装载机电液换挡操纵阀的设计研究

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45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，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。2.1离合器的结构第二章变速箱换挡过程分析图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7、活塞组件离合器结构图2.1所示，它包括一些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，防止片间的拖滞现第二章变速箱换挡过程分析象发生。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，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：3301220123ncpnRRTFzRAPzRR（2-1）式中—传递力矩；—摩擦元件的动摩擦系数；，—摩擦面的内外半径；—离合器衬面面积；—法向总压力；—T0R1RAnFz第二章变速箱换挡过程分析离合器接触面数；—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将会产生很大的变化。由此可知，摩擦系数和离合器工作油压nP这两个因素在离合器结合过程中是变动的，而只有油压nP能够通过换挡操纵阀有效地进行控制[19]。为了改善换挡品质，因此需要对油压变化规律进行控制。2.2.2换挡重叠对换挡品质影响换挡过程是分离一个或几个离合器，同时结合另外一个或几个离合器的过程，为了保证动力换挡功率不中断和换挡平稳性，离合器的结合和分离应该有一定的重合，这称为换挡重叠[20]。如图2.2所示升档时换挡重叠的三种情况。（1）重叠合适：在交点t2处结合离合器，开始传递一定的扭矩，功率传递不中断，发动机转速变化平稳，因此换挡冲击小。（2）重接不足：如图中虚线所示，传递功率小，发动机空载超速，离合器滑摩功大。nPT第二章变速箱换挡过程分析（3）重叠过多，见图中点画线所示，在这种情况下