（动力机械及工程专业论文）用于柴油机共轨喷油系统的高速电磁阀的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文主要研究内容是一种用于共轨喷油系统的高速电磁阀的总体方案设计。 高速电磁阀是共轨喷油系统的关键部件之一。高速电磁阀的工作压力高，要求的 开启和关闭时间短，既要有良好的密封性能又要求运动件具有较轻的质量和较短 的行程。作者首先阐述了高速电磁阀的工作条件，然后对比了不同结构形式以及 不同驱动方式的控制阀的优缺点。在这些分析的基础上，作者提出了一种二位三 通的高速电磁阀的结构型式，这种结构型式具有运动件质量轻、行程短，密封性 能容易保证，加工工艺性较好等特点，由具有碟形衔铁的盘形电磁铁驱动，对电 磁铁的加工制造无特殊要求。作者在p r o e n g i n e e r 软件中建立了这种高速电磁阀 的三维实体模型，然后用有限元分析的方法，在a n s y s 软件中对阀体和阀芯这 两个受载荷较大的主要零部件的关键结构尺寸进行了设计校核。f 模型的主要尺寸 基本确定后，利用在液压系统流阻分析中常用的k 系数法对高速电磁阀内部流道 的局部流阻进行了评估，估算了实际工作时的压降水平，证明其流阻在实际应用 允许的范围之内。最后作者论述了驱动部件( 包括弹簧和电磁铁) 的设计步骤和 方法，并根据实体模型中的运动件质量和行程，初步计算了驱动部件的主要特征 参数 ，矿 ， 关键词：柴油机共轨式电控喷油系统高速电磁阀电磁铁 一 i 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! 竺竺! ! ! ! = ! ! 竺! ! ! 竺竺! ! a b s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tag e n e r a ld e s i g no fh i g h s p e e ds o l e n o i dv a l v ei na c o m m o nr a i lf u e li n j e c t i o ns y s t e mf o rd i e s e le n g i n e ah i g h s p e e ds o l e n o i dv a l v ei s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si nc o m m o nr a i lf u e l i n j e c t i o ns y s t e m w o r k i n g w i t hh i g hp r e s s u r ea n db e i n gr e q u i r e dt oo p e na n dc l o s er a p i d l y ，i tm u s tb ep r o v i d e d w i t h g o o dp r e s s u r i z ep e r f o r m a n c e ，b u t s m a l l m o v i n gm a s sa n dj o u r n e y a u t h o r b e g i n s w i t ha n a l y z i n gt h e w o r k i n gc o n d i t i o n s o ft h ev a l v ei nc o m m o nr a i lf u e l i n j e c t i o ns y s t e m ；t h e ne x p l a i n s t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f v a r i e t y o f s t r u c t u r e sa n da c t u a t o r so fc o n t r o lv a l v e s b a s e do nt h ea n a l y s i s ，a u t h o rg i v e so u ta n e ws t r u c t u r eo f t h r e e - w a yc o n t r o lv a l v e t h i ss t r u c t u r eo fv a l v ei so fs m a l lm o v i n g m a s sa n d j o u r n e y , g o o dp r e s s u r i z ep e r f o r m a n c e a n de a s yt om a n u f a c t u r e t h ea c t u a t o r i sak i n do fs o l e n o i dn a m e d d i s o l e ”b e c a u s eo fi t sd i s k s o l e n o i ds h a p e a u t h o rh a s a l s ob u i l tt h e3 dm o d e lo ft h ev a l v ei n “p r o e n g i n e e r ”a n dc o n f i r m e dm o s t