液力缓速器气动控制特性研究

李宝锋， 魏 巍， 闫清东

(北京理工大学 车辆传动国防科技重点实验室, 北京 100081)

液力缓速器气动控制特性研究

李宝锋， 魏 巍， 闫清东

(北京理工大学 车辆传动国防科技重点实验室, 北京 100081)

液力缓速器制动力矩由工作腔充液率和输入轴转速共同决定，利用气动电磁比例阀控制缓速器工作腔充液率是缓速器制动力矩控制的一种模式.对电磁比例阀的结构和工作特性进行了研究，建立了电磁比例阀的AMESim仿真模型，设计了电磁比例阀性能试验，仿真与试验结果呈现较好的一致性，仿真模型能够预测不同阶跃输入信号下该比例阀的压力响应特性.

液力缓速器；气动电磁比例阀；AMESim；仿真

液力缓速器在高输入转速时可提供较大的制动力矩和持久的制动时间，因此，在重型汽车和商用客车中得到了广泛的应用.长期以来，国内各研究机构对液力缓速器进行了大量的研究，王山[1]等研究了运用电控液压阀控制液力缓速器工作腔充液量率的方法，邹波[2-5]等运用CFD的方法研究了缓速器叶轮参数对制动力矩的影响，严军[6]、张玉玺[7]等分析了电磁比例阀控制工作腔充液率的原理，但并未对电磁比例阀的自身的原理及模型进行研究，文中对控制某液力缓速器工作腔充液率的电磁比例阀结构和原理开展研究.通过分析比例电磁阀阀芯受力情况和气体流动特性，建立了比例电磁阀的数学模型和气体流动的流量方程，并应用AMESim软件建立了阀的仿真模型，研究了阀的工作特性.

1 气控液力缓速器的工作原理

电控液力缓速器可以由操作手柄变换档位开关对缓速器制动力矩进行直接控制，其控制开关的操作手柄有6个档位，即0、1、2、3、4、5.手柄开关处于0位时缓速作用解除，1位时车辆恒速行驶，2、3、4、5档位分别对应缓速器工作腔充液率达到25%、50%、75%、100%的工作状态.

液力缓速器工作时，驾驶员通过手柄开关触发液力缓速器电控单元，电控单元经过计算处理，传递控制信号到电磁比例阀，从而使电磁比例阀输出一定的控制气体压力Pc，从而调节油池上方的压缩空气压力，压缩空气将油池中一定量的油液压入缓速器工作腔，使缓速器开始缓速制动.在上述过程中，通过电磁比例阀为工作腔压力平衡阀提供系统压力Py，用来调节油池和工作腔内部压力，使油池中的气体压力能够保持恒定，从而保证工作腔的充液量，为车辆提供稳定的制动力矩.

当缓速器停止工作时，驾驶员将操作手柄开关处于0位，控制单元操纵比例阀使其停止工作，从而使排气管与控制压力管相通，同时压力平衡阀也停止工作，使油池气体与缓速器工作腔相通.从而使气体经过缓速器油气分离室和消声器排出，油池气体压力下降，工作腔内油液回流到油池，解除缓速制动作用，缓速器工作原理如图1所示.

图1 气控液力缓速器的工作原理图

2 气动电磁比例阀的结构原理

气动电磁比例阀主要由阀体、电磁铁及电气控制部分组成，缓速器控制所需的比例电磁阀结构简图如图 2所示，该阀采用性价比较高的螺管式比例电磁铁进行控制，由于缓速器工作对比例电磁阀的动态性能要求不高，只需对力、位移、速度等参量进行控制[8].电磁阀采用PWM控制，由比例电磁铁产生电磁力驱使阀芯进行直线运动，从而控制电磁阀的出气口截面积.

1-下阀体；2-皮碗；3-阀芯；4-上阀体；5-回位弹簧图2 电磁比例阀的结构简图

在图2电磁比例阀的结构简图中，A口气源气体压力Pu，B口气体控制压力Pc，C为排气口.在缓速器进行制动时，如图 3(a)所示，经过比例阀出气口流出的气体压力作用在皮碗2上，使皮碗将B、C口通道密封，A、B口相通，压缩气体通过B口进入油池，从而使油池中的油液进入工作腔，缓速器进行制动减速.当缓速器停止工作时，皮碗状态如图 3(b)所示，A、B口通道之间截止，B、C口相通，油池上方的气体反向流动经过B、C口通过缓速器内部的油气分离室和消声器排入大气中.

