晉碧瑄，翟涌，顧宏弢，張濤（.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京0008；.中國(guó)北方車輛研究所車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京0007）

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綜合傳動(dòng)裝置換擋閥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

晉碧瑄1，翟涌1，顧宏弢2，張濤1
（1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081；2.中國(guó)北方車輛研究所車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072）

摘要：為提高綜合傳動(dòng)裝置換擋閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，對(duì)電液換擋控制回路中的換擋閥進(jìn)行壓力、流量特性分析，基于AMESim軟件建立其動(dòng)力學(xué)仿真模型。針對(duì)換擋閥閥芯直徑、彈簧剛度和換擋閥閥口遮蓋量這3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)換擋閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響進(jìn)行了仿真分析。采用遺傳算法，對(duì)影響換擋閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括彈簧剛度和閥口遮蓋量進(jìn)行優(yōu)化。通過仿真模型和測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明經(jīng)過優(yōu)化后換擋閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性得到了改善，驗(yàn)證了此方法的可行性。

關(guān)鍵詞：兵器科學(xué)與技術(shù)；換擋閥；結(jié)構(gòu)參數(shù)；遺傳算法；優(yōu)化

翟涌（1968—），女，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail：zhaiyong@ bit. edu. cn

0 引言

對(duì)于采用離合器換擋的綜合傳動(dòng)裝置，換擋離合器壓力的快速響應(yīng)和精確控制對(duì)換擋品質(zhì)的改善至關(guān)重要，而電液換擋控制回路接收電控單元發(fā)出的控制指令，對(duì)換擋離合器的壓力進(jìn)行直接控制完成換擋操作。因此，針對(duì)換擋品質(zhì)控制的需求，對(duì)電液換擋控制回路進(jìn)行特性分析和性能優(yōu)化是降低換擋沖擊、提高換擋平順性的有效途徑［1］。

電液換擋控制回路中換擋閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響較大，結(jié)合比例電磁閥控制特性設(shè)計(jì)的換擋閥結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到換擋離合器壓力的緩沖特性［2 -4］。目前國(guó)內(nèi)在綜合傳動(dòng)裝置電液換擋控制回路方面的研究較少，基本都是采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測(cè)試，研發(fā)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高且過程繁瑣。本文基于換擋閥特性分析，利用AMESim軟件建立換擋閥模型，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響進(jìn)行仿真分析，并應(yīng)用其內(nèi)嵌的遺傳算法模塊對(duì)換擋閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過對(duì)比優(yōu)化前后換擋閥的動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證了此方法的可行性。

1 換擋閥特性建模

電液換檔控制機(jī)構(gòu)依靠比例電磁閥和換檔閥共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)換檔離合器工作壓力的控制。其中比例電磁閥采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輸出油壓的控制。而換擋閥的主要作用是依據(jù)比例電磁閥輸入到換擋閥控制腔的控制壓力psol對(duì)輸入油壓pline進(jìn)行節(jié)流調(diào)壓，從而控制輸出到換擋離合器工作油腔的油壓px.設(shè)計(jì)的換擋閥如圖1所示。

圖1 換擋閥結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of shift valve

1. 1 換擋閥壓力特性

換擋閥的壓力特性包括換擋閥控制腔的壓力特性、反饋腔的壓力特性和輸出到離合器的壓力特性。

比例電磁閥的輸出壓力作用于換擋閥控制腔，與閥芯右端的彈簧力、反饋力共同作用控制輸出到換擋離合器的壓力?？刂魄粌?nèi)的壓力除了與比例電磁閥的輸出流量有關(guān)外，還與其負(fù)載-換擋閥閥芯的位移密切相關(guān)。控制腔內(nèi)的壓力變化特性為

式中：qsol為比例電磁閥的輸出流量；A1為控制腔的油壓作用截面面積；Vcini為控制腔內(nèi)初始容積；β為體積彈性模量；x為閥芯位移。

反饋腔內(nèi)置壓縮彈簧，彈簧力與換擋閥輸出油壓反饋力一起與閥芯左端的控制壓力平衡。反饋腔內(nèi)的壓力變化與反饋腔的輸入流量和換擋閥閥芯位移關(guān)系為

式中：q3為反饋腔的輸入流量；A2為反饋腔的油壓作用截面面積；Vfini為反饋腔內(nèi)初始容積；pf為反饋腔內(nèi)壓力。（2）式中反饋腔的輸入流量q3為

