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1、车辆换挡缓冲阀的优化设计研究 张啟晖 熊伟 熊庆辉 王海涛 关广丰 王祖温 大连海事大学船舶机电装备研究所 中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室 摘 要： 车辆换挡缓冲阀是自动换挡操纵装置的重要组成元件, 它能够使得车辆在换挡的过程中车速平稳地过渡, 为了设计一个换挡品质令人满意的缓冲阀, 需要研究合适的优化设计方法。基于换挡缓冲阀的结构及工作原理, 在 AMESim 环境下建立了换挡缓冲阀的仿真模型, 利用试验设计方法 (Design of Experiments, DOE) , 分析得到阀的结构参数对其油压特性的影响分布情况, 并且对主要的结构参数利用遗传算法获得期望的最优值, 并通过台架
2、试验验证了此优化方法的可行性。关键词： 优化设计; 换挡缓冲阀; AMESim; 试验设计; 作者简介：张啟晖 (1986) , 男, 福建宁化人, 博士研究生, 主要从事流体传动与控制方面的科研工作。收稿日期：2017-09-15基金：国家十二五科技支撑项目 (2014BAK05B06) Optimization Design for Hydraulic Buffering Valve of Vehicle ShiftZHANG Qi-hui XIONG Wei XIONG Qing-hui WANG Hai-tao GUAN Guang-feng WANG Zu-wen Ship Elec
3、tromechanical Equipment Institute, Dalian Maritime University; China North Vehicle Research Institute, China North Industries Group Corporation; Abstract： A hydraulic buffering valve of vehicle shift is an important part of the electro-hydraulic automatic mechanical transmission. It can make the veh
4、icle speed smoothly transit during the shifting process. In order to design a satisfactory hydraulic buffering valve, it is necessary to carry out an optimization method. A simulation model of the hydraulic buffering valve of vehicle shift is established by AMESim. The influence degrees of the vario
5、us structural parameters of hydraulic buffering valve are analyzed through the method of design of experiments ( DOE) . The optimum values of the main structural parameters are obtained by the genetic algorithm. The feasibility of the optimization method is verified by the bench test.Keyword： optimi
6、zation design; buffering valve; AMESim; design of experiments; Received： 2017-09-15引言换挡离合器的摩擦元件在车辆换挡时产生转矩扰动, 引起换挡冲击, 影响了换挡品质。若控制离合器内的油压在一定时间内缓慢上升或者下降, 使得换挡离合器内的摩擦元件平稳地结合或者分离, 就能够降低转矩扰动, 改善换挡品质。当前国内外通常采用在车辆换挡离合器的液压回路上串联一个换挡缓冲阀的方法1-3, 而如何设计换挡缓冲阀对车辆换挡品质的控制非常重要。传统的换挡缓冲阀设计采用的是稳态设计计算4-5, 主要通过经验公式计算缓冲阀的结构参
7、数, 这种方法忽略了较多的因素, 如阀的初始开口量、阀芯质量、油液黏度等因素的影响。而目前较常用的换挡缓冲阀的设计方法是利用计算机仿真分析与试验验证, 文献6-7中通过对换挡缓冲阀工作原理的分析, 建立了数学模型并通过计算机仿真软件求解, 分析阀的结构参数对其动态特性的影响, 进而获得最优结构参数, 最后搭建试验台架进行验证。这种方法虽然能够得到较好的结构参数, 但却并不能够知道各参数对换挡缓冲阀的具体影响。当前随着计算机仿真技术的发展, MATLAB、AMESim、Fluent 等软件中集成了不同算法的优化工具箱, 国内许多研究者基于这些软件对不同的研究对象进行了优化设计, 文献8-9利用
8、AMESim 提供的优化算法工具箱分别对减压阀和液压同步阀进行了优化设计;文献10在利用 Fluent 对压力比例阀仿真的基础上进行结构优化;文献11基于 Sim Hydraulics 并利用 MATLAB 提供的优化工具箱对液压方向阀进行优化设计。采用这种设计方法不仅能够利用不同的数学优化算法进行最优的设计, 而且能够降低开发周期以及开发成本。本研究通过 AMESim 建立换挡缓冲阀的仿真模型, 利用试验设计方法 (Design of Experiments, DOE) 12-13方法, 获得 Pareto 解, 得到各个参数对研究对象特性的影响大小, 从而获得主要结构参数, 并且对主要结构
