集成式電磁閥設計及閥芯卡滯優化

崔瑾，韓川波，易偉亮，周坤

(蜂巢傳動科技河北有限公司，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

0 前言

液壓控制以其傳遞效率高、穩定好的優勢被廣泛用于航空、船舶、汽車等領域的傳動系統[1]。但隨著整機輕量化進程的加快、節能高效理念的凸顯，液壓系統體積大、響應慢的劣勢也愈加明顯。液壓控制模塊作為自動變速器傳動比轉換的重要成員[2]，亟待實現液壓系統的小型化、靈敏化。

電磁閥接收電控單元出發的命令，控制液壓油路的通斷或切換，響應迅速，既能兼顧液壓控制的優勢又可彌補液壓響應的短板，成為了液壓控制系統中的重要成員。

為應對快速開發，一體式插裝式電磁閥是項目進程中的首選，但其價格昂貴，且具有技術壟斷性。采用機械滑閥式閥芯，加之彈簧，然后匹配相應的電磁鐵，就可以將插裝閥變更為集成閥，既可以降低成本，又可以在空間布置上獲得極大的靈活性。

1 集成式電磁閥

1.1 電磁閥閥芯卡滯原因

集成式電磁閥由四部分組成：閥芯、彈簧、閥體、電磁鐵。閥體可根據設計需求，集成在液壓控制模塊上，或者另辟空間采用獨立閥體設計。當電磁閥的閥芯在各個功能狀態下都處于一種受力平衡狀態(電磁鐵對閥芯的電磁力與彈簧力等大反向)時，電磁閥設計即可滿足各設計功能要求。閥芯在運動過程中，閥口開度和位置的變化會導致油液流動方向及速度發生變化，進而使得液體動量發生變化，對閥芯產生附加力，即液動力。閥芯附加力的大小是影響液壓閥的關鍵因素[3-4]。閥芯液動力既可以與閥芯運動方向平行(即軸向液動力)，也可以與閥芯運動方向垂直(即徑向液動力)。軸向液動力對閥芯運動起到推動或者阻礙的作用，徑向液動力則能夠使閥芯產生偏航。

輕微的偏航可以讓閥芯與閥孔內壁產生刮蹭、劃傷，形成雜質，導致油品清潔度惡化，當沒有足夠強大的過濾系統時，就會導致閥芯卡滯[5]；嚴重的偏航足以讓閥芯與閥孔直接進行劇烈碰撞，產生閥芯卡滯。

圖1 電磁閥示意

1.2 電磁閥參數設計

該電磁閥為一款常開式線性比例開關閥，確定設計空間后，對電磁閥的開度、行程、功能等進行參數設計，采用一維軟件進行設計參數校核。電磁鐵采用電流-位移信號轉換功能模擬代替。該電磁閥是液壓控制模塊中眾多閥中的一個，對單一閥進行校核，需要對該閥下游的負載進行等效，采用等效節流孔的方式搭進一維模型中。

校核過程，電磁閥前端采用壓力源(如圖2所示)，最大壓力為1 MPa，閥芯最大行程位移為2.5 mm。電磁閥有兩級閥口控制油路的通斷，通過閥芯運動過程中幾個關鍵位置的流量數值，即可以校核閥芯和油路尺寸的設計可行性，具體如下：

(1)當閥芯位移0 mm

(2)當1.45 mm≤d≤1.9 mm時，一級、二級閥口全部關閉，電磁閥切斷液壓油路；

(3)當1.9 mm

圖2 電磁閥一維模型

1.3 電磁閥3D建模

電磁閥參數設計完成后，采用3D建模軟件對電磁閥進行三維實體建模。閥體油路共設計有5個通道[6]，其中3路為功能通道，其余2路為排油通道。電磁鐵零電流工況下，電磁力為零，彈簧呈自然安裝長度，閥芯所處位置與閥體油道配合如圖3所示，一級通道開啟，呈現常開式。隨電流增大，電磁力增大，電磁鐵內部鐵芯推動閥芯運動，壓縮彈簧。在閥芯運動過程中，通過閥芯與閥體油道不斷改變配合狀態，以實現兩個閥口的開閉切換。In→Out1 為一級通道，常開；In→Out2 為二級通道，常閉。

圖3 電磁閥3D數模

2 電磁閥流體性能分析

2.1 基于初版設計的電磁閥CFD分析

基于初版電磁閥3D數模進行模型簡化，去除設計中不必要的細節特征(如閥芯小于0.5 mm的圓角)，以減少有限元建模的網格數量。對簡化后的數模抽取完整的流體域，然后進行切割，分為油路、閥芯、等效阻尼孔等多個不同的流體域個體。將分割好的流體域逐一導入CFD軟件后，分步驟搭建電磁閥分析模型：