式中：df為反饋油腔管路直徑；υf為反饋油路液流的流速。

從換擋閥輸出到反饋腔的沿程壓力損失為

式中：μ為液壓油動(dòng)力粘度；l為反饋油路管道長(zhǎng)度?？梢娧爻虊毫p失取決于反饋油路流量以及反饋油路的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1. 2 換擋閥流量特性

換擋閥輸出到換擋離合器的流量為通過進(jìn)油節(jié)流邊進(jìn)入到換擋閥油腔的流量減去通過回油節(jié)流邊返回油箱和輸出到反饋腔的流量：

式中：q1為進(jìn)油節(jié)流邊流量；q2為回油節(jié)流邊流量；Cd為流量系數(shù)；d1為滑閥頂端控制腔直徑；xin為進(jìn)油節(jié)流邊初始遮蓋量；xout為回油節(jié)流邊初始遮蓋量；ρ為液壓油密度，此處認(rèn)為換擋閥開口為0時(shí)，從閥芯和閥套間間隙通過的液流流量很小，忽略不計(jì)。

1. 3 換擋閥建模

比例電磁閥模型依據(jù)文獻(xiàn)［5］中優(yōu)化后的比例電磁閥參數(shù)建立（見表1）。

換擋閥的輸入信號(hào)包括供油系統(tǒng)輸入的主油壓和比例電磁閥輸出到換擋閥控制腔的控制壓力，輸出信號(hào)為換擋離合器的工作壓力?；贏MESim軟件，按照換擋閥的結(jié)構(gòu)建立模型如圖2所示［6］。

圖2 換擋閥AMESim模型Fig. 2 Model of shift valve based on AMESim

表1 換擋閥建模主要參數(shù)表Tab. 1 Parameters of shift valve model

模型中應(yīng)用的離合器組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 離合器主要參數(shù)表Tab. 2 Parameters of clutch model

2 換擋閥結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2. 1 換擋閥仿真

參照實(shí)際測(cè)試試驗(yàn)，給比例電磁閥模型輸入24 V直流電壓階躍信號(hào)，仿真可得比例電磁閥及換擋閥整體的階躍壓力曲線，如圖3（a）所示。圖3（b）為換擋閥在1 000 Hz脈寬調(diào)制信號(hào)下的占空比-壓力特性仿真和試驗(yàn)對(duì)比曲線。

圖3 換擋閥仿真曲線Fig. 3 The simulated curves of shift valve

從圖3（a）可以看出，與試驗(yàn)結(jié)果相比，仿真模型可以比較好地反映其動(dòng)態(tài)特性。由于忽略了比例電磁閥置于換擋閥體頂端后磁場(chǎng)變化導(dǎo)致比例電磁閥電感的變化，仿真結(jié)果中比例電磁閥的電流響應(yīng)比實(shí)際結(jié)果快，導(dǎo)致了換擋閥的響應(yīng)特性比實(shí)際測(cè)試結(jié)果稍快；控制腔壓力由于測(cè)試試驗(yàn)中油壓傳感器安裝測(cè)試點(diǎn)離實(shí)際油腔稍遠(yuǎn)，與仿真壓力在升壓過程中相比減壓過程慢。由圖3（b）換擋閥的占空比-壓力仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相比可以看出，換擋閥的仿真模型可以較好地反映其死區(qū)特性（0%～8%）、飽和特性（24%～100%）以及線性度，由于試驗(yàn)曲線為占空比升高和降低時(shí)同一占空比下壓力的平均值構(gòu)成的曲線，仿真結(jié)果較測(cè)試試驗(yàn)更加平緩。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

在進(jìn)行換擋閥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前，先要對(duì)影響其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，利用AMESim軟件內(nèi)嵌的批運(yùn)行功能對(duì)換擋閥直徑、彈簧剛度和換擋閥遮蓋量這3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)換擋閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響進(jìn)行仿真分析［7 -8］。

2. 2. 1 閥芯直徑

閥芯直徑是換擋閥結(jié)構(gòu)參數(shù)中對(duì)換擋閥動(dòng)態(tài)特性影響較大的參數(shù)之一。當(dāng)其他參數(shù)保持不變時(shí)（內(nèi)部閥桿直徑保持8 mm），分別設(shè)閥芯直徑為13 mm、15 mm和16 mm進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果見圖4.從圖4中可以看出，隨著換擋閥閥芯直徑的增長(zhǎng)，輸出到離合器的流量有所升高，會(huì)導(dǎo)致充油時(shí)間的縮短。

圖4 不同閥芯直徑下的換擋閥響應(yīng)特性Fig. 4 Response characteristics of shift valves with different spool diameters

