基于AMESim的装载机变速器主调压系统的研究

Research on Main Pressure Adjusting System of Loader Transmission Based on AEMSimXU Jiayin ，CUI Guomin .ZHOU Zhiming(1.Tianjin Research Institute of Construction Machinery，Tianjin 300409，China；2.Tianjin University，Tianjin 300072，China)Abstract：The working principle and theoretical variation process of shifting oil-pressure of YB1502 transmission operating valveused on loaders were introduced.Th e AMESim simulation model was created for analysis，and the simulation results were comparativelyanalyzed with theoretical variation of oil-pressure cues.By the test of measuring the oil-pressure in shifting process of operating valveon the test-bed，the accuracy of AMESim simulation model was further verified.Based on the simulation model，by taking the qualityof main valve core and the diameter of accumulator orifice as an example.the effects of different parameters on shifting oil-pressurewere researched.Through the verification by test，the AMESim simulation model can ofer the reference for design for improving onmain pressure adjusting system by the operating valve.And based on it to proceed with parametric design，the cost and time of proto-type trial-production can be saved.It provides instructive reference for the design of an operating valve。

Keywords：Loader transmission；Operating valve；Shifting oil-pressure；AMESim simulation电液操纵动力换挡变速器已经成功用于 ZL50和ZL60装载机上，其动力控制采用电液换挡操纵阀，通过控制不同电磁阀的通断来结合相应挡位。换挡操纵阀的设计直接影响变速器的换挡品质 ，即换挡过程中的平稳性、冲击性以及传动部件的寿命等。

某研究院开发的 YB1502变速器 为定轴式动力换挡变速器 ，挡位数为前进四挡 ，后退三挡。并在此基础上 ，自行研制了电液换挡操纵阀。以此为研究对象 ，建立主调压系统的 AMESim仿真模型，分析其换挡过程中的压力变化 ，并通过变速器台架试验 ，进-步分析换挡过程油压的动态特性 ，以此来验证仿真模型的准确性。这些分析与研究为该电液换挡操纵阀的参数化设计，奠定了研究基矗1 主调压阀工作原理变速器的压力油首先进入换挡操纵阀，经过操纵阀的调压部分进行压力调节后，再进入各挡位离合器 ，系统压力 与各挡位压力变化过程理论上是-致的。调节压力的方法有很多种 ，在此采用主调压阀调压 。图 1为主调压阀调压的原理示意图，为双弹簧结构，P 代表操纵阀调节的系统主压力 ，P 代表蓄能器的压力；其余各处所代表的意义见图 1中的说明1-主阀芯 2-蓄能活塞 调压弹簧 4-蓄能弹簧 5-蓄能器节流孔 单向阀 7蓄能活塞限位面 8-通往变矩器油路的排油 口图 1 主调压阀原理示意图收稿 日期 ：2011-11-22基金项目：中国机械工业集团科技发展基金项目作者简介 ：许佳音 (1982-)，女，博士研究生，研究方向为工程机械及 CAE技术。E-mail：fengbaobao5658###yahoo.com。

· 132· 机床与液压 第 41卷主调压阀的工作过程如下：当变速器处于某-挡位时，蓄能活塞2在主油压的作用下左移至该腔最左端的限位面7，此时蓄能弹簧 4达到最大工作压缩量，系统压力P，达到最大值P ，主阀芯 1右移至接通变矩器Tc油路的位置。如果在 ，时刻换挡，接人另-挡位，需要对新接通的离合器油缸充油，而使系统压力P 由最大值P 瞬间下降 (对于新接通的挡位压力则从0开始上升)，主阀芯1左移关闭通往变矩器TC的油路，同时，蓄能活塞2在蓄能弹簧4的作用下右移，右腔中的油经单向阀6排出；在t：时刻，新接通的离合器油缸充油结束，自由行程消失，系统压力上升到弹簧3和4的预压缩量决定的压力值P ；油压进-步上升，主阀芯 1右移开启通往变矩器 TC的油路8，与此同时，油压经节流孔5作用在蓄能活塞2的右端，使其左移，增大弹簧3和4的压缩量，重新关小排油口8，致使系统油压P 进-步上升，排油口8继续打开，同时升高的系统油压P，又使蓄能活塞2左移，继续压缩弹簧3和4，使油压进-步上升，如此反复，直至 t 时刻蓄能活塞2左移至限位面7为止，最后系统油压保持在最大值P 。

