ABS線性增壓可控溫度區(qū)間的研究*

姚 靜,劉勝凱,張 晉,李 騰,孔祥東

(1.燕山大學機械工程學院，秦皇島 066004； 2.燕山大學，河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島 066004；3.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學)，秦皇島 066004)

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2015093

ABS線性增壓可控溫度區(qū)間的研究*

姚 靜1,2,3,劉勝凱1,張 晉1,李 騰1,孔祥東1,2,3

(1.燕山大學機械工程學院，秦皇島 066004； 2.燕山大學，河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島 066004；3.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學)，秦皇島 066004)

針對防抱制動系統(tǒng)(ABS)低溫環(huán)境下線性增壓失效問題，通過閥芯的受力分析，推導了閥口開度自穩(wěn)定條件；利用電磁場和流場的數(shù)值模擬，分析了環(huán)境溫度對增壓閥電磁力和流體作用力的影響；結果表明，要滿足閥口開度自穩(wěn)定條件，確保線性增壓，ABS的可控溫度區(qū)間為-17～120℃；利用HCU性能試驗臺對ABS的實測驗證了仿真結果。

ABS；增壓閥；線性增壓；可控溫度區(qū)間

前言

防抱制動系統(tǒng)(anti-lock braking system, ABS)工作時，輪缸的壓力控制一般采用階梯增壓方式或者線性增壓方式，如圖1所示。在階梯增壓方式下，增壓閥閥芯反復工作于全開全閉狀態(tài)，頻率高達100Hz以上，系統(tǒng)壓力呈鋸齒狀上升趨勢，在增壓-保壓切換時，壓力發(fā)生劇烈波動，容易產(chǎn)生較大的壓力沖擊，加劇制動系統(tǒng)液壓噪聲，使踏板舒適性變差。而線性增壓方式下，輪缸壓力呈線性增長，中間沒有保壓過程。這種方式減少了壓力沖擊，大大降低了制動時的噪聲，延長了增壓閥的使用壽命，已成為ABS主流的增壓方式。但在實際應用中，當ABS處于低溫狀態(tài)時，線性增壓方式通常會失效，退化為階梯增壓方式，給實際應用帶來諸多不利影響[1]。

近幾年，國內(nèi)外對于ABS的研究一方面集中在防滑智能控制算法的研究，如防滑魯棒控制[2-4]、混合控制[5]和預測控制[6-8]等，另一方面為液壓控制單元及其關鍵元件——高速開關閥特性的研究。文獻[9]中通過改進閥芯結構降低了電磁閥由于高頻開關引起的腐蝕性；文獻[10]中采用ANSYS,Simulink和AMESim仿真軟件分析了ABS中液壓控制單元電磁閥的動態(tài)響應，進行了ABS液壓控制單元匹配的仿真研究；文獻[11]中對ABS中液壓控制單元電磁閥的響應進行了測試，并分析了有壓負載和無壓負載下電磁閥的響應；文獻[12]中建立了電磁開關閥的電控非整數(shù)階模型，并采用雙神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)控制算法改善其滯后特性；文獻[13]中優(yōu)化了電磁閥的參數(shù)，通過對輸入電流的控制，實現(xiàn)對輪缸壓力的精準控制，為實現(xiàn)線性增壓開拓了新思路；文獻[14]中利用遺傳算法對增、減壓閥的參數(shù)進行優(yōu)化，并考慮油壓變化對電磁閥動態(tài)特性的影響，縮短了增、減壓閥的動作時間，改善了ABS的動態(tài)特性；文獻[15]中建立了液壓制動系統(tǒng)仿真模型，分析了制動系統(tǒng)階梯減壓控制周期或占空比和壓差與輪缸壓力變化率的關系，但在諸多文獻中，有關增壓閥在低溫區(qū)線性增壓失效問題的報道甚少。本文中針對此問題，從增壓閥的受力分析著手，利用電磁場和流場數(shù)值模擬，重點考慮溫度變化時，增壓閥受力狀態(tài)的變化規(guī)律，探尋低溫區(qū)線性增壓失效機理，進而找到線性增壓的可控溫度區(qū)間。