但是，輸出流量還受到變速器油泵排量的限制不能無限增大，而且流量的升高會(huì)導(dǎo)致電液換擋控制回路輸出壓力增長(zhǎng)過快，動(dòng)態(tài)緩沖特性惡化。因此，換擋閥的閥芯直徑在滿足充油流量要求的前提下應(yīng)設(shè)計(jì)得盡量小。

2. 2. 2 彈簧剛度

在保持其他參數(shù)和換擋閥控制腔壓力不變的前提下，設(shè)定換擋閥彈簧剛度參數(shù)為1 N/ mm、2 N/ mm 和3 N/ mm，進(jìn)行批量仿真，如圖5所示。從仿真結(jié)果可以看出隨著彈簧剛度增大，輸出壓力的波動(dòng)峰值下降，而換擋閥輸出到離合器的流量有所降低，實(shí)際充油時(shí)間會(huì)有一定程度的增長(zhǎng)。

彈簧力在換擋閥閥芯受力平衡中占的比重越小，比例電磁閥輸入控制壓力與離合器壓力之間的線性關(guān)系就越好，越有利于換擋品質(zhì)控制；但在相同的空間結(jié)構(gòu)條件下彈簧力減小意味著彈簧剛度減小，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q擋閥動(dòng)態(tài)特性的惡化。二者之間相互矛盾。

圖5 不同彈簧剛度下的換擋閥響應(yīng)特性Fig. 5 Response characteristics of shift valves with different spring stiffnesses

2. 2. 3 換擋閥遮蓋量

按換擋閥的預(yù)開口形式可以將換擋閥分為：正遮蓋（負(fù)開口）、零遮蓋（零開口）和負(fù)遮蓋（正開口）3種類型。在保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)（進(jìn)油口初始遮蓋量為6 mm）不變的條件下，分別設(shè)定回油口初始開口量為5 mm、6 mm和7 mm，即換擋閥的遮蓋量分別為1 mm、0 mm和- 1 mm，進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果見圖6.

圖6 不同換擋閥遮蓋量下的響應(yīng)特性Fig. 6 Response characteristics of shift valves with different laps

從仿真結(jié)果可以看出，閥的預(yù)開口形式對(duì)換擋閥的動(dòng)態(tài)特性影響較大，正遮蓋的換擋閥密封性能好，功率損失小，但是換擋閥閥芯階躍響應(yīng)超調(diào)量大；負(fù)遮蓋（正開口）的換擋閥響應(yīng)較快，但在穩(wěn)定過程中泄漏量大，而且由于零位附近較為敏感，輸出壓力出現(xiàn)較大波動(dòng)；零遮蓋的換擋閥性能介于二者之間。

3 換擋閥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3. 1 基于遺傳算法的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化是在不違反一些約束的前提下，為達(dá)到一個(gè)給定的目標(biāo)而進(jìn)行的尋找參數(shù)最優(yōu)值的過程［9 -10］。根據(jù)前面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換擋閥動(dòng)態(tài)特性影響的分析，閥芯直徑在約束條件的限制下越小，換擋閥動(dòng)態(tài)特性越好。彈簧剛度和遮蓋量在換擋閥響應(yīng)的快速性和動(dòng)態(tài)性能之間存在矛盾，因此將彈簧剛度和換擋閥遮蓋量選定為優(yōu)化參數(shù)。在一定比例電磁閥控制指令下，換擋閥的階躍響應(yīng)時(shí)間、壓力響應(yīng)超調(diào)量以及壓力響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差能夠分別表征其快速性、動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。

結(jié)合比例電磁閥控制特性，將換擋閥壓力響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差作為約束條件，將壓力階躍響應(yīng)時(shí)間和壓力響應(yīng)超調(diào)量作為優(yōu)化目標(biāo)。因此，優(yōu)化目標(biāo)即在比例電磁閥固定控制指令下壓力響應(yīng)時(shí)間和壓力超調(diào)量的綜合函數(shù)J達(dá)到最小值：

式中：J為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；w1為響應(yīng)時(shí)間權(quán)重系數(shù)；ts為壓力響應(yīng)時(shí)間；w2為壓力超調(diào)量權(quán)重系數(shù)；σp為換擋閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)壓力超調(diào)量。

與此同時(shí)，根據(jù)實(shí)際換擋閥空間安裝要求，定義彈簧剛度和遮蓋量?jī)蓚€(gè)優(yōu)化參數(shù)的約束條件，并定義壓力響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差小于等于5%為約束條件：

設(shè)置遺傳優(yōu)化算法的屬性：種群規(guī)模為30，復(fù)制率為60%，執(zhí)行遺傳算法的最大代數(shù)為30，變異概率為10%，變異幅值為0. 5.優(yōu)化過程如圖7所示。

優(yōu)化后的彈簧剛度為2. 998 N/ mm，換擋閥遮蓋量為0. 95 mm；優(yōu)化后換擋閥的階躍壓力響應(yīng)時(shí)間為0. 087 s，壓力超調(diào)量為0. 292 MPa.