l yp i v o t a l d i m e n s i o n sb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di n a n s y s ”w h e nt h e s ed i m e n s i o n s h a v eb e e nc o n f i r m e d ，t h ef l o wr e s i s t a n c ei sc a l c u l a t e db yu s i n gt h e “k - c o e f f i c i e n t m e t h o d t h er e s u l to fl o s i n gp r e s s u r es h o w st h a tt h ei n f l u e n c eo ft h ef l o wr e s i s t a n c e u p o nt h e f u e l i n j e c t i o np r e s s u r ei s s m a l la n da c c e p t a b l e a tt h ee n do ft h e p a p e r ， a u t h o r p r o v i d e s a p r o g r a m a n dm e t h o dt o d e s i g n t h e a c t u a t o r ( i n c l u d i n g r e s t o r a t i o n s p r i n ga n ds o l e n o i d ) f o l l o w i n gt h ep r o g r a m a n dm e t h o d ，m o s tp a r a m e t e r s o ft h ea c t u a t o ra r ec a l c u l a t e d k e y w o r d ：d i e s e l e n g i n e e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dc o m m o n r a i lf u e li n j e c t i o ns y s t e m h i g h s p e e ds o l e n o i dv a l v e s o l e n o i da c t u a t o r i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 柴油机电控燃油喷射系统简介 1 1 1 柴油机电控喷射的意义 柴油机燃油电控喷射系统自七十年代迄今已发展了近三十年，是内燃机发展 史上继机械式供油泵、涡轮增压技术后的第三次大突破，在内燃机行业中具有深 远的意义。随着环保意识的增强和排放法规的日趋严格，人们不断采取措施降低 内燃机的有害排放，另一方面，石油资源的紧张也迫使学者和工程技术人员致力 于提高内燃机的热效率。电控燃油喷射系统正是在这一背景下发展起来的。电控 燃油喷射系统有利于提高燃油喷射压力，可以根据发动机的实际运转工况反馈控 制调整各缸供油量和供油时间，一方面改善了燃烧，提高了工质的热效率，另一 方面也能适当减少某些有害排放，是现代电子技术与传统机械产业结合的典范。 1 1 2 电控燃油喷射系统分类 从电控系统的历史发展来看，电控燃油喷射系统主要可以分为三类：时间控 制式、位置控制式，以及现在的时间一一压力控制式电控系统。时间控制式电控 系统通过电磁阀控制喷油正时以改善燃料的燃烧，通常是先利用试验测得大量发 动机实际运转数据，然后确定各种工况下的最佳喷油正时，以此为依据，当发动 机工况发生变化时，通过执行器及时调整喷油正时，因此称之为时间控制式电控 系统。位置控制式电控系统监测发动机的运转工况变化，改变供油齿条位置，确 定后续工作循环的供油量，使供油量保持在最佳。时间一一压力式电控系统综合 了f j i 两种系统优点，彻底取消了传统供油系统的机械供油泵，可以同时控制喷油 压力和喷油正时，全方位的调节各缸的供油规律。时间一一压力式电控系统中得 到最充分发展的是共轨喷油系统，高压油泵只负责将燃油加压到一个稳定的高压， 储存在高压油轨中，这段油轨通过高速电磁阀和各缸喷油器相连，提供给各缸所 需要的燃油，称之为共轨管，共轨喷油系统的名称也由此而来，共轨系统通过调 整共轨压力来控制喷油压力，通过高速电磁阀控制喷油正时，用电量控制开始喷 油和停止喷油的时间。本论文的主要研究对象就是这种共轨喷油系统中的高速电 磁阀。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 高速电磁阀概述 1 2 1 高速电磁阀的工作条件 高速电磁阀的设计之所以困难，主要在于它的工作条件相当苛刻，主要表现 在以下几方面： 1 2 1 1 工作压力 共轨系统相对于常规喷油系统的优势之一在于可以大大的提高燃油喷射压 力。高速电磁阀的工作压力就是共轨管中的燃油压力，而后者直接决定了喷油压 力( 平均喷油压力和最高喷油压力) ，关系到燃油雾化的质量，为了追求更高的喷 油压力，只有提高对高速电磁阀工作压力的要求。