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浙江大学硕士学位论文共轨系统高压变量泵用高速比例电磁铁的研究 摘要 共轨系统是现代柴油机电控系统的先进技术之一，它能够使柴油机能够满足 日趋严格的排放法规要求，同时可提高其经济性和舒适性。高压共轨式喷油系统 对喷油量和喷油规律的控制都是通过对高速电磁阀的精确控制实现的。在高压油 泵的进、出油口，高压喷油器等关键部位均有高速电磁阀调节控制。因此，高速 电磁阀的性能直接决定了共轨式燃油喷射系统的功能。高速电磁阀由电磁铁与控 制阀两部分组成，其中电磁铁是重点。 本课题以共轨系统高压变量泵用高速比例电磁铁为研究对象，采用理论计 算，计算机仿真与实验分析相结合的方法，研究高压变量泵用高速比例电磁铁的 结构设计与性能优化。本论文建立了高速比例电磁铁动态数学模型，结合电磁场 有限元仿真手段分析了比例电磁铁结构参数与其整体性能的耦合关系，总结出高 速比例电磁铁的优化设计原则。在理论设计计算和仿真分析的基础上，成功研制 出了第一代高速比例电磁铁样品，实验结果显示，自主开发的比例电磁铁样品基 本满足国内共轨系统高压变量泵对高速比例电磁铁性能的要求。 本课题研究工作对我国车用比例电磁铁领域和提升我国柴油机高压共轨燃 油喷射系统的自主开发能力具有重要的理论意义和工程应用价值。 本论文的主要内容可分为6 章，现分述如下： 第一章，阐述了共轨系统及比例电磁铁的发展应用和国内外研究现状，提出 了高速比例电磁铁的研究意义和课题的主要研究内容。 第二章，深入地分析了比例电磁铁的静态和动态控制特性，并推导出了行程 控制型单向比例电磁铁的动态数学模型。 第三章，通过理论计算对比例电磁铁进行了结构设计，并对比例电磁铁选用 磁性材料进行了总体分析，总结出了研制高速比例电磁铁选用的磁性材料应当具 备的基本特性，为选材提供一定的理论依据。 第四章，用电磁场有限元分析软件建立了高速比例电磁铁的仿真模型，并进 行了相关静态和动态仿真分析。对不同的磁性材料分别建立了仿真模型，对它们 的特性仿真结果进行了对比，分析了各种材料的优势和缺陷。 第五章，结合现有的实验条件，对研制出的高速比例电磁铁样品进行了静态 和动态特性的实验研究，给出了相关实验结果。 第六章，概括了全文的主要研究工作和成果，并展望了今后需要进一步研究 的工作和方向。 关键词：共轨系统高速比例电磁铁有限元仿真软磁材料静态特性实验 动态特性实验 浙江大学硕上学位论文共轨系统高压变量泵用高速比例电磁铁的研究 a b s t r a c t c o m m o nr a i ls y s t e mi st h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo fm o d e me l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e mo fd i e s e le n g i n e c o m m o nr a i ls y s t e mn o to n l ye n a b l e st h ed i e s e le n g i n et o m e e tt h ei n c r e a s i n g l ys t r i c te m i s s i o nc r i t e r i o n ，b u ta l s oe n h a n c e si t se c o n o m i c e f f i c i e n c ya n dc o m f o r t t h ef u e li n j e c t i o nq u a n t i t ya n df u e li n j e c t i o nr a t eo ft h e h i g h - p r e s s u r ec o l t l l n o nr a i li n j e c t i o ns y s t e ma r ea c c u r a t ec o n t r o l l e db yh i g h s p e e d e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e t h eo i li n l e ta n do i lo u tl e to ft h eh i g h - p r e s s u r ev a r i a b l ep u m p a n dt h e h i g h - p r e s s u r ei n j e c t o r a r e a d j u s t e d a n dc o n t r o l l e d b yh i g h s p e e d e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e ，s ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m m o nr a i ls y s t e mi sd e p e n d e do n t h ep r o p e r t i e so ft h eh i g h - s p e e de l e c t r o m a g n e t i cv a l v e t h ew h o l eh i i g h s p e e d e l e c t r o m a g n e t i cv a l v ei sc o n s t i t u t e db yt w op a r t s ：t h ev a l v eb o d ya n dt h eh i g h s p e e d s o l e n o i d ，w h i c hi st h ek e yp a r to ft h ew h o l ev a l v e t a k i n gt h eh i g h - s p e e dp r o p o r t i o n a ls o l e n o i df o rt h eh i g h - p r e s s u r ev a r i a b l ep u m p o fc o m m o nr a i ls y s t e ma st h eo b j e c t ，u s i n gt h em e t h o do ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s ， c