崔瑾，韩川波，易伟亮，周坤

(蜂巢传动科技河北有限公司，河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

0 前言

液压控制以其传递效率高、稳定好的优势被广泛用于航空、船舶、汽车等领域的传动系统[1]。但随着整机轻量化进程的加快、节能高效理念的凸显，液压系统体积大、响应慢的劣势也愈加明显。液压控制模块作为自动变速器传动比转换的重要成员[2]，亟待实现液压系统的小型化、灵敏化。

电磁阀接收电控单元出发的命令，控制液压油路的通断或切换，响应迅速，既能兼顾液压控制的优势又可弥补液压响应的短板，成为了液压控制系统中的重要成员。

为应对快速开发，一体式插装式电磁阀是项目进程中的首选，但其价格昂贵，且具有技术垄断性。采用机械滑阀式阀芯，加之弹簧，然后匹配相应的电磁铁，就可以将插装阀变更为集成阀，既可以降低成本，又可以在空间布置上获得极大的灵活性。

1 集成式电磁阀

1.1 电磁阀阀芯卡滞原因

集成式电磁阀由四部分组成：阀芯、弹簧、阀体、电磁铁。阀体可根据设计需求，集成在液压控制模块上，或者另辟空间采用独立阀体设计。当电磁阀的阀芯在各个功能状态下都处于一种受力平衡状态(电磁铁对阀芯的电磁力与弹簧力等大反向)时，电磁阀设计即可满足各设计功能要求。阀芯在运动过程中，阀口开度和位置的变化会导致油液流动方向及速度发生变化，进而使得液体动量发生变化，对阀芯产生附加力，即液动力。阀芯附加力的大小是影响液压阀的关键因素[3-4]。阀芯液动力既可以与阀芯运动方向平行(即轴向液动力)，也可以与阀芯运动方向垂直(即径向液动力)。轴向液动力对阀芯运动起到推动或者阻碍的作用，径向液动力则能够使阀芯产生偏航。

轻微的偏航可以让阀芯与阀孔内壁产生刮蹭、划伤，形成杂质，导致油品清洁度恶化，当没有足够强大的过滤系统时，就会导致阀芯卡滞[5]；严重的偏航足以让阀芯与阀孔直接进行剧烈碰撞，产生阀芯卡滞。

图1 电磁阀示意

1.2 电磁阀参数设计

该电磁阀为一款常开式线性比例开关阀，确定设计空间后，对电磁阀的开度、行程、功能等进行参数设计，采用一维软件进行设计参数校核。电磁铁采用电流-位移信号转换功能模拟代替。该电磁阀是液压控制模块中众多阀中的一个，对单一阀进行校核，需要对该阀下游的负载进行等效，采用等效节流孔的方式搭进一维模型中。

校核过程，电磁阀前端采用压力源(如图2所示)，最大压力为1 MPa，阀芯最大行程位移为2.5 mm。电磁阀有两级阀口控制油路的通断，通过阀芯运动过程中几个关键位置的流量数值，即可以校核阀芯和油路尺寸的设计可行性，具体如下：

(1)当阀芯位移0 mm

(2)当1.45 mm≤d≤1.9 mm时，一级、二级阀口全部关闭，电磁阀切断液压油路；

(3)当1.9 mm

图2 电磁阀一维模型

1.3 电磁阀3D建模

电磁阀参数设计完成后，采用3D建模软件对电磁阀进行三维实体建模。阀体油路共设计有5个通道[6]，其中3路为功能通道，其余2路为排油通道。电磁铁零电流工况下，电磁力为零，弹簧呈自然安装长度，阀芯所处位置与阀体油道配合如图3所示，一级通道开启，呈现常开式。随电流增大，电磁力增大，电磁铁内部铁芯推动阀芯运动，压缩弹簧。在阀芯运动过程中，通过阀芯与阀体油道不断改变配合状态，以实现两个阀口的开闭切换。In→Out1 为一级通道，常开；In→Out2 为二级通道，常闭。

图3 电磁阀3D数模

2 电磁阀流体性能分析

2.1 基于初版设计的电磁阀CFD分析

基于初版电磁阀3D数模进行模型简化，去除设计中不必要的细节特征(如阀芯小于0.5 mm的圆角)，以减少有限元建模的网格数量。对简化后的数模抽取完整的流体域，然后进行切割，分为油路、阀芯、等效阻尼孔等多个不同的流体域个体。将分割好的流体域逐一导入CFD软件后，分步骤搭建电磁阀分析模型：