9、参数利用遗传算法求取最优值。1 缓冲阀的结构和工作原理理想的离合器内油压的变化曲线14如图 1 所示。图 1 理想油压特性曲线 下载原图在 0t1时间内缓冲阀开启的瞬间, 油液迅速向离合器内充油;在 t1t2时间内是换挡的关键时间, 此时相互结合的离合器摩擦片需要有缓慢升压的油液压力, 以降低摩擦转矩产生的转矩扰动;t 3时刻后, 离合器摩擦片已经贴合紧密了, 此时需要系统压力以保证摩擦片的结合。为了保证良好的换挡品质, 实现离合器内的油压特性, 设计了如图 2 所示的换挡缓冲阀。图 2 缓冲阀结构简图 下载原图1.顶塞 2.节流孔 1 3.阀芯 4.节流孔 2 5.柱塞 6.限位柱 7.缓冲
10、弹簧换挡缓冲阀是常开的, 当上游电磁阀开启时, 油液能够迅速的对离合器油缸进行充油, 当充油结束后, 缓冲阀芯 3 开始推动柱塞 5 运动, 在节流孔以及缓冲弹簧 7 的相互作用下使得阀的出口压力缓冲上升, 当柱塞 5 被限位柱 6 顶住后, 又使得阀的进油口完全开启, 此时阀出油口压力迅速上升到了系统油压, 完成车辆的换挡动作。2 换挡缓冲阀模型的建立2.1 数学模型根据上述缓冲阀的工作原理以及离合器充油过程, 可以建立缓冲阀的数学模型。在离合器的快速充油时候, 根据离合器活塞受力平衡, 有:式中, p C为离合器油缸的压力;A C为离合器活塞的面积;K C为离合器的弹簧刚度;hC为离合器弹
11、簧的初始压缩量;x C为离合器活塞的位移量。根据离合器内的流量平衡方程, 有:式中, q 为供油系统的流量。在充油结束后, 离合器内的油液压力处于缓慢升压过程, 根据缓冲阀阀芯受力平衡, 有:式中, A 为缓冲阀芯的阀径截面积;p h为缓冲滑阀内腔压力;K h为缓冲阀的缓冲弹簧的刚度;h h为缓冲阀的缓冲弹簧初始压缩量;x z为缓冲阀柱塞位移。由于缓冲阀柱塞受力平衡, 则有:式中, K z为缓冲阀回位弹簧的弹簧刚度;h z为缓冲阀回位弹簧的初始压缩量。柱塞内的流量平衡方程, 有:式中, C d为缓冲阀芯节流孔的流量系数;A h为缓冲阀芯节流孔的截面积。2.2 AMESim 模型根据缓冲阀的结构
12、特点, 利用 AMESim 建立缓冲阀的仿真模型, 这里采用了AMESim 提供的液压元件设计库 (HCD 库) 进行搭建, 整个仿真模型如图 3 所示。3 基于试验设计方法的优化设计3.1 试验设计方法 (DOE) 采用试验设计方法研究阀的结构参数对阀的油压特性的影响规律。DOE 方法是设计试验和分析试验数据的理论和方法, 分析试验影响因素, 设计科学的试验, 确定试验影响因素的重要性以及对试验结果的具体影响情况。为获取缓冲阀的最优结构, 采用 DOE 分析以得到影响缓冲阀油压特性的最重要结构参数。图 3 AMESim 仿真模型 下载原图1) 确认主要因子通过对图 2 缓冲阀的结构进行分析,
13、 选取缓冲阀的基本结构为主要因子, 设计主要因子如表 1 所示。表 1 主要因子 下载原表 2) 设计目标函数为了获得满意的缓冲阀的结构, 以期望的输出油压和仿真所得的输出油压的平方差为目标函数 f (x) 。式中, p out为仿真输出压力;p out为期望输出压力。期望换挡缓冲阀输出油压变化曲线如图 4 所示。3) 结果分析通过对上述缓冲阀的初步分析, 利用缓冲阀的 AMESim 模型进行 DOE 试验, 将上述因子和水平输入模型中, 并导入图 4 的期望数据, 设置优化目标函数, 并利用全因子技术生成设计矩阵, 此时因子被限定在 2 个水平, 其思想是执行每个水平的组合, 即假设有 N
14、个因子, 则需要运行 2 次计算, 并可以对试验结果进行分析, 可以得到 Pareto 图、主效应图以及交互图。如图 5 所示的 Pareto 图。图 4 期望的输出油压变化曲线 下载原图图 5 Pareto 图 下载原图Pareto 图是用于查看因子对目标函数的具体影响, 柱状条表示因子对目标函数影响的百分比, 颜色深浅表示因子对目标函数的影响方向:浅色表示正向影响, 即随着因子在数值上的增加, 目标函数值变大;深色表示反向影响, 即随着因子在数值上的增加, 目标函数值变小。图 5 中可以看出柱塞直径、节流孔 1 和遮盖量对缓冲阀出口压力具有正向的影响, 其中柱塞直径影响最大, 达到 10.
15、8%, 节流孔 1 和遮盖量的影响可以忽略不计, 分别为 0.43%和 0.39%;阀芯直径、节流孔 2、弹簧刚度以及弹簧预紧力对缓冲阀出口压力具有反向的影响, 其中节流孔 2 的影响最大, 达到 22.23%, 阀芯直径和弹簧预紧力的影响分别为 10%和11%, 而弹簧刚度的影响可以忽略不计, 仅为 0.58%。3.2 优化设计通过 DOE 分析了主要因子对目标函数的影响情况, 为获取换挡缓冲阀的结构参数数值, 可利用优化算法求取最优值, 在 AMESim 的优化工具箱中仅提供了遗传算法和序列二次算法 (NLPQL) 对模型进行优化计算, 而针对本例遗传算法的计算效率要明显快于 NLPQL,
16、 并且结果误差也好于 NLPQL, 因此采用遗传算法进行优化计算。通过 DOE 分析可知, 阀芯直径、柱塞直径、节流孔 2 直径以及弹簧预紧力对换挡缓冲阀的出口压力有影响, 而弹簧刚度、节流孔 1 直径以及初始遮盖量对换挡缓冲阀的出口压力影响可以忽略不计。在 AMESim 中的优化工具箱中设置式 (6) 为目标函数, 将表 1 中的数值作为约束条件, 采用遗传算法计算得到优化后的数值, 为了使得优化后的数值能够适合实际加工制造, 有必要将优化值进行圆整, 如表 2 所示。表 2 优化和圆整数值 下载原表 将优化后的数值输入到换挡缓冲阀的 AMESim 仿真模型中, 并且与期望的输出特性曲线进行对比, 如图 6 所示。图 6 期望与优化值的对比曲线 下载原图从图 6 中可以看出期望的缓冲阀缓冲时间为 1 s, 而优化值的缓冲时间为 1.032 s, 并且在缓冲阀开启后, 油压有较大的超调, 但在发生
