23E-10B电磁换向阀阀体的工艺分析与程序编程

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1、23E-10B电磁换向阀阀体的工艺分析与程序编程摘要 ESP 汽车稳定系统对汽车的制动安全性起着重要作用，23E-10B电磁换向阀是它重要的执行机构，其动态响应特性直接决定着 ESP 的工作制动效果。23E-10B电磁换向阀的 动态响应特性是由电磁场、机械运动和流体运动综合过渡过程决定的。 通过对 ESP 液压单元的解剖，根据液压 ESP 的控制要求和合作企业的 生产条件，做出了液压单元的设计方案，包括整体油路布置，23E-10B电磁换向阀、回流 泵、低压蓄能器和高压阻尼器等部件的结构和材料，绘制了全部图纸。 采用有限元的方法，以 ANSYS 软件为平台，建立了所设计的 ESP 电磁 阀电磁场

2、有限元模型，模型中考虑了线圈以及阀体、23E-10B电磁换向阀附近的空气、本 体和材料非线性特性的影响。研究了不同的线圈电流和阀芯开度状态下电磁 阀电磁场的磁矢势、磁通密度和磁场强度，以及阀芯所受的电磁力和线圈电 感的动态响应特性。建立了23E-10B电磁换向阀阀腔流场的不可压缩湍流有限元模型，研 究了23E-10B电磁换向阀压力损失和所受液动力与阀芯开度之间的定量关系。在 Matlab-Simulink 环境下，搭建了23E-10B电磁换向阀仿真模型，研究了23E-10B电磁换向阀的响应特性， 并通过与实验结果的比较，验证了23E-10B电磁换向阀电磁场有限元模型、阀腔流场有限 元模型的建模

3、和求解方法的有效性。在仿真结果的基础上，提出了改善23E-10B电磁换向阀动态响应特性的有效途径。对于23E-10B电磁换向阀的其它液压部件，也进行了一定程 度的研究。 关键词：23E-10B电磁换向阀，有限元分析，动态响应特性，仿真 ABSTRACT The Electronic Stability Program(ESP) is of great importance to vehicle brake safety. The solenoid valve is the most important executing module.Its dynamic response directly

4、 affect the braking effect of ESP. The dynamic response of solenoid valve is determined by synthetical transition of electromagnetism, mechanics and hydrokinetics. By anatomizing the ESP Solenoid Valve, we have developed a project of the hydraulic units, including its hydraulic circuit, Solenoid Val

5、ves, accumulators, dampers and pumps, and also completed the blueprints. Based on ANSYS, finite element analysis is used to develop the ESP solenoid valve model which we designed. In this model, the structure of the gap and magnetic flux density being nonlinearly proportional to magnetic field inten

6、sity are taken into account. As function of the coil current and plunger position, the magnetic force, coil inductance as well as magnetic flux density, magnetic field intensity and magnetic vector potential are studied. The finite element model of the incompressible turbulent fluid flow fields in s

7、olenoid valve is developed to study the relations between pressure loss, hydrokinetic force and the plunger position. Based on Matlab-Simulink, the model are developed to simulate the response of the solenoid valve. By comparing with the results of experiment, the validity of simulation solutions an

8、d the results of finite element models are verified. Base on the results of simulation,the effective methods to improve the performance of the solenoid valve are provided. We also studied some characteristics of other hydraulic units in the solenoid valve. Keywords： ESP, Solenoid Valve, Finite Eleme

9、nt Analysis, Dynamic Response, Simulation目录第一章 引 言41.1 ESP 简介41.2 ESP 的产生41.3 国内外 ESP 的发展现状6第一章 引 言7第二章 液压 ESP 23E-10B电磁换向阀的解剖82.1 解剖与测量方法的选取82.2 23E-10B电磁换向阀各单元结构9第三章 23E-10B电磁换向阀电磁场模型与计算153.1 电磁场的有限元计算方法153.2 23E-10B电磁换向阀的电磁场有限元模型153.3 有限元模型计算结果17第四章 23E-10B电磁换向阀流场模型与计算194.1 23E-10B电磁换向阀阀腔流场几何模型19

10、4.2 模型求解探讨19第五章 23E-10B电磁换向阀动态响应特性仿真与分析215.1 23E-10B电磁换向阀仿真的数学模型215.2 Simulink 中仿真模型的搭建22第六章 结论24参考文献25致谢26第一章 引 言 1.1 ESP 简介 在现代汽车工业中，电子化程度的高低已经成为 衡量一家汽车制造企业的重要指标。在这样一个环境下，电子系统被充分的 应用到了汽车的每一个环节，汽车控制系统，引导系统，保安类系统，通信 类系统都成了电子系统的应用领域。汽车电子稳定程序就是这样一个电子控 制的典范，它的英文缩写是 ESP(Electronic stability program)，车型不

11、同，其 缩写也所有不同，也有称汽车动力学控制系统(Vehicle Dynamics Control)， 沃尔沃称其为 DSTC,宝马称其为 DSC，丰田凌志称其为 VSC，其原理和作 用基本是相同的。 ESP 的功能就是监控汽车的行驶状态，在紧急躲避障碍物或在转弯时出 现不足转向或过度转向时，帮助车辆克服偏离理想轨迹的倾向，它是行驶车 辆的一种主动安全系统。 ESP 包含了防抱死制动系统(Anti-lock Braking System)、驱动力控制系统 (Traction Control System)，并增加了横摆力矩控制系统(Yaw Moment Control)，从而在制动、驱动和转向

