汽車ABS電磁閥空載響應(yīng)測(cè)試與分析

袁海軍，楊小琴，甘吳波，王光明，謝云峰

（1.重慶華渝電氣集團(tuán)有限公司，重慶400021；2.重慶市統(tǒng)景職業(yè)中學(xué)，重慶401142；3.重慶化醫(yī)恩力吉投資有限責(zé)任公司，重慶401221；4.重慶市九龍坡職業(yè)教育中心，重慶400052）

0 引言

汽車ABS 電磁閥是汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng) （簡(jiǎn)稱ABS）中液壓控制單元（簡(jiǎn)稱HCU）的重要核心部件，其作用是汽車在行駛過程中，車速傳感器實(shí)時(shí)將輪速信息傳遞給汽車電子控制單元（簡(jiǎn)稱ECU），經(jīng)ECU 進(jìn)行邏輯判斷、分析和計(jì)算后，一旦識(shí)別出一個(gè)或幾個(gè)車輪有抱死傾向時(shí)，ECU 將命令在ABS 電磁線圈中輸入電流，依靠電磁線圈產(chǎn)生的強(qiáng)大的電磁力移動(dòng)電磁閥閥芯，以調(diào)節(jié)車輪制動(dòng)缸（氣室）中的壓力，防止車輪抱死[1]。在液壓防抱死制動(dòng)裝置ABS 中，HCU 部件多采用電磁閥進(jìn)行制動(dòng)壓力自動(dòng)控制。ABS 電磁閥的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短成為影響ABS 系統(tǒng)控制精度的一個(gè)重要因素，ABS 液壓總成在裝配檢測(cè)過程中需要單獨(dú)對(duì)電磁閥進(jìn)行測(cè)試。因此，ABS產(chǎn)品在測(cè)試檢測(cè)過程中必須對(duì)部件增壓、減壓電磁閥的空載響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)。

目前公開的文獻(xiàn)資料主要是介紹，為測(cè)試汽車ABS液壓總成綜合性能或電磁閥而設(shè)計(jì)開發(fā)專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要工作原理及測(cè)試結(jié)果，對(duì)其電路設(shè)計(jì)和程序框架及程序代碼介紹的較少，其余的文獻(xiàn)資料以介紹汽車ABS 液壓總成和ABS 電磁閥建模、設(shè)計(jì)和仿真研究為主，側(cè)重于產(chǎn)品的原理設(shè)計(jì)和仿真研究，對(duì)測(cè)試ABS 電磁閥的具體原理及測(cè)試過程介紹較少。實(shí)施產(chǎn)品工藝過程控制是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保障環(huán)節(jié)，針對(duì)企業(yè)在生產(chǎn)進(jìn)度及產(chǎn)品測(cè)試過程中的實(shí)際情況，需要提供一種可以進(jìn)行快速、有效、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)易的測(cè)試裝置對(duì)ABS 電磁閥進(jìn)行測(cè)試。本文設(shè)計(jì)了汽車ABS 電磁閥空載響應(yīng)測(cè)試裝置，并利用該裝置對(duì)某公司的ABS 電磁閥進(jìn)行了空載響應(yīng)測(cè)試。

1 電磁閥空載響應(yīng)測(cè)試原理

ABS 電磁閥空載響應(yīng)測(cè)試由檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)電路及待測(cè)電磁閥三部分組成。其中檢測(cè)設(shè)備采用具有存儲(chǔ)功能的示波器HITACHI VC-6745A，檢測(cè)電路依據(jù)電磁閥的工作原理及技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，待測(cè)電磁閥為ABS液壓控制單元上的增壓電磁閥和減壓電磁閥。

1.1 ABS 電磁閥介紹

目前汽車ABS 防抱死制動(dòng)裝置上的壓力控制單元均采用開關(guān)式兩位兩通電磁閥的形式[7]。本文所述的ABS 電磁閥分為兩種，一種為常開式增壓電磁閥，另一種為常閉式減壓電磁閥。由一個(gè)常開式增壓電磁閥和一個(gè)常閉式減壓電磁閥組合成一組對(duì)某一路制動(dòng)輪缸的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。某品牌汽車供應(yīng)商的ABS 液壓控制單元對(duì)其部件電磁閥在開啟、關(guān)閉時(shí)空載響應(yīng)時(shí)間的技術(shù)指標(biāo)要求均小于8ms，產(chǎn)品工作電壓直流12±1.5V[4]。圖1 是減壓電磁閥的結(jié)構(gòu)示意圖[2]，圖2 是增壓電磁閥的結(jié)構(gòu)示意圖[3]。

1.2 電流曲線理論依據(jù)

