自动变速器液压系统设计与动态特性仿真

自动变速器液压系统设计与动态特性仿真

王鑫岳志硕

关键词：自动变速器;液压设计;动态仿真;

1引言

当下,现代系统发展的主要推动力的基本条件就是经济性燃油、排放量低和舒适程度。而传动系统中核心的组成部件就是变速器,变速器也必将会朝着高效率、高性能以及自动换挡的方向发展。当今社会传统的自动变速器的组成通常包括三个部分:齿轮变速系统、液压操作系统以及电子控制系统。自动变速器传动系统的换档系统由液压系统进行控制,同样也保证在传动过程中在正常工作时所需要的冷却性润滑。在换挡过程中合理的对油压和流量的特性进行控制,不但可以减少在换挡过程中动力的损失,而且可以提高离合器甚至是整个变速器的使用寿命,降低在换挡过程中的颠簸,保证车辆在换挡过程中的平稳性，使其顺利的行驶。为了设计出更好的自动变速器,采用CAD软件作为基础,采用理论计算的方法来确定主要的参数,以动态仿真软件为基础搭建仿真模型,通过理论设计与仿真模型的比较来确定设计的合理性以及有效性。

2变速器液压系统工作原理

油流量控制系统、换挡控制系统以及冷却系统是自动变速器液压系统的三个主要组成成分。换挡元件主要包括油缸、活塞、密封环以及摩擦片和钢片。其中离合器动力传动的主要部分是摩擦片和钢片,包括主动片和从动片。当压力油通过油道进入液压缸时,会造成活塞的移动，这是压力油在活塞表面由于克服弹簧力的作用而产生的。当离合器完全结合后,离合器的主从动部分则以相同的速度，按照相同的旋转方向开始旋转运动;当液压油排向油箱时,回位弹簧会将离合器活塞弹到原位,这时离合器开始分离,并且主动部分和从动部分则以不同的速度旋转。

3液压系统仿真模型

仿真模型是以自动液压系统的理论计算为基础,采用的是CAE仿真软件来设计模型,ITI-Simulation是动态仿真模型的软件。这个软件是多种学科的联合仿真平台,一般的液压设计系统都以此作为应用软件,在软件的使用上有着标准模型库,用来建立系统的仿真模型,对系统的流量以及压力动态系统进行分析测定。仿真参数是一个重要的指标。主油压的来源主要是来自液压系统中的定量泵,一般定量范围是0.8~2.0MPa之间,系统温度范围是-30~150℃,油泵的效率控制在70%左右,ATFLT71141的润滑油为液压油的材料,变转速范围是0~5700r/min,变档位分为1~8,在这样的情况下得出一系列的仿真结果,仿真参数如表1所示。

表1控制元件参数

4仿真结果分析

4.1换挡元件内液压油压力分析

在仿真开始到5s的时间内,电磁阀打开后液压油开始进入换挡元件,这时仿真油压增到很高;在5s的时间内,液压油充斥在换挡元件A内,油压在这段时间内会经过很小的动荡,但是最终也会稳定在一个比之前大很多的压强范围内;10s以后,档位换到B,元件A中的液压油返回到油箱,这个时候油压变为0,换挡元件液压油压力的仿真变化曲线基本与理论的计算值相吻合。

4.2系统压力阀压力和流量动态变化分析

当液力变矩器处于开启状态的时候,1.7MPa的压力是系统的主油压,而1.3MPa是低压回路中的油压;当变矩器封锁的时候,系统油压以及低压回路中的油压都上升了0.4MPa左右。又因为系统的压力升高致使阀芯过多的向上移动导致液压油流入泵的油口。这种情况下,润滑系统的液压油流量不能得到很好的保证,需要一定的油压来抵消向上的压力,所以需要将阀芯保持在一定的位置上。

无论油泵的流量怎样变化,流入低压管的流量始终处于一个定量的范围内,这完全符合低压系统15L/min左右流量的要求。当换挡时,流入高压管路口的流量能够将换挡油缸充满,这时所需的流量也符合设计要求,随着总流量的变化而调节入口的流量，这能很好的将高压和低压回路的流量控制好,以达到所需的要求。

4.3液力变矩器闭锁离合器打开和闭锁动态压力与流量变化

当闭锁离合器处于打开的状态时,为避免气蚀现象的发生,流入变矩器的流量控制在15L/min左右,这时的压力维持在0.4MPa的标准上,这样就可以使变矩器以及润滑系统的冷却用油满足要求;当离合器处于关闭状态时,PLV-F控制变矩器的压力目的是锁闭变矩器,同时也可以为润滑系统提供冷却用油。经过最终的仿真验证，润滑系统的压力以及流量都能满足系统的设计要求。

在换挡的过程中,油缸冲油可以分成几步:快速冲油、油缸以及离合器的孔隙消除过程、快速升压阶段;动态流入高压管路的流量能够在短时间内充满换挡油缸,同时也能在泄油油缸的驱使下排出液压油,控制元件的分离这也符合流量设计要求。理论与动态模拟情况符合度较为接近。

5案例分析

5.1项目分析

为提高电动巴士的换挡质量,提高车辆的加速性能分析，电动车的三档自动变速器,设计一套液压控制系统。

5.2项目仿真

图2为液压换挡元件的仿真模型图,仿真分析了系统液压油压力以及流量,然后验证液压系统的设计方案并进行优化,此次仿真的过程持续的时间为25s,分五个部位五次完成。

图1

在前5s内是仿真模型的开始阶段,将油泵控制在800r/min,但是将自动变速器进行空转。作为润滑作用的润滑油是全部的液压油;在后5s内,此阶段的前0.5s将转速调制1600r/min,这个时候的液压油不但起着冷却润滑的作用同时也起着控制自动变速器档位互换的作用,直至换挡结束，油泵的转速恢复到以前的状态;下一个5s中,转速为1200r/min,在电磁阀的调节下,液压油进入换挡元件,变速器的换挡功能受到控制,此时元件A的液压油流回到油箱,换挡结束后油泵速率恢复到800r/min;在换第三个档位的时候,转速为1100r/min,重复上述换档位B的过程,将B中的液压油调节流回油箱,自动换挡到C档,然后转速值变换为800r/min;在最后的过程,自动变速器回到原来的状态,重复下一轮的三次变档。

5.3仿真分析

表1

通过对理论计算分析得到特定的结果，并以此设计三档自动变速器压力系统,通过对液压油压力以及流量的分析,证明该液压系统的可行性设计,而且表明这种设计在90℃下完全符合安全性能的要求,而且还可以通过改变一个或者多个参数来使其他的动态特性改变,这都为以后工程师优化液压系统提供了很好的的参考依据以及性能分析的指标。

6结语

本次实验设计的液压系统,全面分析了系统的各项指标性能,通过计算得到了元件的具体参数,通过对比显示了与仿真模拟模型的压力阀以及变矩器作了压力以及流量的动态变化分析,得到的仿真性能结果是完全符合理论值,通过调节动态模型的参数尽可能地去实现液压系统的优化,根据冷却润滑的最大流量显示,进一步降低对系统功率的消耗。在其他条件都符合要求的范围内,达到期望的目标要求值。

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