變速器電液系統(tǒng)分析及顫振電流控制

肖文穎，姜立標(biāo)

(廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東珠海 519090)

變速器電液系統(tǒng)分析及顫振電流控制

肖文穎，姜立標(biāo)

(廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東珠海 519090)

電液系統(tǒng)是自動(dòng)變速器的最重要組成部分，它主要由電磁閥、換擋閥、離合器三部分組成，涉及到電子、機(jī)械、液壓多個(gè)物理領(lǐng)域。從動(dòng)力學(xué)的角度分析該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性可以提高離合器的控制精度。通過對(duì)電液系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真分析，得到了電液系統(tǒng)的壓力與電流的特性曲線，并發(fā)現(xiàn)了壓力滯環(huán)效應(yīng)。通過分析滯環(huán)產(chǎn)生的原因，提出了電磁閥電流的顫振控制，并分析了電磁閥顫振控制的原理。并進(jìn)行壓力滯環(huán)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了顫振電流可以明顯減小壓力滯緩、提高離合器的壓力控制精度。

自動(dòng)變速器;電液系統(tǒng);電磁閥;壓力滯環(huán);顫振電流

液力自動(dòng)變速器是集機(jī)械、液壓、控制于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，是整車的最為關(guān)鍵的零部件。其性能直接影響著整車的換擋舒適性和經(jīng)濟(jì)型。而電液系統(tǒng)又是自動(dòng)變速器的核心關(guān)鍵技術(shù)，隨著自動(dòng)變速器的輕量化、智能化［1－3］的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其電液控制系統(tǒng)的要求也越來越高。不僅要求液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且還需要較高的控制穩(wěn)定性和較快的響應(yīng)速度，這樣就對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。文中通過對(duì)變速器的電液系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，得到了壓力電流特性。滯環(huán)效應(yīng)是變速器電液系統(tǒng)不可避免的一個(gè)特性，它影響著電流和壓力的精確控制。文中從電磁閥的電流控制角度，分析了顫振電流實(shí)現(xiàn)原理，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顫振電流可以非常明顯地減小離合器壓力滯環(huán)的影響，從而提高離合器壓力控制精度。

1 變速器電液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖1為自動(dòng)變速器液壓系統(tǒng)中離合器控制部分。通過電磁閥的電流控制換擋閥B口的先導(dǎo)油壓來調(diào)節(jié)其閥芯的位置，從而改變P口閥邊緣開度來實(shí)現(xiàn)離合器壓力的調(diào)節(jié)。A口與系統(tǒng)的主油壓相連，油壓在0.8～2 MPa之間，與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速相關(guān)。T口為離合器的卸油口，油通過單向閥流向油底殼。C口壓力由跛行回家閥控制，正常模式下壓力為0，在跛行回家模式下，不依靠電磁閥的先導(dǎo)油壓［4］，而直接通過跛行回家油壓手動(dòng)控制可實(shí)現(xiàn)離合器的接合和分離。

圖1 離合器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 電磁閥建模

電磁閥是離合器壓力控制的起源，從圖2可知，離合器控制過程是從電磁閥的先導(dǎo)壓力到換擋閥的出口壓力，最后再到離合器壓力。因此分析電磁閥的壓力響應(yīng)特性是優(yōu)化離合器充油過程的前提。圖2為一款高速比例電磁閥結(jié)構(gòu)圖，主要用于各種要求高精度壓力控制場(chǎng)合。它是一種常開閥，主要由線圈、銜鐵、彈簧、閥芯等組成。其工作原理是通過調(diào)節(jié)線圈的電流，改變通過銜鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度，在電磁力和彈簧力的合作用力下改變銜鐵的位移。銜鐵可以推動(dòng)閥芯移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)電磁閥閥口的開度，實(shí)現(xiàn)壓力的調(diào)節(jié)［5－6］。

圖2 可變力電磁閥結(jié)構(gòu)圖

可變力電磁閥的動(dòng)力學(xué)特性可以以閥芯為受力對(duì)象并描述為方程 (1)的形式:

其中:AV_f為電磁閥反饋壓力截面積;pV_O為電磁閥輸出壓力。

3 離合器換擋閥建模

圖3為離合器換擋閥的結(jié)構(gòu)圖。它為雙閥芯結(jié)構(gòu)，m1為先導(dǎo)閥芯，m2為主閥芯。采用雙閥芯結(jié)構(gòu)是為了能夠在電控系統(tǒng)失效而無法控制B口的先導(dǎo)壓力時(shí)，通過C口的安全壓力控制主閥芯m2，保證A口的正常離合器壓力。

