VVT中置式電磁閥孔槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁力特性的影響

毛功平，徐志建，毛 歡，張 憲，孟賓賓

(1.江蘇大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 225599；2.江蘇海龍電器有限公司 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中心， 江蘇 鎮(zhèn)江 225500)

0 引言

可變氣門(mén)正時(shí)(variable valve timing,VVT)系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的需要，靈活改變氣門(mén)重疊角，從而增大充量系數(shù)，是提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的有效技術(shù)手段[1]。VVT主要由相位器和電磁閥組成。電磁閥通電后，閥芯在電磁力的作用下產(chǎn)生移動(dòng)，可改變流向相位器內(nèi)部不同腔室的機(jī)油量，形成機(jī)油壓力差，從而產(chǎn)生推力并帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到改變氣門(mén)正時(shí)的目的。因此，電磁閥的工作是否可靠穩(wěn)定，直接關(guān)系著VVT系統(tǒng)的整體性能。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者常采用電磁力特性來(lái)評(píng)價(jià)電磁閥工作的可靠性和穩(wěn)定性[2-3]，其主要包括電磁力和位移-力特性?，F(xiàn)有研究主要集中在閥芯和基座的結(jié)構(gòu)尺寸、工作條件、導(dǎo)磁材料等因素對(duì)電磁力特性的影響方面。徐曉東[4]利用Maxwell建立了二維模型，發(fā)現(xiàn)閥芯厚度和基座盆形、寬度、斜面高度對(duì)電磁力的影響較大，閥芯長(zhǎng)度和閥芯厚度對(duì)位移-力特性影響較大。柴瑋鋒等[5]研究了不同磁極形狀對(duì)電磁閥電磁力特性的影響，發(fā)現(xiàn)平面形磁極的位移-力特性更好，更適合短行程的電磁鐵。謝斌等[6]針對(duì)閥芯和基座之間工作氣隙組成的隔磁環(huán)開(kāi)展了研究，得到了平角隔磁環(huán)、27°錐角隔磁環(huán)的電磁閥吸力的經(jīng)驗(yàn)公式及使用范圍。Lequesne[7]使用通用汽車(chē)有限元程序建立了電磁閥模型，分析了電磁閥鐵芯形狀和盆形形狀對(duì)比例電磁閥靜態(tài)位移-力特性的影響。 Kano等[8]對(duì)電磁閥的磁路開(kāi)展了優(yōu)化研究，將電磁力由指數(shù)型變?yōu)楹愣?，編制了有限元分析程序，?jì)算了三維磁通密度和電磁力。Bayat等[9]采用對(duì)稱(chēng)模型的方式模擬PHV磁場(chǎng)，運(yùn)用FEM建立的模型對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸、工作氣隙、電流密度和磁性材料的電磁閥開(kāi)展了數(shù)值計(jì)算。

然而，現(xiàn)有VVT系統(tǒng)大多采用側(cè)置式電磁閥，需要單獨(dú)開(kāi)設(shè)油道，會(huì)增加制造難度和改進(jìn)成本。近些年來(lái)，無(wú)需單獨(dú)開(kāi)設(shè)油道的中置式電磁閥受到青睞。該閥與相位器、凸輪軸油道直接連通，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低廉，但需要較大直徑的閥芯以獲得較大的電磁力，造成閥芯摩擦力和機(jī)油壓縮阻力增大。為克服上述不足，通常在閥芯、基座上設(shè)立排油孔、鋼球槽?？撞鄣慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)對(duì)磁通量造成較大的影響，從而影響電磁閥的電磁力特性。為此，本文將系統(tǒng)分析上述孔、槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁力特性的影響規(guī)律，為電磁閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

1 磁路基本理論

采用磁路分割法，將電磁閥劃分為7個(gè)部分。圖1為電磁閥的磁路結(jié)構(gòu)示意圖。其中，R0為電磁閥零件材料的總磁阻、R1為基座盆底上端面與閥芯前端面的氣隙磁阻、R2為基座斜面與閥芯前端面的氣隙磁阻、R3為基座側(cè)面與閥芯前端面的氣隙磁阻、R4為基座斜面與閥芯側(cè)面的氣隙磁阻、R5為嵌件前端與閥芯側(cè)面的氣隙磁阻、R6為嵌件中端與閥芯側(cè)面的氣隙、R7為嵌件后端與閥芯側(cè)面的氣隙。相關(guān)磁路分析的基本理論[10]概述如下。

