自动变速器电液系统建模与分析

周章遐 马静 姚书涛 李晓宇 杨林

哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心 黑龙江省哈尔滨市 150060

1 引言

自动变速器通过控制不同档位组合离合器的接合与分离实现档位切换，自动变速器电液控制单元因液压传递较大扭矩的优越性及电子控制的灵活性、高精度、成本合理等优势得到了广泛的应用，液压控制系统主要由给系统提供油液的液压油泵、控制自动变速器换挡逻辑的液压阀体总成、为自动变速器平稳传递动力的液力变矩器组件、为液压油提供传递油道的壳体油路等组成。

液压控制系统主要功用是为液力变矩器传递动力提供液压介质并进行滑膜控制，为自动变速器提供逻辑换挡执行机构和介质，为自动变速器机械传动零件提供冷却润滑保护。故液压控制系统的性能直接影响到汽车的换挡品质、经济性及动力性等整车性能。

2 电液控制单元组成

2.1 压力调节控制系统

电液控制单元可根据系统的需求，调节输出系统适应的压力。

因油泵由发动机直接驱动，所以其理论泵油量与发动机转速成正比，发动机高速时，泵油量多，主油压高，引起换挡冲击且泵油消耗功率增大，发动机低转速时，泵油量少，主油路压力低，引起制动器、离合器打滑。为了满足车辆不同工况的需求，根据车辆的行驶档位，主油路压力作用在A、B、C位置，从而使主调压阀将来自油泵的液压压力保持在特定的压力下，如图1。

自动变速器的系统压力调节是通过力平衡原理进行稳定压力输出，即

式中：Plp为自动变速器系统压力，MPa；

S1为系统压力作用面积，mm2；

Fspring为弹簧力，N；

Pfd为反馈压力，MPa；

S2-S3为反馈压力作用面积差，mm2；

自动变速器系统油压调压原理如图3.1所示，自动变速器通过电磁阀调节7处反馈压力实现自动变速器的压力可控调节。

同时在自动变速器液压单元中为降低能耗提高效率可对控制电磁阀供给压力进行限压设计；根据发动机负荷的变化，改变变矩器油压，保证液力变矩器可靠地传递发动机的扭矩。

2.2 换挡阀系统

根据行驶工况需求，切换油路，使离合器制动器组合工作，实现变速器不同速比传递动力。

2.3 换挡信号元件

换挡信号元件主要为液压控制单元的各种类型电磁阀，可依据功能需求实现电信号到油压及机械动作的控制。

2.4 缓冲安全系统

为提高自动变速器换挡质量和安全，减轻换挡冲击，在自动变速器的液压控制系统中设计有起到缓冲和安全作用的零部件。如自动变速器蓄能器组件及限压保护机构等。

2.5 液力变矩器控制系统

液力变矩器控制系统主要有两个作用：一、控制液力变矩器锁止离合器的工作；二、提供具有一定压力的液压油，同时将高温液压油引出加以冷却，冷却油部分供给行星齿轮机构润滑。

3 建模仿真分析

3.1 模型搭建

为研究和设计高性能的自动变速器电液控制单元，单纯采用传统制作样件后试验验证的设计方法费工费时，更改参数困难，利用仿真技术进行参数分析选择后制作试验样件验证，然后进行结果修正可极大提高设计效率及可靠性，本文以液压仿真AMESim作为仿真平台对电液控制单元进行建模仿真分析，研究电液控制单元的压力流量特性，逻辑工作原理及静态响应及动态响应等。

AMESim仿真平台具有丰富的功能元件库，本文主要以液压设计专用HCD库，机械库，控制信号库搭建模型，这些库通过结构单元的细分来处理物理元件的多样性，本文按照自动变速器电液控制单元的工作原理（如图2）搭建仿真模型（如图3），并依据设计经验及计算设计仿真参数，调试模型并进行优化。

3.2 电磁阀建模分析

基于AMESim建立直驱常低VFS电磁阀模型（如图4），参数设置由公式计算及经验值给出，其中以电磁特性拟合出控制电流的电磁力输出，控制信号以0-1000mA输出进行仿真分析。

以电磁阀输入压力分别为8bar、10bar、14bar进行仿真分析，分析电磁阀在不同供给压力下的压力输出特性，从仿真分析结果可知电磁阀在不同供给压力下最大输出压力与输入压力相等，低供给压力电磁阀达到全开的电流较小，高供给压力下电磁阀达到全开的电流偏大。

直驱VFS电磁阀的Underlap设计直接影响电磁阀的调压性能，电磁阀Underlap定义如图6所示，分为正向Underlap及负向Underlap，

依据平衡力：Fd=Ff+Fs，其中Fd为电磁阀电磁力，Ff为电磁阀反馈压力，Fs为电磁阀弹簧力，在underlap开启临界状态前，只有弹簧力与电磁力；在underlap开启临界状态下，弹簧力不变Fs=3.38，只有电磁力和反馈力决定；在underlap开启临界状态后，只有弹簧力与电磁力。即输入压力8bar时underlap调压电磁力要比输入压力10bar时underlap调压电磁力小，underlap开启之后，反馈力不变Ff，电磁阀力及弹簧力发生改变，8bar时，underlap开启的电磁力8.84N，10bar时，underlaplap开启的电磁力10.205N，14bar时，underlap开启的电磁力12.9N。

经过实机试验验证与仿真结果进行对比分析，压力特性重合度较高，模型输出结构可辅助设计。

4 结语

本文主要对电液控制单元的工作原理进行介绍，并依据其工作原理搭建电液控制单元模型，以公式计算及经验设置仿真参数，匹配调整设计参数，并着重对电磁阀的性能指标及压力特性进行分析，并将试验结果与仿真结果进行参数修正，验证模型准确性，为电磁阀设计及选型提供辅助，缩短研发周期及设计成本。