ABS线性增压可控温度区间的研究*

姚 静,刘胜凯,张 晋,李 腾,孔祥东

(1.燕山大学机械工程学院，秦皇岛 066004； 2.燕山大学，河北省重型机械流体动力传输与控制实验室，秦皇岛 066004；3.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室(燕山大学)，秦皇岛 066004)



2015093

ABS线性增压可控温度区间的研究*

姚 静1,2,3,刘胜凯1,张 晋1,李 腾1,孔祥东1,2,3

(1.燕山大学机械工程学院，秦皇岛 066004； 2.燕山大学，河北省重型机械流体动力传输与控制实验室，秦皇岛 066004；3.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室(燕山大学)，秦皇岛 066004)

针对防抱制动系统(ABS)低温环境下线性增压失效问题，通过阀芯的受力分析，推导了阀口开度自稳定条件；利用电磁场和流场的数值模拟，分析了环境温度对增压阀电磁力和流体作用力的影响；结果表明，要满足阀口开度自稳定条件，确保线性增压，ABS的可控温度区间为-17～120℃；利用HCU性能试验台对ABS的实测验证了仿真结果。

ABS；增压阀；线性增压；可控温度区间

前言

防抱制动系统(anti-lock braking system, ABS)工作时，轮缸的压力控制一般采用阶梯增压方式或者线性增压方式，如图1所示。在阶梯增压方式下，增压阀阀芯反复工作于全开全闭状态，频率高达100Hz以上，系统压力呈锯齿状上升趋势，在增压-保压切换时，压力发生剧烈波动，容易产生较大的压力冲击，加剧制动系统液压噪声，使踏板舒适性变差。而线性增压方式下，轮缸压力呈线性增长，中间没有保压过程。这种方式减少了压力冲击，大大降低了制动时的噪声，延长了增压阀的使用寿命，已成为ABS主流的增压方式。但在实际应用中，当ABS处于低温状态时，线性增压方式通常会失效，退化为阶梯增压方式，给实际应用带来诸多不利影响[1]。

近几年，国内外对于ABS的研究一方面集中在防滑智能控制算法的研究，如防滑鲁棒控制[2-4]、混合控制[5]和预测控制[6-8]等，另一方面为液压控制单元及其关键元件——高速开关阀特性的研究。文献[9]中通过改进阀芯结构降低了电磁阀由于高频开关引起的腐蚀性；文献[10]中采用ANSYS,Simulink和AMESim仿真软件分析了ABS中液压控制单元电磁阀的动态响应，进行了ABS液压控制单元匹配的仿真研究；文献[11]中对ABS中液压控制单元电磁阀的响应进行了测试，并分析了有压负载和无压负载下电磁阀的响应；文献[12]中建立了电磁开关阀的电控非整数阶模型，并采用双神经网络系统控制算法改善其滞后特性；文献[13]中优化了电磁阀的参数，通过对输入电流的控制，实现对轮缸压力的精准控制，为实现线性增压开拓了新思路；文献[14]中利用遗传算法对增、减压阀的参数进行优化，并考虑油压变化对电磁阀动态特性的影响，缩短了增、减压阀的动作时间，改善了ABS的动态特性；文献[15]中建立了液压制动系统仿真模型，分析了制动系统阶梯减压控制周期或占空比和压差与轮缸压力变化率的关系，但在诸多文献中，有关增压阀在低温区线性增压失效问题的报道甚少。本文中针对此问题，从增压阀的受力分析着手，利用电磁场和流场数值模拟，重点考虑温度变化时，增压阀受力状态的变化规律，探寻低温区线性增压失效机理，进而找到线性增压的可控温度区间。

1 线性增压机理

增压阀是一种两位两通的高速开关阀，处于常开状态，可以通过限制阀口的开度，控制其流量，实现轮缸的线性增压。增压阀主要参数如表1所示。

表1 增压阀参数

定义轮缸的液压刚度k为

k=dp/dV

(1)

式中：dV为流入轮缸油液的体积增量，L；dp为流入轮缸油液引起的压力增量，MPa。

液压刚度综合考虑了制动液体积模量、管路膨胀、管接头间隙和制动器空行程等因素。图2为52和60mm缸径制动钳以及23.5和27mm缸径制动毂的实车测试p-V曲线。从图2中可以看出，在低压时液压刚度是非线性的，这主要是由于摩擦片与制动盘之间的空行程和管路膨胀因素造成的，当摩擦片作用于制动盘，两者之间的间隙消除时，增压阀出口到制动器腔体，包括中间的连接管路可以认为是一个固定容腔，此时，液压刚度则可近似为常数。

流经增压阀的流量为

(2)

通过式(1)和式(2)可以推出增压阀的流量方程为

dp/dt=kq

(3)

由式(3)可知，当液压刚度一定时，压力变化率与流量成正比，即只要保持流量值不变，就能实现线性增压。

增压阀节流口流量为

(4)

