装载机电液换挡操纵阀的设计研究

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1、第一章 绪论1.1 课题背景及现实意义工程机械工作环境通常比较恶劣，行 驶状况复杂，换挡比较频繁，以装载机为 例，每个作业循环需要换 45 次档，连续 作业每小时须换上千次档1-2。目前我国装 载机动力换挡变速箱普遍采用液压动力换 挡，即操作者通过软轴或杠杆系统操纵换 挡操纵阀，进行变速和换向。这种换挡操 纵方式可靠，维修方便，但安装布置复杂， 操纵力大,不能实现自动控制和远距离操作， 并且换挡品质较差。随着液压和电子技术 的发展，电液换挡技术逐渐成熟，电液换 挡即把电磁铁和换挡操纵阀集成在一起， 通过专用的换挡手柄进行换挡控制，换挡 操纵阀具有调压功能，同时系统还具有互 锁、安全保护等功能，

2、可以使换挡过程平 稳快速的完成3-5。由于电液换挡操纵灵活、 布置方便，便于实现自动控制，有较好的 换挡品质，因此电液换挡技术在装载机领 域得到广泛的应用。 我国基础设施建设投入的高速增长， 促进了工程机械行业的大发展，我国已经 成为工程机械生产和销售的大国 6。世界各大工程机械厂家纷纷进入中国市场，普 遍采用电液换挡控制，我国工程机械要想 走出国门，也必须配置电液换挡控制系统 7-9。 由于我国的工程机械在国际市场上竞 争力比较低，产品一般是中低端产品，高 品质的电液换挡变速箱还不能生产，因此 必须要加快电液换挡技术的研究与开发， 提高变速箱的换挡品质，赶上国际流行趋 势，这是我国工程机械与

3、国际接轨的重要 举措。 电液换挡操纵阀连接换挡控制器和离 合器，在整个换挡过程中，变速箱功能的 实现和对离合器结合过程的控制主要由换 挡操纵阀来控制的，换挡操纵阀的设计功 能及工作性能直接影响着换挡功能的实现 与换挡品质，因此，需要对换挡操纵阀的 工作原理和设计过程进行研究。通过对装 载机变速箱换挡过程及影响换挡品质因素 的分析，能正确分析理解换挡操纵阀的工 作原理和各功能元件的设计过程，并能根 据换挡功能要求按照一般规律设计出相匹 配的换挡操纵阀是这篇论文的主要目的。1.2 电液换挡控制技术的国内外发展现状1.2.1 电液换挡控制系统的分类电液换挡系统有全自动和半自动之分。 全自动换挡系统可

4、根据油门开度、车速和档位选择器位置信息等信号，按照设定的 换挡规律求出对应当前工况的最佳档位， 并控制换挡操纵阀进行换挡。半自动换挡 系统则无油门开度等传感器信号，主要根 据档位选择器位置开关信号来控制换挡操 纵阀实现换挡10。图 1.1 半自动换挡系统流程图 半自动换挡系统控制流程图 1.1 所示， 由电气开关信号即档位选择器发出换挡信 号控制换挡电磁阀动作，然后由电磁阀发 出先导油压控制液压控制阀来控制工作油 液压力和方向的变化，进而控制换挡离合 器的结合，电磁阀按照逻辑程序动作实现 不同档位，同时系统还具有互锁、安全保 护等功能11。通常电磁阀和液压控制阀集 成在一个阀块内，称为换挡操纵

5、阀。在半 自动换挡系统中电气开关和电磁阀都是开 关信号。在整个换挡过程中，变速箱的换 挡功能和离合器结合过程的控制主要由换 挡操纵阀来实现，因此对换挡操纵阀原理 及性能的研究就非常必要。1.2.2 国内研究与发展现状国内装载机普遍采用机械换挡技术， 电液控制换挡技术发展比较落后，换挡品 质控制较差，但随着国外产品进入中国市 场及市场需求的提高，电液换挡技术也是 飞速发展。 20 世纪 70 年代末 80 年代初，我国为 了改变工程机械落后的局面，开始引进工 业先进国家的变速箱制造技术。1989 年四 川齿轮厂率先引进了美国 CAT 公司的动力 换档变速箱、液力变矩器技术，1992 年杭 州前进