由于導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率極高，因此R0≈0。R1、R3、R6、R7為形狀規(guī)則的磁阻，因此這一部分的表達(dá)式為：

(1)

式中:d為磁介質(zhì)的長(zhǎng)度(m);μ為磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率(H/m);S為磁介質(zhì)的等效截面積(m2)。

對(duì)于不規(guī)則的磁阻，則難以表達(dá)。但是可以將磁阻做等效分析后發(fā)現(xiàn)，R1、R2、R3、R4并聯(lián)為R14，且滿(mǎn)足

(2)

R5、R6、R7并聯(lián)為R57，且滿(mǎn)足：

(3)

由于閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，R6少有變動(dòng)且遠(yuǎn)小于R5和R7，因此，R57的大小主要取決于R6。而R6數(shù)值小，變化小，所以R57遠(yuǎn)小于R14?？梢?jiàn)，對(duì)電磁力影響最大的是R1、R2、R3、R4。因此，研究這4個(gè)磁阻的變化，對(duì)于分析電磁力特性隨孔槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律具有重要意義。

圖1 磁路結(jié)構(gòu)示意圖

2 研究方案

2.1 數(shù)值模擬方案

開(kāi)展電磁力測(cè)量試驗(yàn)，測(cè)量不同占空比下的電流值和電磁力。圖2為電磁力檢測(cè)臺(tái)的實(shí)物圖。該設(shè)備由位移傳感器、彈簧、力傳感器、連接頭、電源、擋柱組成。其基本工作原理是：設(shè)備通電后，在控制端輸入占空比，電磁閥頂桿與擋柱連接，擋柱的另一端與彈簧相連。采用與彈簧相連的力傳感器測(cè)量電磁力，采用位移傳感器測(cè)量擋柱的移動(dòng)距離，即為位移，采用電流采集模塊測(cè)量電流。

圖2 電磁力檢測(cè)臺(tái)實(shí)物圖

采用Maxwell計(jì)算電磁閥的電磁力。計(jì)算過(guò)程概述如下：① 利用Soildworks建立電磁閥的三維模型，對(duì)外罩、嵌件、導(dǎo)套等與閥芯軸相連的零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并以*.x_t的形式導(dǎo)入Maxwell；② 設(shè)置求解域?yàn)檎叫?，材料為真空，閥芯位移為1～3.5 mm，間隔0.25 mm；③ 根據(jù)試驗(yàn)獲得的不同占空比下的電流值，設(shè)置激勵(lì)源為電磁閥安匝數(shù)，根據(jù)實(shí)際電磁閥參數(shù)設(shè)置匝數(shù)值；④ 采用曲線逼近方法劃分網(wǎng)格，邊長(zhǎng)的最大值為0.05 mm，角度為15°；⑤ 計(jì)算不同占空比下的電磁力，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性；⑥ 采用驗(yàn)證后的模型，設(shè)置不同的孔槽結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算其在不同位移下的電磁力。

表1為不同安匝數(shù)和閥芯位移下電磁力的試驗(yàn)與計(jì)算值。由表1可知，試驗(yàn)值和計(jì)算值的最大誤差為6.4%，出現(xiàn)在安匝數(shù)為185.25 A、閥芯位移為0.03 mm的工況下?？梢?jiàn)，該模型具有較高的準(zhǔn)確性。

表1 電磁力計(jì)算值與試驗(yàn)值

2.2 評(píng)價(jià)方案

2.2.1平均電磁力

電磁力是指閥芯在行程中不同位移點(diǎn)的電磁力的大小，決定了電磁閥在不同位移時(shí)刻的性能[10]，反映了電磁閥工作的可靠性。由于電磁力會(huì)隨著閥芯的移動(dòng)而不斷變化，為方便比較，采用平均電磁力作為電磁力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式如式(4)所示。

(4)

2.2.2電磁力標(biāo)準(zhǔn)差

位移-力特性反映了閥芯在工作行程內(nèi)發(fā)生位移時(shí)電磁力的變化情況，常用位移-力曲線來(lái)表示[4]，該曲線的水平性體現(xiàn)了電磁力的均一性。本文采用工作行程內(nèi)電磁力的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)位移-力曲線的水平性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值越小，說(shuō)明水平性越好，電磁閥的工作越穩(wěn)定，其計(jì)算公式如式(5)所示。

(5)