12、情况下对汽车安全稳定行驶提供了有力的支持。ESP 是在 ABS,TCS 的基础上发展出来的。传感器负责记录横摆角速度，侧向加速度，转向轮转向角度，轮速，踏板位置信号，节气门位置信号，制动油压信号等，ESP 的控制单元会根据转向轮转向角信号，轮速信号，侧向加速度信号等来计算出保持车身稳定的理论数值，再比较由横摆角速度 传感器和侧向加速度传感器所测得的数据，发出平衡、纠偏指令。具体的纠 偏工作是这样实现的：ESP 通过 TCS 装置牵制发动机的动力输出，同时指 挥 ABS 对各个车轮进行有目的的刹车，产生一个反偏航扭矩，将车辆带回 到所希望的轨迹曲线上来。比如转向不足时，刹车力会作用在曲线内侧的后

13、轮上；而在严重转向过度时会出现甩尾，这种倾向可以通过对曲线外侧的前轮进行刹车得到纠正。 1.2 ESP 的产生 在物理行驶条件的限制下，要想安全而且平稳的驾驶一辆汽车并不是那 么容易的。这可以从 Shibahata1的一份研究报告中得到我们想要的解释。在 这份研究报告中，侧偏角被用来说明这个事实【图 1.1】。从【图 1.1】中我们可以清楚的看到侧偏角对于汽车机动性的影响。一 个重要的结论就是，汽车侧偏角增加，其转向产生的横摆力矩增益会变小。 因此，在干燥高附路面上，当车辆侧偏角大于 15 度的时候汽车的机动性就 丧失了，而在湿滑的低附路面，这个极限角度只有 4 度。同样的，Inagaki2

14、也研究了车辆的不稳定性与车辆侧偏角，车辆侧偏角速度之间的关系【图 1.2】。从图中可以看出，在很多的侧偏角与侧偏角速度的组合下，车辆都是不 稳定的（图中灰色部分），而且，上图只是在转向角度 0 度的情况下的稳定 情况，当转向角度到一定程度的时候，就差不多不存在稳定的区域了。 另一个影响汽车操纵稳定性的原因是驾驶员的经验问题。Frster3分析 了这样几条原因： 第一：驾驶员很难清楚地认识到轮胎与地面之间的摩擦系数。 第二：一旦地面附着率到达了极限而发生了打滑现象，驾驶员往往受惊 而作出错误的判断以及操作。 第三：方向盘转角和汽车的横摆角速度不是简单的线性关系，它超出普 通驾驶员经验之外。 因此

15、 Frster3提出汽车设计的目标要么是使汽车的运动行为控制在普 通驾驶员可以预测的范围之内，要么就避免汽车运动状态的突然改变。 相应的，有人概括了五种设计规则： 第一：当汽车达到极限状态时，它的行为也应该是可以预测的； 第二：在打滑路面上也应保证实际量和理论操纵量的偏差较小； 第三：汽车负载的变化对于汽车行为影响很小； 第四：路面变化和侧向风对车辆影响很小； 第五：应在客观上保证汽车转向性能时达到优。 同样，Heeb G4描述了一种被工业界广泛接受的方法。 一种使用防抱死制动系统（ABS）、驱动防滑系统（ASR）、悬架控制系 统和转向控制系统作为子系统组成的汽车动力学控制系统(VDC)，它直

16、接导 致了 BOSCH 公司的汽车动力学控制系统的研制开发。这种系统可以在汽车 全制动、部分制动、自由滑行、加速、发动机阻力矩反拖及轴距载荷转移等 各种情况下起作用，保证汽车的稳定行驶，而不再仅仅像 ABS 以及 TCS 一 样只在制动以及驱动的时候才起作用。它是防抱死制动系统（ABS）和驱动 防滑系统（ASR）基础上的有效拓展，使得在任何情况下的安全稳定驾驶成 为了可能。这也就是我们所说的 ESP。1.3 国内外 ESP 的发展现状 汽车行业内80年代的热门话题是ABS，90年代是牵引力控制装置TCS， 而当前的热门话题是电子稳定程序(简称 ESP)。1995 年以来，汽车界发布了 许多关于

17、极限情况下的汽车操纵稳定性的成果，其中使用制动和发动机扭矩 作为控制手段的闭环控制方法已成为汽车动力学控制系统研究的主要领域 和方向。汽车动力学控制系统的发展历程包括了从后轮驱动到前轮驱动，再 到四轮驱动，其算法也被逐渐验证并变得成熟。1996 年，The World Report 报道汽车电子稳定程序（ESP）将被许多不同的汽车厂商应用于各种级别的 汽车，特别是随着 ESP 系统成本的下降，紧凑型轿车和微型轿车也将装备 这种系统。1998 年 8 月，德国大众就宣布号称其 A 级车典范的 BORA 车选 装 ESP 系统，2001 年 ESP 系统成为大众的紧凑性轿车第四代 Polo 的选装

18、 部件。现在 ESP 算不上是新事物，它已经在梅赛德斯奔驰和宝马等品牌 的车上用了几年，雪佛兰考维特、某些凯迪拉克车型和日本豪华车也用了， 现在它已普及到了北美一些比较便宜的车型。如奥兹莫比尔的 Intrigue、福第一章 引 言 特福克斯和许多轻型卡车上。到目前为止欧洲是 ESP 大的市场，而且将 继续保持几年。虽然目前北美对 ESP 的使用还刚刚起步，但它在美国汽车 上安装率的增长速度已经超过了欧洲，预计 6 年内可经达到目前 ABS 的安 装率，可以指望有朝一日 ESP 将使得美国运动多用途车的翻车事故大为减 少。 尽管近几年，我国的汽车工业发展很快，但我们与世界上经济发达国家 仍存在着