电磁阀工作压力的提高从以下 两方面对电磁阀的设计者提出了严格要求： ( 1 )工作压力的提高要求电磁阀具有更好的密封性和更小的变形。 压力升高，泄漏的可能也增加，这是显而易见的，此外，在供油管路中油压 波动时，如果阀腔和阀芯变形过大，配合面容易发生卡死的现象。事实上，密封 性和变形是息息相关的，由于阀腔和阀芯之间必须是动密封，任何部分的变形都 会影响到配合间隙，也就会影响到密封性能。 ( 2 )工作压力的提高需要更大的驱动能量来克服压力开启和关闭电磁阀。 不论对于何种结构的阀门，被密封流体的液力作用都会影响开启和关闭阀门 所需要的力和能量，所不同的只是影响的大小，所以，设计者的任务之一必须尽 量使作用在运动件上的液体压力保持平衡，这在文章的后面有详细论述。电磁阀 是由电磁铁驱动的，电磁铁的驱动力受其结构尺寸的限制，不可能太大，因此， 优化参数，缩小电磁铁尺寸，同时又保证足够大的驱动力，是阀用电磁铁设计的 宗旨。 1 2 1 2 响应时间 高速电磁阀是电控共轨喷油系统中的关键部件，是决定整个共轨系统性能的 最主要因素之一，国内开发共轨喷油系统遇到的困难多在于此。作为柴油机共轨 系统中的电磁阀，除了要求其流通性能和密封性能足以满足供油量和喷油压力的 要求，最重要的是还必须有相当短的响应时间，一般要求电磁阀的开启和关闭时 间都不能超过若干个曲轴转角，保守的假设柴油机额定转速h 为3 0 0 0 r m i n ，根据 公式( 1 1 ) 计算可知每一度曲轴转角的时间a t 大约是5 5 5 1 0 5 秒，即0 0 5 5 5 毫秒。 2 华中科技大学硕士学位论文 ，= 磊6 丽0 ( 1 1 ) 一般柴油机每工作循环喷油总共只持续约十几度曲轴转角，最大不超过2 8 度曲轴转角，若电磁阀开启缓慢，则供油初期流通能力不足，喷油器充油缓慢， 针阀开启滞后于电磁阀开启的时间就会大大增加，若电磁阀关闭缓慢，则切断供 油的速度缓慢，针阀落座滞后于电磁阀关闭的时间也大大增加，这两段过渡过程 的时间增加，导致了系统工作的不确定性，势必影响到整个控制的精度和效果， 喷油过程的质量也就无法保证。因此，高速电磁阀的开启和关闭时间最好应小于 2 3 度曲轴转角。通常关闭时间的要求比开启时间要求更短，以避免发生二次喷 射。设计时，应以柴油机最高转速为参照，乘上一个可靠系数，作为设计指标。 本次设计的试验机型为y c 6 1 1 2 柴油机，额定转速为2 3 0 0 r m i n ，为保险起见，假 定3 0 0 0 r m i n 为设计指标，则如公式( 1 - 1 ) 所计算的，每度曲轴转角的时间大约 是o 0 5 6 毫秒，电磁阀开启和关闭的时间必须控制在o 0 5 6 毫秒的若干倍以内。 这段时间的长短基本上决定了实际喷油滞后于控制指令的时间长短。 1 2 1 _ 3 流通能力 高速电磁阀要求在设计的时间内通过一定量的燃油，对阀腔内流通面的大小 有一定的要求，还要考虑到节流损失。阀腔内通径决定了阀芯行程，通径越大， 阀芯的行程也越大，阀芯在同样驱动力的作用下花费的时间也就越长，不但驱动 消耗的能量要增加，响应时间也会受到影响。因此，流通能力和阀芯行程是一对 矛盾，需要设法解决。在满足流通能力要求的前提下应该尽量缩小阀芯行程，以 缩短响应时间。 1 2 1 4 工作温度 柴油机工作达到热平衡后，机体的温度要大大高于环境温度，柴油机运行时 燃油温度一般在6 0 0 c ，通风较差的军用风冷机燃油温度可达8 0 0 c 。这要求电磁 阀的各部件的线膨胀系数相差不大，不至于对偶件的配合间隙和电磁阀的密封性 能产生太大影响。 1 2 1 5 工作一致性 对于多缸机而言，每个缸都由独立的电磁阀控制喷油，要保证各缸工作的一 致性，就要保证各缸电磁阀工作的一致性。从控制指令来说，各缸电控制信号的 一致性是容易保证的，但电磁阀受控以后的机械动作却有快有慢，造成这一现象 的原因是多方面的，例如加工误差导致运动件摩擦力的不同，电磁铁制造上的差 异导致电磁吸力规律也不尽相同。虽然以上情况无法完全避免，但可以通过提高 3 华中科技大学硕士学位论文 加工精度减少电磁阀的个体差异，然后在控制信号上给予时间补偿，保证各缸高 速电磁阀工作一致性的要求。 1 2 2 各类型高速电磁阀的比较 不同的电控喷油系统中的高速电磁阀具有很大的结构差异，这也影响到整个 设计方案的安排，对高速电磁阀的区分可以依据阀的结构形式或驱动件的类型。 以下就不同的结构形式和不同类型的驱动件进行对比。 1 2 2 1 不同的结构形式对比 阀的结构形式是多种多样，如滑阀、锥阀、蝶阀、闸阀、叶片阀、旋塞阀等 等。但适合快速开关控制的结构形式却不多，适合由电磁装置驱动、动作迅速、 流体压力又容易平衡的只有滑阀和锥阀。事实上，这两种阀运动件的动作是相似 的，只是密封面和流道的形式不同。这两种结构是控制阀最常用的结构形式。以 下对锥阀和滑阀的结构形式进行各方面的对比。 ( 1 )受力分析 锥形密封面的锥阀相比圆柱形密封面的滑阀更容易受内部液力作用的影响， 这可以通过图1 一l 来说明。 8 j( b ) 图1 1 滑阀和锥阀阀芯受力示意图 从图l - l 可以看出，( a ) 图中的滑阀阀芯，在开启和关闭时受到的高压流体静 压力大部分都自行平衡，在运动轴线方向受到高压燃油涌入的动压力作用也较小。 