基于AMESim的大功率自动变速器换挡电磁阀的仿真研究

张英锋，王 迎，庞海龙，俞 妍，詹隽青

（1.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161；2.军事交通学院 基础部，天津 300161；3.军事交通学院 科研部，天津 300161）

目前，液力机械式自动变速器的换挡阀一般采用先导式换挡电磁阀，是一种二位三通阀，通过电磁力控制阀芯的左右移动，实现油路的切换，达到控制离合器油压的目的。自动变速器控制器（TCU）通过输出具有一定频率的占空比信号控制换挡电磁阀油路的切换频率和开启时间，进而控制通往离合器的油压，达到控制离合器接合（分离）速度的目的。

国外开展电磁阀研究已经有将近半个世纪的时间，技术相对成熟。而国内起步较晚，研究单位主要是高校和科研院所，研究方法主要是在进口电磁阀基础上展开改进设计，例如清华大学在上个世纪研制了一种适应柴油机高压燃油喷射的高速电磁阀[1]，北京理工大学近年针对Allison自动变速器换挡电磁阀展开了大量分析，空空导弹研究院在进口电磁阀基础上设计了一种两位三通大流量电磁阀[2]。虽然国内在电磁阀研究方面进展迅速，但仍存在着加工工艺差、寿命低、响应速度慢等不足[3]。

换挡电磁阀的设计在自动变速器控制系统设计中占有非常重要的地位，因为其性能的好坏直接和换挡性能相关。通过试验的方法来改进换挡电磁阀设计参数不但费时费力，而且增加了成本，仿真手段的应用为换挡电磁阀的设计提供了一条捷径。通过建立仿真模型并进行优化分析，可以为换挡电磁阀的设计提供参考。因此，在加工电磁阀、设定占空比信号之前，建立仿真模型并进行优化分析，具有实际指导意义。

1 换挡电磁阀工作原理

本文研究的大功率液力机械式自动变速器换挡电磁阀是一种常闭型先导式换挡电磁阀，在断电时，主油路通往离合器油路是关闭的，此时离合器时刻处于泄油状态，当通电时电磁阀打开，主油路向离合器油路充油，该电磁阀结构如图1所示。

由图1可以看出，换挡电磁阀主要包含两条油路，一条油路连通主油路与离合器油路，用于给离合器充油；另一条油路连通离合器油路与回油油路，用于离合器泄油。当换挡电磁阀断电时，磁场不产生作用力，电磁线圈内部的棒针允许阀球移动，阀芯左侧无法建立压力，并在弹簧力作用下位于左侧，离合器油路与泄油油路导通，电磁阀泄油；当电磁阀通电时，磁场作用力使棒针向右推动阀球，堵住节流孔，来自阀芯油道的油液在阀芯左侧建立压力P，并克服右侧弹簧力，推动阀芯右移，关闭泄油油路，使主油路与离合器油路连通，离合器充油。电磁线圈电流是来自TCU的占空比信号，此信号通过控制电磁阀的通断来调节阀芯左右移动的时刻、持续时间，进而控制通往离合器的油压，达到控制离合器接合（分离）速度的目的。

图2所示为电磁阀通电状态，阀芯主要受到控制油压、离合器油压、弹簧力等力的作用。假设离合器油液为理想油源，即不考虑油源清洁度、油温、空气渗入及压力波动等因素的影响，建立阀芯运动的力学平衡方程[4-5]：

式中，pv为控制油压，MPa；p0为滑阀输出油压，MPa；SA为滑阀左端圆柱体截面积，m2；SB为滑阀左端第2个圆柱体截面积，m2；SC为滑阀阀杆的截面积，m2；mV为阀芯及阀腔内油液质量，kg；xV为滑阀阀芯位移，m；BV为阀芯与阀套间的粘性摩擦因数；Bf为瞬态液动力阻尼系数；Kf为稳态液动力刚度；K为弹簧刚度，N/m；x0为弹簧预压缩量，m。

进行仿真研究时，需要根据式（1）建立仿真模型。

2 基于AMESim的换挡电磁阀仿真模型

AMESim（Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems）是一款多学科领域的仿真软件，尤其擅长液压系统仿真[6-7]。在研究换挡电磁阀工作原理、工作特性的基础上，建立换挡电磁阀AMESim模型如图3所示，仿真中假设液压油为理想油液，并忽略油液的泄漏。