19、很大的差距，这既有经济实力上的差距，也有管理和技术上的差距。 就拿客车业安全技术现状来说，虽然近几年，我国的一些合资、合作客车企 业，在豪华高档客车上都相应配置了高技术含量的安全技术，像 ASR 防侧 滑系统和 ESP 电子稳定系统等。但全国 70%左右的大中型客车，在安全性 和可靠性上的技术标准却很低。而往往就是这些低安全标准的客车却经常行 驶在路况复杂的道路上，这些客车所发生的死亡事故占了重大交通事故的很 大一部分比例。 为了更好地保障乘车者的安全，使汽车生产商在产品设计、制造阶段， 认真考虑其产品的安全性与可靠性，我们应该根据目前国内安全技术水平的 状况就高不就低，尽快地出台与国际相适应

20、的安全技术标准，提高安全技术 门槛，缩小与世界先进水平之间的差距。 当前需要由企业和研究单位结合，做好软、硬件的开发和车辆的匹配研 究工作。 目标：攻克关键技术，完成产品开发，小批量装车试用。 主要研究内容：响应快速、灵敏、精确的各类传感器技术；复杂的 分析、运算、判断、执行、通讯软件技术；电液执行机构的设计、加工技术 等。 在我国，汽车动力学稳定控制的研究刚刚起步，工作集中于理论分析的 阶段上。清华大学基于在 ABS 的成功研究上，对用于电子稳定程序的汽车 模型与控制策略的研究已经取得了重大的突破成功。通过对汽车极限工况的 分析，利用相平面的分析方法制定合适的控制策略，以横摆角速度作为主要

21、控制量，车辆侧偏角为辅助控制量，对汽车进行有效的控制。4、5、6、7 随着 ESP 系统的日益成熟，它已经广泛的被应用于各类汽车中，因此 其未来的发展主要集中于系统的可靠性、安全性和低成本的研究与开发，集 中于系统的整合。ESP 系统的可靠性和安全性是汽车研究永远的主题，低成 本则使 ESP 系统可以应用于中级和微型轿车，具有极大的商业价值。同时， 未来的 ESP 系统致力于整合其它系统，不仅包括 ABS、ASR、发动机反拖， 而且包括悬架控制、转向控制，终构成一个可以控制汽车所有姿态的控制 网络。为实现这个目标，包括 BOSCH 在内的世界上许多著名公司正在努力。 第二章 液压 ESP 23

22、E-10B电磁换向阀的解剖 根据对 ESP 液压23E-10B电磁换向阀的解剖的全过程，本章提出了23E-10B电磁换向阀解剖测量 的方案，对液压 ESP 的工作原理和各个零部件的功能进行分析。 2.1 解剖与测量方法的选取 2.1.1 解剖方法的选取 ESP 23E-10B电磁换向阀是一个结构复杂的零件，油道纵横交错，为了通过解剖弄清 楚23E-10B电磁换向阀各个零件内部的结构和尺寸，需要选择一种尽量能够保证零件完整 性的加工方法，但是由于很多零件都属于精密零件，而在解剖之前我们对其 中的具体结构又缺乏全面深入的了解，所以解剖过程要注意尽可能的保护其 各单元重要的尤其是小尺寸精密部件。因此

23、切割的加工方法比较适合对电磁 阀的解剖，它能够保留一部分零件，这样能够保证23E-10B电磁换向阀的完整性，同时又 能够进一步了解零件的结构和功能。切割零件的切缝必须足够小以防止破坏 零件内部的结构，而且必须能精确地控制切缝的走向，常规的机加工方法 （车、铣等）很难实现，因此，在解剖之前初步考虑选用激光切割或者电火 花线切割。 选取解剖方法时还需要考虑到切割速度、切割质量和成本等多方面的因 素。 对于激光切割，由于受到激光器功率和设备体积的限制，只能切割中、 小厚度的材料，且随着工件厚度增大，切割速度明显降低；线切割对加工的 工件厚度没有很大的限制，可从毫米级到分米级。23E-10B电磁换向阀

24、的切割宽度基本都 在几十毫米以上，就这点而言，线切割比较合适。 因此，经过比较，终决定选用线切割加工方法对23E-10B电磁换向阀进行解剖。但 是由于线切割不能切割橡胶材料，所以对于23E-10B电磁换向阀中的密封橡胶圈是不能直 接进行切割的，因此在进行线切割之前，需要对23E-10B电磁换向阀的执行机构进行预加 工，将一部分包含有橡胶圈的零件：各个23E-10B电磁换向阀取出来。因此初步加工方案采取的是通过铣床对一部分零件进行预加工，取出带橡胶圈的零件后再进行 线切割。 2.1.2 测量方法的选取 由于23E-10B电磁换向阀中的零件种类繁多，要根据不同零件的结构、尺寸和材料等 因素选取不同

25、的测量方法。 对于本体这样空间尺寸相对较大的零件，需要用三坐标仪进行测量，尤 其是对于本体上的各个孔距，用其它方法是很难保证精度的。对于带有微机 处理器的高精度三坐标仪，精度达到微米量级，采用模块化的测量界面，储 存数据后自动处理，无需人工计算。 对于大多数零件上的细微结构和重要尺寸，需要用工具显微镜进行测 量，以保证测量精度。 对于轴对称零件的外径尺寸，基本上采用螺旋测微器为测量工具。 对于零件中较大的内孔直径，采用专用的内径百分表测量；较小的内孔 直径，采用工具显微镜或投影仪测量。 圆形倒角尺寸采用 R 规进行测量。 其它一些较粗糙或对于23E-10B电磁换向阀性能影响不大的尺寸，用游标卡

