汽车智能制动系统(IBS)电磁阀温度场分析

2020-04-22刘伟朱为国单东升吴柳杰

机械制造与自动化 2020年1期

刘伟，朱为国，单东升，吴柳杰

(1. 南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 211800； 2. 淮阴工学院机械工程系，江苏淮安 223000； 3. 宁波赛福汽车制动有限公司，浙江宁波 315121)

0 引言

汽车智能制动系统(IBS)具有响应速度快，制动性能好，布置灵活等特点，受到国内外许多汽车厂家和科研机构的重视[1-2]。

IBS系统中电磁阀长时间得电，产热散热是产品设计初期不容忽视的问题。王露等研究了直动电磁阀温升过程[3]。黄琳敏等用瞬态热路法对直流电磁铁进行仿真分析[4-5]。刘超等分析了线圈参数对焊接过程的影响[6]。本文以IBS中某隔离电磁阀作为研究对象，通过有限元分析线圈产热及热量的传递过程，结合实验研究温度对电磁阀控制性能的影响，为后续设计优化提供参考依据。

1 IBS结构原理

如图1所示，汽车智能制动系统由制动主缸、踏板模拟器、主动增压模块、ABS模块和制动轮缸组成。汽车启动时，踏板模拟器与主动增压模块的6个隔离阀由高电压开启,并用低压保持工作状态，这表示电磁阀需要连续工作几个小时或更长的时间。

2 电磁阀结构及温度场理论分析

2.1 电磁阀结构

电磁隔离阀结构如图2所示，组成部件包含隔磁管、动铁、推杆、阀体、弹簧、阀座等。线圈由轭铁、绕组、骨架和封铁组成。

2.2 线圈发热与散热

线圈通电后，电能转化为热能。电阻消耗的热功率P在体积V的线圈绕组中均匀发热，可定义单位体积生热速率为:

(1)

阀1-阀5为隔离阀；阀6-阀9为增压阀；阀10-阀13为减压阀。图1 IBS结构原理图

图2 电磁阀的结构

通电线圈作为一个固定的热源，热量散失路径如图3所示。

图3 线圈散热简图

2.3 稳态热传导

热传导遵循傅里叶定律：

(2)

2.4 热对流

ECU和HCU表面与空气直接接触，温度差形成自然对流。自然对流可用牛顿冷却方程表示：

(3)

式中：q为热流密度，W/m2；h为对流换热系数W/(m2·k)；Tw为环境温度；Tf为表面温度。

3 电磁阀温度场的有限元分析与仿真

3.1 网格划分与边界载荷施加

为了节省计算机资源提高仿真效率，采用1/4模型。并对螺纹孔、倒角等进行适当简化。添加的材料属性如表1所示。

表1 材料属性表

形状规则的结构一般采用扫掠网格或多区网格，不规则的结构采用四面体网格划分。

线圈绕组发热作为内部热源，由式(1)得生热率为4.14×10-3W/m3,环境温度设定40℃。ECU与周围空气之间的对流换热系数为6.5W/(m2·℃), HCU与周围空气之间的对流换热系数为12.0W/(m2·℃)。

3.2 求解及后处理

采用默认求解器，显示仿真结果，如图4-图7所示。

图4 稳态温度场云图

图5 热流量的总量云图

图4所示温度场云图反映了线圈和电磁阀温度分布情况。最高温度位于绕组下部的中心位置，达到148℃。图5反映了绕组产生的热量在内部的传热情况。最大热流量为0.26W/mm2,位于阀体与HCU的接触面上。

图6和图7分别反映了热流量在线圈径向和轴向的传递情况。

图 6 热流量x分量矢量云图

图7 热流量z分量矢量云图

4 温度场实验测试

4.1 实验平台搭建

以ABS样件为研究对象，模拟电磁阀在实际工作过程中的温升情况。由恒温箱控制环境温度，可变电源控制线圈的输入电流，对样品6个位置点进行温度采集，采集点位置如图8所示。采集频率为前30min每2min采集1次，30min后每5min采集1次。

图8 实验模型

4.2 结果分析

在40℃的环境温度下，分别测得样品6个测量点的温度变化，如图9所示。48min后，各个测量点的温度趋于稳定。仿真和实验测得各点稳态温度对比如表2所示，误差不超过5%。不同条件下线圈表面温升特性见图10。

表2 采集温度与仿真对比

图9 样件各测量点温升

图10 线圈表面温升特性

图10(a)所示为线圈在40℃环境温度下输入不同的电流得到线圈表面稳态温度。输入电流越大，稳态温度越高。图10(b)所示为线圈输入0.8 A电流在不同环境温度下最后达到的稳态温度。环境温度越高，稳态温度越高。将离散点拟合曲面得到线圈表面稳态温度(T)与输入电流(I)、环境温度(/°)的关系曲线如图10(c)所示，拟合曲面函数为：T=75.61I2-41.18I+5.682+T0。