换挡电磁阀模型主要由以下几个子模块组成：占空比信号子模块、电磁线圈子模块、球阀子模块、棒针及球阀质量子模块、平衡液压力子模块、泄油子模块、阀芯质量子模块、主工作油路子模块、弹簧子模块、离合器油缸子模块、离合器质量子模块、离合器片子模块等。

换挡电磁阀输入的主油压是经主调压阀调节后的压力，实际工作过程中会有波动，为了更为准确地研究其它参数对离合器油压的影响，假定主油压为定值。图3中节流孔A表示图1中换挡电磁阀阀芯油道的节流作用，节流孔B表示图1中阀芯通往回位弹簧处油腔的油道节流作用。

3 仿真分析

冲击度是评价液力机械式自动变速器换挡品质主要指标之一[8-9]，其表示车辆纵向加速度对时间的导数，其大小主要是受离合器油缸内油压变化曲线（下文简称油压变化曲线）影响[9]。所以仿真过程主要围绕待接合离合器油缸内油压变化规律进行。

大功率自动变速器换挡时间一般为2 s左右，故将离合器接合过程时间设置为2 s（仿真时间），时间间隔为0.001 s，主油压为2.2 MPa。2 s时间内电磁阀输入的控制信号各阶段占空比及持续时间，如图4所示，仿真得到的离合器油压变化曲线如图5所示，油压变化曲线可以分为8个阶段，其中，阶段1为离合器初始接合压力波动阶段（其中在0.35 s时存在较大的压力波动），阶段6为最大接合压力阶段。

由图5可以看出，油压变化曲线是随着占空比信号而变化的，并且在占空比信号变化时产生压力波动，特别是离合器初始接合阶段压力波动最大，会使离合器接合初期产生较大冲击，使换挡性能变差。实际上，在离合器接合过程中主油压、电磁阀磁力、弹簧刚度等都会对压力曲线产生影响，下面就具体分析油压曲线随各参数的变化规律。

3.1 主油压对离合器油压的影响分析

由式（1）可以看出，主油压对阀芯的运动会产生影响，从而影响到压力变化。在仿真过程中将主油压分别设定为2.5 MPa、2.2 MPa、2.0 MPa、1.8 MPa和1.6 MPa，其它参数不变，得到油压变化曲线如图6所示。

由图6可以看出，主油压越大，则阶段2、4、6、8的稳定油压会有明显增大，同时阶段1、3、5、7的油压波动也是略有提高，这是由换挡电磁阀特性决定的。当其它条件不变时，主油压变大，离合器供油速度加快，造成离合器油压曲线整体上移，特别是在最大接合压力阶段表现最为明显，因为此时电磁阀基本全开，离合器油压接近主油压，四条曲线压力差距最大。从仿真结果可以看出，主油压对离合器油压变化具有较大的影响，主油压过大，则离合器接合时间缩短，会有较大的换挡冲击；主油压过小又会使离合器充油时间过长，换挡时间增加，增大了主、从动部分相对滑移时间，会引起离合器烧蚀。因此，根据仿真结果，将自动变速器的主油压设定为2.2 MPa。但是，由于自动变速器在高挡时，高挡离合器所承受的转矩要求会显著下降，在高挡接合过程中可以降低主油压，达到改变离合器接合压力以降低换挡冲击的目的，故可以在自动变速器离合器操作过程中采用变主油压技术。

3.2 电磁力对离合器油压的影响分析

电磁阀电磁力直接影响到阀球的开关速度，电磁力越大，其开关速度越大，但是，电磁力过大可能会引起阀球的振动，反而使开关速度受到影响。仿真过程中，将电磁力分别设定为3 N、5 N、10 N及25 N，其它参数不变，进行仿真研究，得到油压变化曲线如图7所示。

由图7可以看出，电磁力在10 N以下逐渐增大时，除阶段1外的其它阶段油压曲线会整体上移，这是因为此时电磁力不足以推动阀球将节流孔完全堵住，阀芯不能将离合器供油油路完全打开，离合器将会一边充油一边放油，达不到预期的油压曲线，而电磁力越大，离合器供油速度越快，造成油压曲线整体上移；当电磁力大于10 N时，最大接合压力保持不变，仅仅阶段4和阶段8略有提高，这是因为只有电磁力大于一定值时，才能使阀球克服来自阀芯内部油道的油压，将节流孔完全堵住，使主油路和离合器油路完全导通；在换挡电磁阀控制器设计中，选择25 N电磁力，即选取2.5倍左右的安全系数。这是因为在离合器完全接合的情况下，阀球要完全封住控制油压的泄油通道，若电磁力不取安全系数，则存在两种情况：一是在电磁阀供电电压或电流发生波动时，会造成电磁力下降，使阀球打开，引起接合状态的离合器松动，导致脱挡；二是当主油压增大时，控制油压对阀球的作用力增大，所以需要阀球的封堵力增大，但电磁力此时不够，同样会引起脱挡。