26、尺即可。2.2 23E-10B电磁换向阀各单元结构 2.2.1 本体 本体结构是23E-10B电磁换向阀执行结构各个零部件：增压阀、减压阀、吸入阀、限 压阀、回油泵、低压蓄能器、高压阻尼器、预压泵和压力传感器的装配基体。 其上方是23E-10B电磁换向阀的 ECU 控制单元，下方是电机。由于各个零部件都要以其 为基准进行装配。也包括了连接各个零部件的油道。该23E-10B电磁换向阀执行机构是采 用的 4 通道结构，分别独立控制 4 个车轮的制动。要求它的结构紧凑，为了 减少结构复杂，在各个23E-10B电磁换向阀部分定位和封盖定位都采用的是挤压材料变 形，因此材料采用铝合金，本体结构图如图 2

27、.1 和 2.2 所示： 由于在入口处要首先进入压力传感器，而来自总缸的油压只需要测量一 个回路，因此只有一端的油道和压力传感器连通，因此除了入口之外，其余 结构都是两端对称。由于本体集成度比较高，各个油道和零部件装配线的定 位必须十分精确，在本体加工尽量减少定位面，在底部会加工出几个工艺孔， 作为定位基准，为了保证加工精度，控制定位面只改变一次。 本体中共有两组液压单元，每一组中包括两个增压阀、两个减压阀、一 个限压阀、一个吸入阀、一个预压泵、一个回油泵、一个低压蓄能器和一个 高压阻尼器。两组之间的油路互不相通，在本体内部完全对称布置，分别负 责控制两个前轮轮缸和两个后轮轮缸的制动压力。本体

28、设计的基本思想是在 不影响各液压单元功能的情况下，尽量减小它们之间的相对距离，使得布置 紧凑，以减轻本体的重量。 本体材料选择为 LD21 型锻铝，密度相对较小，而且硬度较小，这是 由于装入增压阀和减压阀时都需要挤压本体变形来进行轴向定位，硬度小可 以降低装配难度。 本体外表面粗糙度 Ra3.2m，可使外形整齐美观，减小线圈盒的装配 误差，铣削加工即可达到要求。一般内孔粗糙度 Ra1.6m，保证各个液压 单元的装配精度。对于蓄能器内孔，由于蓄能器的活塞在23E-10B电磁换向阀工作时要在 其中往复运动，为减少活塞和 O 形密封圈的磨损，粗糙度定为 Ra0.8m， 加工时需要进行磨削。 各配合尺

29、寸公差将在后面介绍与之配合的液压单元时说明。 2.2.2 增压阀 增压阀结构是常开结构，如图 2.3 所示，主要零件：动铁、隔磁管、推 杆、阀座、节流器、滤网、滤布、弹簧增压阀的行程为 0.3mm。当电磁 阀不工作的时候，整个增压阀处于常开状态，在弹簧作用下推杆顶部的铁球 和节流器阀口分开，制动液通过23E-10B电磁换向阀的底部进入制动缸的油道。当23E-10B电磁换向阀 开始工作的时候，线圈通电，在23E-10B电磁换向阀的动铁和阀座之间产生电磁场，由于 电磁场作用，动铁和阀座相互吸引，推动推杆进行运动，使推杆头部的铁球 堵住节流器出口，关闭增压阀。其中动铁和阀座间隙以及节流器的大小对增

30、压阀的性能影响比较大，具体分析见后面性能分析。增压阀的装配必须要保 证增压阀的长度和行程。各个配合都要求是过盈配合，其中推杆和阀座的配合是间隙配合，保证推杆能够运动。在底部的唇口橡胶不仅能够起到密封的 作用，而且由于它的特殊结构，能起到单向阀的作用，可以保证在增压关闭 的时候，有助于制动液能够通过该唇口回流到主缸，但是主缸的油不能向上 流到制动缸。增压阀的顶部采用的是挤压本体的材料使其定位。其余各个滤 网滤布的作用是起到过滤的作用。在装配时需要首先装配好各个滤网滤布， 后通过压铆阀座保证这些的定位。电磁线圈套在隔磁管外面，不通电时， 推杆在回位弹簧的作用下处于常开状态，通电后在电磁力的作用下关

31、闭，切 断了主缸与轮缸之间的压力传送。 隔磁管的主要作用是密封增压阀，对动铁的运动起导向作用。隔磁管以 滚焊的方式与阀体连接，它与阀体之间的相对位置直接影响到动铁的行程， 进而影响23E-10B电磁换向阀的响应特性，所以焊接时应当精确定位。隔磁管与阀体为H8/m7 过渡配合，以保证装配同轴度。隔磁管材料选为 1Cr18Ni2，为非铁 磁性材料，这是因为隔磁管处于线圈和动铁之间，磁路的形成必须要经过隔 磁管，如果选用铁磁材料，磁力线会通过隔磁管形成回路，大大减少了动铁 上的电磁力。 动铁是磁路的一部分，是电磁力的载体，推动阀芯关闭23E-10B电磁换向阀，选用低 碳钢材料。动铁上开有两个沟槽，使