2 理论油压变化过程研究新接通挡位的油压增长曲线理论示意图如图2所示。t，时刻换挡，接通新的挡位离合器，整个充油阶段油压上升过程可以分为以下几个阶段 ：图2 离合器换挡过程系统油压增长曲线示意图(1)c-d开始充油阶段。新挡位离合器的供油管路接通，向油道及剩余空间充油，至d点离合器活塞与摩擦片开始接触。

(2)d-e油压初步上升阶段。新接通的离合器油道及剩余空间充油结束，油压迅速上升，直至使离合器活塞克服回位弹簧张力开始移动为止。

(3)e 自由行程阶段。离合器活塞克服回位弹簧张力开始移动，直到消除摩擦片间隙开始接触为止。

(4)产g结合升压阶段。摩擦片间隙消除，全部接触，活塞停止移动，油压迅速升高至压力稳定点。换挡过程结束。

在图2所示的离合器换挡过程中，存在以下设计经验：(1)通常 t 到 t：的时间间隔应为 0.1 S左右，主调压阀不对离合器结合压力起调节作用；按照YB1502变速器的设计要求，该初步升压阶段应保证主阀芯1开启通往变矩器排油口8时的压力为0.4～0.5 MPa。

(2)从e 阶段的压力上升时间表示为 ，它反映了离合器油缸的过渡特性 ，是研究换挡过程中压力变化的重要阶段 ；根据设计经验， ：-，阶段为离合器打滑时间，按照大型车辆设计要求要保证该段时间为 0.7-0.8 s左右。

3 主调压系统的AMESim模型LMS Imagine.Lab AMESim是比利时 LMS公司开发的系统工程高级建模和仿真软件 ，已成功应用于航空航天、车辆、船舶、工程机械等多学科领域，用于工程系统的建模、仿真和动态性能分析 。根据建立 AMESim模型的4个步骤 (Sketch图形拈、Submodels子模型拈、Parameters参数设计拈、Simulation仿真计算拈)，建立的YB1502主调压系统的AMESim仿真模型如图3所示。按照图1的主调压阀工作原理，在建立AMESim仿真模型时，主要考虑图3中的 l0个关键元件：蓄能活塞、蓄能弹簧、调压弹簧、主阀芯、变矩器供油拈、平衡液压力模块、溢流阀口拈、自反馈拈 、主阀芯孔 、蓄能器阻尼孔。其中，平衡液压力拈6的设置是为平衡变矩器供油拈5，将其阀芯截面设置与拈5相同，且受力方向相反；自反馈拈 8的液压力为推动主阀芯移动的液压力。

l-蓄能活塞 2-蓄能弹簧 3-调压弹簧 4-主阀芯 s-变矩器供油拈 6-平衡液压力拈 7-溢流阀口拈 8- 自反馈拈 9-主阀芯孔 1o-蓄能器阻尼孔图3 YB1502主调压系统的 AMESim仿真模型仿真模型的子拈和 ·。

参数拈按照实际设计参 量1.41数配置。由于该仿真分析 o.6关心的是换挡过程中油压的建立过程，并兼顾试验条件，在此将油泵的加载速度设定为 1 000 r/min，在0.4 S时接入挡位。仿0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8f，s图4 操纵阀换挡过程压力 -时间特性曲线仿真结果第 1期 许佳音 等：基于AMESim的装载机变速器主调压系统的研究 ·133·真时间设置为2 s，采样时间为 0.01 s，图4为仿真结果 曲线图。

