閥體設(shè)計(jì)方法淺析

孫建明，古婷

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119）

引言

電控液動(dòng)式自動(dòng)變速器，液壓系統(tǒng)是連接電控軟件與機(jī)械硬件的橋梁。電控軟件通過(guò)TCU發(fā)出控制電流，對(duì)液壓模塊電磁閥進(jìn)行控制并調(diào)節(jié)各油路壓力，然后通過(guò)油壓驅(qū)動(dòng)換擋撥叉和離合器等執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速。因此，液壓模塊的主要功能，就是把油泵輸入的高壓油按TCU控制策略轉(zhuǎn)化為多路可控的穩(wěn)定壓力油提供至各機(jī)械執(zhí)行元件。

閥體作為液壓模塊的核心載體，其主要功能是集成輸入及多路輸出油路，固定電磁閥、壓力傳感器、蓄能器等液壓元器件，實(shí)現(xiàn)液壓控制原理。一般來(lái)講，自動(dòng)變速器液壓原理較為復(fù)雜，包含多條油路及多個(gè)電磁閥，所以閥體設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要在于液壓油路集成的設(shè)計(jì)。油路的設(shè)計(jì)質(zhì)量，不僅會(huì)直接影響到液壓特性，也會(huì)對(duì)閥體制造工藝性帶來(lái)較大的影響。

根據(jù)液壓原理油路及電磁閥數(shù)量、整機(jī)液壓模塊布置、油路流量大小等因素，閥體可設(shè)計(jì)成單片式、雙片式、三片式。比如AMT上液壓油路相對(duì)簡(jiǎn)單、油路流量較小，多采用單片式閥體設(shè)計(jì)。單片式閥體油路直接采用機(jī)加工鉆孔，制造工藝性較好，油路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。而DCT與AT則較多采用雙片式閥體，即分為上、下兩個(gè)閥體，中間用隔板密封。雙片式閥體可實(shí)現(xiàn)較大的油路截面積，且油路在外表面其走向不受鉆孔加工方式的限制，可實(shí)現(xiàn)多條油路交錯(cuò)布置，故油路設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜。

1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)閥體功能和作用，在進(jìn)行閥體設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)原則：

1）滿足閥體的功能要求；

2）具有足夠的強(qiáng)度和剛度，防止閥體變形；

3）具有較小的流阻，油路盡可能平滑，在上、下閥體中翻轉(zhuǎn)次數(shù)盡可能少；

4）具有較低的泄漏，油路盡可能短，閥體連接螺栓布局要合理；

5）具有輕量化的設(shè)計(jì)，減少總成的重量；

6）具有良好的工藝性能，便于鑄造和機(jī)械加工。

2 設(shè)計(jì)流程

閥體的設(shè)計(jì)其實(shí)就是液壓模塊設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。在閥體設(shè)計(jì)前期，必須依靠仿真軟件對(duì)液壓系統(tǒng)各油路壓力、流量進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，確定好節(jié)流孔、蓄能器、閥芯、泄壓閥等液壓元件的設(shè)計(jì)，以避免在后期出現(xiàn)較大的改動(dòng)，甚至發(fā)生油路需要重新布置的風(fēng)險(xiǎn)。由于閥體油路的不規(guī)則性，產(chǎn)品全部采用壓鑄鑄造再機(jī)加工的方式生產(chǎn)制造。所以在閥體設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮材料的機(jī)械性能、鑄造及機(jī)加工性能。一般采用壓鑄鋁合金，如AlSi9Cu3、A380、ADC12等牌號(hào)。閥體具體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 閥體設(shè)計(jì)流程圖

3 閥體設(shè)計(jì)

3.1 A階段設(shè)計(jì)

閥體A階段設(shè)計(jì)，主要以滿足液壓模塊功能需求為目的。以液壓原理圖、整機(jī)安裝邊界及接口等為設(shè)計(jì)輸入，按照閥體設(shè)計(jì)流程進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。此階段暫不考慮過(guò)多的制造工藝性，可用快速成型方式加工樣件進(jìn)行功能及性能試驗(yàn)即可。三維設(shè)計(jì)時(shí)，可直接在實(shí)體上進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、打孔等簡(jiǎn)單操作去除材料即可完成。重點(diǎn)是油路的布局設(shè)計(jì)，要盡可能滿足設(shè)計(jì)原則，此過(guò)程需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和空間思考能力，以確保油路設(shè)計(jì)質(zhì)量。該階段的主要目的是搭建功能樣機(jī)，進(jìn)行整機(jī)及液壓模塊各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并為后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供支持。某濕式雙離合器自動(dòng)變速器液壓模塊A階段設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 液壓模塊及其上、下閥體A階段設(shè)計(jì)圖