3.3 节流孔直径对离合器油压的影响分析

如图2所示，此换挡电磁阀有两个节流孔A和B，其中A孔是先导控制油路，B为反馈控制油路。下面以节流孔B为例，分析其对离合器油压的影响。节流孔B的直径大小直接关系到阀芯的动态平衡，因而对离合器油压有较大影响。将节流孔直径分别设定为0.5 mm、0.8 mm、1 mm、1.3 mm和1.5 mm，进行仿真分析，得到油压变化曲线如图8所示，其中放大后的阶段3和阶段4油压曲线如图9所示。

由图8可以看出，节流孔直径对离合器最大接合压力影响不大，这是因为在离合器最大接合压力阶段，供油油路完全打开，节流孔的自反馈油路不起作用。但是节流孔直径不能太小，例如0.5 mm节流孔对应的离合器压力曲线整体响应太慢，这是因为阀芯自反馈油道太细，造成了自反馈延迟，使阀芯打开或关闭时间延长，从而对离合器油压产生较大影响。同时，由阶段1、3、7可以看出，随着节流孔直径的增大，离合器油压响应会加快，这是因为节流孔直径增大，加快了反馈油路的供油速度，进而提高了离合器油压的响应速度。从图9可以很好地看出阶段3的变化趋势。由阶段2、4、8可以看出，节流孔直径减小，会使这3个阶段的稳定油压增大，这是因为在这3个阶段离合器供油油路没有全部打开，若阀芯自反馈力减小，则阀芯供油端口开度会增大，造成阶段性油压增高，由图9可以很好地看出阶段4的变化趋势。

3.4 阀芯质量对离合器油压的影响分析

阀芯质量是影响离合器油压的另外一个重要因素。将阀芯质量分别设定为24 g、100 g、500 g和1 000 g，进行仿真分析，得到油压变化曲线如图10所示，其中放大后的阶段3和阶段4油压曲线如图11所示。

从图中可以看出，当阀芯质量为24 g、100 g时，离合器油压变化曲线基本重合，当阀芯质量增大到500 g、1 000 g时，阶段2、4、8中同一时刻的油压明显增大，这是因为当阀芯质量过大时，会增大惯性，引起电磁阀开启和关闭时间延迟，造成这些阶段的油压上升，由图11可以很好地看出阶段4的变化趋势。但是，4种阀芯质量下的离合器油压最大值是相等的，这是因为由于此时电磁阀均为全开，离合器油压接近主油压，与实际情况相符。

3.5 蓄能器对离合器油压的影响分析

由图6～11可以看出，在0.35 s时，即离合器刚开始充油时，存在一个较大的油压冲击，由于待分离离合器此时还没有完全分离，若此油压过大，则会使待接合离合器进入接合，从而产生较大的换挡冲击，因此，减小此冲击油压对提高换挡平顺性具有重要意义。从前面的分析也可以看出，仅仅改变换挡电磁阀的结构参数或调节主油压是无法减小此冲击油压的，较好的解决措施是在离合器油路中设置蓄能器[10-11]。蓄能器一般并联安装在换挡电磁阀至离合器的油路中，主要结构包括缸体、活塞和弹簧，离合器充油过程中活塞在油压作用下挤压弹簧，以吸收冲击能量，消除油压冲击峰值，防止瞬时油压过大而使离合器迅速接合，产生换挡冲击。

在原有换挡电磁阀及离合器仿真模型的基础上，增加蓄能器仿真模型，如图12所示。设置蓄能器有关参数，并进行仿真，得到待接合离合器油压变化曲线如图13所示。由图13可以看出，在换挡电磁阀其它参数不变的情况下，增加蓄能器能显著减小开始阶段0.35 s处油压冲击，降幅约为0.4 MPa，从而使离合器油压变化更为平缓，有利于减小换挡冲击，达到了提高换挡品质的目的。