而( b ) 图中的锥阀阀芯受到的高压流体静压力却很不平衡，静压力作用始终向上。 分析阀芯所受流体动压力，虽然在开启时，高压燃油涌入时阀芯不会遇到太大的 阻力，反而流体对其有推动作用，但在关闭时却要克服流体静压力和动压力做功， 需要很大的驱动力。 高速电磁阀的活动阀芯有两个工作位置：开启和关闭，也就有两个瞬态工作 过程：开启和关闭，由于阀是常闭的，通常阀的关闭动作由复位弹簧的弹力来完 4 华中科技大学硕士学位论文 成，阀的开启由电磁力驱动，克服弹簧弹力作功。这样安排，在大部分时间，不 需要额外的能量就能维持电磁阀的工作位置，可以节省功耗。表面看来在同样的 电磁驱动力作用下，锥阀开启时由于受到液力作用，会比滑阀开启快一些实 际却并不尽然。从对两种阀芯进行的受力分析不难看出，由于滑阀关闭时基本不 受液力作用，复位弹簧只需克服摩擦力做功，而锥阀的复位弹簧除了克服摩擦力 做功外还要克服高压燃油的压力才能将阀关闭，必须具有更大的刚度系数。这样， 在电磁阀开启时，锥阀中电磁力必须克服的复位弹簧弹力要比滑阀大得多，才能 拉动阀芯打开，所以锥阀对电磁铁的驱动力要求更高。综合考虑，控制相同压力 的流体，滑阀比锥阀需要的电磁驱动力要小，对电磁铁的要求相对较低，在这方 面具有明显优势。 ( 2 )密封性对比 高速电磁阀密封性对阀芯与阀腔的配合表面提出了很高的工艺要求，除了配 合尺寸的加工精度要求很高以外，表面粗糙度和硬度也直接关系到高速电磁阀的 密封性能。高速电磁阀阀芯作高频往复运动( 运动频率是曲轴旋转频率的1 2 ) ， 要求对高压流体动密封、泄漏量要少。 滑阀和锥阀最大的区别就在于密封面的形状不同，滑阀的密封面是圆柱面， 锥阀的密封面是锥面。由于是动密封，滑阀阀芯的外径必须小于阀腔内径，留有 一定间隙，也就是说，滑阀是不可能达到完全密封的，锥阀在密封性上则有明显 优势，锥阀关闭时，锥面配合可以达到完全密封。运转一定时间后，滑阀阀芯由 于磨损，间隙变大，必须更换，而锥阀阀芯还可以通过研磨锥面和座面，调整阀 芯升程，使配合重新达到最佳状态。 1 2 2 2 不同类型驱动件的对比分析 传统的控制阀都采用电磁铁来驱动，随着材料科学和电磁学的发展，许多具 有优良的电磁特性的新材料被发现并广泛应用，其中有两类材料成为了电磁铁的 有力竞争对手：电致伸缩材料和磁致伸缩材料。电致伸缩材料和磁致伸缩材料都 是利用某些物质在电场或者磁场下的变形来驱动阀芯运动，和电磁铁相比，在响 应时问和驱动力上具有明显的优势。对于这两类材料，应变量就成为其最主要的 性能指标。就电致伸缩材料而言，功能陶瓷驱动器是其主要代表，功能陶瓷驱动 器是近年发展起来的一种微型位移驱动器件，已广泛应用于光学、电子、航空航 天、机械制造、生物工程、机器人等领域。近年来，国内外在利用功能陶瓷驱动 器研制高响应电液开关阀方面取得了些进展，有的已用于液压伺服系统中。 相比电致伸缩材料，磁致伸缩材料近年来的进步主要体现在新材料的开发上。广 义的磁致伸缩材料包括常规的磁致伸缩材料和超磁致伸缩材料。常规的磁致伸缩 5 华中科技大学硕士学位论文 材料应变量小，驱动磁场要求很大，实际中很少使用。以t e r f e n 0 1 d 为代表的超 磁致伸缩材料，应变量较大，对驱动电路要求也相当高，虽然已经有人研制了利 用这类材料驱动的电磁阀1 2 j ，但在汽车发动机上使用不容易实现，实际应用的价 值不高。尽管以上两种材料都有很好的发展前景，但是大部分的外国公司仍然采 用了传统的电磁铁驱动。常规电磁铁限于物理结构和生产水平，目前难以同时达 到很高的响应速度和很大的驱动力，所以只能在二者之间寻求平衡点，这就产生 了突破常规的轻质、高磁能级的永磁材料制成的磁芯，如稀土永磁材料磁芯。这 类磁性材料密度小，磁能级非常高，因为其应用面相当广，在工业上已经可以实 现批量生产。除采用新的磁性材料外，多极线圈电磁铁、盘形电磁铁这些特殊结 构的电磁铁，可以在较小的行程内达到较大的吸合力，也非常有利用价值。以下 对电致伸缩材料、磁致伸缩材料、电磁铁这三种驱动形式进行比较，分析各自的 优点和缺点，探求高速电磁阀驱动装置的设计方案。 ( 1 )驱动件工作原理 1 ) 电致伸缩材料。电介质在电场作用下有两种效应：逆压电效应和电致伸缩 效应。其中逆压电效应是指电介质在外电场作用下产生应变，应变大小与电场强 度成e 比，应变的方向与电场方向相同。而电致伸缩效应是指电介质在某些方向 的电场作用下( 方向由材料的晶体结构决定) ，由于感应极化作用引起应变，应变 的大小与电场强度的平方成正比。利用逆压电效应或电致伸缩效应制成的功能陶 瓷，是典型的电致伸缩材料。由于电致伸缩材料的应变量比较小，通常需要通过 放大机构使应变量达到控制阀开闭的要求。 fe 三孑- c j 一 l 蝰雾 i 芎! f 划 j # 量三= ；山 d ； 。舅琶 压电堆 弹簧 活塞 单向阀 液压油腔 滑阀 进油孔 出油孔 阀腔 复位弹簧 图i - 2 一种功能陶瓷阀的结构图 图1 2 是一种电致伸缩材料驱动的电磁阀结构图。压电堆在电场作用下发生 膨胀变形，推动活塞做微小运动，再通过液压放大作用推动滑阀阀芯运动，使进 油孔和出油孔处于导通状态。改变电场，压电堆收缩变形。阈芯在复位弹簧的作 用下回位，切断进油孔和出油孔之间的通路。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 磁致伸缩材料。