基于薄壁磁通管的ABS電磁閥行程力特性仿真與實(shí)驗(yàn)研究

　, , ,3 (.浙江萬向精工有限公司， 浙江 杭州　300； .浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 浙江 杭州　3003； 3.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州　3007)

引言

提高ABS電磁閥的響應(yīng)速度，能夠增強(qiáng)PWM控制策略下汽車制動(dòng)壓力的可控性，從而提高車輛制動(dòng)過程的舒適度。ABS電磁閥是一種高速開關(guān)閥，一般由電磁力驅(qū)動(dòng)，因此電磁力輸出特性直接決定閥的響應(yīng)時(shí)間[1-5]。

為獲得良好的電磁驅(qū)動(dòng)特性，ABS電磁閥的驅(qū)動(dòng)部分一般采用焊接成型的隔磁管結(jié)構(gòu)，中空的隔磁管為動(dòng)鐵和定鐵提供安裝空間，但是裝配間隙要求比較高，因此對(duì)零件加工精度要求較高，加工工藝較為復(fù)雜，加工成本較高[6-9]。近期研究人員提出一種磁柵式導(dǎo)磁套結(jié)構(gòu)，通過在導(dǎo)磁套管表面加工若干深淺不等的凹槽，取得等效的隔磁效果，加工的工藝性得到提高[10]。薄壁磁通管則是通過在導(dǎo)磁套管上加工一個(gè)梯形環(huán)狀凹槽，實(shí)現(xiàn)等效隔磁效果，加工成本降低，加工工藝性得到改進(jìn)[11-13]。需要注意的是，由于凹槽處磁通路的作用面積相對(duì)狹小，磁路易于飽和形成漏磁，導(dǎo)致電磁力特性對(duì)該位置結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴性顯著提高。

本研究建立了基于薄壁磁通管的ABS電磁閥的有限元模型，探討了薄壁磁通管主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁力的影響規(guī)律，根據(jù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。

1　結(jié)構(gòu)及原理

ABS高速開關(guān)電磁閥主要由外殼、線圈、骨架、磁通管、動(dòng)鐵、復(fù)位彈簧、閥座、環(huán)濾網(wǎng)、端濾網(wǎng)、單向密封圈等組成。磁通管、動(dòng)鐵、閥座和外殼用導(dǎo)磁材料制造。磁通管上加工一梯形環(huán)狀溝槽。骨架用非導(dǎo)磁塑料制成。環(huán)濾網(wǎng)和端濾網(wǎng)用來過濾制動(dòng)液雜質(zhì)。動(dòng)鐵上加工縱向平衡油槽以減小運(yùn)動(dòng)阻力。動(dòng)鐵中心為注塑形成的塑料零件，和閥座組成平面密封。單向密封圈正向隔離進(jìn)口和出口。

1.線圈　2.骨架　3.外殼　4.閥座　5.單向密封圈 6.復(fù)位彈簧　7.動(dòng)鐵　8.磁通管

在線圈非通電狀態(tài)下，動(dòng)鐵在復(fù)位彈簧作用下，遠(yuǎn)離閥口，電磁閥處于常開狀態(tài)。主缸的制動(dòng)壓力通過閥口處的節(jié)流小孔連通制動(dòng)輪缸。當(dāng)線圈通電時(shí)，動(dòng)鐵受到向下的電磁力，克服液壓阻力和彈簧力關(guān)閉閥口，隔離主缸和制動(dòng)輪缸。

2　仿真研究

2.1　理論基礎(chǔ)

麥克斯韋方程組是電磁場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)[14,15]，忽略位移電流以及磁滯效應(yīng)的影響，考慮到電磁閥的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可得：

(1)

式中,μ—— 磁導(dǎo)率，H/m

γ—— 電導(dǎo)率，S/m

Js—— 源電流密度，A/m2

A—— 矢量磁位，Wb/m

Hc—— 剩磁系數(shù)，A/m

通過對(duì)場(chǎng)量的積分運(yùn)算，可計(jì)算得到ABS電磁閥的行程力特性，計(jì)算公式為：

(2)

