CN114036684B - 一种高速开关阀的参数调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明旨在解决现有汽车电子稳定控制(ESC)的液压控制单元中的高速开关阀的PWM波有效占有比范围过窄及容易出现阀芯全开或全闭等问题，提出了一种高速开关阀的参数调节方法，属于电磁阀设计领域。本方法通对高速开关阀的结构组成及受力分析情况，通过参数的调节与计算，保证了高速开关阀模型不会出现全开及全闭现象，同时保证了有效占空比范围尽可能拓宽。本发明提供的方法在实现了高速开关阀的基本功能需求的同时，能够降低了高速开关阀的出现问题的可能，拓宽了高速开关阀的有效占空比范围，满足了ESC的实际工程需求。
Description
技术领域
本发明属于电磁阀设计领域，特别涉及汽车电子稳定控制(ESC)液压执行机构中使用的高速开关阀的参数调节。
背景技术
汽车电子稳定控制(Electronic Stability Control，ESC)是汽车主动安全系统重要的组成产品之一。ESC通过对车辆实际状态参数与理想状态下的车辆参数进行比较，然后根据比较结果利用液压控制单元对车辆各个车轮的制动轮缸压力进行调节，维持汽车的行驶稳定性。其中，高速开关阀是液压控制单元的重要组成部件。高速开关阀根据其输入的高频的脉宽调节(Pulse width modulation,PWM)不同的占空比控制高速开关阀不同的阀芯开度，进而控制流量与压力。
作为汽车控制技术领域中的重要组成部分，高速开关阀在设计的过程中，容易出现阀芯全开或全闭的情况，且容易出现有效占空比范围过小等问题。根据高速开关阀的内部机理，设计一套高速开关阀的参数调节方法，将有利于汽车ESC系统的液压控制单元的研究。
高速开关阀作为ESC液压执行机构的重要部件，美国BKM公司等许多国外企业与科研机构都进行了各种形式的探索与研究。近几年，为充分运用高速开关阀以满足实际工程中的需要，国内学者也对高速开关阀展开了相关研究。如中国专利公布号为CN109058562A，公布日为2019-12-20，公布了一种高速开关阀复合PWM控制方法。该方法将高速开关阀阀芯的动作过程定义为四个阶段,包括：阀芯开启阶段、阀芯最大开口维持阶段、阀芯关闭阶段以及阀芯关闭维持阶段。如中国专利公布号为CN111853263A，公布日为2020-10-30，公开了一种车辆用电液一体式高速开关阀,属于车辆技术领域。该发明使用了圆锥形阀芯既作为电磁子系统中的衔铁,又作为液压子系统的阀芯,运动部件质量小、阀响应速度高,实现了电磁驱动和油液控制的一体化。然而，现有专利并未提出拓宽高速开关阀有效占空比范围的确切方法。本发明针对高速开关阀内部机理的特点，制定相应的参数调节方法，对拓宽有效占空比范围，避免出现高速开关阀常关或常开的问题都有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是克服现有高速开关阀设计方法中容易出现的常开常闭现象，以及有效占空比范围过小，基于这些目的提供了一种高速开关阀的参数调节方法。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种高速开关阀的参数调节方法，其特征在于包括下列步骤：
第一步，电磁力与阀芯位移关系曲线的确立
首先确定阀芯悬停位置的规律为：液动力与电磁力是决定阀芯悬停位置的主要因素，二者数值大小都受到阀芯位移的影响，当阀芯所受液动力及电磁力相平衡时，阀芯悬停；然后基于工程经验及试验数据的曲线拟合法，确立电磁力与阀芯位移关系曲线，进而确定电磁力在阀芯抵达止点处的大小；
第二步，确定液动力的最大值
为了减少阀芯常闭或常开的问题出现，需要保证最大电磁力情况，即占空比为1时，电磁力曲线与液动力曲线相交于液动力曲线的最大值点，此时高速开关阀处于全关状态；如果交点在该点之下，适用占空比范围会变小，即出现大范围占空比阀芯全开；反之，将会出现大范围占空比阀芯全关，需要保证该交点位置；
