CN103192815B - 一种液压制动力的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压制动力的控制方法，其包括以下步骤：设置一阀口常开的外流式开关电磁阀；以外流式开关电磁阀关闭状态下阀芯的位置为原点，以阀芯开启的方向为正方向，建立直角坐标系；对外流式开关电磁阀的阀芯进行受力分析，得到外流式开关电磁阀处于临界开启状态时阀口两侧压差Δp与线圈输入电流I的线性对应关系；根据阀口两侧压差Δp与线圈所通电流I的线性关系，在线圈所通电流I的作用下，使外流式开关电磁阀在限压差的工作模式下工作；根据液流输出压力p_out与线圈输入电流I的线性对应关系实现对液流输出压力p_out线性、精确地控制。本发明能实现对液压制动力线性、精确地调节，可以广泛应用于汽车制动系统使用的外流式开关电磁阀中。

Description

一种液压制动力的控制方法

技术领域

本发明涉及一种汽车制动系统的控制方法，特别是关于一种液压制动力的控制方法。

背景技术

制动系统是汽车上保证行驶安全性的关键部件。对于汽车的制动系统，如ABS(防抱死制动系统)、ESP(车身电子稳定系统)及制动能量回收系统，对液压力的控制效果将直接影响车辆的制动效能、制动舒适性以及能量经济性等。对于液压力的控制，最直接、最有效的方式即是采用比例阀，它可以实现对液压力线性、精确地调节，但过高的价格以及目前国内尚不具备设计、制造能力的现状限制了其在汽车制动系统中的使用。目前，在汽车制动系统中广泛应用的是价格较低的外流式开关电磁阀。对于外流式开关电磁阀，常采用PWM(脉冲宽度调制)的控制方式，但在外流式开关电磁阀PWM的控制方式下，其控制精度有限，无法实现对液压力的线性控制，且外流式开关电磁阀的开闭会产生一定的金属噪音，同时带来的压力波动也会产生一定的噪声，这都会对汽车制动效能、制动安全性、制动舒适性造成不良影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够实现对液压制动力线性、精确地调节的控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种液压制动力的控制方法，其包括以下步骤：1)设置一外流式开关电磁阀，其包括线圈、隔磁管、动铁、推杆、阀体、阀芯、弹簧、密封圈、环滤网、阀座、唇形密封圈、底封盖和底座；2)以所述外流式开关电磁阀关闭状态下阀芯的位置为原点，以阀芯开启的方向为正方向，建立直角坐标系；3)在建立的直角坐标系下，对所述外流式开关电磁阀的阀芯进行受力分析，求解得到阀芯底部球面与阀座之间形成的阀口两侧压差Δp与线圈输入电流I的线性关系：

Δp＝K₀·I-C₀，

其中， $K_0=\frac{K_i}{\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2},C_0=\frac{K_s\·(x_o+x_m)}{\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2},$ K_i为电流-力增益，π为圆周率，R_v为阀芯球体半径，α为阀座锥角，K_s为弹簧的劲度系数，x_o为预紧压缩量，x_m为阀芯最大位移；4)根据阀口两侧压差Δp与线圈所通电流I的线性关系，在线圈所通电流I的作用下，使所述外流式开关电磁阀在限压差的工作模式下工作；5)根据所述外流式开关电磁阀限压差的工作模式以及线圈所通电流与液流输出压力之间的线性关系，实现对液流输出压力p_out的控制。

所述步骤1)中的外流式开关电磁阀的结构为：所述线圈套在所述隔磁管上；所述隔磁管开口端和所述阀体焊接在一起，所述隔磁管封闭端与所述阀体之间形成一空腔；所述动铁设置在所述空腔内，并与所述隔磁管之间、与所述阀体之间均留有间隙；所述推杆位于所述阀体内，所述推杆顶端与所述动铁接触，其底端与所述阀芯凸缘顶面焊接在一起，所述阀芯的底部为一球面；所述弹簧套在所述阀芯上，其顶端与所述阀芯凸缘的底面接触，所述弹簧底端坐在阀座上；所述阀座通过过盈配合固定在所述阀体内，所述阀座与所述底封盖之间形成液压腔，该液压腔的径向设置有进油通道，与外部油路相连，所述进油通道的进油口与所述阀芯底部相对；所述阀座与所述阀芯连接处横向设置有出油口；所述密封圈套在所述阀体的外圆周上，所述环滤网通过过盈配合设置在所述阀体的横向出油口处，所述环滤网顶住所述密封圈；所述底封盖通过过盈配合固定在所述阀体内；所述唇形密封圈套在所述阀体的底部，位于所述阀体底部与所述底座之间；所述底座与所述阀体的底部过盈配合，所述底座的上端面设置有凹缘，所述凹缘端面与所述阀体的下端面接触。