32、其两端油液相通，以减少压力差引起的 液阻力。 阀芯推杆材料为 0Cr18Ni9，属于非铁磁性材料，与隔磁管类似，这是 为了使磁力线通过工作气隙，产生电磁力。 压套以挤压变形的方式和阀体连接，起支撑整个增压阀的作用，并且它 也是磁路的一部分，选用铁磁性材料。 阀座在23E-10B电磁换向阀工作的过程中不断受到阀芯的敲击，所以它与阀体之间选 用较紧的过盈配合 H7/s6。顶端的锥面与阀芯的钢球相接触，圆跳动 0.004， 表面粗糙度 Ra0.2m。 节流器为增压阀的重要部件，它上面的节流孔径对液压单元的调压特性 有重要影响，需要在 ABS 匹配时调整。 回位弹簧选用碳素弹簧钢，总圈数 5，有效圈数

33、 3，节距 1.5mm，刚度 2.0N/mm，端部磨平。 装配时先将整个增压阀放入本体内，靠阀体上的大截面处和压套外缘 两个部位与本体之间的 H7/h6 配合保证基本的装配精度，然后挤压本体变 形，变形材料压住压套的上表面实现定位。 2.2.3 减压阀 减压阀的结构如图 2.4 所示，线圈套在隔磁管和定铁外面，不通电时， 阀芯在回位弹簧的作用下处于常闭状态，通电后在电磁力的作用下打开，实 现了轮缸压力降低。减压阀的结构是常闭结构，如图所示，主要零件：定铁、 动铁、隔磁管、弹簧、阀座、节流器、滤网、滤布减压阀行程为 0.1mm。 当23E-10B电磁换向阀不工作的时候，整个减压阀处于常闭状态，在

34、弹簧作用下定铁和动 铁分离，动铁顶部的铁球堵住节流器阀口，来自制动缸的制动液不能通过节 流器进入回油泵回路。当减压阀开始工作的时候，线圈通电，在23E-10B电磁换向阀的定铁和动铁之间产生电磁场，在电磁场的作用下，相互产生吸引，使弹簧压缩， 动铁顶部的铁球和节流器分开，使制动液可以通过节流器阀口进入回油泵低 压端。减压阀结构中比较重要的密封性，除了两端的橡胶圈可以满足功能要 求外，我们还必须要求在23E-10B电磁换向阀的底端橡胶能够和本体底部紧密结合，达到 密封。 减压阀隔磁管材料与增压阀相同，主要作用是封闭油腔，对阀芯运动起 导向作用。在隔磁管上开有一个0.8mm 小孔，油液通过此小孔进入

35、油腔， 小孔作用与增压阀节流器作用相同。 定铁为低碳钢材料，与隔磁管滚焊连接，主要作用为形成磁路，控制行 程。与隔磁管为 H7/m6 过渡配合。 减压阀阀芯动铁材料与增压阀阀芯推杆不同，为铁磁性材料，因为它也 是构成磁路的一个主要部件，是电磁力的载体。阀芯上开有两个沟槽，减小 压差液阻力。 2.2.4 回油泵 回油泵的结构如图 2.5 所示。此回油泵是往复式柱塞泵，在电机偏心轮 的驱动下，将减压阀送来的制动液泵入高压阻尼器，返回增压阀或主缸。两 个回流泵对称地分布于电机轴两侧，通过联动装置实现协调运动，分别泵回 前后制动管路的制动液。回油泵采用的是柱塞泵，由偏心轮电机驱动，两个 回油泵之间由铁

36、环连接。如图，回油泵有三个腔，分别由两个端口和铁球、 弹簧隔离，当柱塞泵向上运动的时候，中间空腔的油由于受到压缩，压力升 高，顶开与顶腔密封的铁球，使得中间空腔的高压油可以进入顶腔，当回油 泵柱塞向下运动的时候，底部与中间空腔的铁球被顶开，这样油就从低压端 进入了中间空腔。于是就完成了一次泵油过程，在这个过程中，两端的柱塞 泵由同一个铁环连接，由偏心轮驱动电机驱动来回运动。 回油泵由于要求形成内部一个空腔，而这个空腔的密封完全依靠零件装 配时形成的配合面，因此采用的是铁球和圆锥面的一个截面形成密封圈。所 以配合要求非常高。 第三章 23E-10B电磁换向阀电磁场模型与计算 液压 ESP 23E

37、-10B电磁换向阀的动态特性对整个 ESP 的性能起着非常重要的作用。 本章采用有限元方法，以 ANSYS 软件为平台，建立了第二章中所设计的电 磁阀的电磁场有限元模型，在模型中，考虑了材料非线性磁特性和阀周围空 气介质的影响，研究了不同的线圈电流和阀芯开度状态下23E-10B电磁换向阀磁场的矢量 磁势和磁场强度，进而得到动铁所受的电磁力和线圈电感的动态响应特性， 是第五章进行仿真计算的基础。 3.1 电磁场的有限元计算方法 电磁场的计算中，经常对控制偏微分方程进行简化，以便能够用分离变 量等方法得到电磁场的解析解，其解的形式为三角函数的指数形式以及一些 特殊函数表示的形式。但在工程实践上，要

