分體式電磁閥設計理論及方法分析

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動部分、液壓執行部分（閥芯、彈簧等）相互獨立的一種的電磁閥。針對選定的電磁頭，需要單獨設計閥芯、彈簧、閥套等多個零部件，與電磁頭特性匹配，實現液壓模塊相關特性的控制。

隨著液壓技術的快速發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，目的就是使所有的電磁驅動頭實現通用化，有效地降低液壓模塊的成本，從而降低變速箱總成的成本。根據現在行業的現狀以及成本的壓力需要開展分體式電磁閥的設計理論研究。

1 分體式電磁閥原理及參數計算

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，閥芯在高頻開關狀態下控制壓力口壓力，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構圖及特性曲線示意圖

其中，Fs為彈簧力，Fm為電磁力，km為電磁比例系數，Ff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計算

以某款分體式常低比例壓力控制閥設計為例，設計目標如表1所示。

表1 分體式電磁閥設計目標

分體式常低比例壓力控制閥設計輸入如表2所示。

表2 選用成熟產品電磁頭電磁力 單位：N

從式（3）得到電磁力：

其中，km為電磁比例系數。

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，所以設計分體式電磁閥讓其工作區間落在電磁頭線性度較好的區間，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，選取（400, 5.345）、（1 200, 23.992），根據式（6）計算得電磁比例系數km約為0.02。

圖2 電磁頭F-I特性曲線圖

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

根據電磁閥設計經驗，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，根據設計經驗設置彈簧剛度為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計參數如表3所示[2]。

2 基于AMESim仿真優化

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、閥芯直徑等參數進行優化之后，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要求[3-4]。優化曲線如圖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曲線優化

經過AMESim仿真優化[3-4]，得到最終分體式電磁閥參數，如表3所示。

表3 分體式電磁閥的設計參數

3 測試驗證

根據仿真優化試制了相應的分體式電磁閥，具體結構如圖1所示，并按照相應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]，測試結果如表4所示。

表4 分體式常低比例壓力控制閥測試結果

分體式電磁閥測試結果與仿真對比如圖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、反饋面積大小（包括閥芯、閥套的尺寸）、彈簧的彈力。

根據分析的影響因素，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鍵因素為彈簧和閥套。

在設計分體式電磁閥時，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構、尺寸精度，盡量減少組成環，提高分體式電磁閥的一致性。

以優化閥套結構為例，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，從而增加組成環的個數，影響分體式電磁閥的一致性，優化方案就是減少該組成環，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，從而提高分體式電磁閥的一致性，如圖7所示。

圖7 優化前后的分體式電磁閥

對于彈簧的彈力可以采用調整法進行彈簧的裝配，即裝配時用選擇或調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 結論

對于分體式電磁閥設計，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，設計得到了與目標電磁閥相當的分體式電磁閥，同時找到了影響分體式電磁閥一致性的關鍵因素就是彈簧的彈力和閥套的結構，建立了完整的分體式電磁閥設計理論及方法，為電磁閥的設計奠定基礎。