夏 光，鄭 友，唐希雯，孫保群

（1．合肥工業(yè)大學汽車工程技術研究院，安徽 合肥 230009；2．合肥工業(yè)大學汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009；3．國防科技大學電子對抗學院，安徽 合肥 230037）

1 引言

在我國農用車輛技術發(fā)展過程中，為了提高農業(yè)生產效率，淘汰傳統(tǒng)機械變速器而采用動力流不中斷的動力換擋變速器已經成為必然的發(fā)展趨勢[1-2]。而開關閥作為電液信號轉換的關鍵元件，負責執(zhí)行對流體通道的通斷控制、流體流動的方向控制、繼動元件的先導控制，因而在動力換擋系統(tǒng)中扮演不可或缺的重要角色[3]。傳統(tǒng)高速開關閥采用電磁鐵、線圈和動鐵芯作為驅動單元，利用電磁力驅動閥芯移動來控制滑閥的閉合進而控制流體的通斷[4]。這種電磁直動開關型滑閥結構簡單、響應迅速。近年來，除了傳統(tǒng)電磁型電機械轉換元件，一些新型電機械轉換元件作為驅動單元相繼運用于開關閥。文獻[5]采用控制線圈式電機械轉換器作為驅動單元設計了一種新型電磁閥，其靜態(tài)特性滿足使用要求。文獻[6]采用超磁致伸縮材料作為驅動單元設計的開關閥獲得了較大的有效占空比區(qū)間。

在農用車輛動力換擋系統(tǒng)中，受作業(yè)環(huán)境限制，換擋頻率通常較低，用于先導控制的開關閥采用低頻信號驅動，增減壓循環(huán)周期長，需要保持常開或常閉狀態(tài)[7]。傳統(tǒng)電磁開關閥為了維持常開或常閉必須持續(xù)對線圈供電[8-9]。由于農用車輛作業(yè)環(huán)境惡劣，車身震動幅度較大，存在線圈供電電流減弱甚至斷電的風險，將導致閥芯卡滯、失位從而控制失效，影響換擋品質以及動力輸出的穩(wěn)定性。

為了解決上述問題，設計了一種采用新型微型直流電機驅動和絲杠進給機構傳動的兩位三通開關閥。電機轉軸上設有外螺紋，閥芯內孔設有內螺紋，通過螺紋配合使電機轉矩轉化為驅動閥芯作直線運動的作用力。電機啟動時的高扭矩，在一定程度上可以減小由于油液黏度變化、閥芯卡滯等對開關閥性能的影響。通過絲杠機構所具備的自鎖性能保證閥芯位置，使直動開關型滑閥的性能更加可靠。

2 微電機驅動開關閥結構及工作原理

所設計的兩位三通高速開關閥主要由微型直流電機、絲杠進給螺母機構和閥芯三部分組成，其具體結構，如圖1 所示。由微型直流電機和絲杠進給螺母機構組合而成的電機械轉換器取代傳統(tǒng)電磁閥動銜鐵驅動閥芯移動。閥芯通過螺紋配合與電機轉軸形成一套微型絲杠進給機構。微型電機采用永磁直流電機，電機引腳端子在接收到驅動命令后對電機提供電壓。閥芯由兩段圓柱體固結而成，在靠近電機軸一側的大圓柱段外側設有兩條沿徑向對稱的矩形凸筋，凸筋內嵌于閥座對應的矩形凹槽內，當電機軸旋轉時，凸筋將會限制閥芯的轉動?？刂菩盘栆_接收外部脈寬調制信號，用于控制開關閥的閉合。

圖1 微電機驅動開關閥結構簡圖Fig.1 Structure Diagram of New Type On-off Valve Driven by Miniature Motor

微型電機的電機軸與閥芯之間通過螺紋配合構成一個微型絲杠進給螺母機構，當對微型電機供電使其電機軸旋轉同時使閥芯的轉動受限時，電機軸的旋轉運動可轉化為閥芯的軸向移動。

