反比例电磁阀中衔铁材料与热处理工艺对矫顽力的影响*

黄雨田,任青剑,万宏强

(1.陕西国防工业职业技术学院 机械工程学院，西安 710300；2.西安工业大学 机电工程学院，西安 710021)



反比例电磁阀中衔铁材料与热处理工艺对矫顽力的影响*

黄雨田1,任青剑1,万宏强2

(1.陕西国防工业职业技术学院 机械工程学院，西安 710300；2.西安工业大学 机电工程学院，西安 710021)

为研究衔铁材料、热处理和表面处理对矫顽力的影响，利用电液比例阀液压试验系统对不同磁性材料、磁性热处理和表面处理等工艺方法进行了试验分析.结果表明：电工纯铁DT4C作为反比例电磁阀衔铁材料时，对其进行磁性热处理后，矫顽力Hc≤48 m·A-1，磁性稳定性提高；该磁性热处理工艺过程为升温-保温(890 ℃，保温4 h)-降温(匀速降温速率为2 ℃·min-1，降温至800 ℃)-冷却(风冷)；衔铁材料经表面镀镍处理后(镀层厚度为0.03 mm)，表面硬度增加，衔铁耐磨性提高.

反比例电磁阀；衔铁；磁性热处理；表面镀镍

电液控制反比例电磁阀是一种用于汽车自动变速箱的行车安全控制阀，反比例是指电磁阀的输出压力随输入信号的增大而降低，位于变速器滑阀箱内，具有4个工位(即N92、N93、N282及N283)，工位N92和工位N282用于控制膜片式离合器的自动变速箱用油(Automatic Transmission Fluid，ATF)油压，工位N93根据发动机扭矩控制变速箱内ATF主压力，工位N283用于控制膜片式制动器的ATF油压，这四项功能是调节ATF油压，建立与实际工况相适应的系统油压，调节离合器和制动器的结合油压，实现同步换档，改善换挡质量，提高运行的平稳性.影响电磁阀工作性能的主要因素是电磁力的大小，而线圈匝数、加在线圈上的电流和磁性材料的矫顽力成为电磁力的主要参数[1].因滑阀箱加在所有电磁阀上的电压是相同的，而电磁阀上线圈的空间尺寸也是一定的，故要增大电流只能增大线径、减少匝数，而匝数减少使磁场强度降低，且电流增大又会引起发热和控制电器的变化等问题[2-3]，因此，无法通过增大电流提高电磁力.衔铁是电磁阀的核心元件，其电磁力的大小和磁稳定性(高温工作时产生的磁时效现象)直接影响电磁阀的工作性能[4-5].文献[4]对薄型电工纯铁衔铁磁性热处理工艺进行了研究,分析了电工纯铁衔铁的矫顽力影响因素和磁性热处理工艺.文献[5]分析了冷轧变形量和热处理工艺对电磁纯铁矫顽力的影响机理，给出了电磁纯铁矫顽力的影响曲线.文献[6]提出了电磁阀用软磁合金热处理工艺，结果表明电磁矫顽力受软磁合金热处理工艺参数影响.文献[7]对Fe-Co软磁合金真空磁场热处理工艺进行了研究.文献[8-9]对电控单体泵高速电磁阀电磁力的影响参数进行了量化分析，给出了电控单体泵高速电磁阀电磁力关键影响因素.文献[10]构建了高速电磁阀电磁力近似模型，基于近似模型分析了高速电磁阀电磁力.一般通过降低电磁材料的矫顽力来增大电磁力，选择矫顽力小的电磁材料作为衔铁材料，通过热处理和表面处理降低此材料的矫顽力，本文研究衔铁材料、热处理和表面处理对矫顽力的影响，以期改善自动变速箱换挡质量以提高其运行平稳性.

1　反比例电磁阀动态特性建模

线圈通电产生磁力使衔铁推动阀芯右移，卸油口逐渐打开调节ATF油压，直到卸油口全部打开，此时油压为0 MPa，完成换档.这一过程阀芯移动距离是一定的，当电磁力不足时，阀芯移动速度慢或遇阻，使滑阀箱各电磁阀同步关系破坏，换档产生发卡和异响.电磁阀开路时各零件所处的位置结构如图1所示，此时ATF油压最大，不具备同步功能，呈现出强烈的入档冲击.图2为电磁阀接通状态.

图1　电磁阀开路状态

图2　电磁阀接通状态

反比例电磁阀属于直动式电磁阀，比例电磁铁的动态特性由线圈电流强度、电磁吸力大小及衔铁位移的过渡特性等决定.