从图4可以看出，换挡过程油压建立曲线与图 2理论分析的变化趋势大致相同，通往变矩器的开启压力约为 0.45 MPa左右 ，压力上升时间 约为 0.7 s左右，基本与设计要求-致。

4 换挡过程油压测试试验及分析将该电液换挡操纵阀安装在 YB1502变速器上，在变速器试验台架上进行换挡跑合试验，利用测试系统对换挡过程中的各挡位压力变化进行测试。台架试验给定输入转速为 1 000 r/min，每 10 ms采集-个数据，选取-段由空挡换到前进挡过程中的压力变化曲线为例，如图5所示。

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8tls(a)台架试验 (b)测试 曲线图5 实测前进挡油压增长曲线对比以上3个换挡过程油压变化的曲线图：理论示意图 (图2)、仿真结果曲线图 (图4)以及试验实测曲线图 (图5)，可以得到以下结论：(1)建立的AMESim仿真模型分析结果与理论和实测结果变化趋势大致相同；(2)仿真结果与实测结果存在-定不同，部分原因在于试验的对象为整个变速器及操纵阀整体，而不是单-的操纵阀测试 (受试验条件影响)，由于变速器离合器可能存在泄漏，导致油压建立曲线存在-定程度的不同；(3)仿真结果在关键设计参数上与实测结果十分接近。

综上，可认为该 AMESim仿真模型比较正确，可用于进-步的参数化设计与研究。

5 参数化研究基于图3所建立的 AMESim仿真模型 ，对操纵阀调压系统的-些关键参数进行对比分析，考查关键参数对换挡油压的影响。在此，仅只以主阀芯质量和蓄能器节流孔直径为例，将参数更改为不同数值时，研究其对换挡过程油压的影响。

5.1 主阀芯质量对换挡油压的影响在其他条件不变的情况下，分别设定主阀芯质量为0.1、0.3和 1 kg，进行仿真 ，结果如图 6所示。

随着阀芯质量的增加，换挡油压的压力波动以及峰值都明显增大，影响换挡过程的平稳性和舒适性，所以，在设计时，应该尽量的减小阀芯的质量。

图6 不同质量下的换挡油压曲线5.2 蓄能器节流孔直径对换挡油压的影响蓄能器的节流孔直径大小是决定换挡过程油压增长时间的关键因素之-，合理选择节流孔直径，能合理控制换挡时间。在其他条件不变的情况下，考察在节流孔直径分别为设计值，以及设计值的上下 0.3mm 3个条件下的油压增长时间，仿真结果如图7所示∩以看出，节流孔直径采用设计值时，图2中所描述的压力上升时间为0.7 s左右，符合离合器油缸特性要求；增加 0.3 mIn时，压力上升时间为0.4 S左右，时间过短，导致换挡冲击较大；减小0.3 rain时，压力上升时间为1.1 s左右，时间过长，可以减谢挡冲击，但却导致摩擦片过热烧毁。所以，设计时要合理选择节流孔直径大小，使换挡油压控制在合理时间段上。

图7 不同蓄能器节流孔直径下的换挡油压曲线6 结论对某研究院 自主开发的装载机用变速器电液换挡操纵阀主调压系统的换挡油压变化过程 ，进行了理论分析、AMESim建模分析以及台架试验分析 ，得到了基本正确的AMESim仿真模型，用于参数化设计的分析与研究。研究了主阀芯质量和蓄能器节流孑L直径大小对换挡油压的影响，除此以外，弹簧预紧力、弹簧刚度、遮盖量、阀芯截面积等参数也是影响换挡油压的关键参数，由于篇幅原因，在此不--叙述。但是研究换挡油压变化的关键问题是控制油压上升时间，而对时间的影响是上述各个参数共同作用的结果，合理匹配这些关键参数是设计的要点 ，而基于 AMESim(下转第 149页)8 6 4 2 l 8 6 4 2 0 1 1 1 1 O 0 0 OII/d6 4 2 l 8 6 4 2 0 l I l O O O O II，d8 6 4 2 l 8 6 4 2 O l 1 1 1 O 0 O O 声，d