所述步骤1)中的外流式开关电磁阀采用外流式常开电磁阀、外流式常闭电磁阀中的一种。

所述步骤3)中，所述阀口两侧压差Δp与线圈输入电流I的线性关系由以下步骤获得：①当外流式开关电磁阀处于关闭状态时，阀芯受力平衡方程为：

-F_e+F_s+F_h+F_N＝0，

式中，电磁力F_e＝K_i·I+K_xe·x_v，弹簧力F_s＝K_s·(x_o+x_m-x_v)，液压力F_N是阀座对阀芯产生的支持力，其中，K_i为电流-力增益，K_xe为位移-力增益，K_s为弹簧的劲度系数，x_o为预紧压缩量，x_m为阀芯最大位移，x_v为阀芯位移，α为阀座锥角，R_v为阀芯球体半径，Δp为阀口两侧压差，π为圆周率；②当外流式开关电磁阀处于临界开启状态时，阀芯位移x_v为0、支持力F_N为0、液动力F_h不变，根据电磁力F_e＝K_i·I和弹簧力F_s＝K_s·(x_o+x_m)，阀芯受力平衡方程为：

$-K_i\·I+K_s\·(x_o+x_m)+\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2\·\mathrm{\Δp}=0;$

③根据步骤②中阀芯受力平衡方程,得到压差Δp与线圈所通电流I之间的关系式：

Δp＝K₀·I-C₀，

其中 $K_0=\frac{K_i}{\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2},C_0=\frac{K_s\·(x_o+x_m)}{\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2}.$

所述限压差工作模式为：当外流式开关电磁阀处于临界开启状态时，若保持线圈所通电流I不变，阀口两侧压差Δp变大，根据阀口两侧压差Δp与液动力F_h的函数关系，阀芯所受液动力F_h变大，阀芯所受合力F大于零，外流式开关电磁阀开启，液流由阀座侧流向阀芯侧，阀口两侧压差Δp逐渐减小，直至达到外流式开关电磁阀处于临界开启状态时的压差Δp，阀芯所受力又重新恢复到外流式开关电磁阀临界开启时的平衡状态，外流式开关电磁阀再次关闭，完成限压差工作，使阀芯调节到外流式开关电磁阀临界开启时的平衡状态。

所述步骤5)中，在液流输入压力p_in已知的情况下，所述液流输出压力p_out与所述线圈所通电流I的线性对应关系为：p_out＝p_in-Δp＝-K₀·I+C₀+p_in。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于以外流式开关电磁阀关闭状态下阀芯的位置为原点，以阀芯开启的方向为正方向，建立直角坐标系，并在建立的直角坐标系下，对外流式开关电磁阀的阀芯进行受力分析，求解得到阀芯底部球面与阀座之间形成的阀口两侧压差Δp与线圈输入电流I的线性关系，并根据所述压差Δp与线圈所通电流I的线性关系，在线圈所通电流I的作用下，使外流式开关电磁阀限压差的工作模式下工作，根据外流式开关电磁阀限压差的工作模式以及线圈所通电流I与液流输出压力p_out之间的线性关系，实现对液流输出压力p_out的控制，因此本发明在液流输入压力p_in可以获知的情况下，通过对线圈输入电流I的控制可以实现对液流输出压力p_out线性、精确地调节，进而提高了汽车制动效能、制动安全性以及制动舒适性。2、本发明由于根据所述压差Δp与线圈所通电流I的线性关系，在线圈所通电流I的作用下，使外流式开关电磁阀在限压差的工作模式下工作，因此本发明可以进一步改善对液压制动力的控制品质，提高整车制动性能与舒适性。本发明可以广泛应用于汽车制动系统使用的外流式开关电磁阀中。

