車用音圈式比例減壓閥試驗研究

(1. 北京理工大學 車輛傳動重點實驗室， 北京 100081； 2. 重慶長安新能源汽車有限公司 動力研究院， 重慶 401133)

引言

電液控制系統的動態特性直接影響著自動變速器的換擋品質與精度[1-2]。目前，對自動變速器的控制多采用電液比例減壓閥實現離合器或制動器的結合與分離[3-4]，然而電液比例減壓閥很難實現大流量或高壓下的直接驅動。音圈電機是一種將直流電信號轉換成直線位移而無需中間形式能量轉換機構的裝置，具有響應速度快、力特性好、結構緊湊等優點[5-6]，因此廣泛應用于超精密加工、半導體設備、光學系統以及高頻響的控制閥系統等領域[7]。

目前，國外研制音圈電機驅動比例閥主要是Parker公司，其頻寬達到了350 Hz，額定流量為40 L/min。WU等[8]也研究了一種高頻響音圈電機直接驅動電液閥，通過仿真與試驗分析了其動態特性。GUO等[9]研究了基于音圈電機的高頻響直接驅動電液閥，并指出其具有優良的動態特性。張立強等[10]運用神經網絡PID控制對音圈電機直驅閥進行了研究，仿真結果顯示，很好的縮短了響應時間和調整時間且無超調，極大的改善了音圈電機直驅閥。王大彧[11]采用模糊非線性PID控制器研究了音圈電機直驅閥，結果表明，具有更優的穩態和動態特性。GILLELLA等[12]研究表明直接驅動電液閥的音圈電機在穩態和動態都能夠實現較高的控制精度。

為了提高車輛傳動系統性能，以車用音圈式比例減壓閥為研究對象，開展了車用音圈式比例減壓閥動態性能的試驗測試工作。首先建立了音圈電機的數學模型，結合試驗研究了音圈電機的驅動特性。在車用音圈式比例減壓閥樣機測試的基礎上，通過與傳統比例減壓閥的對比，對音圈式比例減壓閥的階躍響應和頻率響應特性進行了研究，以期為車輛控制用電液控制元件設計提供技術支撐。

1 基本原理

音圈式比例減壓閥的基本結構如圖1所示，主要由音圈電機、比例減壓閥兩部分構成。音圈電機由線圈體、磁缸以及推桿組成，比例減壓閥由閥體、閥芯和復位彈簧等組成。

圖1 音圈式比例減壓閥的基本結構

當音圈電機未通入電流時，音圈電機線圈體不受洛倫茲力，電機推桿靜止不動，比例電磁閥閥芯位移為0。當音圈電機輸入一定大小的電流，音圈電機線圈體受洛倫茲力作用帶動推桿向右移動，推動比例減壓閥閥芯右移，從而打開比例減壓閥工作油口A，此時進油口P的油液流入工作油口，實現壓力的穩定輸出。

根據上述音圈式比例減壓閥的基本結構和工作原理，建立了音圈電機的數學模型。

音圈電機的工作過程是電能轉換為機械能的過程，其電路存在外部電壓與電阻電壓、反向電動勢和感生電動勢之間的電壓平衡關系，其等效電路如圖2所示。

圖2 音圈電機等效電路圖

(1)

式中，u—— 外部電壓

R—— 線圈電阻

L—— 線圈電感

i—— 線圈電流

em—— 反向電動勢

音圈電機的電磁力來自于通電線圈在磁場中受到的洛倫茲力，其表達式為：

Fe=Bil

(2)

式中，Fe—— 音圈電機的電磁力

B—— 磁感應強度

l—— 線圈長度

減壓閥的閥芯的平衡位置時的受力平衡方程式可以表示為：

Fe=Fp+Fx

(3)

Fp=pA·SA

(4)

Fx=k·(x+x0)

(5)

式中，Fp—— 減壓閥反饋腔的壓力

Fx—— 復位彈簧力

pA—— 工作油口壓力

SA—— 反饋腔面積

k—— 復位彈簧剛度

x—— 減壓閥閥芯位移

x0—— 復位彈簧預壓縮量

2 試驗裝置

為了研究音圈式比例減壓閥的動態特性，進行了音圈式比例減壓閥和傳統比例減壓閥的動態特性試驗，包括階躍響應與頻率響應試驗。音圈式比例減壓閥的試驗裝置，如圖3所示，主要由XVLC80-06-00A型音圈電機、比例減壓閥、壓力傳感器、電流傳感器、液壓泵站、控制器以及數據采集裝置組成。