圖3 換擋閥結(jié)構(gòu)圖

可以分別以先導(dǎo)閥芯和主閥芯為受力對(duì)象建立動(dòng)力學(xué)方程:

其中:s為閥芯與閥體的安裝間隙，η為流體的運(yùn)動(dòng)黏度。

4 離合器動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模

根據(jù)圖1的離合器結(jié)構(gòu)圖，在充油過程中，ATF油經(jīng)過變速器油道從B口進(jìn)入到活塞缸內(nèi)，推動(dòng)活塞右移并最終壓緊離合器片。該過程可以用如下的動(dòng)力學(xué)方程描述:

其中:m為活塞缸質(zhì)量;Ap為活塞截面積;pc為離合器組件旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的ATF油平均壓力;pp為ATF油壓;kp，bp分別為膜片彈簧的剛度和阻尼;FApp為離合器摩擦片之間壓力;Fseal為O形密封圈的摩擦力。

圖4 離合器的壓力電流特性仿真結(jié)果

圖4為電磁閥電流從0到1 300 mA之間RAMP上升和下降過程的壓力仿真結(jié)果?？梢钥闯?離合器壓力的開啟點(diǎn)Io在300 mA附近，它表示電磁閥需要300 mA的電流產(chǎn)生的電磁閥力來克服電磁閥的阻力，并使先導(dǎo)壓力克服換擋閥的阻力打開閥口P。在電流上升和下降的過程中，壓力存在滯環(huán)效應(yīng)，相同的控制電流，上升過程與下降過程存在壓力差phy，這將影響液壓系統(tǒng)的壓力控制精度。

5 電磁閥電流控制

電磁閥的電氣特性可以看成一個(gè)電感和電阻的串聯(lián)，因此工程中比例電磁閥一般采用直流電源供電，通過低端驅(qū)動(dòng)方式控制PWM波的占空比，來實(shí)現(xiàn)電流的控制。PWM是控制器最基本的功能之一，可以通過芯片的PWM模塊的寄存器設(shè)置來改變PWM波形的占空比和頻率特性;另外也可以通過芯片的IO端口，配合定時(shí)模塊也能夠?qū)崿F(xiàn)PWM波的輸出。但是該控制方式?jīng)]有電流反饋，難以實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。采用如圖5所示的恒流控制模式實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。它有一個(gè)電流采樣電阻用來檢測(cè)電流，并與目標(biāo)電流進(jìn)行PI控制。另外它還可以設(shè)定KP和KI參數(shù)，來優(yōu)化電磁閥的電流控制，提高響應(yīng)速度和穩(wěn)定速度。

圖5 電磁閥恒流控制工作流程

5.1 PWM占空比的自動(dòng)調(diào)節(jié)

在電流的PI閉環(huán)控制下，根據(jù)設(shè)置的電流與反饋的電流值，PWM波的占空比可以自動(dòng)調(diào)節(jié)。如圖6所示為控制電流的瞬態(tài)模式狀態(tài)圖，電磁閥電流在穩(wěn)定狀態(tài)下，PWM的占空比保持不變。從穩(wěn)態(tài)電流Ⅰ到穩(wěn)態(tài)電流Ⅱ的這個(gè)過程，PWM波形主要經(jīng)歷3個(gè)階段:

A階段。芯片接收到新的電流指令Ⅱ后，如果當(dāng)前OUT引腳的PWM周期沒有結(jié)束，則需要等到直到下一個(gè)周期開始，則進(jìn)入B階段。

B階段。在該階段，為了能夠讓電磁閥電流迅速達(dá)到目標(biāo)值CurrentⅡ，將圖5中的OUT引腳直接設(shè)置為高電平，當(dāng)電流值達(dá)到目標(biāo)值時(shí)進(jìn)入C階段。

C階段。C階段的主要作用是為了保證在下一個(gè)周期到來之前，電磁閥的電流能夠保持在目標(biāo)值電流指令Ⅱ附近。

圖6 電流閉環(huán)控制原理

5.2 顫振電流的實(shí)現(xiàn)原理

當(dāng)改變電流時(shí)，閥芯要先克服靜摩擦，從靜止?fàn)顟B(tài)開始動(dòng)作，即產(chǎn)生“黏滯”效應(yīng)，閥芯的響應(yīng)速度和靈敏度會(huì)有所降低;給閥芯施加小幅振動(dòng)信號(hào)，使其始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將靜摩擦轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦，從而改善其響應(yīng)速度和靈敏度，減小滯后。這個(gè)小幅振動(dòng)即“顫振”。