磁致伸缩材料是指某些材料在一定方向的磁场作用下，会 发生一定方向上的变形，当撤除磁场作用后，变形能完全恢复。这类材料中，实 际应用较多的就是t e r f e n o l - d 这种超磁致伸缩材料，图1 3 给出了用t e r f e n 0 1 d 棒材作为驱动元件的电磁阀驱动装置的结构简图。线圈要求由高频斩波恒流源供 电，因为其输出力取决于驱动电流的大小，所以要获得较大的输出力，就必须提 供足够大的驱动电流。电源由低压的脉宽调制信号控制。由于超磁致伸缩材料大 多含有大量的贵金属铽( t b ) ，所以价格相当昂贵，而且控制电路和电源的要求 很高，所以在汽车发动机上使用存在很多困难。 1 前支撵块2 变形粱3 压紧环4 套简 5 磁致伸缩材料6 压紧螺钉7 调节螺钉 8 后端盖9 后支捧块1 0 激励线圈 1 1 传动块机构1 2 项杆 图1 3 一种磁致伸缩材料驱动装置结构图 3 ) 电磁铁。使用电磁铁驱动，铁芯固定在线圈中，衔铁与阀芯相连，位于铁 芯的一端，当磁场改变时，铁芯的磁极性不断改变，吸合或释放衔铁，使其往复 运动。如果运动件的惯性力太大，就难以达到较高的响应速度，所以阀芯和衔铁 质量要小，运动行程要短，电磁铁吸合力要大，这样的电磁铁才有可能满足高速 电磁阀的要求。 ( 2 )性能比较 1 1 响应时间。从响应时间来看，电磁铁由于其本身结构的局限性处于明显的 劣势，电致伸缩材料和磁致伸缩材料相对占优，但是通过优化设计，三种驱动方 式都能满足这一要求，因此这项性能并不能成为决定性的因素。 2 ) 应变量。驱动件推动阀芯运动，电磁阀开启或关闭时阀芯发生的位移，就 是驱动件必须达到的应变量，电磁铁显然最容易满足要求。而电致伸缩材料和磁 致伸缩材料都存在一定的困难，电致伸缩材料可以通过增加驱动电压，或者用多 层材料堆叠，来获得足够的应变量，而磁致伸缩材料，可以通过增加材料尺寸， 7 华中科技大学硕士学位论文 增大驱动电流和驱动能量来满足要求。但所有这些增加应变量的方法，都会导致 高速电磁阀的外形尺寸、能耗以及制造成本大大增加。 3 ) 输出力。输出力是电磁阀驱动部件的重要指标之一，电磁铁通过增加线圈 匝数，采用复合结构形式( 如多极线圈和盘形电磁铁) ，增加能量输入，可以比较 容易地达到较大的输出力，但是也受到安装尺寸和电源供应的限制。电致伸缩材 料和磁致伸缩材料都具有较大的输出力，甚至可以通过位移放大机构，用相对较 大的输出力来弥补应变量的不足，但这一方面增加了电磁阆的尺寸，另一方面放 大机构的延迟效应会使得响应速度大大降低。 4 ) 生产成本。电磁铁生产应用的历史悠久，在理论研究和实际生产上都已经 相当成熟，在生产成本上不存在太大的问题，电致伸缩材料和磁致伸缩材料的制 备工艺相对复杂，成本也相对较高，其中超磁致伸缩材料由于含有大量的贵金属 铽( t b ) ，价格非常昂贵。 表1 1 对三种驱动形式各方面性能进行了对比，其中“一”表示有明显缺陷， “+ ”表示在此方面有优势，“0 ”表示此项性能一般，“一”和“+ ”的个数代表 缺陷和优势的程度大小。 表1 - 1 三种驱动形式的性能对比 电磁铁电致伸缩材料磁致伸缩材料 响应时间 应变量 + 输出力 0+ + 生产成本+ 1 3 课题背景和设计参数 1 3 1 课题背景 为了跟上内燃机行业发展的时代趋势，南岳衡阳油泵油嘴有限公司与华中科 技大学联合研制高压共轨燃油喷射系统，本论文课题为其中的子课题，即用于柴 油机共轨喷油系统的高速电磁阀的研究。由于高速电磁阀的设计涉及电学、磁学、 力学、材料学等多门学科，是一个系统工程，以个人的能力是不可能完成全部设 计，本论文的目标立足于制定一个相对可行的高速电磁阀初步设计方案，尽量减 8 华中科技大学硕士学位论文 少加工制造的难度和对驱动部件的要求，使其在当前工艺水平下能够比较容易地 制造出来，然后再通过试验，改进其性能，使其最终能够完全满足实用要求。 1 3 2 设计参数 与高速电磁阀相关的初始条件和设计目标如表1 2 所示： 表1 2 初始条件和设计指标 参数名称数值 参考机型y c 6 1 1 2 柴油机 共轨压力 1 2 0 m p a 标定转速 2 3 0 0 r m i n 设计最高转速 3 0 0 0 r m i n 标定功率1 5 5 k w 标定转速下油耗 2 5 0 e , k w 。h 电磁阀设计通径3 m m 设计关闭时间 0 2 m s 9 华中科技大学硕士学位论文 2 高速电磁阀的方案设计 2 1 整体选型设计 首先要考虑的是阀的结构形式，绪论中分析了滑阀和锥阀各自的优缺点。整 体选型既要保证电磁阀的密封性、可靠性又要保证一定的使用寿命。滑阀的密封 性差，使用一段时间后间隙会增大，而要求密封的燃油压力又相当高，很容易造 成泄漏。锥阀受液力作用影响相当大，特别在高压条件下，密封锥面沿阀芯运动 方向上的投影面积上受到的液力作用甚至会远远大于阀芯高速运动的惯性力，也 就是说给驱动装置设计带来困难的主要是不平衡的流体压力。综合考虑，设计目 标应该是既有滑阀结构形式的小阻力特点，又要尽量利用锥面增强密封效果。 根据绪论中对各种不同驱动形式的分析，可以知道磁致伸缩材料虽然在实验 上基本取得了成功，但代价太大，电致伸缩材料的应变量过小，不得不增加液压 放大机构，结果是效率太低，响应时间无法得到保证。