6、齿轮箱集团引进了德国 ZF 公司 180 型变速箱技术，1995 年柳工集团与德国 ZF 公司合资生产变速箱和湿式传动驱动桥， 杭齿集团与柳工ZF 合资厂根据用户需要 均可生产先进的电液换档变速箱12。浙江 临海海宏集团近年来引进美国、日本技术 研制开发的变速操纵阀、片式多路换向阀， 先导比例阀等一大批阀类组件。 虽然国内电液换挡系统技术发展较快， 但国产电液换挡系统产品有如下弱点：国 产阀多数是仿国外的，例如仿德国 ZF，但 制造设备落后，制造工艺差，导致液压阀 质量不稳定；机械调压阀只能模拟起步档 升压特性，压力曲线单一，由于升到高速 档是受制于调压阀的单一升压特性，高速 升档、降档会产生

7、冲击。1.2.3 国外研究与发展现状围绕提高装载机操作舒适性和换挡品 质，国外的装载机换挡系统普遍采用电液 换挡控制，可以实现全自动或半自动换挡。 国外电液换挡技术发展比较成熟，各大工 程机械厂家及变速箱厂家均有比较成熟的 产品，如小松 WA380、采埃孚 4WG200 等产 品。 采埃孚 4WG200 电液换挡控制系统，属 于半自动换挡控制系统，变速箱是通过开 关电磁阀切换变速档位，然后通过换挡操 纵阀，实现其离合器摩擦片结合。由于操 纵阀有调压功能，因此可以使离合器工作 油压上升平稳、缓慢，以此方式来提高变 速箱换挡品质。国内很多工程机械厂家如 柳工、厦工等都选配采埃孚的 ZF4WG200

8、 半 自动换挡系统。 电液比例换挡系统液压原理图 1.2 所 示，电液比例阀为减压阀,控制器发出的 PWM 信号驱动比例电磁线圈,带动减压阀阀 芯运动，比例阀的输出压力与 PWM 电流信 号大小成正比，因此可以通过改变电流信 号大小来控制比例减压阀的输出压力。电 液比例技术更加柔性,可以通过控制系统调 整离合器接合曲线，可以根据不同档位离 合器的特点，低档位升档为慢-柔接合，高 档位升档为快-柔接合，通过不同档位离合 器的柔性接合实现动力传递的无缝过渡。 ZF，CLARK, CNH 等公司都有采用电液比例阀换挡的变速箱13-14。图1.2 电液比例控制系统1.3 电液换挡控制技术的特点电液换挡

9、控制系统是电子技术和液压 技术相结合的产物，利用了电子技术在信 号的控制、传输和放大等方面的优势及液 压技术在功率转换放大和液压元件良好工 作性能的优点，来共同实现电液换挡的优 势15。 其优点主要表现在： （1）液压传动系统的刚度大。由于液 压油有很大的弹性模量，可以实现很大的 速度负载刚度； （2）液压系统工作安全可靠，具有抗 过载功能，能实现频繁的启动和制动，能 实现大范围的调速控制；（3）具有很大的功率质量比，操 纵阀的体积小、质量轻，便于布置； （4）操纵阀液压系统可以实现一些特 殊功能，如调压、自锁、互锁或安全保护 等功能，可简化电控部分和机械部分的设 计。 综上所述，电液换挡操纵

10、阀具备液压 技术及控制技术方面的优点，是实现自动 换挡变速箱技术的关键环节之一。1.4 本文研究的主要内容本文研究的电液换挡操纵阀，以采埃 孚 ZF4WG200 变速箱换挡操纵阀为基础，通 过对装载机实际工况的计算分析，提出换 挡操纵阀的功能和离合器工作油压曲线， 然后分析换挡操纵阀液压系统工作原理， 对关键元件进行力学分析，并设计其结构 尺寸，最后通过数学模型仿真及试验来验 证分析设计过程。 （1）变速箱换挡过程分析。通过对换 挡品质影响因素和离合器结合过程的分析， 得到影响换挡品质的关键因素，提出改善 换挡品质的途径；根据装载机实际工况和 换挡功能的要求，对离合器充油升压过程 的压力和流量

11、进行计算，设计换挡操纵阀 基本功能，并在此基础上提出离合器工作 油压曲线。 （2）换挡操纵阀液压系统原理分析。 以 ZF4WG200 动力换挡变速箱电液换挡控制系统为例，介绍了液压系统的工作任务和 基本功能，分析了系统的组成和各功能元 件的结构特点，并对换挡操纵油路、调压 油路和快慢换挡油路进行重点研究；在以 上分析基础上，对换挡操纵阀的结构特点 进行分析。 （3）换挡操纵阀关键元件的力学分析 和设计。对液压系统关键元件进行静力学 分析，建立数学模型，研究影响工作性能 的参数，总结分析设计过程。根据第二章 设计的换挡操纵阀功能和压力曲线来设计 各关键元件结构尺寸，在设计过程中要总 结换挡操纵阀

