESim的電磁高速開關閥動靜態特性研究 [J]. 液壓與氣動，2010(2)：68-72.Su Ming，Chen Lunjun. Dynamic Characeristic Research of High Speed On-Off Solenoid Valve Based on AMESim [J].Chinese Hydraulics & Pneumatics，2010(2)：68-72. (in Chinese)

[8]萬國強，黃英，張付軍. 液力機械式自動變速器換擋過程標定方法研究 [J]. 兵工學報，2012(2)：142-148.Wan Guoqiang，Huang Ying，Zhang Fujun，et al. Research on the Calibration Method for Gear Shifting of Automatic Transmission [J]. Acta Armamentarii，2012(2)：142-148.(in Chinese)

[9]陳仁金，任德均，張中剛. 工程車輛自動變速器電液控制系統研究 [J]. 工程機械，2012(5)：13-17.Chen Renjin，Ren Dejun，Zhang Zhonggang. Research of Electro-Hydraulic Control System for Engineering Vehicle AT [J]. Congstruction Machinery and Equipment，2012(5)：13-17. (in Chinese)

[10]過學迅. 汽車自動變速器——結構?原理 [M]. 北京：機械工業出版社，1999.Guo Xuexun. Structure and Theory for Automoive Transmission [M]. Beijing：China Machine Press，1999. (in Chinese)

[11]葛安林. 車輛自動變速器理論與設計 [M]. 北京：機械工業出版社，1993.Ge Anlin. Theory and Design for Automobile AT [M].Beijing：China Machine Press，1993. (in Chinese)