反比例电磁铁线圈电流动态特性与线圈动态特性电感和衔铁运动速度有关，电磁铁线圈电流动态过程[2]为

(1)

式中：U0(t)为电磁线圈电压；Lc为电磁线圈电感；i(t)为电磁线圈电流；Rc为电磁线圈电阻；Kb为反电动势系数；xc为衔铁位移；t为时刻.

衔铁在磁场中受到的电磁力为

(2)

式中：fe(t)为电磁力；N为电磁线圈匝数；Rg为气隙磁阻，Rg=l/μ0A；l为气隙长度，l=xe0-xe(t)；xe(t)为t时刻气隙长度;xe0为气隙的初始长度；μ0为真空磁导率；A为气隙部位垂直于磁力线的面积；I(t)为励磁线圈电流.

进行线性化处理，可得

fe(t)=KiI(t)+Kxex(t)

(3)

式中：Ki为电磁铁电流-力增益，Ki=∂fe(t)/∂I(t)；Kxe为电磁铁位移-力增益，Kxe=∂fe(t)/∂xe(t)；x(t)为线性化处理后t时刻气隙长度.

由于电磁铁的位移-力特性呈现水平特性，故Kxe≈0，是一个极小值.可推导出阀芯的动力学平衡方程为

fe(t)+p(t)A-ρq(t)vcosφ-K(x0+x(t))=

(m1+m2)

(4)

式中：p(t) 为阀稳态输出压力；m1为阀芯质量；m2为衔铁质量；ρ为液体密度；q(t)为液体流经阀口溢流量；v为液体流经阀口的速度；K为阀芯弹簧刚度；x0为初始弹簧压缩量；B为阀芯黏性阻尼系数；t为时刻；φ为液体流向角.

通过该阀阀口的油液溢流量为

(5)

式中：Cd为阀口流量系数;W为阀口面积梯度.

2　试验及分析

2.1试验装置

电液比例阀液压试验系统主要由机械系统、软件系统和硬件设备等组成.机械系统包括液压性能测试试验台、泵及附加连接部件等，软件系统包括电磁阀的控制程序及采样程序等，可设定步长、频率及脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)变换类型等要求，硬件设备包括作为采集储存数据和监控使用测控的测控平台、计算机及各种传感器等.电液比例阀的液压试验回路原理如图3所示.该测试系统可以完成反比例电磁阀的静态和动态特性测试,试验项目包括：静态力控特性、静态负载特性、输入电信号阶跃响应特性以及负载流量阶跃响应特性等.

图3　测试系统原理图

实验参数：① 工作电压为12 V；② 电阻为6.2 Ω；③ 最大工作压力为0.9 MPa；④ 最大流量为4 L·min-1；⑤ 工作电流为0～800 mA，工作压力为0～0.5 MPa；⑥ 泄漏量为0～0.05 L·min-1；⑦ 最大电流为1.2 A.

2.2衔铁材料对矫顽力影响试验

2.2.1进口10号钢试验

进口10号钢属于电磁材料，矫顽力Hc≤120 m·A-1，图4为使用进口10号钢做衔铁材料时电磁阀工作曲线，该曲线为变速箱反比例电磁阀正常工作曲线，其中工作压力死区占空比为8%，压力调节响应占空比小于50%.

2.2.2国产10号钢试验

从国家标准来说，国产10号钢不是电磁材料(国标中对其未提出电磁性能要求)，其化学成分和进口10号钢相近，矫顽力Hc为 200～240 m·A-1.

图5为使用国产10号钢做衔铁材料时电磁阀工作曲线.其中工作压力死区占空比小于3%，压力调节响应占空比接近65%.可见，工作压力死区占空比和压力调节响应占空比无法接近正常工作曲线，表明国产10号钢无法做衔铁材料用于反比例电磁阀.

图4　进口10号钢做衔铁材料时电磁阀工作曲线

图5　国产10号钢做衔铁材料时电磁阀工作曲线

2.2.3电工纯铁试验

电工纯铁是电磁材料，具有高于10号钢的电磁性能，衔铁材料选择电工纯铁.

图6为使用电工纯铁做衔铁材料时电磁阀工作曲线.其中主要工作参数：工作压力死区占空比接近8%，压力调节响应占空比小于55%.可见，工作压力死区占空比和压力调节响应占空比接近正常工作曲线，证明电工纯铁做衔铁材料用在反比例电磁阀上，但压力调节响应占空比无法满足正常工作要求.

