某进口变速器中闭锁阀工作原理探讨

某进口变速器中闭锁阀工作原理探讨

张正富

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摘要：本文探讨了某进口变速器中闭锁阀液压结构和工作原理，对闭锁转速、解锁转速进行了计算，介绍了闭锁、解锁转速调整方法，特别对换挡解锁过程进行了详细分析。

1. 引言

国外某变速器公司是全球较大的中、重型自动变速器生产商,国内有多种车型选用其产品。在公路和非公路领域，与城市公交、长途客车、矿用车、港口牵引车等设备配套；在石油钻采领域，与钻机、修井机、压裂车等特种作业设备配套。

油田特种作业设备上，配套有不同传动功率的多种型号产品。它们均由两部分组成，前端（输入端）为变矩器（含闭锁离合器），工作于变矩工况（解锁）或闭锁工况（闭锁），后端（输出端）为离合器控制的同轴式多挡位行星变速箱。变矩器中有闭锁离合器，由闭锁阀控制。闭锁离合器泄油时，变矩器解锁，变速器利用变矩器性能减振、增扭；供油时，变矩器闭锁，结合为一个整体传递动力，减少了能量消耗，提高了传动效率。

为了解某进口变速器中闭锁阀的性能，本文就闭锁阀结构及工作原理进行探讨。

2. 闭锁阀外形及安装部位

闭锁阀安装在进口变速器左侧（从输入端向后看），外形如图1。

图 1

3. 闭锁阀结构及工作原理
   1. 初始状态

闭锁阀内有两个阀芯对闭锁离合器供油进行串联控制，控制信号分别为皮托感应油压和油液经过节流阀后形成的压差信号。

如图2所示，主要零件有：阀体（1），闭锁阀芯（2），调整垫片（3），弹簧（4），O形密封圈（5）和（7），阀塞（6）和（8），流量阀芯（9），油箱（10），单向节流阀（11），节流阀（12）。P1为主压力，P2为挡位离合器油压，PL为闭锁离合器油压，P皮为皮托感应油压。

闭锁阀芯由皮托感应油压（P皮）控制，弹簧复位。流量阀芯由节流阀（12）差动控制，开启、复位时间由单向节流阀（11）控制，可实现阀芯快速开启和慢速复位。

变速器使用前，无皮托感应油压，闭锁阀芯由于弹簧弹力、阀芯和弹簧重力作用处于下端，流量阀芯由于重力作用也处于下端。

发动机启动时，挡位离合器油压有一个逐渐上升的过程，油液经过节流阀的流量小，前后形成的压差不明显，不足以推动流量阀芯上移，仍保持在下端。同时，由于输入转速较低，皮托感应油压小，不能推动闭锁阀芯向上移动，该阀芯也保持在下端。

此时，闭锁阀芯切断主压力供油。同时，闭锁离合器经流量阀芯、闭锁阀芯泄油，变矩器处于变矩工况（解锁）。

3.2涡轮轴转速与皮托感应油压

如图3所示，涡轮轴旋转，带动汇流环中的油液同步旋转，固定的皮托感应管将油液的动能转化为油压。

随着涡轮轴转速升高，皮托感应油压逐渐上升，计算公式如下：

P皮=2ρ*（π*n1*R/60）2

式中：ρ为油液密度（860kg/m3），n1为涡轮轴转速(rpm)，R为皮托感应管旋转半径(0.168m)。

3.3闭锁转速

涡轮轴转速升高，皮托感应油压同步升高，达到设定压力值后，推动闭锁阀芯向上移动，如图4所示。

此时，闭锁阀芯受力有：阀芯和弹簧的重力（实测为1.36 N）；弹簧的弹力（实测弹性系数*压缩量=2.993*(72-47)=74.82N（压缩量与调整垫片数量有关，这里按无调整垫片时的实测值计算）；接通前，M端下部和N端上部的液压力均不存在。皮托感应油压产生液压力计算公式为：

P皮*π*D122/4=ρ*π3*n12*R2* D122/7200

式中：D12为闭锁阀芯N端直径 (0.0177m)