考虑到电致伸缩材料和磁 致伸缩材料目前还有着多方面的局限性，本次设计决定采用常规的电磁铁驱动。 由于发动机上的电源为直流电源，电磁铁设计为直流电磁铁。 复位弹簧座 电磁铁 复位弹簧 电磁线圈 衔铁 衔铁压紧螺母 阈芯 电磁铁外壳 回油压力调节阀 上阀座镶块 上阀座镶块密封垫圈 阀体 下阀座镶块密封垫圈 阀芯堵头 下阀座镶块 下端盖 锁紧螺栓 图2 1 电磁阀的初步设计方案图 根据以上设计思路，大致可以画出整个电磁阀的初步设计方案图，如图2 - 1 1 0 华中科技大学硕士学位论文 。! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺 所示，在该图结构中，有五对比较重要的配合加工面： 1 ) 阀芯外圆柱面和阀体内圆柱面； 2 ) 阀芯外圆柱面和上阀座镶块内圆柱面； 3 ) 阀芯凸缘上锥面和上阀座镶块微锥面； 4 ) 阀芯凸缘下锥面和阀体微锥面； 5 ) 阀芯外圆柱面和下阀座镶块内圆柱面。 为了加工和安装方便，整个外壳分成了两部分，上面部分为电磁铁外壳，下 面部分为阀体，通过螺栓紧密连接。这样设计的好处是，电磁铁可以比较容易地 更换，适合试制阶段选配不同的电磁铁以及以后的产品检修。阀芯的外圆柱面和 几段内圆柱面之间的配合为间隙配合，要求能自由滑动，摩擦力小，但间隙过大 会引起振动、磨损和泄漏增加，须通过计算和试验确定配合尺寸公差。进油孔、 出油孔、回油孔三者之间的密封主要由图2 2 中所示的微观锥面配合来实现。 出油孔 微观锥面 图2 - 2 油路走向示意图 2 2 阀门组件设计 2 2 1 阀门组件定义及其作用 阀门组件也称为关闭件或内阀门，它是阀门元件及与之相配的阀座或流通孔 的组合【jj 。阀门元件是可动的，它控制流动阻力或方向，阀座或流通孔则固定在 阀体上，图2 1 所示的活动阀芯就是该电磁阀的阀门元件。阀门组件功能有三种： 断流一一通过密封来阻止流体流动；调节流量通过控制流体流动的阻力( 通 常用阀门打开或关闭的开度) 来控制流体的流量，共轨系统中的电磁阀是开关阀， 不存在控制流量的问题，但要求打开和关闭迅速，在开启时，流量迅速达到最大 值。关闭时迅速切断出油孑l ；流动换向把流体从个通道转换到另一个通道， ， 华中科技大学硕士学位论文 以控制流体流动的方向。 阀门组件的设计包含以下设计要素：压力降和流通能力、行程和流量的函数 关系、泄漏、流体介质、流体温度、响应时间、驱动力、尺寸、质量、污染敏感 性、阀门寿命、磨损等等。 2 2 2 高速电磁阀设计要素 2 2 2 1 压力降和流通能力 高速电磁阀的进油孔与共轨管相通，出油孔与针阀腔及液压活塞腔相通，电 磁阀开启前，进油孔压力即为共轨管内的供油压力，设计暂时假定供油压力为 1 2 0 m p a ，出口处压力为针阀腔内的残余压力，大约为3 0 m p a 。参考常规供油系统 可以知道高压油管内径一般为2 5 m m - 3 m m ，考虑到高压共轨系统的供油压力大 大高于常规供油系统，设计流通截面的当量直径为3 m m 应能完全满足供油量的 要求。作为滑阀结构的阀芯，一般运动方向与被密封管路的轴线是垂直的，如图 2 1 所示，也就是说阀芯升程应略大于管路内径，方能使管路从完全封闭到完全 打开，根据电磁铁的特性可以知道，电磁铁吸合力在较小的工作气隙才容易保证， 再者，阀芯具有一定的质量，在相同的惯性力作用下，行程越长显然花费的时间 也越长，响应时间以及电磁铁的功耗也就相应增加了。为了减小阀芯的工作行程， 在设计中可以考虑把出油孔分成八个小孔，每个小孑l 的直径只有1 1 m m ，总的流 通面积仍然不小于直径3 m m 的圆面积，结构如图2 2 所示。 虽然这样肯定会带来节流损失，但是考虑到供油压力相当高，影响应该不大， 综合来说，利大于弊。回油孔流通面积一般非常小，没有很严格的要求，无需作 同样处理。 2 2 2 2 行程和流量的函数关系 如图2 2 结构确定了流通面积和阀芯行程的函数关系，忽略微观锥面的影响， 可以近似的表示为图2 3 中圆弧积分的若干倍。函数关系式可由下列公式来表示： 式中，z 分流孔个数： s u 流通面积： d 分流孑l 直径： x 阀芯升程； 跚 池， 1 2 。p。 z = s 华中科技大学硕士学位论文 x o 阀芯位置。 y ，。 一。 s 一_ x 。 一 、一，? ? 00 51 1 5 阀芯升程( m ) 图2 3 出油孔开启面积示意图和函数关系 从图2 3 所示的函数关系曲线可以知道电磁阀打开和关闭过程中的流通面积 与阀芯升程接近线性关系，在运动行程开始和结束时流通面积变化略快，中间部 分流通面积变化略微缓慢。 2 2 2 3 驱动力和晌应时间 ( 1 )驱动力 要使阀门元件相对于座面或阀门孔运动，必须克服惯性力、摩擦力、流体阻 力、流体静压力和流体动压力【3 】。以下就对高速电磁阀阀芯所受的这四种力进行 分析。 1 ) 摩擦力和流体阻力。大多数非平衡阀门组件可能有比较高的起始静摩擦 力，以及可观的动摩擦力，除此以外在象球阀、塞子、滑阀、活塞和套筒那样的 阀门组件中，经过阀门元件和壳体的泄漏可能使阀门元件浮起，以至减少库仑摩 擦力，并产生小的粘性阻尼摩擦力。