汽車智能制動系統(tǒng)(IBS)電磁閥溫度場分析

劉偉，朱為國，單東升，吳柳杰

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 211800； 2. 淮陰工學(xué)院 機械工程系，江蘇 淮安 223000； 3. 寧波賽福汽車制動有限公司，浙江 寧波 315121)

0 引言

汽車智能制動系統(tǒng)(IBS)具有響應(yīng)速度快，制動性能好，布置靈活等特點，受到國內(nèi)外許多汽車廠家和科研機構(gòu)的重視[1-2]。

IBS系統(tǒng)中電磁閥長時間得電，產(chǎn)熱散熱是產(chǎn)品設(shè)計初期不容忽視的問題。王露等研究了直動電磁閥溫升過程[3]。黃琳敏等用瞬態(tài)熱路法對直流電磁鐵進行仿真分析[4-5]。劉超等分析了線圈參數(shù)對焊接過程的影響[6]。本文以IBS中某隔離電磁閥作為研究對象，通過有限元分析線圈產(chǎn)熱及熱量的傳遞過程，結(jié)合實驗研究溫度對電磁閥控制性能的影響，為后續(xù)設(shè)計優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 IBS結(jié)構(gòu)原理

如圖1所示，汽車智能制動系統(tǒng)由制動主缸、踏板模擬器、主動增壓模塊、ABS模塊和制動輪缸組成。汽車啟動時，踏板模擬器與主動增壓模塊的6個隔離閥由高電壓開啟,并用低壓保持工作狀態(tài)，這表示電磁閥需要連續(xù)工作幾個小時或更長的時間。

2 電磁閥結(jié)構(gòu)及溫度場理論分析

2.1 電磁閥結(jié)構(gòu)

電磁隔離閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，組成部件包含隔磁管、動鐵、推桿、閥體、彈簧、閥座等。線圈由軛鐵、繞組、骨架和封鐵組成。

2.2 線圈發(fā)熱與散熱

線圈通電后，電能轉(zhuǎn)化為熱能。電阻消耗的熱功率P在體積V的線圈繞組中均勻發(fā)熱，可定義單位體積生熱速率為:

(1)

閥1-閥5為隔離閥；閥6-閥9為增壓閥；閥10-閥13為減壓閥。圖1 IBS結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 電磁閥的結(jié)構(gòu)

通電線圈作為一個固定的熱源，熱量散失路徑如圖3所示。

圖3 線圈散熱簡圖

2.3 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律：

(2)

2.4 熱對流

ECU和HCU表面與空氣直接接觸，溫度差形成自然對流。自然對流可用牛頓冷卻方程表示：

(3)

式中：q為熱流密度，W/m2；h為對流換熱系數(shù)W/(m2·k)；Tw為環(huán)境溫度；Tf為表面溫度。

3 電磁閥溫度場的有限元分析與仿真

3.1 網(wǎng)格劃分與邊界載荷施加

為了節(jié)省計算機資源提高仿真效率，采用1/4模型。并對螺紋孔、倒角等進行適當(dāng)簡化。添加的材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性表

形狀規(guī)則的結(jié)構(gòu)一般采用掃掠網(wǎng)格或多區(qū)網(wǎng)格，不規(guī)則的結(jié)構(gòu)采用四面體網(wǎng)格劃分。

線圈繞組發(fā)熱作為內(nèi)部熱源，由式(1)得生熱率為4.14×10-3W/m3,環(huán)境溫度設(shè)定40℃。ECU與周圍空氣之間的對流換熱系數(shù)為6.5W/(m2·℃), HCU與周圍空氣之間的對流換熱系數(shù)為12.0W/(m2·℃)。

3.2 求解及后處理

采用默認(rèn)求解器，顯示仿真結(jié)果，如圖4-圖7所示。

圖4 穩(wěn)態(tài)溫度場云圖

圖5 熱流量的總量云圖

圖4所示溫度場云圖反映了線圈和電磁閥溫度分布情況。最高溫度位于繞組下部的中心位置，達(dá)到148℃。圖5反映了繞組產(chǎn)生的熱量在內(nèi)部的傳熱情況。最大熱流量為0.26W/mm2,位于閥體與HCU的接觸面上。

圖6和圖7分別反映了熱流量在線圈徑向和軸向的傳遞情況。

圖 6 熱流量x分量矢量云圖

圖7 熱流量z分量矢量云圖

4 溫度場實驗測試

4.1 實驗平臺搭建

以ABS樣件為研究對象，模擬電磁閥在實際工作過程中的溫升情況。由恒溫箱控制環(huán)境溫度，可變電源控制線圈的輸入電流，對樣品6個位置點進行溫度采集，采集點位置如圖8所示。采集頻率為前30min每2min采集1次，30min后每5min采集1次。

圖8 實驗?zāi)Ｐ?/p>

4.2 結(jié)果分析

在40℃的環(huán)境溫度下，分別測得樣品6個測量點的溫度變化，如圖9所示。48min后，各個測量點的溫度趨于穩(wěn)定。仿真和實驗測得各點穩(wěn)態(tài)溫度對比如表2所示，誤差不超過5%。不同條件下線圈表面溫升特性見圖10。

表2 采集溫度與仿真對比

圖9 樣件各測量點溫升

圖10 線圈表面溫升特性

圖10(a)所示為線圈在40℃環(huán)境溫度下輸入不同的電流得到線圈表面穩(wěn)態(tài)溫度。輸入電流越大，穩(wěn)態(tài)溫度越高。圖10(b)所示為線圈輸入0.8 A電流在不同環(huán)境溫度下最后達(dá)到的穩(wěn)態(tài)溫度。環(huán)境溫度越高，穩(wěn)態(tài)溫度越高。將離散點擬合曲面得到線圈表面穩(wěn)態(tài)溫度(T)與輸入電流(I)、環(huán)境溫度(/°)的關(guān)系曲線如圖10(c)所示，擬合曲面函數(shù)為：T=75.61I2-41.18I+5.682+T0。

5 結(jié)語

IBS系統(tǒng)電磁閥長時間得電線圈產(chǎn)生的熱量會使得電磁閥工作環(huán)境溫度升高，過高的溫度會影響電磁閥的控制特性，針對此問題，本文通過有限元方法并結(jié)合實驗對電磁閥穩(wěn)態(tài)溫度場進行研究。

1) 線圈產(chǎn)生的熱量使得系統(tǒng)各部分溫度升高，最終到達(dá)某個穩(wěn)定溫度即系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，線圈產(chǎn)生的熱量等于系統(tǒng)表面散失的熱量。

2) 利用Ansys軟件對IBS隔離電磁閥內(nèi)部溫度分布及熱量傳遞過程進行仿真分析，并將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行比較，誤差不超過5%，說明本文所采用的仿真方法的可行性。

3) 通過擬合的方法得出電磁閥穩(wěn)態(tài)溫度與輸入電流、環(huán)境溫度的關(guān)系函數(shù)：T=75.61I2-41.18I+5.682+T0，可為后期產(chǎn)品測試提供參考。