李寶鋒， 魏 巍， 閆清東

(北京理工大學(xué) 車輛傳動(dòng)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

液力緩速器氣動(dòng)控制特性研究

李寶鋒， 魏 巍， 閆清東

(北京理工大學(xué) 車輛傳動(dòng)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

液力緩速器制動(dòng)力矩由工作腔充液率和輸入軸轉(zhuǎn)速共同決定，利用氣動(dòng)電磁比例閥控制緩速器工作腔充液率是緩速器制動(dòng)力矩控制的一種模式.對(duì)電磁比例閥的結(jié)構(gòu)和工作特性進(jìn)行了研究，建立了電磁比例閥的AMESim仿真模型，設(shè)計(jì)了電磁比例閥性能試驗(yàn)，仿真與試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)較好的一致性，仿真模型能夠預(yù)測(cè)不同階躍輸入信號(hào)下該比例閥的壓力響應(yīng)特性.

液力緩速器；氣動(dòng)電磁比例閥；AMESim；仿真

液力緩速器在高輸入轉(zhuǎn)速時(shí)可提供較大的制動(dòng)力矩和持久的制動(dòng)時(shí)間，因此，在重型汽車和商用客車中得到了廣泛的應(yīng)用.長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)對(duì)液力緩速器進(jìn)行了大量的研究，王山[1]等研究了運(yùn)用電控液壓閥控制液力緩速器工作腔充液量率的方法，鄒波[2-5]等運(yùn)用CFD的方法研究了緩速器葉輪參數(shù)對(duì)制動(dòng)力矩的影響，嚴(yán)軍[6]、張玉璽[7]等分析了電磁比例閥控制工作腔充液率的原理，但并未對(duì)電磁比例閥的自身的原理及模型進(jìn)行研究，文中對(duì)控制某液力緩速器工作腔充液率的電磁比例閥結(jié)構(gòu)和原理開(kāi)展研究.通過(guò)分析比例電磁閥閥芯受力情況和氣體流動(dòng)特性，建立了比例電磁閥的數(shù)學(xué)模型和氣體流動(dòng)的流量方程，并應(yīng)用AMESim軟件建立了閥的仿真模型，研究了閥的工作特性.

1 氣控液力緩速器的工作原理

電控液力緩速器可以由操作手柄變換檔位開(kāi)關(guān)對(duì)緩速器制動(dòng)力矩進(jìn)行直接控制，其控制開(kāi)關(guān)的操作手柄有6個(gè)檔位，即0、1、2、3、4、5.手柄開(kāi)關(guān)處于0位時(shí)緩速作用解除，1位時(shí)車輛恒速行駛，2、3、4、5檔位分別對(duì)應(yīng)緩速器工作腔充液率達(dá)到25%、50%、75%、100%的工作狀態(tài).

液力緩速器工作時(shí)，駕駛員通過(guò)手柄開(kāi)關(guān)觸發(fā)液力緩速器電控單元，電控單元經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，傳遞控制信號(hào)到電磁比例閥，從而使電磁比例閥輸出一定的控制氣體壓力Pc，從而調(diào)節(jié)油池上方的壓縮空氣壓力，壓縮空氣將油池中一定量的油液壓入緩速器工作腔，使緩速器開(kāi)始緩速制動(dòng).在上述過(guò)程中，通過(guò)電磁比例閥為工作腔壓力平衡閥提供系統(tǒng)壓力Py，用來(lái)調(diào)節(jié)油池和工作腔內(nèi)部壓力，使油池中的氣體壓力能夠保持恒定，從而保證工作腔的充液量，為車輛提供穩(wěn)定的制動(dòng)力矩.

當(dāng)緩速器停止工作時(shí)，駕駛員將操作手柄開(kāi)關(guān)處于0位，控制單元操縱比例閥使其停止工作，從而使排氣管與控制壓力管相通，同時(shí)壓力平衡閥也停止工作，使油池氣體與緩速器工作腔相通.從而使氣體經(jīng)過(guò)緩速器油氣分離室和消聲器排出，油池氣體壓力下降，工作腔內(nèi)油液回流到油池，解除緩速制動(dòng)作用，緩速器工作原理如圖1所示.