根据实际工程需求，确定阀芯止点位置，即阀芯最大位移；利用上一步所求的曲线，确定阀芯抵达止点位置时电磁力的数值大小，即阀芯最大位移所对应的电磁力数值大小；
为了保证交点位置，需要保证液动力最大值与电磁力占空比为1时曲线对应的最大电磁力数值等于液动力，根据电磁力大小确定高速开关阀所需的最大液动力数值；
第三步，确定球型阀芯部分参数
球型阀芯参数对高速开关阀影响程度较高，忽略弹簧力输入、阀芯两边杆径等影响较小的因素，高速开关阀符合数学公式如下：
fjet＝2·Cq·A·dp·cosθ·Kjet (2)
式中，f4——液动力
fjet——喷射力
dp——高速开关阀两端压差
da——球阀有效直径，其数值等于球径与阀座半锥角余弦的乘积
Cq——流量系数
A——入口面积
θ——阀座半锥角
Kjet——喷射力系数，一般取1
根据公式(1)以及公式(2)得到结论，液动力最大值等于且液动力最小值与最大值之间的差值等于fjet；在第二步中已经通过电磁力的大小确定了液动力的最大值，即确定了/>的数值大小；式中，dp为高速开关阀两端压差，根据实际工况与工程需求可以确定其数值，da为球阀有效直径，其数值等于球径与阀座半锥角余弦的乘积；根据第二步所求的液动力最大值可以确定部分高速开关阀参数，即球径和阀座半锥角的参数；
第四步，扩大液动力取值范围
在前三步的过程中已经确定了液动力最大值的大小，为了能够让有效占空比范围大，即保证液动力曲线与不同条件占空比下电磁力曲线有更多交点，应该让液动力最大值与最小值之间的差值，即fjet数值较大；根据公式(2)，尚未确定的流量系数以及入口孔径直接影响fjet大小，故在合理取值范围内增大这两个参数能够拓宽占空比有效范围。
本发明第二步，确定液动力的最大值是指：
阀芯平衡时的受力状态，是指电磁力与液动力大小相等方向相反；由于电磁力及液动力与阀芯位移之间基本呈正相关，如果阀芯能够在止点平衡，则此时相互平衡的液动力与电磁力都属于对应最大值；根据本发明第一步确定的最大电磁力大小，可以确定其对应最大液动力大小，根据该数值确定高速开关阀部分参数，保证参数合理。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的一种高速开关阀的参数调节方法，满足了高速开关阀的设计需求，同时能够充分体现高速开关阀的物理性质；
2.本发明所述的一种高速开关阀的参数调节方法，简化了调参方式以及步骤，优化了高速开关阀设计过程中的参数选择以及计算过程，同时保证了结果的有效性；
3.本发明所述的一种基于高速开关阀的参数调节方法，在原有基础上，进一步避免了容易出现的阀芯容易出现的全开、全闭的问题，保证了高速开关阀满足了实际工程问题的需求；
4.本发明所述的一种高速开关阀的参数调节方法，可以增加PWM波有效占空比的范围，有利于提高高速开关阀控制时的快速性、稳定性、以及泛用性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的一种高速开关阀的参数调节方法逻辑图；
图2为本发明所述的高速开关阀内部组成，同时能够使用软件建模证明本方法的有效性；图中各标号所代表的部件为：1.模拟驱动电路；2.模拟电磁线圈；3.模拟非工作气隙；4.模拟工作气隙；5.模拟质量块；6.模拟球型阀芯；7.模拟回位弹簧；8.模拟液压源。
图3为本发明中液动力与阀芯位置关系曲线以及电磁力与阀芯位置关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
本发明公开了一种高速开关阀的参数调节方法，分析高速开关阀的内部组成及受力分析情况，充分考虑了电磁力以及液动力带来的影响，同时根据高速开关阀满足的公式，充分考虑了PWM波占空比、PWM波频率、线圈匝数等电磁相关系数，以及阀座半锥角、压差、球径等阀芯相关系数对阀芯位移的影响。该方法的基本原理立足于阀芯位置由电磁力与液动力曲线交点确定，故可以利用调节相关参数的方法控制交点位置，进一步确定各个占空比下PWM波对应的阀芯悬停位置及悬停位置的大小范围，由此避免高速开关阀在设计及建模过程中容易出现的全开、全关问题，以及进一步拓宽有效占空比范围，符合实际需求与预期。该方法适用于ESC的液压控制单元，通过输入不同占空比达成不同阀芯开度，调节轮缸压力，保证ESC在实际工作中快速、准确对车辆制动力进行控制，进而保证车身的稳定性。接下来就对于这种高速开关阀的参数调节思路进行具体说明。