3.2 B階段設(shè)計(jì)

閥體B階段設(shè)計(jì)，以制造工藝性設(shè)計(jì)為主，優(yōu)化A階段設(shè)計(jì)問(wèn)題為輔。充分考慮鑄造、機(jī)加工制造工藝，也可稱為量產(chǎn)化設(shè)計(jì)。此階段需要重新進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，在三維中實(shí)現(xiàn)模具及鑄件毛坯設(shè)計(jì)、機(jī)加工設(shè)計(jì)，如圖3所示。詳細(xì)對(duì)分型面、抽芯、壁厚、拔模角度、拔模頂桿、定位基準(zhǔn)、加工余量等關(guān)鍵工藝特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保產(chǎn)品獲得良好的制造工藝性。在油路基本確定后，還應(yīng)該對(duì)閥體密封面的密封性能進(jìn)行面壓仿真分析，以便及時(shí)調(diào)整閥體連接螺栓、固定螺栓及油路的布局。B階段設(shè)計(jì)完成后，將會(huì)開(kāi)模進(jìn)行壓鑄制造及相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。此時(shí)已具備小批量生產(chǎn)條件和能力。

圖3 上閥體B階段模具及鑄件毛坯設(shè)計(jì)、機(jī)加工設(shè)計(jì)

1）分型面設(shè)計(jì)：避免閥體的分型面處在粗加工的基準(zhǔn)位置處，同時(shí)機(jī)加工面和粗基準(zhǔn)應(yīng)位于同一模具中，防止錯(cuò)模引起加工誤差。分型面的選擇應(yīng)盡量使閥體處在動(dòng)模中，便于頂、取鑄件。

2）抽芯設(shè)計(jì)：閥體中盡可能不用或者少用型芯。抽芯長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，直徑不宜過(guò)小。并且抽芯部位設(shè)計(jì)應(yīng)防止鋁液直接沖擊而導(dǎo)致變形，影響精度。

3）壁厚設(shè)計(jì)：要盡可能確保閥體壁厚的一致性，一般以3mm至4mm為宜。保證壓鑄時(shí)冷卻收縮率各處相等，防止氣縮孔的產(chǎn)生。因此，螺栓過(guò)孔、螺紋孔等也應(yīng)盡量鑄造出來(lái)，防止局部壁厚較大，增加氣縮孔產(chǎn)生概率。

4）拔模角度設(shè)計(jì)：閥體鑄件不同位置的拔模角度設(shè)計(jì)有所差異。閥孔與油槽相貫面不可避免會(huì)有鑄造隔皮，依靠機(jī)加工去除加工余量及隔皮。如果閥孔抽芯拔模角度偏大，閥孔底部加工余量將會(huì)明顯比閥孔口部加工余量偏大，易造成閥孔壁厚不均、氣縮孔缺陷較多等問(wèn)題。為了保證尺寸的精度，油槽（連接閥孔控制邊）部位拔模角度要求較嚴(yán)格，外部輪廓次之。閥體不同位置不同的拔模角度要求如表1所示。

表1 閥體各部位拔模角度

5）加工余量設(shè)計(jì)：閥體鑄件機(jī)械加工余量根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)和部位確定。油槽大平面設(shè)計(jì)加工余量應(yīng)采用 0.8mm至1mm。閥孔設(shè)計(jì)加工余量以單邊0.5-0.8mm為宜。

6）定位基準(zhǔn)及夾緊點(diǎn)設(shè)計(jì)：毛坯定位基準(zhǔn)應(yīng)分布在閥體四周邊緣且無(wú)機(jī)加工的位置，以便在機(jī)加工后進(jìn)行毛坯基準(zhǔn)的檢測(cè)。同時(shí)在定位基準(zhǔn)的反面要考慮夾緊點(diǎn)設(shè)計(jì)，夾緊點(diǎn)位置與定位基準(zhǔn)不能相距過(guò)遠(yuǎn)。

3.3 C階段優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)B階段生產(chǎn)制造及試驗(yàn)驗(yàn)證，要及時(shí)統(tǒng)計(jì)各方面問(wèn)題，以開(kāi)展C階段優(yōu)化設(shè)計(jì)。此階段可進(jìn)行較小的修改，以解決生產(chǎn)制造、裝配、試驗(yàn)等方面的遺留問(wèn)題。在修改的時(shí)候，需要考慮到修模的難易程度，不適宜在此時(shí)進(jìn)行大規(guī)模修改。

4 結(jié)束語(yǔ)

閥體設(shè)計(jì)具有高度的復(fù)雜性，且需要豐富的壓鑄、機(jī)加工等制造工藝經(jīng)驗(yàn)，目前國(guó)內(nèi)能夠自主設(shè)計(jì)自動(dòng)變速器閥體的很少。隨著國(guó)內(nèi)自動(dòng)變速器近年飛速發(fā)展，液壓模塊及閥體的自主設(shè)計(jì)將會(huì)更加成熟和廣泛。閥體設(shè)計(jì)只是自動(dòng)變速器設(shè)計(jì)中的冰山一角，只有國(guó)內(nèi)整機(jī)的設(shè)計(jì)、仿真、控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)、生產(chǎn)配套等全面發(fā)展，才能帶動(dòng)各子系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)及產(chǎn)業(yè)化。本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，梳理了閥體設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些要點(diǎn)，希望對(duì)閥體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)和參考。

參考文獻(xiàn)

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