38、精确得到问题的解析解，除了个 别情况，是相当困难的，只能根据具体情况给出边界条件和初始条件，求出 其数值解，有限元法就是其中有效、应用广的数值计算方法。有限元法 把整个研究区域分割成合适形状的单元，在单元上选定结点；将控制微分方 程中的变量改写成由各变量或其导数的结点值与所选的插值函数组成的线 性表达式；通过变分原理或加权余数法，将控制方程转化成单元的有限元方 程；把单元方程汇集成整体方程组，并加入边界条件和初始条件，求解各结 点的变量值。有限元法常用的变分法是瑞利里兹法，常用的加权余数法是 迦辽金法。 3.2 23E-10B电磁换向阀的电磁场有限元模型 3.2.1 23E-10B电磁换向阀的

39、几何模型 减压阀的结构如图 3.1 所示： 在 ANSYS 中先建立23E-10B电磁换向阀的几何模型，模型作了如下两点简化：第一， 忽略动铁上的两个沟槽，假设模型为旋转轴对称模型；第二，隔磁管、阀芯 和本体为非铁磁性材料，由于这种材料的相对磁导率 r值与 1 的差异在小数 点后面四位以下，所以可假设 r1，与空气介质模型一致，不再单独建模。 所建立的模型如图 3.2 所示。第三，在23E-10B电磁换向阀周围增加了线圈模型。有限元几何模型中的红色部分为线圈，紫色部分代表空气模型，由线圈盖和轭铁（铁 磁性材料）固定位置。 3.2.2 模型材料属性与线圈常数 模型的材料属性分为三个部分设定，即空

40、气属性、铁磁材料属性和线圈 材料属性。 空气属性中，相对磁导率值设定为 1。 铁磁材料属性单元，包括动铁、阀座、线圈盖和轭铁，这些是以低碳钢 为主要材料的零件，含碳量 0.16%，属于软磁材料。对于软磁材料，矫顽力 Hc 很低，工程上一般忽略磁滞现象的影响，近似的以一条单值曲线表示其 B-H 关系。根据手册查到其非线性的 B-H 磁化曲线，如图 3.3，相对磁导率 由此曲线确定。电阻率为 1.0 10-7m。 3.3 有限元模型计算结果 3.3.1 磁场的形成 线圈通电，就会在其周围产生磁场，磁力线可以形象的描述磁场的分布。 给线圈加 12V 阶越电压，跟踪磁场形成的过程，在不同的时间点观察磁

41、力 线的分布，如图 3-6 所示。由图可见，磁力线基本分布在铁磁性物质中，如 动铁、阀体、线圈盖和轭铁，它们构成了磁通的主要路径。另外，不可避免 的还有很少的一部分磁通不在预定的路径中通过，这是磁通的次要路径。这 两种路径统称为磁路。通过主要路径的磁通称为主磁通，通过次要路径的磁 通称为漏磁通。在23E-10B电磁换向阀设计中，要求磁通尽可能多的通过主磁通，经过主 工作气隙对动铁产生吸力。图中的磁力线只有只有很小一部分分布于隔磁管 和线圈扼铁之外的空气模型中，因此不会因为互感而影响其它23E-10B电磁换向阀的工 作。 由图 3-6 还可看出，在通电的初始阶段，磁力线主要集中分布于磁导体 表面

42、，随着磁场的建立，导磁体内部也出现了磁力线，但数量非常少，所以， 如果把动铁中部的材料去掉一些，也基本不会对磁场产生影响，但这样却可 以减少运动质量，缩短响应时间。 3.3.2 矢量磁势 矢量磁势 作为单元的自由度，是电磁场有限元求解中首先计算出的量， 是求解其它参数的基础。图 3.7 为23E-10B电磁换向阀完全打开时的矢量磁势等势图。 3.3.3 磁场强度和磁感应强度 磁感应强度 由公式 1.2 可知为矢量磁势 的旋度，因而等势线密处磁感 应强度大， 主要集中于磁回路中，在主工作气隙处强。磁场强度 在工作 气隙处的值要远远高于磁路中的其它地方，这是由铁磁材料的 B-H 曲线的 性质决定的

43、。图 3.7 为 矢量磁势图，图 3.8 为电磁力图。 3.3.4 电感 图 3.10 所示为23E-10B电磁换向阀工作范围内不同线圈电流和不同阀芯开度状态下 的电感。计算结果显示，在每个阀芯开度下，电感的变化分为三个阶段。线 圈电流由零开始增大，电感则迅速增大，当电流达到 0.5A 以后，电感值进 入了一个相对缓慢增长的平台期直至电流达到 1A 左右，电感达到大值， 之后随着电流的再增大，电感逐渐减小，后基本稳定于 0.015H。当电流一定时，电感随着阀芯开度的减小（位移增大）略有所增加，在峰值电感处 增加较明显。 第四章 23E-10B电磁换向阀流场模型与计算 制动液流经23E-10B电

44、磁换向阀阀腔时会引起压力损失，同时因动量发生变化会引起 液动力。压力损失会使轮缸压力的建立滞后于主缸压力，而液动力直接作用 于阀芯，影响23E-10B电磁换向阀的动态响应特性。本章以第二章所设计的23E-10B电磁换向阀为研究 对象，选择阀腔进出口过流断面及阀腔内壁面为控制面的控制体，基于 ANSYS 用有限元方法建立增压阀内制动液的牛顿流体的湍流模型，建立压 力损失和阀芯所受液动力与阀芯位置和流速、进出口压差的关系。 4.1 23E-10B电磁换向阀阀腔流场几何模型 由于选择模型控制体的时候，应将问题的边界设在条件已知的地方，如 果并不知道精确的边界条件而必须作出假定时，就不要将分析的边界设