参阅图1，本发明所述的一种高速开关阀的参数调节方法主要包括以下四个步骤：电磁力与阀芯位移关系曲线的确立、确定液动力的最大值、确定球型阀芯部分参数、扩大液动力取值范围四个步骤。下面分步具体叙述这种高速开关阀的参数调节方法。
包括下列步骤：
第一步，电磁力与阀芯位移关系曲线的确立
参阅图1，首先确定阀芯悬停位置的规律为：液动力与电磁力是决定阀芯悬停位置的主要因素，二者数值大小都受到阀芯位移的影响，在进行参数调节时需要着重考虑。当阀芯所受液动力及电磁力相平衡时，阀芯悬停，且悬停位置正是该情况下液动力及电磁力所对应的阀芯位置。首先根据实际工程需求及相关经验确定电磁力相关系数，然后基于工程经验及试验数据的曲线拟合法，确立电磁力与阀芯位移关系曲线，进而确定电磁力在阀芯抵达止点处的大小。
第二步，确定液动力的最大值
参阅图1，确定电磁力之后需要由此得出液动力的最大值。为了减少阀芯常闭或常开的问题出现，需要保证最大电磁力情况，即占空比为1时，电磁力曲线与液动力曲线相交于液动力曲线的最大值点，此时高速开关阀处于全关状态；如果交点在该点之下，适用占空比范围会变小，即出现大范围占空比阀芯全开；反之，将会出现大范围占空比阀芯全关，需要保证该交点位置。
根据实际工程需求，确定阀芯止点位置，即阀芯最大位移；利用上一步所求的曲线，确定阀芯抵达止点位置时电磁力的数值大小，即阀芯最大位移所对应的电磁力数值大小，利用该数值大小可以确定所需液动力最大数值，能够保证高速开关阀不会出现常开或常闭问题。
参阅图3，电磁力曲线与液动力曲线关系如图所示。为了保证交点位置，需要保证液动力最大值与电磁力占空比为1时的曲线对应的最大电磁力数值等于液动力，根据电磁力大小确定高速开关阀所需的最大液动力数值。
第三步，确定球型阀芯部分参数
参阅图1，在确定所需液动力最大值后，可以根据该值计算得出球型阀芯部分参数。球型阀芯参数对高速开关阀影响程度较高，忽略弹簧力输入、阀芯两边杆径等影响较小的因素，高速开关阀符合数学公式如下：
fjet＝2·Cq·A·dp·cosθ·Kjet (2)
式中，f4——液动力
fjet——喷射力
dp——高速开关阀两端压差
da——球阀有效直径，其数值等于球径与阀座半锥角余弦的乘积
Cq——流量系数
A——入口面积
θ——阀座半锥角
Kjet——喷射力系数，一般取1
根据公式(1)以及公式(2)得到结论，液动力最大值等于且液动力最小值与最大值之间的差值fjet；在第二步中已经通过电磁力的大小确定了液动力的最大值，即确定了/>的数值大小。
式中，dp为高速开关阀两端压差，根据实际工况与工程需求可以确定其数值，da为球阀有效直径，其数值等于球径与阀座半锥角余弦的乘积；根据第二步所求的液动力最大值可以确定部分高速开关阀参数，即球径和阀座半锥角的参数。压差、球径、阀座半锥角三个参量与第二步所求液动力大小的关系满足公式(1)，可以保证液动力曲线与电磁力交点所对应的阀芯位置处于止点，能够有效规避高速开关阀易出现的常闭以及常开问题。
第四步，扩大液动力取值范围
参阅图1，在前三步的过程中已经确定了液动力最大值的大小，为了能够让有效占空比范围大，即保证液动力曲线与不同条件占空比下电磁力曲线有更多交点，应该让液动力最大值与最小值之间的差值，即fjet数值较大，；根据公式(2)，尚未确定的流量系数以及入口孔径直接影响fjet大小，故在合理取值范围内增大这两个参数能够拓宽占空比有效范围。
本发明第一步中，根据如下规律调节电磁部分相关系数：
PWM频率越低，电流、磁通量和电磁力振荡幅值越大，不利于后续电磁力与液动力平衡。