式中：Cd为增压阀流量系数；x为增压阀阀芯位移，m；A为增压阀节流口面积，m2；Δp为增压阀口两端压差，若不考虑主缸到阀入口和阀出口到轮缸的压力损失，Δp等于主缸压力与轮缸压力之差，MPa；ρ为制动液密度，kg/m3。

将式(4)代入式(3)，可得

(5)

可见通过对阀口开度x进行适当控制，使式(5)等号右侧保持恒值即可实现线性增压方式。由于ABS采用的是开环控制，阀口开度的稳定性是实现线性增压方式的重要影响因素。

2 阀口开度的自稳定条件

当阀芯处在一定开度和压差时，总是能找到一个电流值使电磁力和开启力达到平衡状态，此时电磁力和开启力随阀芯开度的变化存在两种关系，如图4所示。

如图4(a)所示，在平衡点附近开启力的斜率大于电磁力的斜率，即在平衡点左侧电磁力大于开启力，右侧反之。假设现在阀芯受到微小的扰动，偏离平衡状态，那么电磁力和开启力的合力不会阻碍这种扰动，反而会加速这种扰动，阀芯失去平衡。而如图4(b)所示，在力平衡点附近，开启力的斜率小于电磁力的斜率，电磁力随阀口开度x的变化小于开启力，即在力平衡点左侧，开启力大于电磁力；在力平衡点右侧，电磁力大于开启力，因此，不论哪种方向的扰动，开启力与电磁力的合力都会阻碍这个扰动，使阀芯回到平衡点。

从以上分析可以得到实现阀口开度稳定控制的条件为：若阀芯在x=xb时自稳定，应满足以下关系式：

(6)

即仅当开启力随阀口开度变化率大于电磁力随阀口开度的变化率时，阀芯才能实现自稳定，进而保证阀口开度的有效控制，实现线性增压。

3 温度对阀口开度自稳定性的影响

弹簧力主要受弹簧刚度和阀口开度的影响，在增压阀工作温度范围内，温度变化对弹簧刚度的影响可以忽略不计，可以认为弹簧力不受温度的影响。

电磁力主要受工作气隙、电流和材料属性的影响。在增压阀工作温度区间内，温度变化对增压阀动铁和阀体尺寸结构影响微小，可认为温度不会影响工作气隙；磁性材料的主要参数由磁滞曲线定义，由文献[16]可知，在工作温度范围内(不超过120℃)，温度对磁滞曲线的影响非常小，因此温度对电磁力的影响也可忽略。

3.1 温度对流体作用力的影响

由于流体黏度对温度十分敏感，在增压阀工作温度范围内，工作介质黏度会发生较大的变化。-40℃时流体的黏度为1.272 00mm2/s，而120℃时流体的黏度仅为0.001 91mm2/s。流体黏度的变化会导致阀芯流体作用力发生变化。

利用FLUENT仿真软件，建立增压阀阀腔内流场的k-ε湍流模型，分别对2、6、10、14、16和18MPa不同压差下，-40、-30、-20、-10、0、20、60和120℃不同温度条件下的流场进行仿真计算，得到不同温度下，不同阀口两端压差和不同阀口开度的受力情况，得出阀口开度、温度与流体作用力的关系，如图5所示。

从图5中可以看出：在相同的阀口开度和压差下，流体作用力随温度的升高而减小；压差和阀口开度越大，流体作用力受温度的影响越大；同一阀口开度和温度下，流体作用力随压差的变大而变大。

3.2 不同温度下线性增压自稳定性分析

利用ANSYS仿真软件进行电磁力的分析，得到电流、工作气隙与电磁力的关系。将4种不同温度下电磁力和开启力曲线绘制在同一坐标系下，如图6所示。电磁力的电流变化从1.7A开始，以0.1A的差值逐渐递减至0.1A。开启力分别取压差为2、6、10、14、16和18MPa时流体作用力和弹簧力之和。

从图6(a)可以看出，在-40℃时，无论阀口两端压差如何变化，开启力变化斜率始终大于电磁力的变化斜率，增压阀无法到达自稳定状态。从图6(b)和图6(c)可以发现，仅当增压阀两端压差较小时，会出现不稳定状态，并且随着温度的升高，其自稳定状态区域逐渐增大。从图6(d)可以发现，增压阀已完全处于自稳定状态，而且随着温度的升高，可利用的增压阀两端压差越来越小，开启力的变化幅度越来越大。从图6(b)、图6(c)和图6(d)可知，当阀口的开度接近0.2mm时，开启力近乎平行于电磁力，没有平衡点，所以阀芯也容易失稳。

