自動變速器電液系統建模與分析

周章遐 馬靜 姚書濤 李曉宇 楊林

哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心 黑龍江省哈爾濱市 150060

1 引言

自動變速器通過控制不同檔位組合離合器的接合與分離實現檔位切換，自動變速器電液控制單元因液壓傳遞較大扭矩的優越性及電子控制的靈活性、高精度、成本合理等優勢得到了廣泛的應用，液壓控制系統主要由給系統提供油液的液壓油泵、控制自動變速器換擋邏輯的液壓閥體總成、為自動變速器平穩傳遞動力的液力變矩器組件、為液壓油提供傳遞油道的殼體油路等組成。

液壓控制系統主要功用是為液力變矩器傳遞動力提供液壓介質并進行滑膜控制，為自動變速器提供邏輯換擋執行機構和介質，為自動變速器機械傳動零件提供冷卻潤滑保護。故液壓控制系統的性能直接影響到汽車的換擋品質、經濟性及動力性等整車性能。

2 電液控制單元組成

2.1 壓力調節控制系統

電液控制單元可根據系統的需求，調節輸出系統適應的壓力。

因油泵由發動機直接驅動，所以其理論泵油量與發動機轉速成正比，發動機高速時，泵油量多，主油壓高，引起換擋沖擊且泵油消耗功率增大，發動機低轉速時，泵油量少，主油路壓力低，引起制動器、離合器打滑。為了滿足車輛不同工況的需求，根據車輛的行駛檔位，主油路壓力作用在A、B、C位置，從而使主調壓閥將來自油泵的液壓壓力保持在特定的壓力下，如圖1。

自動變速器的系統壓力調節是通過力平衡原理進行穩定壓力輸出，即

式中：Plp為自動變速器系統壓力，MPa；

S1為系統壓力作用面積，mm2；

Fspring為彈簧力，N；

Pfd為反饋壓力，MPa；

S2-S3為反饋壓力作用面積差，mm2；

自動變速器系統油壓調壓原理如圖3.1所示，自動變速器通過電磁閥調節7處反饋壓力實現自動變速器的壓力可控調節。

同時在自動變速器液壓單元中為降低能耗提高效率可對控制電磁閥供給壓力進行限壓設計；根據發動機負荷的變化，改變變矩器油壓，保證液力變矩器可靠地傳遞發動機的扭矩。

2.2 換擋閥系統

根據行駛工況需求，切換油路，使離合器制動器組合工作，實現變速器不同速比傳遞動力。

2.3 換擋信號元件

換擋信號元件主要為液壓控制單元的各種類型電磁閥，可依據功能需求實現電信號到油壓及機械動作的控制。

2.4 緩沖安全系統

為提高自動變速器換擋質量和安全，減輕換擋沖擊，在自動變速器的液壓控制系統中設計有起到緩沖和安全作用的零部件。如自動變速器蓄能器組件及限壓保護機構等。

2.5 液力變矩器控制系統

液力變矩器控制系統主要有兩個作用：一、控制液力變矩器鎖止離合器的工作；二、提供具有一定壓力的液壓油，同時將高溫液壓油引出加以冷卻，冷卻油部分供給行星齒輪機構潤滑。

3 建模仿真分析

3.1 模型搭建

為研究和設計高性能的自動變速器電液控制單元，單純采用傳統制作樣件后試驗驗證的設計方法費工費時，更改參數困難，利用仿真技術進行參數分析選擇后制作試驗樣件驗證，然后進行結果修正可極大提高設計效率及可靠性，本文以液壓仿真AMESim作為仿真平臺對電液控制單元進行建模仿真分析，研究電液控制單元的壓力流量特性，邏輯工作原理及靜態響應及動態響應等。

AMESim仿真平臺具有豐富的功能元件庫，本文主要以液壓設計專用HCD庫，機械庫，控制信號庫搭建模型，這些庫通過結構單元的細分來處理物理元件的多樣性，本文按照自動變速器電液控制單元的工作原理（如圖2）搭建仿真模型（如圖3），并依據設計經驗及計算設計仿真參數，調試模型并進行優化。

3.2 電磁閥建模分析

基于AMESim建立直驅常低VFS電磁閥模型（如圖4），參數設置由公式計算及經驗值給出，其中以電磁特性擬合出控制電流的電磁力輸出，控制信號以0-1000mA輸出進行仿真分析。

以電磁閥輸入壓力分別為8bar、10bar、14bar進行仿真分析，分析電磁閥在不同供給壓力下的壓力輸出特性，從仿真分析結果可知電磁閥在不同供給壓力下最大輸出壓力與輸入壓力相等，低供給壓力電磁閥達到全開的電流較小，高供給壓力下電磁閥達到全開的電流偏大。

直驅VFS電磁閥的Underlap設計直接影響電磁閥的調壓性能，電磁閥Underlap定義如圖6所示，分為正向Underlap及負向Underlap，

依據平衡力：Fd=Ff+Fs，其中Fd為電磁閥電磁力，Ff為電磁閥反饋壓力，Fs為電磁閥彈簧力，在underlap開啟臨界狀態前，只有彈簧力與電磁力；在underlap開啟臨界狀態下，彈簧力不變Fs=3.38，只有電磁力和反饋力決定；在underlap開啟臨界狀態后，只有彈簧力與電磁力。即輸入壓力8bar時underlap調壓電磁力要比輸入壓力10bar時underlap調壓電磁力小，underlap開啟之后，反饋力不變Ff，電磁閥力及彈簧力發生改變，8bar時，underlap開啟的電磁力8.84N，10bar時，underlaplap開啟的電磁力10.205N，14bar時，underlap開啟的電磁力12.9N。

經過實機試驗驗證與仿真結果進行對比分析，壓力特性重合度較高，模型輸出結構可輔助設計。

4 結語

本文主要對電液控制單元的工作原理進行介紹，并依據其工作原理搭建電液控制單元模型，以公式計算及經驗設置仿真參數，匹配調整設計參數，并著重對電磁閥的性能指標及壓力特性進行分析，并將試驗結果與仿真結果進行參數修正，驗證模型準確性，為電磁閥設計及選型提供輔助，縮短研發周期及設計成本。