1 線性增壓機理

增壓閥是一種兩位兩通的高速開關閥，處于常開狀態(tài)，可以通過限制閥口的開度，控制其流量，實現(xiàn)輪缸的線性增壓。增壓閥主要參數(shù)如表1所示。

表1 增壓閥參數(shù)

定義輪缸的液壓剛度k為

k=dp/dV

(1)

式中：dV為流入輪缸油液的體積增量，L；dp為流入輪缸油液引起的壓力增量，MPa。

液壓剛度綜合考慮了制動液體積模量、管路膨脹、管接頭間隙和制動器空行程等因素。圖2為52和60mm缸徑制動鉗以及23.5和27mm缸徑制動轂的實車測試p-V曲線。從圖2中可以看出，在低壓時液壓剛度是非線性的，這主要是由于摩擦片與制動盤之間的空行程和管路膨脹因素造成的，當摩擦片作用于制動盤，兩者之間的間隙消除時，增壓閥出口到制動器腔體，包括中間的連接管路可以認為是一個固定容腔，此時，液壓剛度則可近似為常數(shù)。

流經(jīng)增壓閥的流量為

(2)

通過式(1)和式(2)可以推出增壓閥的流量方程為

dp/dt=kq

(3)

由式(3)可知，當液壓剛度一定時，壓力變化率與流量成正比，即只要保持流量值不變，就能實現(xiàn)線性增壓。

增壓閥節(jié)流口流量為

(4)

式中：Cd為增壓閥流量系數(shù)；x為增壓閥閥芯位移，m；A為增壓閥節(jié)流口面積，m2；Δp為增壓閥口兩端壓差，若不考慮主缸到閥入口和閥出口到輪缸的壓力損失，Δp等于主缸壓力與輪缸壓力之差，MPa；ρ為制動液密度，kg/m3。

將式(4)代入式(3)，可得

(5)

可見通過對閥口開度x進行適當控制，使式(5)等號右側(cè)保持恒值即可實現(xiàn)線性增壓方式。由于ABS采用的是開環(huán)控制，閥口開度的穩(wěn)定性是實現(xiàn)線性增壓方式的重要影響因素。

2 閥口開度的自穩(wěn)定條件

當閥芯處在一定開度和壓差時，總是能找到一個電流值使電磁力和開啟力達到平衡狀態(tài)，此時電磁力和開啟力隨閥芯開度的變化存在兩種關系，如圖4所示。

如圖4(a)所示，在平衡點附近開啟力的斜率大于電磁力的斜率，即在平衡點左側(cè)電磁力大于開啟力，右側(cè)反之。假設現(xiàn)在閥芯受到微小的擾動，偏離平衡狀態(tài)，那么電磁力和開啟力的合力不會阻礙這種擾動，反而會加速這種擾動，閥芯失去平衡。而如圖4(b)所示，在力平衡點附近，開啟力的斜率小于電磁力的斜率，電磁力隨閥口開度x的變化小于開啟力，即在力平衡點左側(cè)，開啟力大于電磁力；在力平衡點右側(cè)，電磁力大于開啟力，因此，不論哪種方向的擾動，開啟力與電磁力的合力都會阻礙這個擾動，使閥芯回到平衡點。

從以上分析可以得到實現(xiàn)閥口開度穩(wěn)定控制的條件為：若閥芯在x=xb時自穩(wěn)定，應滿足以下關系式：

(6)

即僅當開啟力隨閥口開度變化率大于電磁力隨閥口開度的變化率時，閥芯才能實現(xiàn)自穩(wěn)定，進而保證閥口開度的有效控制，實現(xiàn)線性增壓。

3 溫度對閥口開度自穩(wěn)定性的影響

彈簧力主要受彈簧剛度和閥口開度的影響，在增壓閥工作溫度范圍內(nèi)，溫度變化對彈簧剛度的影響可以忽略不計，可以認為彈簧力不受溫度的影響。

電磁力主要受工作氣隙、電流和材料屬性的影響。在增壓閥工作溫度區(qū)間內(nèi)，溫度變化對增壓閥動鐵和閥體尺寸結構影響微小，可認為溫度不會影響工作氣隙；磁性材料的主要參數(shù)由磁滯曲線定義，由文獻[16]可知，在工作溫度范圍內(nèi)(不超過120℃)，溫度對磁滯曲線的影響非常小，因此溫度對電磁力的影響也可忽略。