附图说明

图1是本发明的外流式开关电磁阀结构示意图；

图2是本发明建立的直角坐标系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明以汽车制动系统中使用的阀口常开的外流式开关电磁阀为例(本发明还可以在外流式常闭电磁阀中使用)，其包括线圈1、隔磁管2、阀体3、动铁4、推杆5、阀芯6、弹簧7、阀座8、底封盖9、密封圈10、环滤网11、唇形密封圈12和底座13。其中，线圈1套在隔磁管2上；隔磁管2开口端和阀体3焊接在一起，隔磁管2封闭端与阀体3之间形成一空腔；动铁4设置在隔磁管2与阀体3之间形成的空腔内，动铁4与隔磁管2之间、动铁4与阀体3之间均留有间隙，使动铁4能在上述空腔内上下运动；推杆5位于阀体3内，推杆5顶端与动铁4接触，其底端与阀芯6凸缘顶面焊接在一起；阀芯6的底部为一球面；弹簧7套在阀芯6上，其顶端与阀芯6凸缘的底面接触，弹簧7底端坐在阀座8上；阀座8通过过盈配合固定在阀体3内，阀座8与底封盖9之间形成液压腔，该液压腔的径向设置有进油通道，与外部油路相连，进油通道的进油口与阀芯6底部相对，通过进油通道可以向进油口提供液流；阀座8与阀芯6连接处横向设置有出油口；密封圈10套在阀体3的外圆周上，环滤网11通过过盈配合设置在阀体3的横向出油口处，环滤网11顶住密封圈10，以防止密封圈10滑动；底封盖9通过过盈配合固定在阀体3内；唇形密封圈12套在阀体3的底部，位于阀体3底部与底座13之间；底座13与阀体3的底部过盈配合，底座13的上端面设置有凹缘，其凹缘端面与阀体3的下端面接触。由于是外流式开关电磁阀，因此，阀座8侧液压力为高压，阀芯6侧为低压，液流由阀座8侧流入阀芯6侧。

本发明采用上述阀口常开的外流式开关电磁阀对液压制动力进行控制时，其包括以下步骤：

1)如图2所示，以外流式开关电磁阀关闭状态下阀芯6的位置为原点，以阀芯6开启的方向为正方向，建立直角坐标系。

2)在建立的直角坐标系下，对外流式开关电磁阀的阀芯6进行受力分析，求解得到阀芯6底部球面与阀座8之间形成的阀口两侧压差Δp与线圈1输入电流I的线性关系：

其中，阀口两侧压差Δp与线圈1所通电流I的线性关系由以下步骤获得：

①当外流式开关电磁阀处于关闭状态时，阀芯6分别受电磁力F_e、弹簧力F_s、液动力F_h和支持力F_N的制约。其中，电磁力F_e是通电线圈1通过动铁4和推杆5对阀芯6产生的作用力，弹簧力F_s是弹簧7对阀芯6产生的作用力，液动力F_h是液流对阀芯6产生的作用力，支持力F_N是阀座8对阀芯6产生的作用力，此时，阀芯6受力平衡，其所受合力F为0，阀芯6受力平衡方程为：

-F_e+F_s+F_h+F_N＝0       (1)

式(1)中，阀芯6所受电磁力F_e在外流式开关电磁阀的参数如外流式开关电磁阀中线圈的匝数、绕制线圈的材料等一定的情况下的大小主要与线圈电流I和阀芯6位移x_v有关，可表示为：

F_e＝K_i·I+K_xe·x_v       (2)

其中，K_i为电流-力增益，K_xe为位移-力增益。

式(1)中，阀芯6所受弹簧力F_s主要受弹簧刚度及阀芯6位移的影响，对于外流式常开电磁阀，弹簧力F_s可表示为：

F_s＝K_s·(x_o+x_m-x_v)        (3)

其中，K_s为弹簧的劲度系数，x_o为预紧压缩量，x_m为阀芯最大位移，x_v为阀芯位移。

式(1)中，阀芯6所受液动力F_h是关于阀口两侧压差的一次函数，可表示为：

$F_h=\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2\·\mathrm{\Δp}---\left(4\right)$

其中，α为阀座锥角，R_v为阀芯球体半径，Δp为阀口两侧压差，π为圆周率。

②当外流式开关电磁阀处于临界开启状态时，支持力F_N为0、液动力F_h不变，根据电磁力F_e和弹簧力F_s求解阀芯6的受力平衡方程；

根据式(2),当给线圈1所通电流I减小时,电磁力F_e也相应减小，从而外流式开关电磁阀将处于临界开启状态(临界开启状态是外流式开关电磁阀的阀芯6仍关闭，但即将开启的状态)。

当外流式开关电磁阀处于临界开启状态时，阀座8对阀芯6的支持力F_N消失，阀芯6位移x_v为0，则阀芯6受力平衡方程(1)为：

-F_e+F_s+F_h＝0      (5)

电磁力F_e表达式(2)为：

F_e＝K_i·I     (6)

弹簧力F_s表达式(3)为：

F_s＝K_s·(x_o+x_m)      (7)