3. 2 優(yōu)化結(jié)果仿真對(duì)比

圖7 換擋閥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化過程Fig. 7 The structural parameter optimization of shift valve

圖8為優(yōu)化前后閥芯位移、輸出壓力、控制腔壓力和換擋閥輸出流量的響應(yīng)曲線。從圖8可以看出，優(yōu)化后，滑閥閥芯的動(dòng)態(tài)性能得到了較大地改善，換擋閥到離合器輸出口的流量有所下降，控制腔壓力和輸出壓力的動(dòng)態(tài)特性得到改善。

圖8 優(yōu)化前后換擋閥動(dòng)態(tài)特性對(duì)比Fig. 8 Dynamic characteristics of shift valve before and after optimization

3. 3 優(yōu)化結(jié)果試驗(yàn)對(duì)比

原換擋閥閥芯直徑為16 mm，彈簧剛度為3. 0 N/ mm，遮蓋量為0. 8 mm.基于前述換擋閥仿真優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)閥芯直徑為13 mm、彈簧剛度為2. 95 N/ mm、遮蓋量為1 mm的換擋閥。與原比例電磁閥和換擋閥的整體動(dòng)態(tài)特性做對(duì)比試驗(yàn)，以驗(yàn)證采用遺傳算法的換擋閥優(yōu)化結(jié)果，如圖9所示。

由圖9中可見：優(yōu)化后的換擋閥在24 V階躍輸入下的壓力超調(diào)量較小，在占空比20%-頻率1 000 Hz的PWM控制指令下階躍響應(yīng)時(shí)間最短約75 ms，超調(diào)量約50%；其在1 000 Hz和1 250 Hz下的占空比-壓力控制特性雖然在飽和區(qū)附近壓力有所波動(dòng)，但在換擋閥的主要工作區(qū)域，其線性度和滯回特性均得到改善，與仿真結(jié)果相符?？梢?，運(yùn)用AMESim軟件中的遺傳算法優(yōu)化功能，可快速方便地對(duì)雙邊節(jié)流換擋閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。運(yùn)用批處理仿真避免了因優(yōu)化參數(shù)過多、范圍過大而影響優(yōu)化效率的問題，基于遺傳算法對(duì)換擋閥結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化降低了尋優(yōu)的盲目性。

圖9 換擋閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證Fig. 9 Optimized results of shift valve

4 結(jié)論

通過對(duì)換擋閥的壓力流量特性分析，結(jié)合利用AMESim軟件建立的動(dòng)力學(xué)仿真模型，針對(duì)換擋閥直徑、彈簧剛度和換擋閥遮蓋量這3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)換擋閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響進(jìn)行仿真分析。采用遺傳算法對(duì)影響換擋閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比仿真結(jié)果和測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化后的換擋閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性得到了改善，證明了仿真分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義，為電液換擋控制回路性能的優(yōu)化和換擋品質(zhì)控制算法的制定奠定了基礎(chǔ)。

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Optimized Methodfor Shift Valve Used in Integrated Transmission

JIN Bi-xuan1，ZHAI Yong1，GU Hong-tao2，ZHANG Tao1
（1. Shool of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2. Science and Technology on Vehicle Transmission Laboratory，China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China）

Abstract：The pressure and flow characteristics of the shift valve in electro-hydraulic control circuit are analyzed to improve the working principle of the shift valve used in the integrated transmission. A dynamics simulation model of shift valve is established based on AMESim software. The effects of spool diameter，spring stiffness and slide lap on the dynamic respond characteristics and performance of shift valve are analyzed through simulation. The structural parameters，including spring stiffness and slide lap，of shift valve are optimized based on genetic algorithm. The simulation results are compared against the test ones. The results show that the simulation analysis with AMESim and the structure optimization with genetic algorithm are instructive，the working principle of the optimized shift valve is improved，as well as the feasibility of the proposed method is verified.

Key words：ordnance science and technology；shift valve；structural parameter；genetic algorithm；optimization

中圖分類號(hào)：U463. 212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-1093（2016）04-0591-07

DOI：10. 3969/ j. issn. 1000-1093. 2016. 04. 003

收稿日期：2015-05-26

作者簡(jiǎn)介：晉碧瑄（1990—），女，碩士研究生。E-mail：jinbixuan@126. com；