圖1 氣控液力緩速器的工作原理圖

2 氣動(dòng)電磁比例閥的結(jié)構(gòu)原理

氣動(dòng)電磁比例閥主要由閥體、電磁鐵及電氣控制部分組成，緩速器控制所需的比例電磁閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 2所示，該閥采用性價(jià)比較高的螺管式比例電磁鐵進(jìn)行控制，由于緩速器工作對(duì)比例電磁閥的動(dòng)態(tài)性能要求不高，只需對(duì)力、位移、速度等參量進(jìn)行控制[8].電磁閥采用PWM控制，由比例電磁鐵產(chǎn)生電磁力驅(qū)使閥芯進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，從而控制電磁閥的出氣口截面積.

1-下閥體；2-皮碗；3-閥芯；4-上閥體；5-回位彈簧圖2 電磁比例閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在圖2電磁比例閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖中，A口氣源氣體壓力Pu，B口氣體控制壓力Pc，C為排氣口.在緩速器進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，如圖 3(a)所示，經(jīng)過(guò)比例閥出氣口流出的氣體壓力作用在皮碗2上，使皮碗將B、C口通道密封，A、B口相通，壓縮氣體通過(guò)B口進(jìn)入油池，從而使油池中的油液進(jìn)入工作腔，緩速器進(jìn)行制動(dòng)減速.當(dāng)緩速器停止工作時(shí)，皮碗狀態(tài)如圖 3(b)所示，A、B口通道之間截止，B、C口相通，油池上方的氣體反向流動(dòng)經(jīng)過(guò)B、C口通過(guò)緩速器內(nèi)部的油氣分離室和消聲器排入大氣中.

圖3 電磁比例閥的工作狀態(tài)

在電磁閥中，主閥芯的位置主要是由比例電磁鐵的輸出力、彈簧力和出口氣體通過(guò)反饋腔對(duì)閥芯的反向作用力的合力決定的，輸出壓力通過(guò)調(diào)節(jié)比例電磁鐵的輸出力來(lái)實(shí)現(xiàn)控制.當(dāng)緩速器檔位一定時(shí)，比例電磁鐵輸出恒定的電磁力，從而使電磁閥閥芯的位置相對(duì)穩(wěn)定，從而輸出恒定的氣體壓力.

3 電磁比例閥的非線性數(shù)學(xué)模型分析

氣動(dòng)比例電磁壓力閥所組成的系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)，為對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行分析，做如下假設(shè)[9]：①閥內(nèi)工作氣體為理想氣體，且氣體在閥口的流動(dòng)為等熵流動(dòng)過(guò)程；②忽略閥芯連接長(zhǎng)孔對(duì)控制腔的壓力和溫度變化的影響，假設(shè)控制腔的壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)均勻分布；③忽略由于密封不良導(dǎo)致的氣體泄漏；④不計(jì)重力場(chǎng)的影響.

3.1 電磁比例閥閥芯的動(dòng)力學(xué)方程

閥芯的受力如圖4所示，x表示閥芯的位移，并取向左為正方向，關(guān)閉狀態(tài)時(shí)位移x為零.

依據(jù)牛頓第二定律，閥芯受力平衡方程為

Fe+PuA1=ks(x+x0)+PcA2，

(1)

式中：Fe為比例電磁鐵推力；ks為彈簧剛度；x為閥芯位移；x0為彈簧初始變形量；A1氣源氣體對(duì)閥芯作用面積；A2為輸出氣體對(duì)閥芯反饋面積.

圖4 電磁比例閥閥芯受力

3.2 電磁比例閥閥口氣體流動(dòng)流量方程

氣體流過(guò)電磁閥閥口的過(guò)程很復(fù)雜，為便于分析計(jì)算，通常將其視為理想氣體通過(guò)收縮噴管的等熵流動(dòng)，質(zhì)量流量公式為[10-11]

W=ρcAυ，

(2)

(3)

(4)

式中：pu、ρu為分別表示比例閥入口氣體的絕對(duì)壓力和密度；pc為比例閥出口控制氣體的絕對(duì)壓力；K為氣體的絕熱指數(shù)(空氣K=1.4)；R為氣體常數(shù)；Tu為比例閥入口氣體絕對(duì)溫度.