表1為所研究的音圈式比例減壓閥的系統參數。試驗過程中，調節液壓泵站供油壓力2.5 MPa，通過控制器給音圈電機輸入不同的電流信號， 音圈電機推桿在洛倫茲力的作用下推動比例減壓閥的閥芯移動，進而打開減壓閥的工作油口。達到穩態后維持一段時間進行斷電卸壓。壓力傳感器直接測量工作油口處壓力，電流傳感器實時測量控制器輸入到音圈電機的電流大小，并傳輸到數據采集裝置內。傳統比例減壓閥的試驗裝置不同之處在于采用傳統的比例電磁鐵對減壓閥進行控制。

圖3 音圈式比例減壓閥試驗裝置

參數數值最大電流/A6.3最大電壓/V33.6最大推力N80持續推力/N22.6總行程/mm6.3電感/mH1.02直流電阻/Ω4.8力常數/N·A-112.7線圈外徑/mm33.8減壓閥通徑/mm4

3 結果與討論

3.1 推力特性

圖4為音圈電機的驅動特性試驗與仿真對比曲線。試驗過程中，分別采集音圈電機上升過程與下降過程中不同電流值對應的推力大小，并與仿真結果對比。結果表明，音圈電機的推力和電流呈現出明顯的線性關系，但是在上升與下降階段推力略有差別，下降階段的推力略高于上升階段的推力，這是因為音圈電機存在遲滯特性。仿真結果與試驗結果基本吻合，驗證了音圈電機驅動模型的可行性。

圖4 音圈電機靜態推力-電流特性

3.2 階躍響應

音圈式比例減壓閥和傳統比例減壓閥的壓力階躍特性曲線如圖5和圖6所示，試驗過程中，使兩種減壓閥的壓力分別達到1.6 MPa。從圖5中可以看出音圈式比例減壓閥的壓力上升時間為7 ms左右，達到穩態的時間約為70 ms。傳統比例減壓閥壓力上升的時間為15 ms左右，達到穩態的時間約為80 ms。音圈式比例減壓閥的壓力波動峰值低于傳統比例減壓閥。

從圖6中可以看出音圈式比例減壓閥的壓力下降時間僅需15 ms左右，而傳統比例減壓閥的壓力下降達到穩態的時間約為100 ms。試驗結果表明，音圈式比例減壓閥階躍響應速度明顯快于傳統比例減壓閥，階躍上升階段時間縮短了53.3%，下降階段時間縮短了85%。

試驗過程中，音圈式比例減壓閥和傳統比例減壓閥的電流差異主要由音圈電機與比例電磁鐵的電流-力特性的差異引起的。由于所選用的音圈電機的力常數為12.7 N/A，所以為了使減壓閥壓力響應達到1.6 MPa，所需的工作電流為1.9 A。而對于比例電磁鐵，當輸入電流為0.4 A時，其輸出力為20 N，此時減壓閥的壓力響應達到1.6 MPa。減壓閥的輸出壓力直接由壓力傳感器測量，因此壓力形成的時間主要包括比例電磁鐵或音圈電機作用在閥芯的時間。試驗結果表明，音圈式比例減壓閥的階躍特性優于傳統比例減壓閥。音圈式比例減壓閥的下降時間明顯低于傳統比例減壓閥，這是因為比例電磁鐵一般由磁場滯后于電流的時間和銜鐵運動的時間組成，當電流撤去之后，比例電磁鐵由于磁滯現象無法瞬間撤去推力。而音圈電機是由永磁體提供磁場，在下降階段，音圈電機電流撤去，其推力也瞬間撤去，下降過程主要由線圈動子運動的時間決定。

圖5 階躍上升過程

3.3 頻率響應

音圈式比例減壓閥和傳統比例減壓閥的壓力頻率響應特性曲線如圖7所示。試驗過程中，通過控制器輸入頻率為5 Hz的電流信號，使壓力上下幅值為1.5 MPa和0.3 MPa。

圖6 階躍下降過程

從圖7中可以看出，音圈式比例減壓閥的頻率響應特性也優于傳統比例減壓閥。在5 Hz的信號輸入條件下，兩種減壓閥的壓力波形均出現了較小的波動。音圈式比例減壓閥的壓力能夠很好的跟隨電流且相位滯后不明顯，而傳統比例減壓閥的壓力與電流存在約30 °的相位滯后。

4 結論

研究了一種車用音圈式比例減壓閥，結合樣機與傳統比例減壓閥試驗對音圈式比例減壓閥進行了動態特性研究。結果表明，音圈式比例減壓閥的動態特性優于傳統比例減壓閥。音圈式比例減壓閥的階躍上升時間為7 ms左右，階躍下降時間僅為15 ms左右，而傳統比例減壓閥階躍上升時間約為15 ms，階躍下降時間約為100 ms。在5 Hz以下的低頻區，音圈式比例減壓閥的相位滯后不明顯，而傳統比例減壓閥在5 Hz存在30 °的相位滯后。音圈式比例減壓閥可提高車輛電液系統壓力控制精度。

圖7 頻率響應特性