(1)按照不同个体，逐一进行面切割，拾取并对功能面进行命名(进口面、出口面等)；

(2)油道采用统一的网格建模设置，阀芯采用六面体网格建模；

(3)各油道与阀芯之间以圆柱面的方式进行交界面设置，传递求解计算过程中不同体之间数据的交互；

(4)边界条件设置及工况加载：进口加载1 MPa压力，出口加载零压力；阀芯响应时间设置为100 ms，线性运动；

(5)提前调用曲线功能，读取电磁阀功能数据(如位移、流量、液动力等随时间的变化曲线)；

(6)求解计算。

2.2 电磁阀仿真结果数据分析

初版电磁阀仿真结果数据与一维设计校核结果一致，如图4所示。可知：一级通道最大通流能力为6.2 L/min；二级通道最大通流能力为18.2 L/min；一、二级通道正常工作，且油路联通状态正确。

各通道的通流能力不同，阀体内部的流动状态(流速、流向、压力)也各异。即使在同一通道工作状态下，阀口的开度不同，也会导致阀体内部流动状态发生变化。这是一维软件无法校核的，需借助三维软件完成。

图4 位移曲线和流量曲线

采用CFD分析方法，是监测阀体内部流动状态的一种有效手段，分析过程中能够实时输出全运动行程中的压力、流量、受力等数据。对仿真结果的分析形式也可是多样化的，如云图、流线、曲线、动画等。图5所示为以流线和加速度场耦合的形式来呈现两个通道各自工作过程中的流动状态。

图5 电磁阀流动状态

图6所示为运动过程中阀芯三相液动力的实时变化。可知：在58 ms时刻，阀芯位移达到1.45 mm，通道一完全关闭，此时液动力曲线发生了突变，这是阀门瞬间关闭时刻的液体冲击。

阀芯液动力是否会导致阀芯存在卡滞风险，需要通过电磁铁的性能来判断。该项目选型的电磁铁常用量程是300～1 200 mA，对应电磁力为4～25 N，电磁力的公差随电磁力增大而增大，最大公差为±1.5 N。因此初版设计校核的电磁阀液动力f3Y=2.1 N,如图6所示，已经超出了电磁力的设计要求，需要对阀芯液动力进行优化。

图6 阀芯液动力

3 阀芯设计优化

3.1 优化参数选择

电磁阀阀芯初版设计已经包含了环槽和坡角设计，以尽量减小阀芯液动力。阀芯的关键参数如图7所示。

图7 阀芯的关键参数

在阀芯上增加环槽设计，可以在有限设计空间内，起到阀门提前开启或延迟关闭的作用，并且在沿环槽深度H方向，降低阀门因瞬间开、闭导致的流体冲击。

坡角α的设计同样也是有效降低液体冲击的一种方法，初始设计在阀芯与各通道连接位置增加了坡角设计(如图7中标记的3个位置)，在初始设计值基础上进行角度的调整，优化液动力。

3.2 优化结果

采用单一变量的方法，对选择的优化参数(环槽深度H、坡角数值α，坡角位置)进行验证。优化方案及优化结果如表1所示。

表1 优化方案及优化结果

3.3 测试结果

采用液压阀体试验台对电磁阀进行单体测试[7]，进口接定排量泵，固定油泵转速，出口接流量计，对电磁阀出口流量进行实时监测，油泵多余的流量从工装回流口回流至油箱。电磁铁的电信号采用线性控制。

实际样件加工时，只针对方案1和方案9进行了样件制作，并进行了测试。方案1与方案9的样件实测结果如图8所示。可知：(1)电磁阀测试流量与仿真一致，误差小于5%(实测通道一最大流量6.4 L/min，通道二最大流量18.6 L/min)；(2)方案1在两级阀口工作状态下，都存在明显卡滞现象，流量异常突变，且随流量越大，卡滞现象越明显；(3)方案9也存在两次轻微卡滞，但引起的流量波动幅值小于0.5 L/min，且持续时间小于5 ms，对液压系统工作影响很小，可忽略。

图8 电流-流量关系曲线

4 结论

针对插装电磁阀的空间布局受限、价格高昂、供货垄断的现状，设计了一款集成式电磁阀。采用一维软件进行参数校核、3D建模软件进行细节设计、CFD软件进行电磁阀流体性能校核，并针对设计关键参数进行阀芯优化，有效降低了阀芯液动力。经试验验证，仿真与试验一致性良好，证明增加阀芯槽深或在阀芯出口位置增加坡角设计，能够有效解决电磁阀卡滞问题。