o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h es t r u c t u r a l d e s i g na n dp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no ft h eh i g h - s p e e dp r o p o r t i o n a ls o l e n o i d t h i s p a p e re s t a b l i s h e d ad y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eh i g h - s p e e dp r o p o r t i o n a l s o l e n o i da n da n a l y z e di tw i t ht h ef e as o f t w a r e t h ep a p e ra n a l y z e dt h ec o u p l i n g r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s o ft h es o l e n o i da n di t s i n t e g r a l p e r f o r m a n c e ，s u m m e du pt h eh i g h s p e e dp r o p o r t i o n a l s o l e n o i d so p t i m a ld e s i g n p r i n c i p l e s t h e ns u c c e e d e di nd e v e l o p i n gah i g h - s p e e dp r o p o r t i o n a ls o l e n o i ds a m p l e b a s e do nt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa n dt h es i m u l a t i o na n a l y s i s t h ee x p e r i m e n t a l s t u d yo nt h es a m p l e s h o w e di t sp e r f o r m a n c ec o u l dm e e tt h ed e m a n do ft h e l l i g h p r e s s u r ev a r i a b l ep u m po fc o m m o nr a i ls y s t e m t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i sc o u l df a l li n t os i xc h a p t e r sa st h ef o l l o w i n g s ： i nc h a p t e r1 ，t h eh i s t o r ya n dc u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fc o n l m o nr a i ls y s t e ma n d p r o p o r t i o n a ls o l e n o i da r ei n t r o d u c e db a s e do nal o to ft h ep u b l i c a t i o n sa n dc o n f e r e n c e p a p e r s c o n s e q u e n t l y , t h eg o a lo f r e s e a r c ha n dp r o j e c ta leb r o u g h tf o r w a r d i nc h a p t e r2 ，i n - d e p t ha n a l y s i so ft h es t a t i ca n dd y n a m i cc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so f t h eh i g h - s p e e dp r o p o r t i o n a ls o l e n o i d ，a n dd e r i v e dad y n a m i cm o d e lo fo n e w a ys t r o k e c o n t r o l l e dp r o p o r t i o n a ls o l e n o i d i nc h a p t e r3 ，s t r u c t u r a ld e s i g nf o rt h eh i g h s p e e dp r o p o r t i o n a ls o l e n o i dt h r o u g h t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n a no v e r a l la n a l y s i so fs o f tm a g n e t i cm a t e r i a l sw a sp r o v i d e dt o s u mu pat h e o r e t i c a lb a s i sf o rm a t e r i a ls e l e c t i o n i nc h a p t e r4 ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h eh i g h s p e e dp r o p o r t i o n a ls o l e n o i dw a s i l 浙江大学硕士学位论文 共轨系统高压变量泵用高速比例电磁铁的研究 e s t a b l i s h e dw i t he l e c t r o m a g n e t i cf i e l d sw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，t h e r e l a t e ds t a t i ca n dd y n a m i cs i m u l a t i o nw e r ea l s oa n a l y z e d t h e ne s t a b l i