PWM占空比会影响电磁线圈两端的加载电压，进而影响输出的线圈电流和磁路中的磁通量，PWM占空比越大，电流值越大，磁通量越大，对应的电磁力也越大。
线圈匝数主要影响磁通量进而影响电磁力，而对电流基本无影响，线圈匝数越大，磁通量、电磁力越大。
随着阀芯位移的增加，位移变化产生的反电动势使得电磁线圈内的电流下降，当阀芯的位移达到最大值后，阀芯再次保持静止，线圈内的电流再次上升，直至达到最大值后保持不变；磁通量和电磁力随着阀芯位移增加迅速增大，电流达到最大值后，磁通量和电磁力不变。
阀芯位移过程中，气隙面积主要影响电流变化速率和振荡幅值，当气隙面积增大时，磁通量先增大后基本不变，而电磁力随工作气隙面积的增大而减小，振荡幅值减小。
本发明第二步，确定液动力的最大值是指：
阀芯平衡时的受力状态，是指电磁力与液动力大小相等方向相反；由于电磁力及液动力与阀芯位移之间基本呈正相关，如果阀芯能够在止点平衡，则此时相互平衡的液动力与电磁力都属于对应最大值；根据本发明第一步确定的最大电磁力大小，可以确定其对应最大液动力大小，根据该数值确定高速开关阀部分参数，保证参数合理。
Claims (2)
1.一种高速开关阀的参数调节方法，其特征在于包括下列步骤：
第一步，电磁力与阀芯位移关系曲线的确立
首先确定阀芯悬停位置的规律为：液动力与电磁力是决定阀芯悬停位置的因素，二者数值大小都受到阀芯位移的影响，当阀芯所受液动力及电磁力相平衡时，阀芯悬停；然后基于工程经验及试验数据的曲线拟合法，确立电磁力与阀芯位移关系曲线，进而确定电磁力在阀芯抵达止点处的大小；
第二步，确定液动力的最大值
为了减少阀芯常闭或常开的问题出现，需要保证最大电磁力情况，即占空比为1时，电磁力曲线与液动力曲线相交于液动力曲线的最大值点，此时高速开关阀处于全关状态；如果交点在最大值点之下，适用占空比范围会变小，即出现大范围占空比阀芯全开；反之，将会出现大范围占空比阀芯全关，需要保证该交点位置；
根据实际工程需求，确定阀芯止点位置，即阀芯最大位移；利用上一步所求的曲线，确定阀芯抵达止点位置时电磁力的数值大小，即阀芯最大位移所对应的电磁力数值大小；
为了保证交点位置，需要保证液动力最大值与电磁力占空比为1时曲线对应的最大电磁力数值等于液动力，根据电磁力大小确定高速开关阀所需的最大液动力数值；
第三步，确定球型阀芯部分参数
高速开关阀符合数学公式如下：
fjet＝2·Cq·A·dp·cosθ·Kjet (2)
式中，f4——液动力
fjet——喷射力
dp——高速开关阀两端压差
da——球阀有效直径，其数值等于球径与阀座半锥角余弦的乘积
Cq——流量系数
A——入口面积
θ——阀座半锥角
Kjet——喷射力系数
根据公式(1)以及公式(2)得到结论，液动力最大值等于且液动力最小值与最大值之间的差值等于fjet；在第二步中已经通过电磁力的大小确定了液动力的最大值，即确定了/>的数值大小；式中，dp为高速开关阀两端压差，根据实际工况与工程需求可以确定其数值，da为球阀有效直径，其数值等于球径与阀座半锥角余弦的乘积；根据第二步所求的液动力最大值可以确定部分高速开关阀参数，即球径和阀座半锥角的参数；
第四步，扩大液动力取值范围
在前三步的过程中已经确定了液动力最大值的大小，根据公式(2)，尚未确定的流量系数以及入口孔径直接影响fjet大小，故在合理取值范围内增大这两个参数能够拓宽占空比有效范围。
2.按照权利要求1所述的一种高速开关阀的参数调节方法，其特征在于：第二步，确定液动力的最大值是指：
阀芯平衡时的受力状态，是指电磁力与液动力大小相等方向相反；由于电磁力及液动力与阀芯位移之间基本呈正相关，如果阀芯能够在止点平衡，则此时相互平衡的液动力与电磁力都属于对应最大值；根据第一步确定的最大电磁力大小，可以确定其对应最大液动力大小，根据该数值确定高速开关阀部分参数，保证参数合理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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