4 结论

本文在分析某大功率自动变速器换挡电磁阀工作原理和工作特性的基础上，建立了换挡电磁阀AMESim仿真模型，分析了主油压、电磁阀结构参数等因素对离合器油压的影响，得到了如下结论。

（1）随着主油压的增大，离合器接合过程中各阶段的油压也随之增大，最大接合油压变化尤为明显，为了减小离合器接合冲击，应根据挡位调节主油压的数值。

（2）电磁力、节流孔直径、阀芯质量等电磁阀自身参数对离合器接合过程中的油压影响较大。其中，电磁力太大，会引起阀球的振动，从而影响阀球的开关速度；节流孔直径增大，阶段性油压会减小，油压变化时响应速度加快，但最大接合压力不变；阀芯质量增大，离合器油压会增大，但是最大接合压力不变。

（3）主油压、电磁阀参数等虽然能对离合器接合过程中的油压变化产生较大影响，但并不能减小0.35 s处的压力波动，经仿真分析，在离合器油路中增加蓄能器，可以有效降低0.35 s处的压力波动，从而降低换挡冲击。

References)

[1]卢启龙. 电控柴油喷射用高速强力电磁阀的结构设计与功率驱动 [J]. 车用发动机，1996(3)：33-37.Lu Qilong. Structure Design Power Drive of High-Speed Powerful Solenoid for Electronic Diesel Injection [J].Vehicle Engine，1996(3)：33-37. (in Chinese)

[2]刘啸，聂文杰. 电磁阀设计计算 [J]. 电气开关，2008(3)：11-13.Liu Xiao，Nie Wenjie. Design of an Electromagnetic Valve[J]. Electric Switchgear，2008(3)：11-13. (in Chinese)

[3]刘超. 化解自动变速箱国产化难题 共建电控硬件平台是关键 [N]. 中国电子报，2008，10(17)：9.Liu Chao. ECU Hardware Platform is the Key of Solving AT Localization Problem [N]. China Electronics News，2008，10(17)：9. (in Chinese)

[4]张涛，陈慧岩. 基于AMESim的HD4070PR自动变速器主调压阀仿真分析 [J]. 机床与液压，2010(10)：105-107.Zhang Tao，Chen Huiyan. Simulation & Analysis of the Main Pressure Regulator Valve of HD4070PR Automatic Transmission Based on AMESim [J]. Machine Tool &Hydraulics，2010(10)：105-107. (in Chinese)

[5]黄宗益. 现代轿车自动变速器原理和设计 [M]. 上海：同济大学出版社，2006.Huang Zongyi. Theory and Design for Modern AT [M].Shanghai：Tongji University Press，2006. (in Chinese)

[6]付永领，祁晓野. AMESim系统建模与仿真 [M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.Fu Yongling，Qi Xiaoye. Modeling and Simulation for AMESim System [M]. Beijing：Beihang University Press，2006.(in Chinese)

[7]苏明，陈伦军. 基于AMESim的电磁高速开关阀动静态特性研究 [J]. 液压与气动，2010(2)：68-72.Su Ming，Chen Lunjun. Dynamic Characeristic Research of High Speed On-Off Solenoid Valve Based on AMESim [J].Chinese Hydraulics & Pneumatics，2010(2)：68-72. (in Chinese)

[8]万国强，黄英，张付军. 液力机械式自动变速器换挡过程标定方法研究 [J]. 兵工学报，2012(2)：142-148.Wan Guoqiang，Huang Ying，Zhang Fujun，et al. Research on the Calibration Method for Gear Shifting of Automatic Transmission [J]. Acta Armamentarii，2012(2)：142-148.(in Chinese)

[9]陈仁金，任德均，张中刚. 工程车辆自动变速器电液控制系统研究 [J]. 工程机械，2012(5)：13-17.Chen Renjin，Ren Dejun，Zhang Zhonggang. Research of Electro-Hydraulic Control System for Engineering Vehicle AT [J]. Congstruction Machinery and Equipment，2012(5)：13-17. (in Chinese)

[10]过学迅. 汽车自动变速器——结构•原理 [M]. 北京：机械工业出版社，1999.Guo Xuexun. Structure and Theory for Automoive Transmission [M]. Beijing：China Machine Press，1999. (in Chinese)

[11]葛安林. 车辆自动变速器理论与设计 [M]. 北京：机械工业出版社，1993.Ge Anlin. Theory and Design for Automobile AT [M].Beijing：China Machine Press，1993. (in Chinese)