3.1 溫度對流體作用力的影響

由于流體黏度對溫度十分敏感，在增壓閥工作溫度范圍內(nèi)，工作介質(zhì)黏度會發(fā)生較大的變化。-40℃時流體的黏度為1.272 00mm2/s，而120℃時流體的黏度僅為0.001 91mm2/s。流體黏度的變化會導致閥芯流體作用力發(fā)生變化。

利用FLUENT仿真軟件，建立增壓閥閥腔內(nèi)流場的k-ε湍流模型，分別對2、6、10、14、16和18MPa不同壓差下，-40、-30、-20、-10、0、20、60和120℃不同溫度條件下的流場進行仿真計算，得到不同溫度下，不同閥口兩端壓差和不同閥口開度的受力情況，得出閥口開度、溫度與流體作用力的關系，如圖5所示。

從圖5中可以看出：在相同的閥口開度和壓差下，流體作用力隨溫度的升高而減??；壓差和閥口開度越大，流體作用力受溫度的影響越大；同一閥口開度和溫度下，流體作用力隨壓差的變大而變大。

3.2 不同溫度下線性增壓自穩(wěn)定性分析

利用ANSYS仿真軟件進行電磁力的分析，得到電流、工作氣隙與電磁力的關系。將4種不同溫度下電磁力和開啟力曲線繪制在同一坐標系下，如圖6所示。電磁力的電流變化從1.7A開始，以0.1A的差值逐漸遞減至0.1A。開啟力分別取壓差為2、6、10、14、16和18MPa時流體作用力和彈簧力之和。

從圖6(a)可以看出，在-40℃時，無論閥口兩端壓差如何變化，開啟力變化斜率始終大于電磁力的變化斜率，增壓閥無法到達自穩(wěn)定狀態(tài)。從圖6(b)和圖6(c)可以發(fā)現(xiàn)，僅當增壓閥兩端壓差較小時，會出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，并且隨著溫度的升高，其自穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)域逐漸增大。從圖6(d)可以發(fā)現(xiàn)，增壓閥已完全處于自穩(wěn)定狀態(tài)，而且隨著溫度的升高，可利用的增壓閥兩端壓差越來越小，開啟力的變化幅度越來越大。從圖6(b)、圖6(c)和圖6(d)可知，當閥口的開度接近0.2mm時，開啟力近乎平行于電磁力，沒有平衡點，所以閥芯也容易失穩(wěn)。

通過以上分析可知，在低溫情況下，增壓閥更易失穩(wěn)，一旦外界有所擾動，就有可能影響到增壓閥的自穩(wěn)定狀態(tài)，使閥芯失穩(wěn)，破壞輪缸線性增壓方式。

4 線性增壓可控溫度區(qū)間

基于增壓閥流場和電磁場的數(shù)據(jù)，可以計算出閥口兩端的最大壓差為18MPa時，不同溫度下，閥的開啟電流值按照給定的電流信號，可以找到不同壓差與電流值的對應關系，從而可以推導出不同壓差下，電磁力和開啟力相等時，電磁力和開啟力分別對應的閥口開度?；谶@些數(shù)據(jù)繪制出相應的曲面，如圖7所示，通過曲面的交線，希望找到增壓閥線性增壓可控的溫度帶。

通過圖7可以發(fā)現(xiàn)，當增壓閥所處環(huán)境溫度低于-17℃時，電磁力斜率始終大于開啟力斜率，說明此時，對于任意閥口開度和壓差，增壓閥均不能處于自穩(wěn)定狀態(tài)，因而無法維持線性增壓的控制方式。因此，該增壓閥能夠?qū)崿F(xiàn)線性增壓控制方式的可控溫度區(qū)間為-17～120℃。

5 線性增壓可控溫度區(qū)間的驗證

為測試系統(tǒng)的線性增壓可控溫度區(qū)間，搭建了HCU性能測試實驗臺。該實驗臺包括液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、溫度控制箱、傳感器系統(tǒng)、實驗夾具系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集板卡系統(tǒng)。將HCU部分放置在溫度控制箱內(nèi)，通過溫度控制箱模擬工作環(huán)境溫度。模擬主缸壓力的液壓系統(tǒng)原理圖如圖8所示。將工作壓力通過氣動開關閥4.1連接到活塞缸有桿腔，推動活塞使無桿腔建立壓力。

