基于鍵合圖的綜合傳動裝置換擋過程液壓系統動態特性

劉相波， 晁智強， 寧初明

(裝甲兵工程學院機械工程系，北京 100072)

基于鍵合圖的綜合傳動裝置換擋過程液壓系統動態特性

劉相波， 晁智強， 寧初明

(裝甲兵工程學院機械工程系，北京 100072)

利用基于功率流傳遞的鍵合圖，建立了綜合傳動裝置換擋過程的液壓系統動態仿真模型，通過原位空轉和實車跑車2種車輛運行狀態下綜合傳動裝置換擋過程中液壓系統動態性能實驗，分析了不同結構參數下液壓系統的壓力緩沖特性。結果表明：適當調整不同結構參數，可合理控制換擋過程液壓系統的作用時間和壓力，為綜合傳動裝置的液壓系統結構優化設計提供了依據。

鍵合圖；動態特性；液壓系統

隨著液壓系統在綜合傳動裝置及新型裝備中的廣泛應用，其制動、轉向、換擋等操控功能越來越先進，并涉及到機、電、液等多系統的復雜結構問題，這種復雜性體現為液壓系統所具有的非線性、不連續和多耦合等物理屬性。因此，采用傳統的傳遞函數分析法對其換擋過程的動態特性進行分析存在一定的局限性和復雜性[1]。利用基于功率流傳遞的鍵合圖建模法來完成對換擋過程的動態建模，并將其直接轉換成換擋過程的液壓系統方塊圖，省去對狀態方程的推導[2-3]，可高效、便捷地對液壓系統的動態特性進行仿真分析。

1 基于鍵合圖的液壓系統建模

綜合傳動裝置液壓系統主要由換擋緩沖閥、換向閥等元部件構成。本文選用車輛從2擋升到3擋這一過程進行研究分析，在離合器結合過程中，通過手動操縱閥進行油路切換，使換向閥變向，改變油液流向。油液自油箱經管道進入緩沖閥，在液壓緩沖閥的緩沖閥芯、緩沖彈簧和調壓閥芯的協調配合作用下，經換向閥對離合器進行供油控制，實現擋位的變換。

由于系統各元部件對系統動態性能的影響各異，同時考慮到模型仿真的復雜程度等因素，對液壓系統進行如下假設[4-5]：

1) 不考慮緩沖閥等元部件的內部泄漏對系統的影響；

2) 將油液密度和黏度等視為理想狀態，即不隨外界因素產生變動;

3) 不考慮換向閥容性和慣性效應；

4) 系統的液阻、液容與液感等分布參量均用等效的集中參變量替代。

換擋過程中，綜合傳動裝置液壓系統的功率流將重新傳輸和轉化，油液流經管道時的液容、液感和液阻變化較大;油液進入緩沖閥后，因緩沖彈簧控制的緩沖閥芯和調壓閥芯對進入離合器油液流速的制作用，油液的液容和液阻以及相應機械結構的動態質量都有較為明顯的變動，且節流孔O2阻力作用明顯，其液阻變化較大，油液進入離合器容腔時，因其具有較大的動量，對液容和液感影響較大。結合鍵合圖的繪制原理，繪制出換擋過程的液壓系統鍵合圖模型，如圖1所示,鍵合圖變量與機械、液壓系統變量的對應關系如表1所示。

圖1 換擋過程的液壓系統鍵合圖模型

表1 鍵合圖變量與機械、液壓系統變量的對應關系

系統參變量鍵合圖機械系統液壓系統力變量勢e力F壓力p流量流f速度v流量q動量動量p動量p壓力動量p位移變位q位移x體積V

圖1中：Seo為緩沖閥進油口壓力；Seh為緩沖閥預壓緊力；Ses為釋控閥預壓緊力；SeL為離合器預壓緊力；Re01為緩沖閥入口液阻；Rep為緩沖閥回油口液阻；Re02緩沖閥為出口液阻；Rs0為釋控閥液阻；R01為阻尼孔O1液阻；Rh0為緩沖閥左端控制端口液阻；Rg為管道液阻；RL為離合器泄壓孔液阻；RF為換擋閥閥口液阻；R02為阻尼孔O2液阻；Cg為緩沖閥出口至換擋離合器之間油管道容腔的液容；Ch0為緩沖閥左端容腔的液容；Ch為緩沖彈簧柔度；Ct0為釋控閥右端容腔的液容；CL1為離合器容腔的液容；CL為離合器彈簧柔度；Cs為釋控閥彈簧柔度；Ih為緩沖閥閥芯等效質量；It為調壓閥閥芯等效質量；Is為釋控閥閥芯等效質量；Ig為緩沖閥出口至換擋離合器之間油管道中油液動態質量；IL為離合器摩擦片等效質量。

2 液壓系統動態仿真分析

利用鍵合圖和方塊圖之間的一一對應關系[6-7]，將已知因果關系的液壓系統鍵合圖直接轉換成方塊圖，圖2為換擋過程的液壓系統方塊圖。液壓系統的各主要狀態變量與鍵合圖的對應關系依次表示如下：

