分體式電磁閥設(shè)計理論及方法分析

孔慶樂，楊士先，溫華明，黃光穎

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

分體式電磁閥是電磁驅(qū)動部分、液壓執(zhí)行部分（閥芯、彈簧等）相互獨立的一種的電磁閥。針對選定的電磁頭，需要單獨設(shè)計閥芯、彈簧、閥套等多個零部件，與電磁頭特性匹配，實現(xiàn)液壓模塊相關(guān)特性的控制。

隨著液壓技術(shù)的快速發(fā)展和成本壓力的逼迫，目前國外許多變速箱廠商在自動變速器的液壓模塊上采用分體式電磁閥技術(shù)，目的就是使所有的電磁驅(qū)動頭實現(xiàn)通用化，有效地降低液壓模塊的成本，從而降低變速箱總成的成本。根據(jù)現(xiàn)在行業(yè)的現(xiàn)狀以及成本的壓力需要開展分體式電磁閥的設(shè)計理論研究。

1 分體式電磁閥原理及參數(shù)計算

分體式電磁閥主要由閥芯、彈簧、電磁頭以及閥體或者閥套組成。

1.1 分體式電磁閥的原理

分體式電磁閥初始狀態(tài)電磁頭電磁力克服彈簧安裝力，使閥芯向左移動，使得壓力口P與出口A相通，閥芯在高頻開關(guān)狀態(tài)下控制壓力口壓力，分體式電磁閥在彈簧力、反饋力（A口的面積差反饋）及電磁力的作用下達到平衡，控制輸出壓力的大小[1]。

分體式常低比例壓力控制閥如圖1所示。

圖1 分體式常低比例壓力控制閥結(jié)構(gòu)圖及特性曲線示意圖

其中，F(xiàn)s為彈簧力，F(xiàn)m為電磁力，km為電磁比例系數(shù)，F(xiàn)f為反饋力，Smin、Smax為閥芯大小直徑面積。

從而可以得到分體式常低比例壓力控制閥P-I特性曲線方程[1]：

1.2 分體式電磁閥的參數(shù)計算

以某款分體式常低比例壓力控制閥設(shè)計為例，設(shè)計目標(biāo)如表1所示。

表1 分體式電磁閥設(shè)計目標(biāo)

分體式常低比例壓力控制閥設(shè)計輸入如表2所示。

表2 選用成熟產(chǎn)品電磁頭電磁力 單位：N

從式（3）得到電磁力：

其中，km為電磁比例系數(shù)。

電磁頭的F-I特性曲線如圖2所示，電磁頭在電流400～1 200 mA，位移0.5～1.5 mm之間線性度非常好，所以設(shè)計分體式電磁閥讓其工作區(qū)間落在電磁頭線性度較好的區(qū)間，即電流400 mA～1 200 mA，位移0.5～1.5 mm；選取位移為1 mm的F-I曲線，選?。?00, 5.345）、（1 200, 23.992），根據(jù)式（6）計算得電磁比例系數(shù)km約為0.02。

圖2 電磁頭F-I特性曲線圖

根據(jù)設(shè)計要求和式（5）計算得到km/（Smax-Smin）=0.001 8，從而得到Smax-Smin=11.11。

根據(jù)電磁閥設(shè)計經(jīng)驗，電磁閥閥芯常用直徑為7 mm，選取小端直徑為7 mm，Smax-Smin=11.11，得到大端直徑為7.95 mm。

為了使電磁閥在通電后能夠迅速打開，一般要求彈簧初始安裝要小于50 mA時的電磁力，查電磁力圖表可得Fm=0.135 N@100 mA，另外為了保證在電磁閥工作時彈簧力變化較小，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗設(shè)置彈簧剛度為1 N/mm，初始安裝力為0.1 N，分體式常低比例壓力控制閥具體初始設(shè)計參數(shù)如表3所示[2]。

2 基于AMESim仿真優(yōu)化

通過基于AMESim建立分體閥的液壓仿真模型（如圖3所示），對兩種閥的P-I特性進行分析，在初始值下，分體閥的P-I特性與目標(biāo)的P-I特性曲線差異較大。通過對彈簧安裝力、閥芯直徑等參數(shù)進行優(yōu)化之后，使得分體式電磁閥在P-I特性、遲滯、Step等一系列特性方面達到目標(biāo)要求[3-4]。優(yōu)化曲線如圖4所示。

圖3 分體式常低比例壓力控制閥仿真模型

圖4 分體式常低比例壓力閥P-I曲線優(yōu)化

經(jīng)過AMESim仿真優(yōu)化[3-4]，得到最終分體式電磁閥參數(shù)，如表3所示。

表3 分體式電磁閥的設(shè)計參數(shù)

3 測試驗證

根據(jù)仿真優(yōu)化試制了相應(yīng)的分體式電磁閥，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，并按照相應(yīng)測試條件進行了分體式常低比例壓力控制閥的性能測試[5]，測試結(jié)果如表4所示。

表4 分體式常低比例壓力控制閥測試結(jié)果

分體式電磁閥測試結(jié)果與仿真對比如圖5所 示。

圖5 分體式常低比例壓力控制閥測試與仿真P-I特性曲線對比

4 分體式電磁閥一致性影響因素

通過前面的計算公式來看，影響常低分體式電磁閥一致性的因素有電磁力、反饋面積大?。òㄩy芯、閥套的尺寸）、彈簧的彈力。

根據(jù)分析的影響因素，做了不同影響因素的單一變量驗證，如表5、圖6所示。

表5 單一變量驗證順序表

圖6 常低分體式電磁閥一致性單一變量影響大小

通過測試驗證，影響分體式電磁閥一致性的關(guān)鍵因素為彈簧和閥套。

在設(shè)計分體式電磁閥時，為了保證電磁閥的一致性，需要精確控制彈簧力的大小和閥套的結(jié)構(gòu)、尺寸精度，盡量減少組成環(huán)，提高分體式電磁閥的一致性。

以優(yōu)化閥套結(jié)構(gòu)為例，在進行尺寸鏈計算時閥套的法蘭厚度a4作為尺寸鏈計算的一個組成環(huán)，從而增加組成環(huán)的個數(shù)，影響分體式電磁閥的一致性，優(yōu)化方案就是減少該組成環(huán)，去掉閥套的法蘭，采用彈簧將閥套壓緊在電磁頭端面，這樣減少一個組成環(huán)，從而提高分體式電磁閥的一致性，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前后的分體式電磁閥

對于彈簧的彈力可以采用調(diào)整法進行彈簧的裝配，即裝配時用選擇或調(diào)整的辦法來改變其長度及彈簧力的大小，從而保證分體式電磁閥的一致性[5]。

5 結(jié)論

對于分體式電磁閥設(shè)計，從理論分析、仿真計算、臺架測試、精度提升等方面進行了深入研究，設(shè)計得到了與目標(biāo)電磁閥相當(dāng)?shù)姆煮w式電磁閥，同時找到了影響分體式電磁閥一致性的關(guān)鍵因素就是彈簧的彈力和閥套的結(jié)構(gòu)，建立了完整的分體式電磁閥設(shè)計理論及方法，為電磁閥的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。