45、在靠 近感兴趣的区域，也不要将边界设在求解变量变化梯度大的地方。分析开始 时还不能肯定23E-10B电磁换向阀阀口中哪个地方梯度变化比较大，这就要先作一个试探 性分析，然后根据结果来修改分析区域。阀芯附近所在的阀腔包括节流器的 节流孔和阀芯与阀座之间的阀口，是本章要着重分析的区域，也是制动液速 度、压力梯度变化较大的区域，因此模型控制体应包括这个区域。 本章研究的对象为23E-10B电磁换向阀内部的增压回路，从进入23E-10B电磁换向阀本体的入口开 始建模，通过增压阀的节流孔和阀口，直至制动液流出23E-10B电磁换向阀本体。 在 Pro/E 中建立流场控制体的三维几何模型如图 4.1 和图

46、 4.2 所示。模 型中各部分的所代表的流场的名称已经在图中标出，其中阀芯部分是在增压 阀的阀腔中去除掉一个与阀芯的几何尺寸一致的模型，这样便形成了增压阀 的阀口。 4.2 模型求解探讨 将上面 Pro/E 的 3D 模型转化为 IGS-solid 文件，导入 ANSYS，进行网 格划分，如图 4.3 所示。如果在边界附近出现明显的梯度，可能出现质量不 守恒，这是由常压边界条件和充分发展流动假设造成的。如果流动在出口端 没有充分发展，ANSYS 会强制后一排单元来满足边界条件，这种调整有 可能引起质量不守恒，为了防止这种情况的出现，出口处增加了一段虚拟的 发展长度（ANSYS 分析中称之为“c

47、himney（烟囱）”） ，它不必与实际的物 理流动的几何尺寸相匹配。为了求得原来真正出口处的压力，将虚拟出口处 压力减去这段“chimney”的压降就可以了。在“chimney”所有横截面上压 降是不同的，必须选择一个压降的典型值来匹配出口条件。 第五章 23E-10B电磁换向阀动态响应特性仿真与分析 23E-10B电磁换向阀在工作的过程中，具有一定电磁惯性和机械惯性，因此需要根据 电磁学、机械动力学及流体动力学的基本原理，对23E-10B电磁换向阀的工作过程进行理 论分析和模拟计算，从而对高速23E-10B电磁换向阀的动态响应特性得出定量的认识。当 在23E-10B电磁换向阀电磁线圈加上（

48、撤去）电压后，阀芯不可能立即产生运动，而是需 要一定的过渡过程，这是电磁延迟和机械延迟的结果。23E-10B电磁换向阀的动态响应特 性是描述这一过程的动态参数，它主要是指阀芯的位移 x、运动速度 v、加 速度 a 以及电磁吸力 Fm、电感 L、电磁线圈电流 i、线圈磁链等参数随时 间变化的函数关系，反映了23E-10B电磁换向阀的实际工作状态，对其进行深入的研究有 助于全面地了解23E-10B电磁换向阀的工作特性。 本章对23E-10B电磁换向阀动态特性的研究，基于第二章所设计的23E-10B电磁换向阀，利用电磁 学原理、牛顿力学原理建立其动态数学模型，利用前面两章中得到的电磁力 和电感三维差

49、值表，以及液动力与阀芯位置的关系，仿真出各参量随时间变 化过程，对于电流的时间历程，可以从中得到阀芯的响应时间，这也是可以 通过实验测得的，通过仿真与实验的比较，进一步验证了前面两章有限元计 算的正确性。 5.1 23E-10B电磁换向阀仿真的数学模型 电磁场的动态过程可以由电磁线圈的微分方程式来表示： 式中： U电磁线圈驱动电压， R线圈回路的电阻， i线圈电流， 磁链，L线圈电感，Ud泄流二极管压降。 对于线圈电感，前面已经介绍过，它不仅是阀芯位置 x 的函数，还是线 圈电流 i 的函数，即有 L(x,i)的形式，所以 上式中：v阀芯移动速度，m阀芯和动铁的质量，Fm电磁力（它 是阀芯位移

50、 x 和线圈电流 i 的函数），K回位弹簧刚度，Fp阀芯组件所受 液动力，b速度阻尼系数，x阀芯位移，G0弹簧预紧量，Ff摩擦力。 式 15 和式 16 即为23E-10B电磁换向阀仿真的基本方程。 5.2 Simulink 中仿真模型的搭建 5.2.1电磁力和线圈电感 仿真中所用到的电磁力与电感的基本函数式 Fm(x,i)和 L(x,i)是由第三章的电磁场有限元计算得到的，在 Simulink 仿真中 用于查表，表的生成要先经过密网格拟和，尽量减小误差。 5.2.2 二极管模型 二极管为 ESP 的 ECU 上的部件，并联在电磁线圈两端，在加 12V 阶越 电压时，电流方向与二极管导通方向相

51、反，二极管不起作用，此时它两端压 降 Ud 为 0；当撤掉电压时，线圈电流不能马上变成 0，有一定的泄流时间， 此时的电流方向与二极管导通方向相同，在两端产生压降。5.2.3 Simulink 模型 在 Matlab-Simulink 中搭建仿真模型如图 5.4 所示。 模型由式 15 和 16 搭建，其中有三个切换量：电压切换，控制模型阶越 电压的加载和卸载；二级管切换，加载时二级管不起作用，Ud 以 0 计算， 卸载时以式 17 计算；摩擦阻力切换，因为阀芯在开启和关闭时摩擦力方向 不同。 模型中一些参数是需要设定的：运动质量 m 包括动铁和阀芯质量，经 过计算为 4.4x10-3kg；弹