微電機驅動開關閥具有兩種工作狀態(tài)。開關閥電子控制單元收到脈沖信號，控制電機正向供電，使電機軸正向旋轉，閥芯水平向右移動直至到達閉合極限位置，微處理器采集到微型電機的堵轉信號后即發(fā)出指令停止對微型電機供電。此過程閥的進油口與控制口逐漸接通，泄油口逐漸關閉，此時可通過調節(jié)控制口的流量與壓力對該開關閥進行作動控制。當開關閥電子控制單元收到下一周期的脈沖信號時，自動向電機反向供電，使電機軸反向旋轉，閥芯水平向左移動直至到達開啟極限位置，微處理器采集到微型電機的堵轉信號后即發(fā)出指令停止對微型電機供電。此時閥的進油口封閉，控制口和卸油口連通。每個脈沖循環(huán)下閥的開閉邏輯相同。

傳統(tǒng)電磁開關閥實現流量控制的方法有兩種，均存在不足之處。第一種是在低頻PWM 信號控制模式下，在一個信號周期內，高電平對應閥開啟狀態(tài)，此時油液可通過閥口，低電平時則閥自動關閉，通過調節(jié)占空比實現流量調節(jié)。這種方法的本質是平均流量的調節(jié)。其不足之處在于閥口仍然是間開或間閉的，作動油缸壓力增長非線性，造成離合器接合過程中產生微弱的換擋沖擊。同時，由于閥不可避免的存在開啟時延和關閉時延，因此傳統(tǒng)電磁開關閥存在臨界工作頻率。當PWM 信號驅動頻率超過電磁開關閥臨界工作頻率時，閥芯位移將出現明顯的往復波動，閥無法全開或全閉，線性流量調節(jié)失效。第二種方法采用超高PWM 信號驅動頻率（通常為kHz 級別），使閥芯處于懸浮狀態(tài)，改變驅動頻率來實現閥口開度的比例調節(jié)，進而控制輸出流量。該方法需要全程維持閥的供電狀態(tài)，但是考慮農用車輛惡劣的作業(yè)環(huán)境，因此在農用車輛動力換擋系統(tǒng)采取該種方法存在較大風險。

新型微電機驅動開關閥與傳統(tǒng)電磁開關閥驅動方式的對比圖，如圖2 所示。由圖2（b）可知所設計的針對農用車輛動力換擋系統(tǒng)的新型微電機驅動開關閥，僅需在閥開啟和關閉過程提供驅動電壓。在維持閥芯位置的ton時間內，無需提供任何電壓，依靠絲杠機構的自鎖功能維持閥芯位移不變。閥開啟和關閉過程具有近似鏡像對稱性。

圖2 傳統(tǒng)電磁開關閥與新型微電機驅動開關閥驅動模式對比圖Fig.2 Comparison of the Driving Mode between Traditional and New On-off Valve

3 微電機驅動開關閥動力學模型

微電機驅動開關閥的作動過程依次為電信號的輸入、電機軸旋轉和閥芯的直線運動，三者互為耦合控制關系。針對閥開啟過程建立數學模型。根據微型直流電機工作原理，其時域下的電動勢平衡方程為[10]：

4 微電機驅動開關閥仿真模型的建立

結合前述推導得到微型直流電機模型、絲杠進給螺母機構模型和閥口流量模型，利用Matlab/Simulink 搭建模型對閥的動態(tài)響應過程進行仿真。在Matlab 平臺上使用Simulink 搭建的微電機驅動開關閥仿真模型，如圖3 所示。

圖3 利用Matlab/Simulink 搭建的微電機驅動開關閥仿真模型Fig.3 Simulation Model of On-off Valve Driven by Miniature Motor Based on Matlab/Simulink

微電機驅動開關閥仿真模型各關鍵參數，如表1 所示。

表1 微電機驅動開關閥模型關鍵參數Tab.1 Key Parameters of On-off Valve Driven by Miniature Motor

5 仿真及試驗分析

5.1 新型開關閥動態(tài)響應特性

前文所述該新型開關閥的驅動模式與傳統(tǒng)電磁開關閥不同，所以占空比有效工作區(qū)間對于各自的含義也是不同的。高電平信號消失后，電機轉軸由于慣性會繼續(xù)轉動微小的角度，因此閥芯位移會有微小的增量，直至閥芯完全靜止。故將占空比有效工作區(qū)間定義為使閥完全打開所需的高電平時間占一個周期的百分比數。

仿真過程模擬該開關閥在低頻PWM 信號驅動下工作。設定驅動頻率為25Hz，驅動電壓為36V，閥開口直徑為1 mm，探究了不同占空比下該微電機驅動開關閥的階躍響應特性。閥芯的階躍響應曲線，如圖4 所示。