汽車ABS 電磁閥上的控制元件是電磁線圈（俗稱線圈組件），該組件屬于感性元件。當(dāng)電磁線圈通電后，線圈中的電流會(huì)按照指數(shù)曲線從零開始增加，電磁閥中的動(dòng)鐵芯所受到的電磁推力也隨電流的增加開始增大，當(dāng)電磁推力上升到足以克服負(fù)載力和摩擦力時(shí)，動(dòng)鐵芯開始移動(dòng)，并切割磁力線產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，使電流急劇下降，直至動(dòng)鐵芯完全吸合，之后電流繼續(xù)按指數(shù)曲線增至穩(wěn)態(tài)[1,5,6]。

圖1 常閉式減壓電磁閥示意圖Fig.1 Normally closed solenoid valve pressure sketch map

圖2 常開式增壓電磁閥示意圖Fig.2 Normally open solenoid valve booster sketch map

1.3 測(cè)試電路設(shè)計(jì)

由于無法直接測(cè)量出電磁閥的空載響應(yīng)時(shí)間大小，可以利用電流曲線的理論依據(jù)通過設(shè)計(jì)一個(gè)檢測(cè)電路來間接測(cè)量出電磁閥的空載響應(yīng)時(shí)間。該電路設(shè)計(jì)通過采集串聯(lián)電阻R2 的電流信號(hào)來分析出電磁閥的空載響應(yīng)時(shí)間，為了保證電磁線圈和電磁閥能正常工作，必須保證測(cè)試時(shí)電磁線圈兩端的電壓達(dá)到12V，串聯(lián)電阻R2的大小一般依據(jù)電磁線圈的電阻大小來定，本文設(shè)計(jì)時(shí)取電磁線圈阻值的20%左右來進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。圖3 是檢測(cè)電路的工作原理和參數(shù)值。

2 測(cè)試與結(jié)果分析

2.1 增壓閥空載響應(yīng)測(cè)試

將常開式增壓電磁閥按圖3 接入測(cè)試連接電路，示波器采樣設(shè)置為單次采集。測(cè)試時(shí)，給開關(guān)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)（接通后迅速斷開），通過對(duì)示波器所采集的電流階躍信號(hào)進(jìn)行分析確定出空載響應(yīng)時(shí)間。圖4 為示波器所采集到的電流階躍信號(hào)。

根據(jù)文中所述電流變化理論依據(jù)，對(duì)圖4 進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)圖中A 點(diǎn)（信號(hào)起始點(diǎn)： 電磁閥剛通電時(shí)間）到B 點(diǎn)（第一個(gè)電流階躍信號(hào)凹點(diǎn)：電磁閥完全關(guān)閉時(shí)間）的水平相對(duì)值即為空載響應(yīng)時(shí)間，相對(duì)值為2.365ms，表明空載響應(yīng)時(shí)間為2.365ms。從信號(hào)曲線還能發(fā)現(xiàn)B 點(diǎn)以后有較小曲線波動(dòng)現(xiàn)象。這是因?yàn)橥姇r(shí)，電磁線圈的能量在增加，并驅(qū)動(dòng)電磁閥內(nèi)的動(dòng)鐵芯開始運(yùn)動(dòng)，電磁線圈的電感隨動(dòng)鐵芯的運(yùn)動(dòng)增加，由能量守恒定律可知，當(dāng)電感能量增加速率遠(yuǎn)大于外界能量輸入速率時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電流產(chǎn)出下降，因而電流曲線會(huì)出現(xiàn)較小波動(dòng)[7,8]。

圖3 測(cè)試電路原理圖Fig.3 Test circuit schematic

圖4 示波器采集的電流階躍信號(hào)圖Fig.4 The current step signal oscilloscope acquisition figure

2.2 減壓閥空載響應(yīng)測(cè)試

將常閉式減壓電磁閥按圖3 接入測(cè)試連接電路，示波器采樣設(shè)置為單次采集。測(cè)試時(shí)，給開關(guān)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)（接通后迅速斷開），通過對(duì)示波器所采集的電流階躍信號(hào)進(jìn)行分析確定出空載響應(yīng)時(shí)間。圖5 為示波器所采集到的電流階躍信號(hào)。

圖5 示波器采集的電流階躍信號(hào)圖Fig.5 The current step signal oscilloscope acquisition figure

根據(jù)文中所述電流變化理論依據(jù)，對(duì)圖5 進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)圖中A 點(diǎn)（信號(hào)起始點(diǎn)：電磁閥剛通電時(shí)間）到B 點(diǎn)（第一個(gè)電流階躍信號(hào)凹點(diǎn)： 電磁閥完全開啟時(shí)間） 的水平相對(duì)值即為空載響應(yīng)時(shí)間，相對(duì)值為2.135ms，表明空載響應(yīng)時(shí)間為2.135ms。從信號(hào)曲線還能發(fā)現(xiàn)B 點(diǎn)以后有較小曲線波動(dòng)現(xiàn)象，與常開式增壓電磁閥存在相同現(xiàn)象。這是因?yàn)橥姇r(shí)，電磁線圈的能量在增加，并驅(qū)動(dòng)電磁閥內(nèi)的動(dòng)鐵芯開始運(yùn)動(dòng)，電磁線圈的電感隨動(dòng)鐵芯的運(yùn)動(dòng)增加，由能量守恒定律可知，當(dāng)電感能量增加速率遠(yuǎn)大于外界能量輸入速率時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電流產(chǎn)出下降，因而電流曲線會(huì)出現(xiàn)較小波動(dòng)[7,8]。