2.3 分析方案

圖3為電磁閥閥芯和基座示意圖。工作時(shí)，⑥和⑦之間的距離為工作行程，閥芯工作行程之間移動(dòng)調(diào)節(jié)流量。①為推桿孔， ②為閥芯排油孔， ③為鋼球槽，④為基座排油孔。⑤點(diǎn)位于閥芯位移1 mm處，為起始位移點(diǎn)，⑥點(diǎn)位于閥芯位移2 mm處，為工作行程起始點(diǎn)，⑦點(diǎn)位于閥芯位移3.5 mm處，為工作行程起終點(diǎn)。

圖3 電磁閥閥芯和基座示意圖

選取基座排油孔、推桿孔、閥芯排油孔和閥芯鋼球槽為研究對(duì)象，根據(jù)原有結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，拓展取值范圍，計(jì)算和分析平均電磁力和電磁力標(biāo)準(zhǔn)差在閥芯工作行程內(nèi)隨孔槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律。表2為孔槽結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表。

以基座排油孔直徑為例，說(shuō)明具體的計(jì)算和分析過(guò)程：

1) 將基座排油孔直徑設(shè)置為1 mm，其他孔槽的結(jié)構(gòu)尺寸按照基準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置，并保持不變；

2) 按照2.2節(jié)中所述的數(shù)值模擬方案，計(jì)算得出位移-力曲線；

3) 根據(jù)式(6)和式(7)計(jì)算平均電磁力和電磁力的標(biāo)準(zhǔn)差；

4) 將基座排油孔直徑依次設(shè)置為1.5、2、3、3.5 mm，重復(fù)1)～3)的步驟，計(jì)算得出不同基座排油孔直徑下的平均電磁力和電磁力標(biāo)準(zhǔn)差。

其他孔槽結(jié)構(gòu)參數(shù)下電磁力特性的計(jì)算過(guò)程與之類(lèi)似，不再贅述。

表2 孔槽結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁力特性的影響

3.1.1基座排油孔直徑

在圖4中，給出了在不同基座排油孔直徑下閥芯位移-力間的曲線關(guān)系?？梢钥闯觯?dāng)工作行程不同時(shí)，電磁力的變化趨勢(shì)也不相同：① 閥芯位移為1～1.75 mm時(shí)，電磁力隨位移的增大而迅速下降，相同位移下的電磁力隨基座排油孔直徑的增大而略有降低。這是由于閥芯和基座之間的氣隙會(huì)隨著閥芯位移的增大而減小，使磁感應(yīng)強(qiáng)度下降[11]。② 位移在1.75～2.25 mm時(shí)，直徑為1～2.5 mm時(shí)的電磁力隨位移和直徑的增大而增大；直徑為3～4 mm時(shí)的電磁力隨位移的增大先增后降，相同位移下的電磁力隨基座排油孔直徑的增大而增大。其主要原因是受基座壁厚增加的影響，磁阻的減小帶來(lái)磁通量的增加[12-15]。排油孔直徑為3～4 mm時(shí)電磁力先增后減，可能是基座排油孔增大到一定程度時(shí)，磁路形狀發(fā)生變化，導(dǎo)致磁通量和磁力方向均發(fā)生變化。③ 位移為2.25～3.5 mm時(shí)的電磁力隨位移和基座排油孔直徑的增大而減小，相同位移處的電磁力隨之減小。主要是由于此階段的工作氣隙隨著閥芯位移的增加而減小[2]。

圖4 不同基座排油孔直徑下的位移-力曲線

在圖5中，給出了不同基座排油孔直徑下標(biāo)準(zhǔn)差與平均電磁力曲線間的關(guān)系。隨著油孔直徑的增加，標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。排油孔直徑為1～3 mm時(shí)，平均電磁力幾乎保持一致；當(dāng)排油孔直徑為3～4 mm時(shí)，平均電磁力隨著排油孔直徑的增加而降低。因此，排油孔直徑為2.5 mm時(shí)較為適宜。