影響顫振電流的主要參數(shù)有顫振幅值和頻率，顫振電流控制的實(shí)現(xiàn)依賴于圖5所示的控制原理。顫振電流的波形為正弦波。根據(jù)設(shè)置顫振電流的頻率和幅值 (50 Hz，50 mA)，在每個(gè)顫振周期內(nèi)，分別計(jì)算各個(gè)PWM周期的目標(biāo)電流值Ik如圖7所示，從而控制圖5的OUT引腳PWM波的占空比，實(shí)現(xiàn)顫振電流的控制。從圖7可以看出:雖然目標(biāo)電流值是固定的，但是由于顫振控制的影響，PWM的占空比在一個(gè)顫振周期內(nèi)均是變化的。

圖7 顫振電流實(shí)現(xiàn)原理

5.3 電磁閥顫振電流控制測(cè)試

圖8為電磁閥的顫振電流控制實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)控制電流為650 mA。

圖8 電磁閥顫振電流實(shí)驗(yàn)

在無顫振控制時(shí)，OUT引腳的PWM的占空比為固定值，電磁閥實(shí)際測(cè)得的電流值與目標(biāo)值相等。在顫振控制使能后，OUT引腳的PWM的占空比將不再固定，電磁閥的電流將在650 mA附近做正弦振動(dòng)，同時(shí)由于占空比的不斷變化，使得電磁閥電流在局部范圍內(nèi)不斷抖動(dòng)，這可以使得電磁閥閥芯一直處于微小動(dòng)摩擦階段，可以很大程度上提高電磁閥的響應(yīng)速度。

6 顫振對(duì)變速器液壓系統(tǒng)影響實(shí)驗(yàn)

圖9為電磁閥在有無顫振電流的控制下離合器的壓力滯環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程采用圖4所示的電流控制方式。在電流上升過程中的離合器壓力比電流下降過程中的離合器壓力要大，而且離合器的滯環(huán)壓力存在一個(gè)“雙峰”現(xiàn)象。這是因?yàn)殡x合器活塞在運(yùn)動(dòng)過程中，從圖3中P口到離合器活塞缸的ATF油發(fā)生變化，導(dǎo)致離合器壓力隨著活塞的運(yùn)動(dòng)而發(fā)送變化。對(duì)比有無顫振電流下的滯環(huán)壓力曲線，容易看出有顫振電流可以非常明顯地減小滯環(huán)壓力的大小，從而可以提高電磁閥對(duì)離合器壓力的控制精度。

圖9 顫振電流對(duì)滯環(huán)效應(yīng)的影響

7 結(jié)論

(1)從電液系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)角度，建立了液壓系統(tǒng)及電磁閥的動(dòng)力學(xué)模型，并通過仿真得到了電液系統(tǒng)的壓力電流特性曲線。

(2)分析了電磁閥的低端恒流控制及顫振電流控制原理，并通過實(shí)驗(yàn)獲得了顫振電流特性。

(3)通過有無顫振電流的離合器壓力滯環(huán)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了顫振電流對(duì)減小滯環(huán)效應(yīng)的作用，可以提高離合器壓力控制精度。

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Transm ission Electro-hydraulic System Analysis and Current Dither Control

XIAOWenying，JIANG Libiao
(Guangdong Institute of Science and Technology，Zhuhai Guangdong 519090，China)

The electro-hydraulic system is one of themost important parts of automatic transmission.Itmainly includes solenoid valve，shift valve and clutch which，involving in electronic，mechanical，and hydraulic fields.The accuracy of clutch pressure control can be improved by analyzing the dynamic characteristics of this the electro-hydraulic system.Throughmodeling and simulation analysis，the characteristic curves of current and pressure were obtained.Simultaneously，the effect of pressure hysteresis was found.After analyzing the reason of pressure hysteresis，the dither current control of solenoid value was put forward，and the principle of dither current controlwas introduced.Finally，the result that the dither current control can reduce the effect of pressure hysteresis is verified by the pressure hysteresis test.Itmeans the dither current control can improve the accuracy of pressure control.

Automatic transmission;Electro-hydraulic system;Solenoid valve;Pressure hysteresis;Dither current

U463.22

A

1001－3881(2014)10－140－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.043

2014－02－21

肖文穎 (1980—)，工學(xué)碩士，講師，研究方向?yàn)槠嚈z測(cè)技術(shù)、汽車電控技術(shù)。E－mail:376750@qq.com。