通過(guò)節(jié)流孔的流量隨出入口氣體壓差的增加而變大，當(dāng)

(5)

時(shí)，質(zhì)量流量達(dá)到最大Wmax

(6)

因空氣流動(dòng)時(shí)，閥內(nèi)存在縮流現(xiàn)象和摩擦損失，所以應(yīng)用收縮系數(shù)Cd修正，則

(7)

式中：f為比例閥進(jìn)出口氣體壓力比的函數(shù).

(8)

4 電磁比例閥仿真模型

基于電磁閥數(shù)學(xué)模型，利用AMESim軟件中的氣壓庫(kù)(PCD)和機(jī)械庫(kù)(Mechanical)，構(gòu)建電磁比例閥的AMESim模型[12]，如圖5所示.模型重點(diǎn)分析了比例閥對(duì)特定的輸入信號(hào)的響應(yīng)，因此并未引入控制器模型構(gòu)成閉環(huán)控制回路.模型中的氣體壓力均為絕對(duì)壓力，環(huán)境大氣壓力為0.101 MPa，氣源溫度和環(huán)境溫度均為20 ℃.仿真中忽略PWM驅(qū)動(dòng)電路的瞬態(tài)特性對(duì)氣源壓力的影響，以PWM輸入信號(hào)的電流平均值作為仿真模型的輸入值.

圖5 電磁比例減壓閥的仿真模型

當(dāng)氣源壓力設(shè)定為0.8 MPa保持不變，分別輸入對(duì)應(yīng)緩速器檔位的電流信號(hào)時(shí)，電磁比例閥仿真模型輸出的控制壓力(絕對(duì)壓力)如圖6所示，由圖6可見(jiàn)輸入電流與輸出氣體壓力成線性關(guān)系，即控制電流大小決定緩速器工作腔的充液率.

圖6 仿真輸出控制氣體壓力與電流關(guān)系

5 仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，設(shè)計(jì)了電磁比例閥的試驗(yàn).電磁比例閥輸出壓力是由ECU控制的，通過(guò)手柄開(kāi)關(guān)控制檔位開(kāi)關(guān)來(lái)控制比例閥的電流，進(jìn)而控制比例閥的出口壓力，實(shí)時(shí)采集輸出的氣體控制壓力.試驗(yàn)測(cè)得的輸出控制氣體壓力與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7 所示，仿真與試驗(yàn)結(jié)果的最大誤差為10.8%.

圖7 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)電磁比例閥的建模研究，分析了影響控制氣體壓力的因素，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的有效性，得出電磁比例閥的輸出特性與電流之間的關(guān)系.

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Study on Pneumatic Control Characteristics of Hydraulic Retarder

LI Bao-feng, WEI Wei, YAN Qing-dong

(National Key Laboratory of Vehicular Transmission, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The braking torque of a hydraulic retarder is determined by both the filling rate of its working chamber and the speed of its input shaft. One of the methods in controlling the braking torque of a retarder is to adjustthe filling rate of its working chamber by employ a pneumatic solenoid proportional valve. The structure of the proportional valve and its working characteristics are studied, a simulation model of the valve is established in AMESim, and a performance test is designed for the valve on the steady state. The simulation results are consistent with the experimental data. And the pressure response characteristics of the proportional valve under different input signals can be predicted by using the simulation model.

Hydraulic retarder; Pneumatic solenoid proportional valve; AMESim; Simulation

1009-4687(2014)04-0011-04

2013-09-26.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-07-01 15:26

國(guó)家自然科學(xué)基金(50905016)；車輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(9140C35020905)；部級(jí)預(yù)研項(xiàng)目(40402050202).

李寶鋒(1986-),男，碩士研究生. 研究方向?yàn)橐毫徦倨骺刂葡到y(tǒng)研發(fā).

TH138.521

A

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4493.TH.20140701.1526.001.html