ABS继动阀动态响应特性研究

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国内物流业迅猛发展，挂车、半挂车使用量逐年增加 ，对防抱死制动 系统提 出了更高 的要 求。ABS继动阀是使用在挂 车、半挂车等大型车辆 防抱死制动系统 中的关键部件 ，它不仅集成 了 ABS调节器 和继动阀的功能 ，更是缩小 了零件体积 ，减少 了制动管路 的连接 ，正逐渐取代原来功能单- 的 ABS电磁 阀和继动阀的组合 。

本文根据气压 ABS继动阀的结构特点 ，将其分成电磁、气路和机械运动子拈，采用气体流量方程和力平衡仿真建立 了 ABS继 动阀非线性数学模型 ，对影响 ABS继动阀动态响应 的关键 因素进 行 了分析。本文将制 动器 室体积作为参数引入到模型 ，减小了因阀体结构复杂造成的阀体体积计算误差，更真实地反应 了制动气室气压 的变化 ，为 ABS继 动阀以及 ABS系统的后续研究提供了有效的依据。

1 ABS继动阀结构及其工作机理图 1为 ABS继动阀的结构原理图。

阀的上部是两个 电铁芯和线 圈，初始状态时 两个线圈都不通电，电铁芯 M1，M2受到弹簧力处于下端 ，控制气可以经过两个电铁芯上部开 口到达 高位活塞腔 ；当驱动电压加载于线圈时，线 圈电流产生的电磁力会使 电铁 上行封闭开 口，进 而控制 ABS继动阀控制气压的增加。

421.供 气 [J 2.输 出 I] 3.排 气 口 4.控 制 口 K.括 暴 RV.止 M1 电铁芯 l M2 电铁 苎2 A.高位活塞腔 B 低位活塞腔 RK.活塞 F 弹簧图 1 ABS继 动阀结构中部是-个气动活塞 K，当电铁芯 M1，M2处于初始状态时，控制气压作用在活塞 K在控制气压的作用下向下运动并推动继动活塞 RK也-起 向下运动，继动活塞 RK的向下运动就打开 了供气端与输 出收稿 日期 ：20l2-05-11基金项目：浙江省大学生科技创新活动计划项目(2011R409044)，浙江省研究生教育创新示范基地项目(YJ2008023)作者简介：安志敏(1986-)，女，山西I临汾人，浙江杭州中国计量学院硕士研究生，主要研究方向为汽车零部件检测，精密仪器及测量测试技术等，(E-mail)anzhimin###1 26 corn。

2013年 1月 安志敏，等：ABS继动阀动态响应特性研究 ·19·口(到制动气室)之间的通路，制动气室内的气压迅速升高使车辆制动 ，这是增压阶段 ；当电铁芯 M1受到电磁力上行时，控制气进气通路被打断，高位活塞腔和低位活塞腔里的气压相等，弹簧力迫使继动活塞 RK上行，封闭了供气口和输出端之间的通路，同时制动气室内的气体也不能排出，这是保压阶段；当电铁芯 M2受到电磁力上行 ，M1处于初始状态时，高位活塞腔内的气体通过活塞 K中间的开 口排向大气 ，低位活塞腔内的气压大于高位活塞腔 内的气压 ，继动活塞 上行，从而制动气室内的气体通过 3口排向大气 ，这是减压阶段。

阀的下端是 4个气 口，1口通储气罐 ，两个 2口通制动气室 ，3口通大气。

2 ABS继动阀数学模型的建立ABS继动阀的动作流程包括以下几个方面：电铁芯线圈通断电控制控制 口的气压；根据高位活塞腔 和低位活塞腔 B气压的大小判断活塞K的运动状态 ；根据活塞 的运动状态判断输 出 口 2处是处于增压保压还是减压∩以看出 ABS继动阀的动态响应特性受到很多方面的影 响，包括 电磁特性 ，机械运动特性和流体 特性 ，因此 本文根据这些特性建 立了 ABS继动阀的电磁场子模型，动铁芯运动子模 型、气路子模型和活塞运动子模型 ，这些子模型之 间相互联系，构成 ABS继动阀动态特性数学模型，子模型间的关系框图如图 2所示 。由于 ABS继动阀动作历时极短 ，温度变化极微 ，故忽略温度变化引起的热传导现象 。

. . 旧 l重孕l. 运动 j I图 2 子模型 间联 系框 图2.1 电磁场模型驱动电压加载于控制线圈两端，线圈中除了电阻分压外，磁电动势也产生了分压作用，根据电压平衡方程 ，控制线圈 中电流 和电压 的变化可 由下 面的数学模型表示 ：u/RⅣ (1)其中， 为 电磁 阀驱 动电压 (24V)，，为线 圈 内电流(A)，R为线圈 回路的电阻(n)，Ⅳ为线圈匝数 ， 为磁通量 ，t为时间。