圖4 不同占空比下的閥芯階躍響應曲線Fig.4 Step Response Curves of Spool Under Various Duty Ratio

仿真過程中，逐步增大占空比數，當占空比為35%時，電機軸轉動，通過絲杠進給機構推動閥芯向外做直線運動。此時閥芯的極限位移為0.918 mm，閥芯位移小于閥口直徑。當占空比等于39.5%時，閥芯極限位移恰好覆蓋閥口直徑。從輸入高電平的起始時刻到閥芯運動至完全遮蓋閥口，此過程的響應時間為23.2 ms。

當占空比為42.5%時，閥芯響應時間繼續(xù)縮短，為21.4ms。當占空比增加至52.75%時，閥芯位移達到1mm 所需響應時間最短，為21.1ms。此后，占空比繼續(xù)增大，閥芯位移響應曲線和響應時間均保持不變。由此可以得出，在25Hz 的驅動頻率下，該微電機驅動開關閥占空比有效工作區(qū)間為（39.5～52.75）%。

該新型微電機驅動開關閥的動態(tài)響應特性不僅受占空比數值的影響，同時和驅動電壓也密切相關。當占空比為50%時，不同驅動電壓下的閥芯位移響應曲線，如圖5 所示。由圖5 可知，當驅動電壓超過36V 時，該開關閥關閉時延明顯減小，但開啟時延縮短幅度有限。當驅動電壓小于36V 時，閥芯位移小于1mm，閥口無法完全打開，并且關閉時延顯著增大，削弱了其動態(tài)響應特性。

圖5 不同驅動電壓下的閥芯位移曲線Fig.5 Displacement Curves of Spool Under Various Voltages

5．2 新型開關閥靜態(tài)流量特性試驗

前述仿真結果顯示，在占空比有效工作區(qū)間內，不同的脈沖時長對應不同的閥芯位移，而閥口開度決定閥的流量。常規(guī)電磁開關閥的靜態(tài)特性一般用負載流量特性曲線表示。而負載流量特性指控制信號、負載壓力和流量的函數變化關系。該閥在不同壓差下的流量特性仿真結果，如圖6 所示。動力換擋試驗臺架以及新型開關閥，如圖7 所示。

圖6 微電機驅動開關閥靜態(tài)特性曲面圖Fig.6 Static Characteristics Curved Surface of New On-Off Valve

圖7 動力換擋試驗臺架以及新型開關閥Fig.7 Test Bench for Power-Shifting and New On-off Valve

圖8 新型開關閥實測靜態(tài)流量特性曲線Fig.8 Static Flow Characteristic Curve of the New On-Off Valve

為了驗證仿真結果，在動力換擋變速箱試驗臺架上對新型開關閥的靜態(tài)流量特性進行了試驗。試驗條件設定油壓為5MPa，驅動信號頻率為25Hz，通過流量計測量液壓缸內流量來測量閥輸出流量。試驗測得新型開關閥的流量特性曲線，如圖8 所示。試驗結果顯示，（38～50）%的占空比區(qū)間為流量飽和區(qū)，對應前述仿真結果所得的占空比有效工作區(qū)間，在該區(qū)段內，輸出流量不再隨占空比的增大而增大。同時，占空比為（6～38）%的區(qū)段則為流量調節(jié)區(qū)。在調節(jié)區(qū)內，輸出流量與占空比近似趨近于線性關系?？傮w而言，在實驗誤差的允許范圍內，新型開關閥的實測靜態(tài)流量特性與圖6 所示仿真結果大致吻合，驗證了仿真模型的正確性。因此，和常規(guī)電磁閥類似，該閥完全具備油路通斷和流量調節(jié)功能。

6 結論

（1）新型開關閥通過微型直流電機轉軸和絲杠進給機構實現了閥芯的往復直線運動，并且通過絲杠機構可以實現開關閥自鎖，保持閥芯位置恒定。（2）所建模型的仿真結果顯示該微電機驅動開關閥閥芯行程達到1mm 所需最短響應時間為21.1ms，與其他常規(guī)型電磁開關閥響應時間基本持平。靜態(tài)流量試驗驗證了模型的正確性。（3）所設計的微電機驅動開關閥動態(tài)特性和靜態(tài)特性均滿足使用要求，可以用于替代農用車輛動力換擋系統(tǒng)中對應的電磁開關閥。