12、关键元件的设计规律与步骤， 用于换挡操纵阀设计的一般规律。 （4）换挡操纵阀的动态特性和稳定性 分析。对调压阀进行动力学分析，并用 MATLAB 进行仿真，分析调压阀的动态特性， 将改变仿真参数得到的仿真结果进行对比， 分析影响调压性能的参数。对离合器油缸 进行稳态分析，通过对阀控液压缸建模， 用 MATLAB 求得到系统的 Bode 图，分析系 统的稳定性。 （5）电液换挡系统的仿真与试验分析。对电液换挡控制系统用 AMESIM 软件建模仿真，验证换挡操纵阀的各项功能与液压系统原理分析过程的正确性；通过将改变参数得到的仿真结果与用公式计算结果进行对比，验证力学分析和设计过程的正确性；分析了离

13、合器节流口对换挡操纵阀工作性能的影响，用于解释测试曲线和设计曲线的差别。对电液换挡操纵阀进行试验，检测了离合器升压曲线和换挡重叠过程，根据试验情况分析换挡过程，将试验结果与仿真结果进行对比，进一步验证设计的换挡操纵阀功能和调压特性。第二章 变速箱换挡过程分析第二章 变速箱换挡过程分析本章以 ZL50 装载机定轴式变速箱为例， 主要分析了离合器结构、换挡品质的影响 因素和离合器结合过程，然后根据装载机 实际工况设计换挡操纵阀要实现的功能及 离合器工作油压曲线。第二章 变速箱换挡过程分析2.1 离合器的结构图 2.1 离合器结构1、齿轮 2、承压板 3、毂体 4、从动片 5、主动片 6、回位弹簧

14、7、活塞组件 离合器结构图 2.1 所示，它包括一些第二章 变速箱换挡过程分析带有摩擦材料的从动片和一些钢制主动片， 从动片和主动片交替地安装在离合器榖体 内。油压通过离合器毂体内的活塞作用， 把从动片和主动片紧压在一起，使离合器 处于结合状态。如果油压被消除，则回位 弹簧使活塞回位，而使离合器处于分离状 态。通常两组片子中从动片的内缘有内花 键，而主动片的外缘则有外花键，主动片 的外花键和主动的离合器榖体内花键相配 合，从动片的内花键则和从动轴的外花键 相配合，当离合器接合时，主动件通过离 合器把动力传递给被动件。当油压作用在 活塞上时每一组片子的正压力都是相等的， 片子数愈多、油压愈高，离

15、合器可传递负 荷的能力也愈大16。 当离合器分离时，停止向活塞供给油 压，并将其排泄。活塞在回位弹簧的作用 下回到初始位置，使主、从动片分离。当 处于分离状态时，为了解除活塞上的残留 油压，在离合器上设置一个离心式单向阀， 通过离心力把单向问打开，使部分残留油 压迅速地从这里泄出，防止片间的拖滞现 象发生。 该定轴式动力换挡变速箱有六个离合 器，分别为 KV、KR、 K4 和 K1、K2、K3 离 合器，要求能实现前四档后三档的换挡， 各档位之间互不影响，实现一个档位需要 两个离合器相结合，换挡是通过液压动力 来实现。根据变速箱的设计要求要能实现 速度离合器比方向离合器结合快的功能，第二章 变

16、速箱换挡过程分析同时为了提高变速箱的效率及减小换挡冲 击，操纵阀应能实现快慢换挡功能。2.2 换挡品质的影响因素2.2.1 离合器摩擦力矩变化对换挡品质影响摩擦离合器是动力换挡变速箱的关键 部件之一，作为动力切换元件，换挡过程 中，摩擦离合器传递力矩的变化会引起传 动系统输出力矩的变化，降低换挡品质， 引起传动系统的冲击17-18。 离合器传递摩擦力矩的公式为：33 01 22 012 3ncpnRRTF zRAP zRR（2-1） 式中T传递力矩；摩擦元件的动 摩擦系数；0R，1R摩擦面的内外半径；A离合器衬面面积；nF法向总压力；z 离合器接触面数；nP离合器工作油压。 由公式 2-1 可知，在离合器结构确定 的条件下, 传递的摩擦力矩主要取决于摩 擦因数与离合器工作油压nP。是滑摩状态 下的摩擦系数，主要与离合器主从动片相 对滑摩速度有关。由于nP是一个动态变化的 过程，当压力变化较大时，离合器所传递 的力矩T将会产生很大的变化。由此可知，第二章 变速