根据基尔霍 夫磁压定律 ，并 忽略磁漏 和非工作气隙磁阻，线 圈产生 的磁惩 电流 的变 化可 由下面的数学模型表示：NI4，R (2)R (3)其中，R 为磁路总磁阻，R ，为磁路中铁磁材料的磁阻， 为动铁芯与定铁芯的最大气隙长度(1TI)，A为气隙处的横截面积(tn )， 为动铁芯运动距离(m)，0 为空气磁导率， 04 ×10～H/m。

将式(2)、(3)带人 (1)中可得 ：u ：0-X]鲁 ㈩2.2 电铁芯运动模型控制线圈通电后 ，在线圈周 围产生磁场，当电铁芯受到的电磁力足够大时就会克服弹簧拉力 向上运动 ，在运动过程 中还受 到粘性阻力和控制气压 的作用 ，从而得到电铁芯运动数学模型如下：m 鲁c ～ Adt dt 2tx A 。 (5) 2nu P 、其中，F 为 电磁 吸力 (N)，m 为动铁芯 质量(kg)，C为动铁芯运动时的等效粘性阻尼(N·s/m)，k为回位 弹簧刚度 (N/m)， 为动铁芯运动距离(In)， 为复位弹簧预紧量(m)，A。为动铁芯上端气孑L的横截面积(m )，P 为控制气体压强(Pa)。

2.3 气路模型ABS继动阀的动态响应 特性最终由制动器室的气压来反应 ，视气体为理想气体，根据气体状态方程和气体连续方程可得：宰： G (6)其中，G为气体的质量流量率(kg/s)，P为容器内的气压(Pa)， 为容器的容积(m )，0为容器内气体的温度(K)， 为理想气体常数 287(J/(kg·K))。

气体的质量流量率可以通过下面的公式求得 ：G 其中，A√ 。.159，B：( )两√ 0.04043，K 1.4，为绝 热指数， 为充 (放)通道截面积(m )，P为容器 内的压力 (下游压力 )(Pa)，P 为测试压力 (上游压力 )(Pa)，0 为气源温度 (上游温度)(K)。

2.4 活塞运动模型活塞 K在运动过程 中受到多个 力 的作用 ，包括高位活塞腔 A和低位活塞腔 B的气压 ，供气 口处 的气压，输出口出的气压，弹簧总成的弹簧力以及运动粘性阻力 ，从而得到活塞 的运动数学模型如下 ：dl，z P )A -P (t)A -F-f (8)其中，Z为活塞运动距离(in)， 为回位弹簧刚度(N/1TI)，A 为活塞上表面截面积(nl )，A 为活塞下表面截面积(1TI )，F为继动 回位弹簧预紧力 (N)， 为摩擦力(N)。

· 20· 组合机床与自动化加工技术 第 1期3 仿真结果与实验分析表 1为仿真模型的部分参数值，其他感性参数如线圈匝数等在仿真过程中给出。为验证模型的正确性 ，建立如图3所示的气压 ABS继动阀动态性能测试系统。仿真曲线与测试曲线如图4所示，可见仿真曲线与测试曲线基本吻合 ，证明仿真模型的正确性。

表 1 仿真模型参数参数 数值 参数 数值U，、 24 60/m 0 0008c/N ·S·m 1 l R ， l 7m/kg 0.005 /m 0.004M/kg O.O8 P c/Pa 800000Ⅳ l000 P /Pa 8000001气源 2.气源 联件 3，4，9，10.调压阀 5，6，7.电磁阀 8 装灾气缸 11，12，21储气罐 l 3，14，15，16气控阀 17，18，20.气压传感器l9.被测阀 21，24.滑块图 3 气压 ABS继动阀动态性能测试系统图 4 仿真 曲线与测试 曲线电压信号周期为0.4s，仿真时间0.6s，完成 -个增压 、保压和减压 的过程 。电铁 芯 M1线圈电流、电铁芯 M1受到的电磁 力、电铁芯 M1位移 、控制气压曲线以及制动气压 曲线仿真图形如图5所示。