将式(4)、(6)、(7)代入式(5)中，得到外流式开关电磁阀处于临界开启状态时阀芯6受力平衡方程为：

$-K_i\·I+K_s\·(x_o+x_m)+\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2\·\mathrm{\Δp}=0---\left(8\right)$

③根据步骤2中的阀芯6受力平衡方程,得到压差Δp与线圈1所通电流I之间存在如下关系式：

$\mathrm{\Δp}=\frac{K_i}{\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2}\·I-\frac{K_s\·(x_o+x_m)}{\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2}---\left(9\right)$

令 $K_0=\frac{K_i}{\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2},C_0=\frac{K_s\·(x_o+x_m)}{\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2},$

则压差Δp与线圈1所通电流I的关系式为：

Δp＝K₀·I-C₀      (10)

即当外流式开关电磁阀处于临界开启状态时，在外流式开关电磁阀参数如外流式开关电磁阀中线圈的匝数、绕制线圈的材料等一定的情况下，压差Δp与线圈1所通电流I之间满足线性关系。

3)根据阀口两侧压差Δp与线圈1所通电流I的线性关系，在线圈1所通电流I的作用下，使外流式开关电磁阀在限压差的工作模式下工作；

限压差工作模式为：当外流式开关电磁阀处于临界开启状态时，若保持线圈1所通电流I不变，阀口两侧压差Δp变大，根据式(4)阀芯6所受液动力F_h变大，则外流式开关电磁阀临界开启时的平衡状态被打破，阀芯6所受合力F大于零，开关电磁阀开启，液流由高压侧(即阀座8侧)流向低压侧(阀芯6侧)，从而阀口两侧压差Δp逐渐减小，直至达到外流式开关电磁阀处于临界开启状态时的压差Δp，阀芯6又重新恢复到外流式开关电磁阀临界开启时的平衡状态，外流式开关电磁阀再次关闭，从而实现限压差工作模式，使阀芯6调节到外流式开关电磁阀临界开启时的平衡状态。因此，在线圈1所通电流I的作用下，外流式开关电磁阀将在限压差的工作模式下工作。

在液流输入压力p_in增大的过程中，根据外流式开关电磁阀限压差的工作模式，对于给线圈1所通的每一个电流I，都将有一个压差Δp与之对应，使得阀芯6能够调节到外流式开关电磁阀临界开启时的平衡状态。

4)根据外流式开关电磁阀限压差的工作模式以及线圈1所通电流I与液流输出压力p_out之间的线性关系，实现对液流输出压力p_out线性、精确地控制；

在实际液压力的控制过程中，一般希望得到所期望的液流输出压力p_out。在液流输入压力p_in可以获知的情况下(即由现有设备可以监测获得液流输入压力p_in)，根据表达式(10)，可以得到液流输出压力p_out与线圈1所通电流I的线性对应关系为：

p_out＝p_in-Δp＝-K₀·I+C₀+p_in     (11)

根据外流式开关电磁阀限压差的工作模式以及关系式(11),通过对线圈1所通电流I的控制来实现对液流输出压力p_out线性、精确地控制。

上述实施例中，本发明仅以外流式开关电磁阀为例进行说明，但不限于此，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种液压制动力的控制方法，其包括以下步骤：

1)设置一外流式开关电磁阀，其包括线圈、隔磁管、动铁、推杆、阀体、阀芯、弹簧、密封圈、环滤网、阀座、唇形密封圈、底封盖和底座；

2)以所述外流式开关电磁阀关闭状态下阀芯的位置为原点，以阀芯开启的方向为正方向，建立直角坐标系；

3)在建立的直角坐标系下，对外流式开关电磁阀的阀芯进行受力分析，求解得到阀芯底部球面与阀座之间形成的阀口两侧压差Δp与线圈输入电流I的线性关系：

Δp＝K₀·I-C₀，

其中， $K_0=\frac{K_i}{\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2},C_0=\frac{K_s\·(x_o+x_m)}{\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2},$ K_i为电流-力增益，π为圆周率，R_v为阀芯球体半径，α为阀座锥角，K_s为弹簧的劲度系数，x_o为预紧压缩量，x_m为阀芯最大位移；