圖5 不同基座排油孔直徑下的標(biāo)準(zhǔn)差和 平均電磁力曲線

3.1.2基座排油孔數(shù)量

圖6為不同基座排油孔數(shù)量下的閥芯位移-力曲線。在不同閥芯位移階段，電磁力的變化趨勢(shì)也不相同：① 位移為1～1.5 mm時(shí)，電磁力隨位移的增大而下降；在相同位移下，電磁力隨基座排油孔數(shù)量的增加而無(wú)顯著變化。電磁力降幅小，是因?yàn)榛庞涂滋幱诘痛鸥袘?yīng)強(qiáng)度區(qū)域，增加排油孔僅對(duì)低磁感應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域產(chǎn)生影響，因此影響較小。② 位移為1.75～2.25 mm時(shí)，數(shù)量為1和7的電磁力隨位移的增加先增后減；數(shù)量為2～6個(gè)的電磁力隨位移的增加先減后增。因?yàn)閿?shù)量的增加導(dǎo)致R1、R2處和基座頂部磁通量變化，所以電磁力變化無(wú)明顯規(guī)律[16]。圖7為基座排油孔數(shù)量1和7在2.25 mm處磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。圖中孔數(shù)的增加，使基座底部磁通面積減少，頂部磁感應(yīng)強(qiáng)度降低。③ 位移為2.5～3.5 mm時(shí)，電磁力隨位移的增大而減小，相同位移時(shí)電磁力隨數(shù)量的增大無(wú)明顯變化規(guī)律。因?yàn)榛庞涂字睆捷^小，數(shù)量的變化不影響底部磁通量，所以對(duì)電磁力的影響較小[17]。

圖6 不同基座排油孔數(shù)量下的位移-力曲線

圖7 基座排油孔數(shù)量1和7在位移2.25 mm處基座和閥芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

圖8為不同基座排油孔數(shù)量下的平均電磁力和標(biāo)準(zhǔn)差曲線。標(biāo)準(zhǔn)差隨排油孔數(shù)量的增加呈現(xiàn)波動(dòng)變化，數(shù)量為2、4、6處出現(xiàn)極小值，其中數(shù)量為2的標(biāo)準(zhǔn)差最小。平均電磁力隨基座排油孔數(shù)量的增加而呈現(xiàn)出先降低后增加再降低的變化趨勢(shì)，最大相差0.09 N。綜合選擇數(shù)量為4，因?yàn)榕庞涂讛?shù)量增加過(guò)多會(huì)導(dǎo)致基座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降、制造成本的增加，然而排油孔數(shù)量過(guò)少又會(huì)導(dǎo)致基座排油能力較差。

圖8 不同基座排油孔數(shù)量下的標(biāo)準(zhǔn)差和 平均電磁力曲線

3.1.3基座排油孔孔距

圖9為不同基座排油孔孔距下的位移-力曲線。不同位移處呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)：① 位移為1～1.75 mm時(shí)，相同位移下，電磁力隨孔距的增大無(wú)明顯的變化規(guī)律。這可能是因?yàn)榭拙嗟脑龃舐晕⒂绊慠2，隨著工作氣隙的減少，影響逐漸降低。② 位移為1.75～3.5 mm時(shí)，相同位移下，電磁力隨孔距的增大復(fù)雜變化；孔距為6.2 mm和6.5 mm時(shí)隨位移變化波動(dòng)較小且數(shù)值較小?？拙嗟脑黾又苯佑绊懙絉2，導(dǎo)致磁路形狀發(fā)生變化[15]。

圖9 不同基座排油孔孔距下的位移-力曲線

圖10為基座排油孔孔距4.7 mm和6.5 mm在3 mm處磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖?？拙嗟脑黾訙p少了R2處高磁感應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域，也影響了閥芯側(cè)面的高磁感應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域面積。

圖11為不同基座排油孔孔距下的標(biāo)準(zhǔn)差和平均電磁力曲線。標(biāo)準(zhǔn)差隨孔距的增加波動(dòng)變化?？拙酁?.3 mm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)最小值，水平性最好。平均電磁力差距小，可以忽略平均電磁力。綜合看，孔距為5.3 mm時(shí)，位移-力特性最好，與其他尺寸的平均電磁力差距小，因此選擇孔距為5.3 mm較為合適。

圖10 基座排油孔孔距4.7 mm和6.5 mm在位移3 mm處基座和閥芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

圖11 不同基座排油孔孔距下的標(biāo)準(zhǔn)差和 平均電磁力曲線

3.1.4推桿孔直徑

圖12為不同推桿孔直徑下的位移-力曲線。圖中，電磁力均保持較好的一致性，部分位移有所變化。位移為2 mm時(shí)，直徑為4 mm的電磁力突然增加；位移為2.75～3.5mm時(shí)，相同位移下，直徑為4.4 mm 的電磁力最大，但是電磁力差距小。可能是因?yàn)橥茥U孔距處于中心距離，對(duì)各磁阻影響較小，對(duì)磁路形狀有一定影響。圖13為推桿孔3.4 mm和4.4 mm在2.75 mm處磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。推桿孔的增加會(huì)減少低磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布面積，造成磁路形狀的變化，因此電磁力變化小，部分點(diǎn)出現(xiàn)電磁力相對(duì)其他尺寸變化較大。