对共轨系统的高速电磁阀而言，被密封柴油 的泄漏有润滑作用，但是会产生一定的粘性阻力，一般与其他阻力相较而言非常 小，在设计阶段可以忽略不计。 2 ) 惯性力。惯性力是阀门元件质量、几何形状和运动形式的函数。惯性力对 驱动力要求的影响基本上取决于所要求的响应时间以及系统受到的加速度方向和 大小。显然，线加速度对转动球形阀门所需的力矩影响很小，但是如果这个加速 度沿着套筒、菌形件或其它线性运动阀门的轴向出现，则可能对驱动力的要求有 重大影响，如图2 1 所示的这种电磁阀。 3 1 流体静压力。流体静压力是由于阀门元件上任何纯粹的静压力不平衡而产 生的。根据阀门的结构原理，压力可以增加，减少或根本不影响驱动力。在不平 1 3 8 7 6 5 4 3 2 1 o nee娶瞎用斌 华中科技大学硕士学位论文 ! = 竺竺! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! 竺! ! ! 竺! ! ! 皇竺! ! ! ! 皇! ! ! ! 竺皇! ! 兰! ! 鼍! 衡阀门设计中，上游压力通常沿阀门关闭的方向起作用。因而上游压力的增加将 使阀门元件更紧密地压在阀座上。要使压力不平衡有助于密封，打开阀门的驱动 力就需要较大。当阀门的尺寸和压力的大小需要的驱动力很大时，可使用平衡结 构或先导机构，但会增加响应时间。完全的压力平衡机构能使驱动力减少到仅仅 克服摩擦力、弹簧力和任何必要的密封力。在要求阀门元件精确定位的情况下， 压力平衡阀门组件是特别有利的。例如，在伺服阀门和调节器中，常用滑阀和平 衡活塞或套筒阀门组件。 4 ) 流体动压力。流体动压力是由存在于流动流体和被浸湿表面之间的交界面 上的两种基本作用引起的，这些作用是： 垂直力，在流动状态下由边界建立的静均布压力。 切向摩擦力，由流动流体的粘性引起。 ( 2 )响应时间 响应时间是高速电磁阀的重要性能指标和设计困难所在，但是响应时间和运 动件受力却是相互影响，相互作用的。阀芯升程、液体阻力、阀芯质量、配合面 摩擦力以及电磁铁本身的响应滞后等等都会影响到响应时间，设计中只能抓住这 些因素中的主要几项进行优化，要做到面面俱到，既不可能，也无必要。设计的 最初阶段应该考虑的因素按照其重要程度依次为：阀芯升程、液体阻力和阀芯质 量，其他因素可以暂时不考虑，待确定细节尺寸时再作优化，为了比较阀芯升程、 液体阻力和阀芯质量三者各自对响应时间的影响，不妨近似假设电磁阀关闭时， 阀芯在复位弹簧的作用力下一直作匀加速直线运动( 尽管阀芯实际受力变化相当 复杂) ，那么阀芯从静止于一个工作位置到运动到达另一个工作位置的时间可用公 式( 2 - 2 ) 表示： ，= 2 6 m ；础 ( 2 2 ) 式中：t 电磁阀关闭时间： 万阀芯升程； m 阀芯质量： 兵复位弹簧弹力： f 流体动压力； 厂各种摩擦阻力： 出电磁铁电路磁路滞后时间。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 忽略电磁铁的滞后时间，估算关闭时间与阀芯所受惯性力( 即弹簧力、流体 动压力、摩擦力三者的合力) 的函数关系如下： f ：孥( 2 - 3 ) f 式中：f 阀芯运动惯性力。 惯性力的大小与阀芯升程和阀芯质量成正比，与关闭时间的平方成反比。按 照前面的设计参数，阀芯行程占约为1 i m m ，阀芯质量估算值为1 2 9 时，电磁阀 关闭时间与阀芯运动惯性力的关系如图2 - 4 所示。 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 。1 0 0 0 5 0 0 0 ou 1o zo 3o 4 t ( s ) 图2 - 4 电磁阀关闭时间与阀芯惯性力的关系 从图2 - 4 可以看出，当关闭时间低于0 2 m s 时，阀芯的惯性力大大增加，而 在关闭的过程中，流体阻力是随着阀芯运动速度的增加而增加，始终与阀芯的运 动方向相反，摩擦阻力近似不变，但二者的数值一般较小，阀芯运动的惯性力主 要取决于复位弹簧的弹力。所以，电磁阀关闭的时间长短除了与设计结构参数有 关，就取决于复位弹簧的弹力大小。 要增加复位弹簧的弹力是容易的，只要增加弹簧的刚度系数或弹簧的预压缩 量即可，但是复位弹簧的弹力大小却关系到电磁阀开启时所需的电磁牵引力。因 为电磁牵引力必须大于弹簧弹力、流体静压力、静摩擦力等阻力之和，才能开启 电磁阀，与关闭时类似，电磁牵引力与弹簧弹力等各种阻力的合力影响着电磁阀 开启的时间长短。所以，设计弹簧必须留有余地，不能一味的追求较短的关闭时 间，而导致开启时间增加，这二者需要折衷考虑，但前面提到过，一般对关闭时 间的要求相对开启时间要更短一些。 1 5 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 4 流体压力、泄漏和磨损 前面分析过，锥阀的锥面受到高达1 2 0 m p a 的燃油压力。锥阀阀芯在轴向上 受的燃油液力作用等效于锥面在轴向的投影面积与燃油压力的乘积，故与锥角度 数无关。可以用公式( 2 - 4 ) 表示： f = 石f 2 - 4 ) p ( 2 4 ) 式中：f 燃油对阀芯沿轴向的作用力，( n ) ： ，i ，吒锥底半径和锥项半径，( m ) ： p 燃油压力，( m p a ) 。 