图6　电工纯铁做衔铁材料时电磁阀工作曲线

2.3电工纯铁磁性热处理和表面处理对矫顽力的影响试验

对电工纯铁进行磁性热处理的作用是降低零件的矫顽力和提高磁性稳定性.影响矫顽力降低和磁稳定性的因素主要是磁性材料中的碳和杂质的含量，磁性处理就是通过加热使纯铁产生相变、晶体长大，同时拟制铁素体的产生(脱碳和杂质)，以减小矫顽力.要达到这样的目的，只有采用适当的热处理工艺才能达到预期的效果[3-4].通过大量的实践确定出热处理工艺：升温-保温(880 ℃保温 5 h)-降温(匀速降温速度为2 ℃·min-1，降至790 ℃)-冷却(风冷)；热处理后，电工纯铁DT4C矫顽力Hc≤48 m·A-1.

表面处理的目的是增加衔铁表面硬度，以提高衔铁耐磨性和使用寿命[5].但电工纯铁DT4C在表面处理时，由于浸在电解液中，衔铁表层部分杂质被电解液溶合而使其矫顽力略有降低，见表1.通常所使用的表面处理方法及工艺过程为表面镀镍，镀层厚度0.03 mm.工艺过程：除油-浸蚀-化学镀镍-清洗-烘干-烘焙(温度小于300 ℃).

表1　材料表面处理磁性能测试Tab.1　Magnetic testing of material surface treatment

图7为使用电工纯铁做衔铁材料并经磁性热处理和表面处理电磁阀工作曲线.其中主要工作参数：工作压力死区占空比接近8%，压力调节响应占空比小于50%.可见，工作压力死区占空比和压力调节响应占空比和正常工作曲线基本吻合，证明经特殊工艺磁性热处理和表面处理的电工纯铁做为衔铁材料时可以用在反比例电磁阀上代替进口10号钢.

图7　经磁性热处理和表面处理的电工纯铁做衔铁材料时电磁阀工作曲线

通过试验(见表2)可知，10号钢的占空比65%最大，电工纯铁经磁性热处理和表面处理后占空比为52%(可以通过其他途径调整到接近48%)，明显小于10号钢的占空比，也就是说使用10号钢做衔铁会出现明显的输出油压归零迟滞，使工作电流区间增加，影响电磁阀的工作协调性和工作性能，产生换档的平顺性和产生发卡异声.

表2　不同试验条件测得的占空比数值Tab.2　Measured values of different duty cycles

3　结 论

1) 矫顽力试验结果表明，电工纯铁DT4C作为反比例电磁阀衔铁材料时，占空比小于10号钢，对其进行磁性热处理后，矫顽力Hc≤48 m·A-1，磁性稳定性提高.

2) 电工纯铁DT4C经磁性热处理和表面处理后作为衔铁材料时，占空比低于未经处理电工纯铁.该磁性热处理工艺如下：升温-保温(890 ℃保温4 h)-降温(匀速降温速率为2 ℃·min-1，降至800 ℃)-冷却(风冷).该表面处理工艺为表面镀镍，镀层厚度0.03 mm，过程如下：除油-浸蚀-化学镀镍-清洗-烘干-烘焙(烘焙温度Tb≤300 ℃).

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(责任编辑、校对张超)

Effect of Material and Heat Treatment Process of Armature on the Coercivity in Inverse Proportional Solenoid Valve

HUANGYutian1,RENQingjian1,WANHongqiang2

(1.Mechanical Engineering Institute,Shaanxi Defence Vocational & Technical College，Xi’an 710300,China;2.School of Mechatronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

In order to study the effect of armature material,heat treatment and surface treatment on coercivity,different magnetic materials,magnetic heat treatment and surface treatment process are tested and analyzed by use of hydraulic test system for electro-hydraulic proportional valve. The results show: After magnetic heat treatment for electrical iron DT4C as inversely proportional solenoid armature material,the coercivity is less than or equal to 48 m·A-1,the magnetic stability is improved;The magnetic heat treatment process:heating-heat preservation (thermal insulation at 890 ℃ for 4 h) - lowering temperature (at uniform cooling rate 2 ℃·min-1to 800 ℃) - cooling (air cooling);After surface nickel plating treatment for armature material(to coating thickness 0.03 mm),the wear resistance of the armature is improved as well as the surface hardness is increased.

inverse proportional solenoid valve；armature；magnetic heat treatment；surface Ni-plating

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.08.009

2016-03-25

西安市科技局企业合作项目(CXY1431(1))

黄雨田(1957-)，男，陕西国防工业职业技术学院副教授，主要研究方向为机械制造与自动化.

E-mail：412196458@qq.com.

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1673-9965(2016)08-0652-05