圖14為不同推桿孔直徑下的標(biāo)準(zhǔn)差和平均電磁力曲線。標(biāo)準(zhǔn)差與平均電磁力的變化均較小，其中推桿孔3.8mm有著較好的電磁力和較低標(biāo)準(zhǔn)差，因此在尺寸選擇上更傾向于推桿孔直徑為3.8 mm。

圖13 推桿孔直徑3.4 mm和4.4 mm在位移2.75 mm處閥芯前端的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

圖14 不同推桿孔直徑下的標(biāo)準(zhǔn)差和平均電磁力曲線

3.1.5閥芯排油孔直徑

圖15為不同閥芯排油孔直徑下的位移-力曲線。不同直徑的電磁力呈現(xiàn)變化趨相同，相同位移下，電磁力隨著直徑的增大而增加。因?yàn)榕庞涂淄茥U孔一樣，處于中心位置，影響低磁感應(yīng)強(qiáng)度面積。

圖16為不同閥芯排油孔直徑下的標(biāo)準(zhǔn)差和平均電磁力曲線。隨著直徑的增加，標(biāo)準(zhǔn)差先減后增，隨后降低再增加。除了直徑0.75 mm，標(biāo)準(zhǔn)差均較小。平均電磁力隨著直徑的增加，先減少后增，隨后減少。但是平均電磁力最大僅相差1%。排油孔直徑越大，加工與原材料成本越低，排油效果也越好，能夠減輕閥芯質(zhì)量，因此優(yōu)先選擇排油孔直徑為0.9 mm。

圖15 不同閥芯排油孔直徑下的位移-力曲線

圖16 不同閥芯排油孔直徑下的標(biāo)準(zhǔn)差和 平均電磁力曲線

3.2 槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁力特性的影響

3.2.1閥芯鋼球槽圓角半徑

圖17為不同閥芯鋼球槽圓角半徑下的位移-力曲線。隨著位移的增加，電磁力變化趨勢(shì)不同：① 閥芯位移為1～1.75 mm、半徑為0.15～0.35 mm時(shí)，相同位移下的電磁力隨半徑的增大而降低，半徑0.1 mm的電磁力一直保持最低。相同位移下，電磁力隨半徑的增加而降低，是因?yàn)殇撉虿厶幱赗6、R7位置，此處受的磁阻影響較小，而圓角半徑增加使得磁通側(cè)面、頂部的磁通面積均減少，引起磁通量降低[18]。② 位移為1.75～3.5 mm時(shí)，相同位移處，電磁力隨半徑的增大不規(guī)律變化，半徑0.15 mm 的電磁力保持較高數(shù)值，增加或減少半徑均使電磁力降低。這可能是移動(dòng)過(guò)程中，受到基座傾斜面處的磁阻和R6、R7的綜合影響導(dǎo)致變化復(fù)雜，增加或減少圓角半徑導(dǎo)致總磁阻降低。

圖17 不同閥芯鋼球槽圓角半徑下的位移-力曲線

圖18為不同鋼球槽圓角半徑下的標(biāo)準(zhǔn)差和平均電磁力曲線。鋼球槽圓角半徑的增加會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)差先增加后降低再增加，半徑為0.2 mm時(shí)達(dá)到最低。平均電磁力波動(dòng)變化，在半徑為0.15 mm時(shí)最大。在接近16 N的基礎(chǔ)上，兼顧水平性，選擇鋼球槽圓角半徑0.2 mm。