52、簧刚度 K 为 2kN/m；预紧量 G0 为 0.0024m；速度 阻尼系数 b 由动量定理计算出为 0.034；电阻 R 经计算约为 6.154； 摩擦阻力 Ff 目前没有办法测定，考虑到在运动过程中动铁与隔磁管和 阀芯与阀体间压力很小，并且周围被油液包围，所以 Ff 也很小，估计数值 为 0.01N。 第六章 结论 汽车电子稳定系统 ESP 对汽车的制动安全性起着重要作用，23E-10B电磁换向阀是 它重要的执行机构，其动态响应特性直接决定着 ESP 的制动效果。23E-10B电磁换向阀 的动态响应特性是由电磁场、机械运动和流体运动综合过渡过程决定的。本 文通过对 ESP 23E-10B电

53、磁换向阀的解剖和设计，了解了其工作原理和内部关键参数， 并对它的电磁特性和液压特性进行了全面的仿真研究，并探讨了提高23E-10B电磁换向阀 动态响应特性的途径。结论如下： 采用有限元的方法，以 ANSYS 软件为平台，建立了典型 ESP 23E-10B电磁换向阀电 磁场有限元模型，模型中考虑了线圈以及阀体、23E-10B电磁换向阀附近的空气、本体和 材料非线性特性的影响，仿真计算结果与实验结果的一致性说明，这是一种 有效的建模方法。 计算分析了23E-10B电磁换向阀工作过程中对应于不同线圈电流和不同阀芯开度状 态下阀芯所受的电磁力和线圈电感。 同样用有限元的方法，建立了23E-10B电磁换

54、向阀压力损失与液动力同阀芯开度之间 的定量关系。 通过23E-10B电磁换向阀的仿真计算，确立了电流、阀芯位置和电磁力等状态参量的 时域响应特性。 基于仿真和实验结果，提出了提高23E-10B电磁换向阀动态响应性能的有效途径。 研究了23E-10B电磁换向阀其它部件，如低压蓄能器、高压阻尼器和回油泵的一些工 作参数与性质。 今后在 ESP 液压系统的设计和仿真分析方面还需要更进一步深入研究， 仍有大量工作有待完成： 1. 各个液压控制单元性能的仿真分析和实验测试。 2. 整个制动系统的动态响应特性的仿真计算。 参考文献 1 Shibahata Y., Shimada K., Tomari T.

55、, Improvement of Vehicle Maneuverability by Direct Yaw Moment Control, in Vehicle SystemDynamics, 22 (1993), pp. 465 - 481. 2 Inagaki, S.; Kshiro, I.; Yamamoto, M.: .Analysis on Vehicle Stability in Critical Cornering Using Phase Plane Method., AVEC.94, International Symposium on Advanced VehicleCon

56、trol, Tsukuba Research Center, October24 . 28, 1994, pp. 287 292 3 Frster H.-J., Der Fahrzeugfhrer als Bindeglied zwischen Reifen, Fahrwerk und Fahrbahn, VDI Berichte, Nr. 916, 1991. 4 宋健，李永.汽车防抱死制动系统控制方法的研究进展.公路交通科技，2002，19 （6）：140145 5 贾豫东.用于电子稳定程序的汽车模型与控制策略.北京：清华大学.2003 6 高博，王会义，历朴，宋健.ABS 硬件闭环仿真实

57、验研究. 北京：清华大 学.1998 7 祁雪乐.液压 ABS 23E-10B电磁换向阀解剖设计与动态响应特性研究.北京：清华大学.2003 8 张亚东.汽车防抱制动系统逻辑门限控制方法仿真计算研究.北京：清华大学.1998 9 Heeb G, van Zanten A T “System Approach To Vehicle Dynamics Control”, Fisita 1988,Nr 885107,Detroit pp2.109-2.121 10 Anton T. van Zanten,Robert Bosch GmbH. Evolution of Electronic Contr

58、ol Systems for 11 Improving the Vehicle Dynamic Behavior. 12 清华大学理论力学教研组.理论力学.高等教育出版社.1994 13 李智峰 霍空军 译.新型主动安全系统 ESP.城市车辆.20011 14 薛春雨. 基于 matlab/simulink 的 ESP 硬件在环仿真软件系统.北京：清华大学.2005 15 余志生.汽车理论（第三版）.机械工业出版社.2002 16 瞿向洲.牵引力控制系统（TCS）的硬件在环仿真及分析.北京：清华大学.2002 17 盛敬超.液压流体力学.机械工业出版社，1979 年 18 刘增民.磁有序物质特

59、性手册.电子工业出版社.1993 年 19 陈容林，张磊.液压技术与应用. 电子工业出版社.2002 年 20 ANSYS 中国.ANSYS 电磁场分析指南 21 ANSYS 中国.ANSYS 流体力学分析指南 22 嘉木工作室.ANSYS5.7 有限元实例分析教程.机械工业出版社.2002 年 致谢在本次论文的撰写中，我得到了教授的精心指导，不管是从开始定方向还是在查资料准备的过程中，一向都耐心地给予我指导和意见，使我在总结学业及撰写论文方面都有了较大提高;同时也显示了老师高度的敬业精神和职责感。在此，我对教授表示诚挚的感谢以及真心的祝福。四年大学生活即将结束，回顾几年的历程，老师们给了我们很多指导和帮忙。他们严谨的治学，优良的作风和敬业的态度，为我们树立了为人师表的典范。在此，我对所有的XX学院的老师表示感谢，祝你们身体健康，工作顺利!