基于薄壁磁通管的ABS电磁阀行程力特性仿真与实验研究

　, , ,3 (.浙江万向精工有限公司， 浙江 杭州　300； .浙江科技学院 机械与汽车工程学院， 浙江 杭州　3003； 3.浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室， 浙江 杭州　3007)

引言

提高ABS电磁阀的响应速度，能够增强PWM控制策略下汽车制动压力的可控性，从而提高车辆制动过程的舒适度。ABS电磁阀是一种高速开关阀，一般由电磁力驱动，因此电磁力输出特性直接决定阀的响应时间[1-5]。

为获得良好的电磁驱动特性，ABS电磁阀的驱动部分一般采用焊接成型的隔磁管结构，中空的隔磁管为动铁和定铁提供安装空间，但是装配间隙要求比较高，因此对零件加工精度要求较高，加工工艺较为复杂，加工成本较高[6-9]。近期研究人员提出一种磁栅式导磁套结构，通过在导磁套管表面加工若干深浅不等的凹槽，取得等效的隔磁效果，加工的工艺性得到提高[10]。薄壁磁通管则是通过在导磁套管上加工一个梯形环状凹槽，实现等效隔磁效果，加工成本降低，加工工艺性得到改进[11-13]。需要注意的是，由于凹槽处磁通路的作用面积相对狭小，磁路易于饱和形成漏磁，导致电磁力特性对该位置结构参数的依赖性显著提高。

本研究建立了基于薄壁磁通管的ABS电磁阀的有限元模型，探讨了薄壁磁通管主要结构参数对电磁力的影响规律，根据优化的设计结构参数进行了试验测试。

1　结构及原理

ABS高速开关电磁阀主要由外壳、线圈、骨架、磁通管、动铁、复位弹簧、阀座、环滤网、端滤网、单向密封圈等组成。磁通管、动铁、阀座和外壳用导磁材料制造。磁通管上加工一梯形环状沟槽。骨架用非导磁塑料制成。环滤网和端滤网用来过滤制动液杂质。动铁上加工纵向平衡油槽以减小运动阻力。动铁中心为注塑形成的塑料零件，和阀座组成平面密封。单向密封圈正向隔离进口和出口。

1.线圈　2.骨架　3.外壳　4.阀座　5.单向密封圈 6.复位弹簧　7.动铁　8.磁通管

在线圈非通电状态下，动铁在复位弹簧作用下，远离阀口，电磁阀处于常开状态。主缸的制动压力通过阀口处的节流小孔连通制动轮缸。当线圈通电时，动铁受到向下的电磁力，克服液压阻力和弹簧力关闭阀口，隔离主缸和制动轮缸。

2　仿真研究

2.1　理论基础

麦克斯韦方程组是电磁场计算的基础[14,15]，忽略位移电流以及磁滞效应的影响，考虑到电磁阀的轴对称结构特点，可得：

(1)

式中,μ—— 磁导率，H/m

γ—— 电导率，S/m

Js—— 源电流密度，A/m2

A—— 矢量磁位，Wb/m

Hc—— 剩磁系数，A/m

通过对场量的积分运算，可计算得到ABS电磁阀的行程力特性，计算公式为：

(2)

式中，n—— 包围衔铁的积分曲面的单位法向量

S—— 包围衔铁的积分曲面

2.2　仿真分析

采用有限元分析软件，将ABS电磁阀简化为二维轴对称模型，为提高计算精度，在工作气隙等位置加密网格。有限元模型和磁力线分布见图2，可以看出，磁通管下部的磁力线一部分通过动铁，一部分通过薄壁位置形成漏磁，两者在磁通管上部汇合。

图2　有限元模型和磁场分布

电磁阀的输出力与薄壁位置相关参数密切相关，仿真探讨薄壁结构处梯形沟槽的上下倾角、薄壁长度、薄壁厚度、薄壁初始高度等设计参数对电磁力的作用规律。薄壁位置相关结构参数示意图见图3。

图3　薄壁位置结构参数示意图

1) 梯形沟槽角度α

α的影响如图4所示。当α>50°时，随角度增大，全行程电磁力相应减小；但当α<50°时，全行程电磁力变化基本相当。这是由于随着α角度增大，薄壁磁通管下端部分磁阻增大，造成磁路磁通量减小，因而输出力减小。

图4　α对电磁力的影响

2) 梯形沟槽角度β

β的影响如图5所示。当β<50°时，全行程范围内，电磁力基本相当。β角度越大，电磁力相对越小。原因在于随着β角度增大，薄壁磁通管上端部分磁阻增大，造成磁路磁通量减小，因而输出力减小。

3) 薄壁初始高度h、长度l、厚度δ

h的影响如图6所示。薄壁初始高度的变化改变了薄壁与动铁之间的相对位置关系，若初始高度过低，则磁力线通过薄壁后直接进入薄壁上端，使得通过衔铁的磁力线减少，从而电磁力减小；若初始高度过高，则会产生向上的电磁力，使得动铁无法运动。

l的影响如图7所示。薄壁长度对初始状态下的电磁力影响不大，但对吸合状态下电磁力影响较大。

图5　β对电磁力的影响

图6　薄壁初始高度h对电磁力的影响

图7　薄壁长度l对电磁力的影响

在长度2.5～3 mm之间时，全行程电磁力基本相当。较长的薄壁使得磁路的磁阻增大，造成全行程下电磁力减小。

δ的影响如图8所示。薄壁厚度对电磁力的影响规律比较一致。随厚度增大，薄壁磁阻减小，漏磁较多，全行程下电磁力逐渐减小。随厚度减小，薄壁磁阻增大，漏磁较少，全行程下电磁输出力越大。但需要注意的是，厚度较小时，磁通管的耐压强度降低，因此薄壁厚度和长度的设计需根据电磁阀结构强度要求综合考虑。

进一步对结构参数进行细化研究，得到优化的设计参数如表1所示。

图8　薄壁厚度δ对电磁力的影响

表1　薄壁磁通管优化设计参数

为验证分析结果，应用搭建的电磁铁力特性测试系统[16]，对基于优化参数设计的ABS 电磁阀进行了实际测试。测试采用的主要元件为拉压力传感器，其量程为10 kg，精度为0.02%FS。

电磁阀行程力特性的测量数据与分析数据的比较见图9。由图看出，仿真数据与测试数据基本吻合，存在约7%的误差，原因在于材料的实际特性和零件的加工尺寸与仿真中设置的参数不完全一致。试验结果基本验证了分析模型的正确性。

图9　测量与仿真数据比较曲线

4　结论

本研究采用有限元方法，揭示了带梯形沟槽的薄壁磁通管结构参数对电磁阀输出力的作用规律，仿真和实验结果基本吻合，说明仿真模型是正确的。在考虑结构强度的前提下，设计较小的梯形沟槽角度，合适的薄壁长度和薄壁初始位置等可提高电磁阀的输出力特性。

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