基于薄壁磁通管的ABS電磁閥行程力特性仿真與實驗研究

　, , ,3 (.浙江萬向精工有限公司， 浙江 杭州　300； .浙江科技學院 機械與汽車工程學院， 浙江 杭州　3003； 3.浙江大學 流體動力與機電系統國家重點實驗室， 浙江 杭州　3007)

引言

提高ABS電磁閥的響應速度，能夠增強PWM控制策略下汽車制動壓力的可控性，從而提高車輛制動過程的舒適度。ABS電磁閥是一種高速開關閥，一般由電磁力驅動，因此電磁力輸出特性直接決定閥的響應時間[1-5]。

為獲得良好的電磁驅動特性，ABS電磁閥的驅動部分一般采用焊接成型的隔磁管結構，中空的隔磁管為動鐵和定鐵提供安裝空間，但是裝配間隙要求比較高，因此對零件加工精度要求較高，加工工藝較為復雜，加工成本較高[6-9]。近期研究人員提出一種磁柵式導磁套結構，通過在導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磁套管上加工一個梯形環狀凹槽，實現等效隔磁效果，加工成本降低，加工工藝性得到改進[11-13]。需要注意的是，由于凹槽處磁通路的作用面積相對狹小，磁路易于飽和形成漏磁，導致電磁力特性對該位置結構參數的依賴性顯著提高。

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構參數對電磁力的影響規律，根據優化的設計結構參數進行了試驗測試。

1　結構及原理

ABS高速開關電磁閥主要由外殼、線圈、骨架、磁通管、動鐵、復位彈簧、閥座、環濾網、端濾網、單向密封圈等組成。磁通管、動鐵、閥座和外殼用導磁材料制造。磁通管上加工一梯形環狀溝槽。骨架用非導磁塑料制成。環濾網和端濾網用來過濾制動液雜質。動鐵上加工縱向平衡油槽以減小運動阻力。動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口和出口。

1.線圈　2.骨架　3.外殼　4.閥座　5.單向密封圈 6.復位彈簧　7.動鐵　8.磁通管

在線圈非通電狀態下，動鐵在復位彈簧作用下，遠離閥口，電磁閥處于常開狀態。主缸的制動壓力通過閥口處的節流小孔連通制動輪缸。當線圈通電時，動鐵受到向下的電磁力，克服液壓阻力和彈簧力關閉閥口，隔離主缸和制動輪缸。

2　仿真研究

2.1　理論基礎

麥克斯韋方程組是電磁場計算的基礎[14,15]，忽略位移電流以及磁滯效應的影響，考慮到電磁閥的軸對稱結構特點，可得：

(1)

式中,μ—— 磁導率，H/m

γ—— 電導率，S/m

Js—— 源電流密度，A/m2

A—— 矢量磁位，Wb/m

Hc—— 剩磁系數，A/m

通過對場量的積分運算，可計算得到ABS電磁閥的行程力特性，計算公式為：

(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電磁閥簡化為二維軸對稱模型，為提高計算精度，在工作氣隙等位置加密網格。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　有限元模型和磁場分布

電磁閥的輸出力與薄壁位置相關參數密切相關，仿真探討薄壁結構處梯形溝槽的上下傾角、薄壁長度、薄壁厚度、薄壁初始高度等設計參數對電磁力的作用規律。薄壁位置相關結構參數示意圖見圖3。

圖3　薄壁位置結構參數示意圖

1) 梯形溝槽角度α

α的影響如圖4所示。當α>50°時，隨角度增大，全行程電磁力相應減小；但當α<50°時，全行程電磁力變化基本相當。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對電磁力的影響