在測試期間，按給定的電壓下降曲線給線圈上電，線圈電壓在降低過程中總會有一個電壓值對應的電磁力小于開啟力，閥打開，使輪缸壓力逐漸升高。由于測試過程中需要系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，因此需要打開蓄能器。

通過測試和仿真，得到不同溫度條件下輪缸壓力變化曲線，如圖9所示。

從圖9中可以看出，當溫度為-40℃和-20℃時，輪缸壓力出現(xiàn)階梯增壓，溫度越低，出現(xiàn)的壓力階梯變化越多，這是由于溫度越低，不穩(wěn)定區(qū)域變大，不穩(wěn)定點越多。當溫度為0和20℃時，輪缸明顯為線性增壓方式。

通過仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的對比可以看出，兩者的變化趨勢相同，表明仿真模型正確可靠，仿真結果可信。

由于不能將整個實驗臺放入HCU性能實驗臺的溫箱中，因此無法調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)中的制動液溫度，實驗結果受室溫的影響較大，無法精確測定-17℃和-18℃下輪缸增壓過程。為此通過仿真獲取了2個溫度下的輪缸壓力變化曲線，如圖10所示。

從圖10可知，在-17℃下輪缸壓力在3～16.5MPa成線性增壓方式，隨著閥口開度接近最大值，開啟力和電磁力沒有平衡點，增壓閥失去自穩(wěn)定狀態(tài)，閥口快速開啟，輪缸壓力急速上升。在-18℃時，輪缸壓力線性區(qū)變小，降至14MPa，且出現(xiàn)明顯階梯增壓，從而證明增壓閥的線性增壓可控溫度區(qū)間為-17～120℃。

6 結論

針對低溫下ABS線性增壓失穩(wěn)問題，研究了線性增壓機理，給出了線性增壓條件，并利用數(shù)值模擬、仿真和實驗相結合的方法，探尋其線性增壓可控溫度區(qū)間，得到的主要結論如下。

(1) 增壓閥自穩(wěn)定性由閥芯電磁力和開啟力隨閥口開度的變化率決定，僅當開啟力的變化率大于電磁力變化率時，閥芯才能具有自穩(wěn)定性。

(2) 在增壓閥的工作溫度范圍內(nèi)，電磁力受溫度影響甚小，可忽略不計；閥口開度和兩端壓差一定的條件下，流體作用力隨溫度的升高而減小，閥口開度越大，流體作用力受溫度的影響越大。

(3) 由于閥芯流體作用力受溫度的影響，增壓閥的線性增壓可控溫度區(qū)間較額定工作區(qū)間(-40～120℃)窄，為-17～120℃。

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A Research on the Controllable Temperature Range for Linear Pressure Rise in ABS

Yao Jing1,2,3, Liu Shengkai1, Zhang Jin1, Li Teng1& Kong Xiangdong1,2,3

1.MechanicalEngineeringCollege,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004;2.YanshanUniversity,KeyLaboratoryofHebeiProvincialHeavyMachineryFluidPowerTransmissionandControl,Qinhuangdao066004;3.KeyLaboratoryofAdvancedForging&StampingTechnologyandScience(YanshanUniversity),Qinhuangdao066004

Aiming at the problem of the failure in maintaining linear pressure-rise in ABS under low temperature, a self-stabilization condition for the opening of booster valve is derived through the force analysis of valve core. Numerical simulations on both electromagnetic field and flow field are conducted to analyze the effects of ambient temperature on the electromagnetic and hydraulic forces. The results show that for meeting the self-stabilization condition of valve opening and hence assuring linear pressure-rise in ABS, the controlled temperature range should be -17℃～120℃, which is verified by a ABS test on HCU performance tester.

ABS; booster valve; linear pressure rise; controlled temperature range

*國家科技支撐計劃(2014BAF02B00)資助。

原稿收到日期為2014年9月28日，修改稿收到日期為2014年11月17日。