通过以上分析可知，在低温情况下，增压阀更易失稳，一旦外界有所扰动，就有可能影响到增压阀的自稳定状态，使阀芯失稳，破坏轮缸线性增压方式。

4 线性增压可控温度区间

基于增压阀流场和电磁场的数据，可以计算出阀口两端的最大压差为18MPa时，不同温度下，阀的开启电流值按照给定的电流信号，可以找到不同压差与电流值的对应关系，从而可以推导出不同压差下，电磁力和开启力相等时，电磁力和开启力分别对应的阀口开度。基于这些数据绘制出相应的曲面，如图7所示，通过曲面的交线，希望找到增压阀线性增压可控的温度带。

通过图7可以发现，当增压阀所处环境温度低于-17℃时，电磁力斜率始终大于开启力斜率，说明此时，对于任意阀口开度和压差，增压阀均不能处于自稳定状态，因而无法维持线性增压的控制方式。因此，该增压阀能够实现线性增压控制方式的可控温度区间为-17～120℃。

5 线性增压可控温度区间的验证

为测试系统的线性增压可控温度区间，搭建了HCU性能测试实验台。该实验台包括液压系统、气压系统、温度控制箱、传感器系统、实验夹具系统和数据采集板卡系统。将HCU部分放置在温度控制箱内，通过温度控制箱模拟工作环境温度。模拟主缸压力的液压系统原理图如图8所示。将工作压力通过气动开关阀4.1连接到活塞缸有杆腔，推动活塞使无杆腔建立压力。

在测试期间，按给定的电压下降曲线给线圈上电，线圈电压在降低过程中总会有一个电压值对应的电磁力小于开启力，阀打开，使轮缸压力逐渐升高。由于测试过程中需要系统压力稳定，因此需要打开蓄能器。

通过测试和仿真，得到不同温度条件下轮缸压力变化曲线，如图9所示。

从图9中可以看出，当温度为-40℃和-20℃时，轮缸压力出现阶梯增压，温度越低，出现的压力阶梯变化越多，这是由于温度越低，不稳定区域变大，不稳定点越多。当温度为0和20℃时，轮缸明显为线性增压方式。

通过仿真数据与实验数据的对比可以看出，两者的变化趋势相同，表明仿真模型正确可靠，仿真结果可信。

由于不能将整个实验台放入HCU性能实验台的温箱中，因此无法调节整个系统中的制动液温度，实验结果受室温的影响较大，无法精确测定-17℃和-18℃下轮缸增压过程。为此通过仿真获取了2个温度下的轮缸压力变化曲线，如图10所示。

从图10可知，在-17℃下轮缸压力在3～16.5MPa成线性增压方式，随着阀口开度接近最大值，开启力和电磁力没有平衡点，增压阀失去自稳定状态，阀口快速开启，轮缸压力急速上升。在-18℃时，轮缸压力线性区变小，降至14MPa，且出现明显阶梯增压，从而证明增压阀的线性增压可控温度区间为-17～120℃。

6 结论

针对低温下ABS线性增压失稳问题，研究了线性增压机理，给出了线性增压条件，并利用数值模拟、仿真和实验相结合的方法，探寻其线性增压可控温度区间，得到的主要结论如下。

(1) 增压阀自稳定性由阀芯电磁力和开启力随阀口开度的变化率决定，仅当开启力的变化率大于电磁力变化率时，阀芯才能具有自稳定性。

(2) 在增压阀的工作温度范围内，电磁力受温度影响甚小，可忽略不计；阀口开度和两端压差一定的条件下，流体作用力随温度的升高而减小，阀口开度越大，流体作用力受温度的影响越大。

(3) 由于阀芯流体作用力受温度的影响，增压阀的线性增压可控温度区间较额定工作区间(-40～120℃)窄，为-17～120℃。

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A Research on the Controllable Temperature Range for Linear Pressure Rise in ABS

Yao Jing1,2,3, Liu Shengkai1, Zhang Jin1, Li Teng1& Kong Xiangdong1,2,3

1.MechanicalEngineeringCollege,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004;2.YanshanUniversity,KeyLaboratoryofHebeiProvincialHeavyMachineryFluidPowerTransmissionandControl,Qinhuangdao066004;3.KeyLaboratoryofAdvancedForging&StampingTechnologyandScience(YanshanUniversity),Qinhuangdao066004

Aiming at the problem of the failure in maintaining linear pressure-rise in ABS under low temperature, a self-stabilization condition for the opening of booster valve is derived through the force analysis of valve core. Numerical simulations on both electromagnetic field and flow field are conducted to analyze the effects of ambient temperature on the electromagnetic and hydraulic forces. The results show that for meeting the self-stabilization condition of valve opening and hence assuring linear pressure-rise in ABS, the controlled temperature range should be -17℃～120℃, which is verified by a ABS test on HCU performance tester.

ABS; booster valve; linear pressure rise; controlled temperature range

*国家科技支撑计划(2014BAF02B00)资助。

原稿收到日期为2014年9月28日，修改稿收到日期为2014年11月17日。