根据受力平衡，计算闭锁转速为：

n1=/（π*R*D12）=1525（rpm）

3.4解锁转速

闭锁后，由于闭锁阀芯M端直径大于N端直径，存在向上的液压力，计算公式为：

P1*π*(D112-D122)/4=0.0000141* P1

式中：D11 为闭锁阀芯M端直径 (0.0182m)

计算解锁转速为：

n1=/（π*R*D12）

对于Allison5000/6000系列液力变速器，主压力P1在1.1MPa～1.4MPa范围内，选择主油压P1=1.25MPa=1.25*106Pa,计算解锁转速为：

n1=1335（rpm）

3.5有效避免了解、闭锁循环

根据3.3节、3.4节计算结果，解、闭锁转速相差190rpm。表明：变矩器闭锁后，不会因为涡轮轴转速n1波动而立即解锁。同样，变矩器解锁后，也不会因为涡轮轴转速n1波动而立即闭锁，有效避免了特定涡轮轴转速下的闭锁、解锁循环。

3.6换挡解锁过程

换挡解锁过程指变速器在某挡位正常工作时，变矩器处于闭锁工况换挡，其工作状态由闭锁到解锁，换挡过程结束后恢复闭锁的过程。

由于变速器挡位间有级差，换挡时输出转速出现跳变，如果闭锁离合器仍处于结合状态，必然出现较大的换挡冲击，对传动系统和发动机都有较大影响，当负载转动惯量很大时，还可能造成发动机熄火。所以要求变速器换挡时，变矩器必须立即解锁，在变矩工况工作，减小换挡冲击，提高传动系统可靠性。

如图5所示，变速器换挡瞬间，一方面结合的离合器活塞进入空行程，直到离合器结合，此时P

2压力较低；另一方面，空行程结束后，离合器油压进入缓冲调压阶段，通过泄油防止离合器油压快速增加。此时，油液流过节流阀（12）产生的压差也较大。由于流量阀芯两端差动作用，下端产生较大的液压推力克服流量阀芯重力（3.69N），单向节流阀开启，迅速排出Q腔油液，阀芯快速向上移动到上端。此时，闭锁离合器通过流量阀芯接通泄油，变矩器解锁。同时，主压力经流量阀芯底部连接旁通油路，实现快速向挡位离合器补油。

流量阀芯向上移动时，节流阀前后的最小压差计算公式为：

△P=P1-(P1*π*D222-4*3.69)/( π*D212)=0.13（MPa）

式中； D21为流量阀芯R端直径（0.0317m）；D22为流量阀芯S端直径（0.0301m）

节流阀最低流速计算公式为：

V=CP*=10.5 （m/s）

CP为流速系数，参考《机械设计手册》，取CP=0.61

当通过节流阀油液的流速低于10.5 m/s时，流量阀芯复位（向下移动），Q腔所需油液只能从单向节流阀孔（φ1.5mm）补充，直到阀芯移动到下端，重新恢复到图4所示的闭锁状态。

换挡解锁过程时间包括三个阶段：分别为空行程阶段、换挡缓冲阶段、流量阀芯复位阶段。前两个阶段，缓冲阀芯保持在上端，当P2油压升高到与P1油压几乎相同时，进入复位阶段，流量阀芯开始向下移动，直到移动结束。

为简便计算，忽略离合器油路泄漏影响，复位时单向节流阀两端压差为0.13 MPa。

复位时间计算公式为：

t=D212*L/(CA*0.00152*)=0.9（s）

CA为流量系数，参考《机械设计手册》，取CA=0.81； L为流量阀芯移动距离（0.027m）

变速器换挡时，实测空行程阶段和换挡缓冲阶段合计约1.3 s。则换挡解锁过程的总时间约为2.1s。

4. 结论

通过探讨进口变速器中闭锁阀工作原理，更加深入了解了闭锁阀结构和性能，必要时，通过增加调整垫片或更换弹簧，可主动对闭锁、解锁转速进行适应性调节；同时也对闭锁阀故障维修提供指导。

参考文献

[1] 《机械设计手册》 第五版 化学工业出版社

[2] 《车辆液力传动》 国防工业出版社

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