2) 梯形溝槽角度β

β的影響如圖5所示。當β<50°時，全行程范圍內，電磁力基本相當。β角度越大，電磁力相對越小。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鐵之間的相對位置關系，若初始高度過低，則磁力線通過薄壁后直接進入薄壁上端，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，則會產生向上的電磁力，使得動鐵無法運動。

l的影響如圖7所示。薄壁長度對初始狀態下的電磁力影響不大，但對吸合狀態下電磁力影響較大。

圖5　β對電磁力的影響

圖6　薄壁初始高度h對電磁力的影響

圖7　薄壁長度l對電磁力的影響

在長度2.5～3 mm之間時，全行程電磁力基本相當。較長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。薄壁厚度對電磁力的影響規律比較一致。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，磁通管的耐壓強度降低，因此薄壁厚度和長度的設計需根據電磁閥結構強度要求綜合考慮。

進一步對結構參數進行細化研究，得到優化的設計參數如表1所示。

圖8　薄壁厚度δ對電磁力的影響

表1　薄壁磁通管優化設計參數

為驗證分析結果，應用搭建的電磁鐵力特性測試系統[16]，對基于優化參數設計的ABS 電磁閥進行了實際測試。測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量數據與分析數據的比較見圖9。由圖看出，仿真數據與測試數據基本吻合，存在約7%的誤差，原因在于材料的實際特性和零件的加工尺寸與仿真中設置的參數不完全一致。試驗結果基本驗證了分析模型的正確性。

圖9　測量與仿真數據比較曲線

4　結論

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構參數對電磁閥輸出力的作用規律，仿真和實驗結果基本吻合，說明仿真模型是正確的。在考慮結構強度的前提下，設計較小的梯形溝槽角度，合適的薄壁長度和薄壁初始位置等可提高電磁閥的輸出力特性。

參考文獻：

[1]張為，丁能根，余貴珍，等.汽車ABS電子控制單元綜合性能測試試驗臺[J].農業機械學報，2009，40(9):37-40.

[2]李志遠，劉昭度，崔海峰，等.汽車ABS制動輪缸壓力變化速率模型試驗[J].農業機械學報，2007，38(9):6-9.

[3]徐延海.路面不平度對裝有ABS汽車制動性能的影響[J].農業機械學報,2008,39(1):7-10.

[4]楊柳青，陳無畏，高振剛，等.基于電磁閥減振器的1/4車輛半主動懸架非線性控制[J].農業機械學報，2014，45(4):1-7.

[5]李丕茂，張幽彤，倪成群，歐陽巍.共軌噴油電磁閥動態特性仿真與實驗[J].農業機械學報，2013，44(5):7-12.

[6]Peggy G,Martin O,Heike B,et al.Solenoid Valve with a Check Valve:US,6382250 B1[P].2002-5-7.

[7]Andre F L,Goossens,Luc V H.Electromagnetic Valve:US,6837478 B1[P].2005-1-4.

[8]Raymundo S,Alejandro M,David F R.Vehicle Solenoid Valve:US,6390570 B1[P].2002-5-21.

[9]Yukinori O,Masahiko H.Solenoid Valve:US,6578817 B2[P].2003-6-17.

[10]Ding Chuan,Ding Fan,Zhou Xing,et al.Novel Pressure-Resistant Oil-immersed Proportional Actuator for Electrohydraulic Proportional Control Valve[J].Journal of Mechanical Design,2013,135(12):125001-5.

[11]Wendell D T,Gary R K.Control Valve with Single Piece Sleeve for a Hydraulic Control Unit of Vehicular Brake Systems:US,6520600 B1[P].2003-2-18.

[12]David E C,Wendell D T,Patrick H H,et al.Control Valve for a Vehicular Brake System:US,6877717 B2[P].2005-4-12.

[13]Herbert L J,Gamil M R.Solenoid Valve with Spherical Armature:US,7195226 B2[P].2007-3-27.

[14]李其朋,丁凡.比例電磁鐵行程力特性仿真與實驗研究[J].農業機械學報,2005,36(2):104-107.

[15]倪光正，楊仕友，邱捷.工程電磁場數值計算[M].北京:機械工業出版社,2010.

[16]李勇,丁凡,李其朋,等.電磁鐵力特性測試系統的研究[J].傳感技術學報,2007,20(10):2353-2356.