假设锥顶半径为2 5 m m ，锥底半径为3 m m ，燃油压力1 2 0 m p a 时的轴向压力 竟然高达1 0 3 6 7 2 8 牛顿，这样数量级的阻力给电磁铁设计带来的是极大的甚至是 根本无法解决的困难。如果不采用锥面密封，就只有用滑阀结构形式的滑动圆柱 面来密封，滑动圆柱面本身就是间隙配合，不可能提供较好的密封，要改善密封 效果只有减小配合间隙或增加密封面的轴向长度，增加密封面轴向长度会导致摩 擦力增加，如果减小间隙，则更会导致磨损加剧。因此，设计使用锥面密封，前 提条件是减小阀芯直径或减小锥顶锥底半径之差，换而言之就是用高的加工精度 换取优良的性能。图2 2 中标出了微观锥面密封的设计构思，阀芯的上下两个锥 面受力基本抵消，只相差一个微观锥面的面积。微观锥面可用阀芯于阀座直接研 配而成，锥顶锥底半径相差小于o 0 5 m m ，实际加工困难并不太大，锥面轴向受 力却大大减小，阀芯外径1 0 m m 时，在1 2 0 m p a 高压燃油作用下的力仅为1 9 0 n 左右，大大低于阀芯运动的惯性力。 2 2 2 5流体介质 阀门设计必须考虑到流体的性质，高速电磁阀在这方面可以参照出油阀、针 阀的设计，尽量使用类似的结构和相近的尺寸，可以简化设计，少走弯路。例如 电磁阀的阀芯可以参照出油阀的阀芯设计，工艺上也可以借鉴出油阀和针阀尺寸 公差设计。 2 2 2 6 尺寸、质量 柴油机共轨喷油系统比常规供油系统减少了很多零部件，但增加了高速电磁 阀、共轨油管等，一般将高速电磁阀安装在整体式喷油器上，这样可以减少喷油 器工作的滞后时问，因为电磁阀开启后，并不能立刻开始喷油，必须等高压燃油 注入喷油器，压力上升使针阀开启，才能对缸内喷油。电磁阀的尺寸一般受到喷 1 6 华中科技大学硕士学位论文 油器安装位置附近的空间限制，容易发生干扰的是气门，气门弹簧和进、排气管 等部件。 整体重量上，用于柴油机的高速电磁阀并无很苛刻的要求，但阀芯、衔铁等 运动部件的质量却直接影响响应时间和驱动力，必须具有相当轻的质量。从公式 ( 2 - 3 ) 可以看到运动件质量对电磁阀响应时间的影响。 2 2 2 7 阀门寿命 高速电磁阀是一个精密的部件。由若干套配合偶件组成，成本相对比较高， 更换起来也不是很容易，必须具备一定的使用寿命，除了要考虑到配合面磨损导 致的密封失效，还要考虑电磁部件的故障，可以考虑把易损件设计成易拆卸的结 构。此外，阀芯部件材料的选择相当重要，既要承受高压力，又必须耐磨，质量 要轻，可以参考常规供油系统中的密封偶件设计。 2 3 电磁铁的设计 2 3 1 电磁铁结构类型选择 电磁铁是一种依靠电磁系统产生的电磁吸力，使衔铁作机械运动，从而对外 做功的电动装置。因此，衔铁在运动过程中所受到的电磁吸力r 与它的行程6 之 间的关系，即f x = f ( 6 ) ，就必然成为表征其主要性能的基本特性。这个特性习惯 上称之为引力特性或吸引特性【4 1 。 f x ，爿n 3 、 o a n = f ( 6 ) 荟 ，e 、 ，j 6c6 图2 5 直流电磁铁的静态吸力特性 由于发动机上电源一般为2 4 v 直流电源，高速电磁阀一般也采用直流电磁铁 1 7 华中科技大学硕士学位论文 驱动。图2 5 所示为直流电磁铁的静态吸力特性。所谓静态吸力特性，就是在稳 态过程中( 即电路参数稳定的情况下) 得到的吸力特性。与此相对应的还有动态 吸力特性，它是在考虑了电路参数在过渡过程中的变化后得出的吸力特性。在衔 铁的实际运动过程中，只存在动态吸力特性，静态吸力特性只不过是衔铁无限缓 慢移动时的一种特例而已。由于动态吸力特性要受到电磁铁所牵引的负载等因素 的影响，以致同一结构参数的电磁铁也会有不同的吸力特性，习惯上常以静态吸 力特性作为电磁铁的基本特性，并且省去“静态”二字而简称为吸力特性。 电磁铁中衔铁的运动过程，实质上就是它作功的过程。由图2 5 可以看出， t 衔铁在其全部运动过程中所作的功为i 删占，它相当于吸力特性曲线下方的那块 而j 面积瓯。如果把衔铁在任一位置占处的吸力以与占相乘，则可得到一个具有能 的量纲的物理量，称之为电磁铁在该位置上的拟定功，以a 。表示。若将占为不同 数值处的拟定功求出来，按一定的比例画在图上，即是4 t = 厂( 占) 曲线。在初始位 置矿处的拟定功称为电磁铁的初始拟定功。设计人员的任务，往往是要使初始拟 定功等于最大输出功以。 电磁铁在运动过程中，必然要克服机械负载的阻力反作用力而作功。因 此，在衔铁整个吸合行程中的任何位置上，一般都要求电磁吸力大于负载反力。 只有这样，电磁铁才能正常工作。按图2 1 的初步设计方案设计的高速电磁阀中， 电磁铁牵引机械负载特性包含有四个因素，弹簧力、摩擦力、流体静压力、流体 动压力。从前面的设计图中可以分析得出以下结论： 1 ) 弹簧力与阀芯行程( 即衔铁行程) 呈线性关系 2 ) 摩擦力在运动过程中近似恒定，但在开始运动时的静摩擦力略大于动摩擦 力。 3 ) 阀芯在开启和关闭两个位置上流体压力未平衡，未平衡压力的大小为密封 锥面在阀芯运动轴线方向投影面积与液体压强的乘积。 4 ) 阀芯运动过程中流体静压力基本平衡。 5 ) 流体动压力的影响难以计算，设计阶段暂时忽略不计。 1 8 华中科技大学硕士学位论文 1 l j 一 6