图3 电磁比例阀的工作状态

在电磁阀中，主阀芯的位置主要是由比例电磁铁的输出力、弹簧力和出口气体通过反馈腔对阀芯的反向作用力的合力决定的，输出压力通过调节比例电磁铁的输出力来实现控制.当缓速器档位一定时，比例电磁铁输出恒定的电磁力，从而使电磁阀阀芯的位置相对稳定，从而输出恒定的气体压力.

3 电磁比例阀的非线性数学模型分析

气动比例电磁压力阀所组成的系统是典型的非线性系统，为对其系统进行分析，做如下假设[9]：①阀内工作气体为理想气体，且气体在阀口的流动为等熵流动过程；②忽略阀芯连接长孔对控制腔的压力和温度变化的影响，假设控制腔的压力场和温度场均匀分布；③忽略由于密封不良导致的气体泄漏；④不计重力场的影响.

3.1 电磁比例阀阀芯的动力学方程

阀芯的受力如图4所示，x表示阀芯的位移，并取向左为正方向，关闭状态时位移x为零.

依据牛顿第二定律，阀芯受力平衡方程为

Fe+PuA1=ks(x+x0)+PcA2，

(1)

式中：Fe为比例电磁铁推力；ks为弹簧刚度；x为阀芯位移；x0为弹簧初始变形量；A1气源气体对阀芯作用面积；A2为输出气体对阀芯反馈面积.

图4 电磁比例阀阀芯受力

3.2 电磁比例阀阀口气体流动流量方程

气体流过电磁阀阀口的过程很复杂，为便于分析计算，通常将其视为理想气体通过收缩喷管的等熵流动，质量流量公式为[10-11]

W=ρcAυ，

(2)

(3)

(4)

式中：pu、ρu为分别表示比例阀入口气体的绝对压力和密度；pc为比例阀出口控制气体的绝对压力；K为气体的绝热指数(空气K=1.4)；R为气体常数；Tu为比例阀入口气体绝对温度.

通过节流孔的流量随出入口气体压差的增加而变大，当

(5)

时，质量流量达到最大Wmax

(6)

因空气流动时，阀内存在缩流现象和摩擦损失，所以应用收缩系数Cd修正，则

(7)

式中：f为比例阀进出口气体压力比的函数.

(8)

4 电磁比例阀仿真模型

基于电磁阀数学模型，利用AMESim软件中的气压库(PCD)和机械库(Mechanical)，构建电磁比例阀的AMESim模型[12]，如图5所示.模型重点分析了比例阀对特定的输入信号的响应，因此并未引入控制器模型构成闭环控制回路.模型中的气体压力均为绝对压力，环境大气压力为0.101 MPa，气源温度和环境温度均为20 ℃.仿真中忽略PWM驱动电路的瞬态特性对气源压力的影响，以PWM输入信号的电流平均值作为仿真模型的输入值.

图5 电磁比例减压阀的仿真模型

当气源压力设定为0.8 MPa保持不变，分别输入对应缓速器档位的电流信号时，电磁比例阀仿真模型输出的控制压力(绝对压力)如图6所示，由图6可见输入电流与输出气体压力成线性关系，即控制电流大小决定缓速器工作腔的充液率.

图6 仿真输出控制气体压力与电流关系

5 仿真结果与试验对比

为了验证仿真模型的正确性，设计了电磁比例阀的试验.电磁比例阀输出压力是由ECU控制的，通过手柄开关控制档位开关来控制比例阀的电流，进而控制比例阀的出口压力，实时采集输出的气体控制压力.试验测得的输出控制气体压力与仿真数据对比如图7 所示，仿真与试验结果的最大误差为10.8%.

图7 试验与仿真结果对比

6 结 论

通过对电磁比例阀的建模研究，分析了影响控制气体压力的因素，并通过试验验证了仿真模型的有效性，得出电磁比例阀的输出特性与电流之间的关系.

[1] 王 山. 液力减速器电液控制技术研究[D].北京理工大学,2009.

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[5] 魏 巍,李慧渊,邹 波.液力减速器制动性能及其两相流分析方法研究[J].北京理工大学学报,2010,30(11): 1281-1284.

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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.网络出版时间：2014-07-01 15:26

国家自然科学基金(50905016)；车辆传动国家重点实验室基金项目(9140C35020905)；部级预研项目(40402050202).

李宝锋(1986-),男，硕士研究生. 研究方向为液力缓速器控制系统研发.

TH138.521

A

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