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)過測(cè)試，減壓電磁閥的空載響應(yīng)時(shí)間為2.135ms，增壓電磁閥空載響應(yīng)時(shí)間為2.365ms。減壓電磁閥的空載響應(yīng)速度要快于增壓電磁閥，經(jīng)過結(jié)構(gòu)和磁路分析，發(fā)現(xiàn)減壓電磁閥的開啟距離為0.7mm（即動(dòng)鐵芯的最大移動(dòng)距離），增壓電磁閥的關(guān)閉距離為0.9mm，當(dāng)移動(dòng)距離增大后，電磁線圈在相同電壓下通電后作用在動(dòng)鐵芯上的電磁力會(huì)降低，導(dǎo)致可以驅(qū)動(dòng)動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)的能量開始下降，表現(xiàn)在動(dòng)鐵芯移動(dòng)的速度降低，最終通過空載響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短表現(xiàn)出來。

經(jīng)大量測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電磁線圈上的電壓值發(fā)生變化時(shí)，電磁閥的空載響應(yīng)時(shí)間也會(huì)隨之發(fā)生變化，其變化規(guī)律是空載響應(yīng)時(shí)間與電壓變化成反比，即空載響應(yīng)時(shí)間隨電壓值的升高開始縮短；當(dāng)電磁線圈上的電壓值穩(wěn)定不變時(shí)，電磁閥的空載響應(yīng)時(shí)間會(huì)隨動(dòng)鐵芯的移動(dòng)距離增大發(fā)生變化，其變化規(guī)律是空載響應(yīng)時(shí)間與移動(dòng)距離成正比，即空載響應(yīng)時(shí)間隨移動(dòng)距離的增大開始延長(zhǎng)。

3 結(jié)論

本文利用電流曲線的理論依據(jù)設(shè)計(jì)了針對(duì)汽車ABS電磁閥空載響應(yīng)測(cè)試的測(cè)試裝置，該測(cè)試裝置包含了測(cè)試設(shè)備、測(cè)試電路及測(cè)試電磁閥三部分，并對(duì)某型ABS電磁閥進(jìn)行了空載響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明利用該測(cè)試裝置能夠有效、簡(jiǎn)易、快速對(duì)ABS 電磁閥進(jìn)行測(cè)試。本研究工作結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)可以為汽車ABS 電磁閥或類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供一定借鑒參考。

測(cè)試結(jié)果表明，汽車ABS 電磁閥的空載響應(yīng)時(shí)間與電磁線圈的工作電壓和動(dòng)鐵芯的移動(dòng)距離密切相關(guān)，其規(guī)律是空載響應(yīng)時(shí)間隨電壓值的升高開始縮短，空載響應(yīng)時(shí)間隨移動(dòng)距離的增大開始延長(zhǎng)。為了保證汽車ABS電磁閥的空載響應(yīng)時(shí)間符合技術(shù)要求，可以在防抱死制動(dòng)系統(tǒng)供電范圍內(nèi)取電壓最高值和最低值對(duì)ABS 電磁閥進(jìn)行測(cè)試，確保指標(biāo)空載響應(yīng)時(shí)間符合技術(shù)要求。如果最低電壓值不能保證電磁閥的空載響應(yīng)時(shí)間符合技術(shù)要求，可以通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)更改程序進(jìn)行優(yōu)化，選取合適的動(dòng)鐵芯移動(dòng)距離來確保指標(biāo)空載響應(yīng)時(shí)間符合技術(shù)要求。

[1] 袁海軍. 基于Ansoft Maxwell 仿真的電磁閥關(guān)閉過程動(dòng)態(tài)特性研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，5.

[2] 袁海軍.一種常閉式液壓電磁閥[P].中國(guó):201020111018.6，2011.04.13.

[3] 袁海軍.一種常開式液壓電磁閥[P].中國(guó):201020111016.7,2010.10.27.

[4] Q/WJG 339-2012.ABS 工廠80 電磁閥技術(shù)條件[S].杭州，2012.

[5] 張功暉，黎志航，等. 基于Maxwell 方程的電磁閥開啟過程動(dòng)態(tài)特性仿真研究[J].液壓氣動(dòng)與密封，2010，11.

[6] 張榛.電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的有限元仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2008，5.

[7] 王會(huì)義，高博.汽車ABS 電磁閥動(dòng)作響應(yīng)測(cè)試與分析[J].汽車工程，2002，1.

[8] 王會(huì)義，高博.液壓式防抱制動(dòng)系統(tǒng)電磁閥動(dòng)作響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究[J].液壓與氣動(dòng)，2001，9.