圖18 不同鋼球槽圓角半徑下的標(biāo)準(zhǔn)差 和平均電磁力曲線

3.2.2閥芯鋼球槽直徑

圖19為不同鋼球槽直徑下的位移-力曲線。不同工作行程內(nèi)，電磁力呈現(xiàn)出的不同變化趨勢(shì)：① 閥芯位移為1～1.75 mm時(shí)，在相同的位移下，電磁力隨鋼球槽直徑的增加先增大后減小。相對(duì)于鋼球槽圓角半徑，鋼球槽直徑的變化對(duì)電磁力影響明顯更大。因?yàn)橹睆降淖兓瘜?dǎo)致閥芯側(cè)面和底部的導(dǎo)磁面積減小。直徑的增加，側(cè)面導(dǎo)磁面積會(huì)先緩慢再快速減小，后再緩慢下降。② 位移2 mm時(shí)，電磁力變化異常，出現(xiàn)明顯不規(guī)律。這是因?yàn)榇藭r(shí)處于基座頂部與斜面交界處，磁路形狀復(fù)雜[19]。③ 位移2.25～3.5 mm時(shí)，相同位移下電磁力隨著直徑的增加，先增后減，直徑為2.25 mm的電磁力最大。電磁力降幅也隨著閥芯位移、鋼球槽直徑的增大而增大。這是位移增加后，鋼球槽接近基座頂部，直接影響R4大小。圖20為基座排油孔數(shù)量2.25 mm和3.5 mm在2.5 mm處磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖，鋼球槽直徑的增加使得高、低磁感應(yīng)強(qiáng)度面積均發(fā)生變化。

圖19 不同鋼球槽直徑下的位移-力曲線

圖20 鋼球槽直徑2.25 mm和3.5 mm在位移2.5 mm處閥芯后端的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

圖21為不同鋼球槽直徑下的標(biāo)準(zhǔn)差和平均電磁力曲線。標(biāo)準(zhǔn)差隨著鋼球槽直徑的增加先降低后波動(dòng)上升，在直徑為2.25 mm時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差最小。平均電磁力隨著鋼球槽直徑的增加先增加后降低，在直徑為2.25 mm時(shí)電磁力最大。綜合而言直徑為2.25 mm時(shí)平均電磁力最接近16 N，位移-力特性最好。

圖21 不同鋼球槽直徑下的標(biāo)準(zhǔn)差和平均電磁力曲線

3.2.3閥芯鋼球槽深度

圖22為不同鋼球槽深度下的位移-力曲線。不同位移的電磁力變化趨勢(shì)不同：① 位移為1～1.75 mm時(shí)，相同位移下，電磁力隨直徑的增加無(wú)明顯變化規(guī)律?？赡苁且?yàn)槲灰戚^小時(shí)，深度的變化會(huì)影響閥芯側(cè)面導(dǎo)磁面積，從而影響R7，而R7對(duì)電磁力的影響較小。② 位移為1.75～3.5 mm時(shí)，相同位移下，電磁力隨直徑的變化無(wú)規(guī)律。位移2.5～3.5 mm時(shí)，相同位移下，電磁力降幅先增后減，在3.5 mm時(shí)降幅最小。這是因?yàn)殇撉虿劭缍却?，深度的增加使受影響的磁阻?shù)增加，磁阻變化更復(fù)雜。

圖22 不同鋼球槽深度下的位移-力曲線

圖23為不同鋼球槽深度下的標(biāo)準(zhǔn)差和平均電磁力曲線。標(biāo)準(zhǔn)差隨著鋼球槽直徑的增加而波動(dòng)，深度為6.5 mm時(shí)最小。平均電磁力無(wú)規(guī)律波動(dòng)，且幅度小。因此直徑為7.5 mm的平均電磁力較高且位移-力特性最好，更符合選擇要求。

圖23 不同鋼球槽深度下的標(biāo)準(zhǔn)差和平均電磁力曲線

4 結(jié)論

1) 平均電磁力隨基座排油孔直徑、數(shù)量和鋼球槽直徑、圓角半徑的增大而減小，隨基座排油孔數(shù)量和孔距、閥芯的推桿孔和排油孔、鋼球槽深度的變化呈不規(guī)則變化趨勢(shì)。其中，基座排油孔直徑和鋼球槽直徑、圓角半徑、深度對(duì)平均電磁力的影響較大。

2) 電磁力標(biāo)準(zhǔn)差隨基座排油孔直徑、鋼球槽直徑增加而增加，隨基座排油孔數(shù)量和孔距、閥芯的推桿孔和排油孔、鋼球槽深度和圓角半徑的變化呈現(xiàn)不規(guī)則的變化趨勢(shì)。其中，基座排油孔直徑和鋼球槽直徑對(duì)電磁力標(biāo)準(zhǔn)差的影響較大。

綜上所述，本文的單因素分析結(jié)果可為VVT及其他用途電磁閥的孔槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)孔槽結(jié)構(gòu)對(duì)電磁力特性的多因素影響的研究也有借鑒作用。