4)根据阀口两侧压差Δp与线圈所通电流I的线性关系，在线圈所通电流I的作用下，使外流式开关电磁阀在限压差的工作模式下工作；

所述限压差工作模式为：当外流式开关电磁阀处于临界开启状态时，若保持线圈所通电流I不变，阀口两侧压差Δp变大，根据阀口两侧压差Δp与液动力F_h的函数关系，阀芯所受液动力F_h变大，阀芯所受合力F大于零，外流式开关电磁阀开启，液流由阀座侧流向阀芯侧，阀口两侧压差Δp逐渐减小，直至达到外流式开关电磁阀处于临界开启状态时的压差Δp，阀芯所受力又重新恢复到外流式开关电磁阀临界开启时的平衡状态，外流式开关电磁阀再次关闭，完成限压差工作，使阀芯调节到外流式开关电磁阀临界开启时的平衡状态；

5)根据外流式开关电磁阀限压差的工作模式以及线圈所通电流与液流输出压力之间的线性关系，实现对液流输出压力p_out的控制。

2.如权利要求1所述的一种液压制动力的控制方法，其特征在于：所述步骤1)中的外流式开关电磁阀的结构为：所述线圈套在所述隔磁管上；所述隔磁管开口端和所述阀体焊接在一起，所述隔磁管封闭端与所述阀体之间形成一空腔；所述动铁设置在所述空腔内，并与所述隔磁管之间、与所述阀体之间均留有间隙；所述推杆位于所述阀体内，所述推杆顶端与所述动铁接触，其底端与所述阀芯凸缘顶面焊接在一起，所述阀芯的底部为一球面；所述弹簧套在所述阀芯上，其顶端与所述阀芯凸缘的底面接触，所述弹簧底端坐在阀座上；所述阀座通过过盈配合固定在所述阀体内，所述阀座与所述底封盖之间形成液压腔，该液压腔的径向设置有进油通道，与外部油路相连，所述进油通道的进油口与所述阀芯底部相对；所述阀座与所述阀芯连接处横向设置有出油口；所述密封圈套在所述阀体的外圆周上，所述环滤网通过过盈配合设置在所述阀体的横向出油口处，所述环滤网顶住所述密封圈；所述底封盖通过过盈配合固定在所述阀体内；所述唇形密封圈套在所述阀体的底部，位于所述阀体底部与所述底座之间；所述底座与所述阀体的底部过盈配合，所述底座的上端面设置有凹缘，所述凹缘端面与所述阀体的下端面接触。

3.如权利要求1所述的一种液压制动力的控制方法，其特征在于：所述步骤1)中的外流式开关电磁阀采用外流式常开电磁阀、外流式常闭电磁阀中的一种。

4.如权利要求2所述的一种液压制动力的控制方法，其特征在于：所述步骤1)中的外流式开关电磁阀采用外流式常开电磁阀、外流式常闭电磁阀中的一种。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种液压制动力的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述阀口两侧压差Δp与线圈输入电流I的线性关系由以下步骤获得：

①当外流式开关电磁阀处于关闭状态时，阀芯受力平衡方程为：

-F_e+F_s+F_h+F_N＝0，

式中，电磁力F_e＝K_i·I+K_xe·x_v，弹簧力F_s＝K_s·(x_o+x_m-x_v)，液压力F_N是阀座对阀芯产生的支持力，其中，K_i为电流-力增益，K_xe为位移-力增益，K_s为弹簧的劲度系数，x_o为预紧压缩量，x_m为阀芯最大位移，x_v为阀芯位移，α为阀座锥角，R_v为阀芯球体半径，Δp为阀口两侧压差，π为圆周率；

②当外流式开关电磁阀处于临界开启状态时，阀芯位移x_v为0、支持力F_N为0、液动力F_h不变，根据电磁力F_e＝K_i·I和弹簧力F_s＝K_s·(x_o+x_m)，阀芯受力平衡方程为：

$-K_i\·I+K_s\·(x_o+x_m)+\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2\·\mathrm{\Δp}=0;$

③根据步骤②中阀芯受力平衡方程,得到压差Δp与线圈所通电流I之间的关系式：

Δp＝K₀·I-C₀，

其中 $K_0=\frac{K_i}{\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2},C_0=\frac{K_s\·(x_o+x_m)}{\mathrm{\π}{R}_v^2{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2}.$

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种液压制动力的控制方法，其特征在于：所述步骤5)中，在液流输入压力p_in已知的情况下，所述液流输出压力p_out与所述线圈所通电流I的线性对应关系为：p_out＝p_in-Δp＝-K₀·I+C₀+p_in。

7.如权利要求5所述的一种液压制动力的控制方法，其特征在于：所述步骤5)中，在液流输入压力p_in已知的情况下，所述液流输出压力p_out与所述线圈所通电流I的线性对应关系为：p_out＝p_in-Δp＝-K₀·I+C₀+p_in。