时间fs1(a)电铁芯Ml线圈电流仿真曲线- 趣时间 (s)I1电铁芯M1受到的电磁力仿真曲线×l0时I可 (s)r 1电铁芯Ml位移仿真掏线(d)控制气压仿真曲线时 l捌 ))制动气压仿真曲线图 5 ABS继 动阀动态特性仿真 曲线由冈可知，当 24V电压加载于线 圈时 ，线圈电流首先按指数规律增大到 1.4A左右 ，然后 突然下降 ，这段时间称为电铁 芑的吸合触动时间，在这个阶段电磁力小于弹簧拉力 ，电铁芯保持原位不动，位移 为零 ；当电磁力增 大到足够克服弹簧拉力后 电铁芯开始运动，并切割磁 力线产生很强的反 电势，使 电流急剧 F降 ，此后线圈电流 又转为指数 ：升 ，直到电铁芯达到最大位移 时电流达到最大值，控制气压和制动气压开始迅速增大 ，这段 时间称为 电铁芯 的吸合时间。触动时间是造成 响应 时问迟滞 的原 之 -，1 l O O 0 0 -《-2013年 1月 安志敏 ，等：ABS继 动阀动态响应特性研究 ·21·在吸合 时间里 ，控制气压迅 速增大 ，推动活塞 运动，可以看到制动气压并不是立刻上升，而是有-小段时间的迟滞，原因之-是触动时间造成的，其次是由于-开始建立的控制气压没有达到能够推动活塞总成的强度 ，-旦推动了活塞总成运 动，制动气压迅速上升。同样，当线圈断电后电铁芯回到初始状态抑为释放触动过程 和释放过 程，相应 的时间称为释放触动时间和释放 时间，也不 同程度 的造 成 了响应的迟滞 。

4 ABS继动阀动态特性影响因素分析影 响 ABS继动 阀动态特性 的因素有很 多，本文主要研究驱动电压 、、主工作和线圈电阻对 ABS继动阀动态特性的影响。模型在 ABS继动 阀出气 口处外接-个 1L的储气罐模拟制动气室。当讨论-个影响因素时，其他变量都维持表 1的初始值。

4.1 驱动电压对 ABS继动阀动态特性的影响从图6可以看出，更高的驱动电压能够带来更大的电磁力 ，能够使 电铁 芯获得的 电磁力更快 到达最大值 ，电铁芯 向上运动 的速度就越快 ，ABS继动阀响应速度越快 。但是 电压越高 ，ABS继动 阀排气 时的迟滞就越 明显 ，而且过 高的 电压会导致 电铁芯线圈电流过大从而击穿元器件和损坏线圈。

宝- 擅衄]邑鹾督磊6(b)不同驱动电 ‰动气压仿真曲线 压下的制图 6 驱动电压对 ABS继动阀动态特性 的影 响4.2 线圈匝数对 ABS继动阀动态特性的影响线圈匝数增加能够提高磁势，促进电磁转化，提高响应速度，但是从图7中可以看出，随着匝数的增加线圈电流变化减缓，甚至达不到电流最大值，使响应变慢 ，原因是线圈 匝数 的增加 同时也增加 了线 圈的感应系数，制动气压也有较为明显的迟滞，仿真过程中还发现匝数过小 ABS继动阀将无法正常工作。

育 邑怒器时间 (s)(a1不同匝数下的线圈电流仿真曲线图 7 线圈匝数对 ABS继 动阀动态 特性 的影响4.3 主工作气隙对 ABS继动阀动态特性的影响从图 8可以看出，主工作气隙长度越大，电流变化越快 ，电铁芯受到的电磁力减小，上升速度减缓 ，ABS继动阀响应时间变长。仿真过程中还发现主工作气隙过大 ABS继动阀将不能正常工作。因此，在保证电铁芯有足够行程的前提下应减小主工作气隙长度。

- 1Sooo0- 挺时间 (s)(a不同气隙长度下的线圈电流仿真曲线(b)不l司气隙长度 FM1受到的电磁力仿真曲线图 8 主工作气隙对 ABS继动 阀动态特性的影响4.4 线圈电阻对 ABS继动阀动态特性的影响从图 9可以看出，随着线圈电阻增大 ，电铁芯和ABS继动阀关闭响应变快，但是电阻过大会导致线圈电流变小 ，从 而导致不能产生 足够大的电磁力使电铁芯运动 ，R21Q 时，电铁芯位移为零 ，ABS继动l l l l O O O O - -姆· 22· 组合机床与 自动化加工技术 第 1期阀-直处于增压状态 。

基- 潞遥邑出幅嚣时间 (s)(b)不同电阻下制动气压仿真曲线图 9 线圈电阻对 ABS继动 阀动态特性的影响5 结论本文在分析了 ABS继动阀动作过程中各部件受力情况的基础上建立了 ABS继动阀数学模 型，实现了ABS继动阀线圈电流、电磁力、电铁芯位移、控制气压以及制动气压变化的动态过程仿真，分析了驱动电压、线圈匝数、线圈电阻和主工作气隙对 ABS继动阀动态特性的影响，为深入研究 ABS继动阀响应时间影响因素并提高 ABS继动阀动态性能提供了可靠依据。