式中，n—— 包圍銜鐵的積分曲面的單位法向量

S—— 包圍銜鐵的積分曲面

2.2　仿真分析

采用有限元分析軟件，將ABS電磁閥簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型，為提高計(jì)算精度，在工作氣隙等位置加密網(wǎng)格。有限元模型和磁力線分布見圖2，可以看出，磁通管下部的磁力線一部分通過動(dòng)鐵，一部分通過薄壁位置形成漏磁，兩者在磁通管上部匯合。

圖2　有限元模型和磁場(chǎng)分布

電磁閥的輸出力與薄壁位置相關(guān)參數(shù)密切相關(guān)，仿真探討薄壁結(jié)構(gòu)處梯形溝槽的上下傾角、薄壁長(zhǎng)度、薄壁厚度、薄壁初始高度等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電磁力的作用規(guī)律。薄壁位置相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖見圖3。

圖3　薄壁位置結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

1) 梯形溝槽角度α

α的影響如圖4所示。當(dāng)α>50°時(shí)，隨角度增大，全行程電磁力相應(yīng)減?。坏?dāng)α<50°時(shí)，全行程電磁力變化基本相當(dāng)。這是由于隨著α角度增大，薄壁磁通管下端部分磁阻增大，造成磁路磁通量減小，因而輸出力減小。

圖4　α對(duì)電磁力的影響

2) 梯形溝槽角度β

β的影響如圖5所示。當(dāng)β<50°時(shí)，全行程范圍內(nèi)，電磁力基本相當(dāng)。β角度越大，電磁力相對(duì)越小。原因在于隨著β角度增大，薄壁磁通管上端部分磁阻增大，造成磁路磁通量減小，因而輸出力減小。

3) 薄壁初始高度h、長(zhǎng)度l、厚度δ

h的影響如圖6所示。薄壁初始高度的變化改變了薄壁與動(dòng)鐵之間的相對(duì)位置關(guān)系，若初始高度過低，則磁力線通過薄壁后直接進(jìn)入薄壁上端，使得通過銜鐵的磁力線減少，從而電磁力減小；若初始高度過高，則會(huì)產(chǎn)生向上的電磁力，使得動(dòng)鐵無法運(yùn)動(dòng)。

l的影響如圖7所示。薄壁長(zhǎng)度對(duì)初始狀態(tài)下的電磁力影響不大，但對(duì)吸合狀態(tài)下電磁力影響較大。

圖5　β對(duì)電磁力的影響

圖6　薄壁初始高度h對(duì)電磁力的影響

圖7　薄壁長(zhǎng)度l對(duì)電磁力的影響

在長(zhǎng)度2.5～3 mm之間時(shí)，全行程電磁力基本相當(dāng)。較長(zhǎng)的薄壁使得磁路的磁阻增大，造成全行程下電磁力減小。

δ的影響如圖8所示。薄壁厚度對(duì)電磁力的影響規(guī)律比較一致。隨厚度增大，薄壁磁阻減小，漏磁較多，全行程下電磁力逐漸減小。隨厚度減小，薄壁磁阻增大，漏磁較少，全行程下電磁輸出力越大。但需要注意的是，厚度較小時(shí)，磁通管的耐壓強(qiáng)度降低，因此薄壁厚度和長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)需根據(jù)電磁閥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求綜合考慮。

進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行細(xì)化研究，得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖8　薄壁厚度δ對(duì)電磁力的影響

表1　薄壁磁通管優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)

為驗(yàn)證分析結(jié)果，應(yīng)用搭建的電磁鐵力特性測(cè)試系統(tǒng)[16]，對(duì)基于優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)的ABS 電磁閥進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。測(cè)試采用的主要元件為拉壓力傳感器，其量程為10 kg，精度為0.02%FS。

電磁閥行程力特性的測(cè)量數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)的比較見圖9。由圖看出，仿真數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)基本吻合，存在約7%的誤差，原因在于材料的實(shí)際特性和零件的加工尺寸與仿真中設(shè)置的參數(shù)不完全一致。試驗(yàn)結(jié)果基本驗(yàn)證了分析模型的正確性。

圖9　測(cè)量與仿真數(shù)據(jù)比較曲線

4　結(jié)論

本研究采用有限元方法，揭示了帶梯形溝槽的薄壁磁通管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁閥輸出力的作用規(guī)律，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明仿真模型是正確的。在考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，設(shè)計(jì)較小的梯形溝槽角度，合適的薄壁長(zhǎng)度和薄壁初始位置等可提高電磁閥的輸出力特性。

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