(1)按照不同個體，逐一進行面切割，拾取并對功能面進行命名(進口面、出口面等)；

(2)油道采用統一的網格建模設置，閥芯采用六面體網格建模；

(3)各油道與閥芯之間以圓柱面的方式進行交界面設置，傳遞求解計算過程中不同體之間數據的交互；

(4)邊界條件設置及工況加載：進口加載1 MPa壓力，出口加載零壓力；閥芯響應時間設置為100 ms，線性運動；

(5)提前調用曲線功能，讀取電磁閥功能數據(如位移、流量、液動力等隨時間的變化曲線)；

(6)求解計算。

2.2 電磁閥仿真結果數據分析

初版電磁閥仿真結果數據與一維設計校核結果一致，如圖4所示。可知：一級通道最大通流能力為6.2 L/min；二級通道最大通流能力為18.2 L/min；一、二級通道正常工作，且油路聯通狀態正確。

各通道的通流能力不同，閥體內部的流動狀態(流速、流向、壓力)也各異。即使在同一通道工作狀態下，閥口的開度不同，也會導致閥體內部流動狀態發生變化。這是一維軟件無法校核的，需借助三維軟件完成。

圖4 位移曲線和流量曲線

采用CFD分析方法，是監測閥體內部流動狀態的一種有效手段，分析過程中能夠實時輸出全運動行程中的壓力、流量、受力等數據。對仿真結果的分析形式也可是多樣化的，如云圖、流線、曲線、動畫等。圖5所示為以流線和加速度場耦合的形式來呈現兩個通道各自工作過程中的流動狀態。

圖5 電磁閥流動狀態

圖6所示為運動過程中閥芯三相液動力的實時變化。可知：在58 ms時刻，閥芯位移達到1.45 mm，通道一完全關閉，此時液動力曲線發生了突變，這是閥門瞬間關閉時刻的液體沖擊。

閥芯液動力是否會導致閥芯存在卡滯風險，需要通過電磁鐵的性能來判斷。該項目選型的電磁鐵常用量程是300～1 200 mA，對應電磁力為4～25 N，電磁力的公差隨電磁力增大而增大，最大公差為±1.5 N。因此初版設計校核的電磁閥液動力f3Y=2.1 N,如圖6所示，已經超出了電磁力的設計要求，需要對閥芯液動力進行優化。

圖6 閥芯液動力

3 閥芯設計優化

3.1 優化參數選擇

電磁閥閥芯初版設計已經包含了環槽和坡角設計，以盡量減小閥芯液動力。閥芯的關鍵參數如圖7所示。

圖7 閥芯的關鍵參數

在閥芯上增加環槽設計，可以在有限設計空間內，起到閥門提前開啟或延遲關閉的作用，并且在沿環槽深度H方向，降低閥門因瞬間開、閉導致的流體沖擊。

坡角α的設計同樣也是有效降低液體沖擊的一種方法，初始設計在閥芯與各通道連接位置增加了坡角設計(如圖7中標記的3個位置)，在初始設計值基礎上進行角度的調整，優化液動力。

3.2 優化結果

采用單一變量的方法，對選擇的優化參數(環槽深度H、坡角數值α，坡角位置)進行驗證。優化方案及優化結果如表1所示。

表1 優化方案及優化結果

3.3 測試結果

采用液壓閥體試驗臺對電磁閥進行單體測試[7]，進口接定排量泵，固定油泵轉速，出口接流量計，對電磁閥出口流量進行實時監測，油泵多余的流量從工裝回流口回流至油箱。電磁鐵的電信號采用線性控制。

實際樣件加工時，只針對方案1和方案9進行了樣件制作，并進行了測試。方案1與方案9的樣件實測結果如圖8所示。可知：(1)電磁閥測試流量與仿真一致，誤差小于5%(實測通道一最大流量6.4 L/min，通道二最大流量18.6 L/min)；(2)方案1在兩級閥口工作狀態下，都存在明顯卡滯現象，流量異常突變，且隨流量越大，卡滯現象越明顯；(3)方案9也存在兩次輕微卡滯，但引起的流量波動幅值小于0.5 L/min，且持續時間小于5 ms，對液壓系統工作影響很小，可忽略。

圖8 電流-流量關系曲線

4 結論

針對插裝電磁閥的空間布局受限、價格高昂、供貨壟斷的現狀，設計了一款集成式電磁閥。采用一維軟件進行參數校核、3D建模軟件進行細節設計、CFD軟件進行電磁閥流體性能校核，并針對設計關鍵參數進行閥芯優化，有效降低了閥芯液動力。經試驗驗證，仿真與試驗一致性良好，證明增加閥芯槽深或在閥芯出口位置增加坡角設計，能夠有效解決電磁閥卡滯問題。