圖2 換擋過程的液壓系統方塊圖

1) 緩沖閥出口至換擋離合器之間油管道容腔的液容Cg為

(1)

2) 緩沖閥出口至換擋離合器之間油管道中油液的液感Ig為

(2)

3) 阻尼孔O2的液阻Ro2為

(3)

4) 離合器容腔的液容CL1為

(4)

5) 彈簧柔度Ch為

(5)

式中:Vg為管道容積(m3)；dg為管道直徑(m)；Lg為管道長度(m)；K為緩沖彈簧彈性模量(N/m);ρ為油液密度(kg/m3)；Ag為管道橫截面積(m2); Δp為節流孔兩端壓差(MPa)；do2為節流孔O2直徑(m)；Cd=0.65，為流量系數;VL0為離合器初始容積(m3)；AL為活塞面積(m2)；x5為活塞行程(m)。

利用換擋過程的液壓系統動態過程的方塊圖，直接在Simulink環境下構建相應的系統仿真模型，將液壓系統各相關單元結構參數加載到液壓系統的Simulink仿真模型中，采用四階龍格-庫塔法[8-9]對系統進行仿真，并通過改變系統不同結構參數來分析液壓系統的壓力緩沖特性。圖3為液壓系統原始換擋過程離合器容腔壓力曲線，圖4-6分別為離合器容腔壓力隨緩沖彈簧彈性模量、節流孔O2直徑和管道直徑變化曲線。

圖3 液壓系統原始換擋過程離合器容腔壓力曲線

圖4 離合器容腔壓力隨緩沖彈簧彈性模量的變化曲線

圖5 離合器容腔壓力隨節流孔O2直徑的變化曲線

圖6 離合器容腔壓力隨液壓管道直徑的變化曲線

從圖4-6可以看出：液壓系統的節流孔O2和管道直徑對液壓系統換擋過程的緩沖時間影響較大；隨著彈性模量和節流孔的變大，緩沖時間顯著縮短。因此，在換擋其他條件可接受的范圍內，為縮短緩沖時間，應盡可能使用較大的節流孔和管道。

圖4的仿真結果表明：緩沖彈簧彈性模量的變化對液壓系統換擋過程中緩沖終點壓力影響比較明顯，隨著彈性模量的增加，其緩沖終止壓力也在相應的提高。因此，可適當選擇較大剛度的緩沖彈簧，以提高換擋壓力。

3 液壓系統動態實驗分析

本實驗系統通過將PT630壓力傳感器直接安裝在綜合傳動裝置的預留測試口，利用多通道的便攜式檢測儀對系統壓力進行全方位測量，傳感器具體參數如表2所示，傳感器測點總體布局如圖7所示。

表2 PT630壓力傳感器參數

圖7 傳感器測點總體布局

測試時，將采集終端采樣頻率設置為1 000 Hz，保持發動機轉速在1 000～1 500 r/min之間，在原位空轉和實車跑車2種車輛運行狀態下，分別進行綜合傳動裝置換擋過程中液壓系統動態性能實驗，其實驗壓力變化曲線分別如圖8、9所示。對比圖3、8、9可知：實驗曲線壓力上升過程有一定的波動，且波動范圍較小，而仿真曲線則相對平穩。其主要是由在測試過程中因環境干擾等引起的誤差及仿真模型中忽略某些次要因素造成的，二者基本能保持一致，吻合度較高，說明系統仿真模型是正確和有效的。

圖8 原位空轉實驗壓力變化曲線

圖9 實車跑車實驗壓力變化曲線

4 結論

1) 利用鍵合圖建立綜合傳動裝置換擋過程液壓系統模型，可直接建立系統仿真模型，極大地方便了對系統動態性能的仿真研究。

2) 節流孔O2直徑、液壓管道直徑和緩沖彈簧彈性模量對液壓系統換擋過程的壓力緩沖特性影響明顯，通過對系統結構參數進行適當的調整，可合理地控制換擋過程中離合器的作用時間和壓力，為液壓系統結構的優化設計提供了參考。

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(責任編輯: 尚菲菲)

Dynamic Characteristics of Hydraulic System in Comprehensive Transmission Shift Process Based on Power Bond Graph

LIU Xiang-bo, CHAO Zhi-qiang, NING Chu-ming

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

The dynamic simulation model of hydraulic system in comprehensive transmission shift process is established using the power bond graph based on the power flow transfer, and the stress buffer characters of different structure parameters are studied and analyzed by the dynamic experiments of hydraulic system in original-position idling state and real vehicde running state. The result shows that adjusting the structure parameters can control the working time and press of the hydraulic system, which provides the basis for the optimized design of the hydraulic system structure.

bond graph; dynamic characteristics; hydraulic system

1672-1497(2015)03-0059-05

2014-12-01

劉相波(1967-)，男，副教授，碩士。

TJ81+0.322; TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.012