s h e ds i m u l a t i o n m o d e l sw i t hd i f f e r e n ts o rm a g n e t i cm a t e r i a l s ，t h e i rc h a r a c t e r i s t i c so fs i m u l a t i o n r e s u l t sw e r ec o m p a r e df o rt h ep u r p o s eo fa n a l y s i so ft h ev a r i o u sa d v a n t a g e sa n d s h o r t c o m i n g so fd i f f e r e n tm a t e r i a l s i nc h a p t e r5 ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h es a m p l eo ft h eh i g h s p e e dp r o p o r t i o n a l s o l e n o i d ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h er e l a t e da n a l y s i sd e m o n s t r a t e si t sc o n f o r m i t y t ot h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h i nc h a p t e r6 ，s o m ec o n c l u s i o n si nt h i st h e s i sw e r es u m m a r i z e da n dt h ef u t u r e r e s e a r c hp r o p o s a l sw e r e s u g g e s t e d k e y w o r d s ：c o m m o nr a i ls y s t e m ，h i g h - s p e e dp r o p o r t i o n a ls o l e n o i d ，f i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i s ，s o f tm a g n e t i cm a t e r i a l ，s t a t i c c h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t 。i i i _ 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储虢豸孵签扣期：加多年参月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 彳翮强 i 导师签名： 柏绛岛 签字日期：谚多年6 月j2 ，日 签字日期： d 矿年月，多同 浙江大学硕上学位论文共轨系统高压变量泵用高速比例电磁铁的研究 第1 章绪论 本章介绍了共轨系统的发展、应用和比例电磁铁的国内外研究现状。阐述 了比例电磁铁的结构、分类和工作原理。指出了本课题开展的重要性和必要性， 并对本论文的主要研究内容进行了相关说明。 1 1 共轨系统及比例电磁铁发展概述 1 1 1 共轨系统的发展与应用 汽车被称为“改变世界的机器”。由于汽车工业具有很强的产业关联度，因 而被视为一个国家经济发展水平的重要标志。近1 0 年来，我国汽车工业快速而 稳步发展，汽车产量年均增长1 5 ，是同期世界汽车产量增长量的1 0 倍。汽 车工业正在成为拉动我国经济增长的发动机。汽车工业日益繁荣，“十一五 期间我国的汽车及车用柴油机产量会有大幅度的增长，为了节省能源、降低排 放，对柴油机燃油喷射系统的要求将越来越副1 】【2 】【3 1 。 共孰压力传寡嚣 图1 - 1v 6 柴油机用博世第三代共轨喷油系统布置图 采用电子控制技术优化柴油机动力性能、降低排放，是当代柴油机发展的 必然趋势。为了达到欧l l i 甚至欧i v 排放标准，柴油机必须采用电子控制的燃 油喷射系统，用高速电磁阀控制的单体泵、分配泵、泵喷嘴以及共轨燃油喷射 系统已经在国外卡车和轿车柴油发动机方面大量应用，国内则刚刚起步。共轨 浙江 学堙 位论立接轨系统高k 变蜃g 月高4 m 倒m 碰铁的研究 喷射技术是柴油机发展史上的大飞跃。柴油机高压共轨系统在整个内燃机行 业被公认为2 0 世纪三大突破之一，是2 1 世纪柴油喷射系统的主流。自1 9 9 7 年博世公司首次推出轿车用共轨喷油系统以来，已经不断发展到目前的第三代 电控高压共轨喷射系统。高压共轨式喷油系统可以实现对喷油量、喷油压力、 喷油速率和喷油定时等的灵活控制，优化燃烧过程，从而提高柴油机的性能。 目前困外在柴油机电控共轨喷射系统方面的研究进展很快，德国b o s c h 公司、 意大利菲亚特集团、英国l u c a s 、日本电装公司、美国德尔福公司等世界著 名油泵油嘴制造商相继开发了高压共轨系统，并有多种共轨喷射系统设计并投 产。图1l 所示为德国b o s c h 公司生产的共轨喷油系统布置图9 - 6 1 。 在图l _ 1 中，低压电动燃油泵将燃油输送给具有泵油量调节功能的高压油 泵，高压泵进油u 处通过一高速比例流量电磁阀控制流量。该比例流量阀中的 关键部件高速比例电磁铁，国内至今还无法生产。因此大大制约了我国电 控燃油系统的发展。而目前德国的博啦公司和日本的电装公司都已经有了先进 成熟的产品”，如图1 2 中所示。但是都对我国施行技术保密，产品对国内 封锁。 ( a ) 德国博世公司高速比例电磁铁( b ) 日本电装公司高速比例电磁铁 图1 - 2 国外共轨系统高压变量泵用高速比例电磁铁产品 1 1 2 比倒电磁铁的结构、工作原理及分类 比例电磁铁作为电液比例控制元件的电机械转换器件，其功能是将比例 控制放犬器输给的电流信号转换成力或位移。比例电磁铁被广泛地应用于电液 比例控制系统中。它能使得液流压力和流量连续地、按比例地跟随控制信号而 变化，它的控制性能优于开关式控制。与电液伺服系统相比，虽然其控制精度 和响应速度较低，但它的成本低廉、结构简单、通用性好、抗污染能力强( 对 油质的要求不高) 、维护方便、衔铁腔可做成耐高压结构、能方便地进行远程控 制和程序控制。 近年来电液比例控制在国内外得到重视，并有了较快的发展。其中比例电 磁铁作为电子控制元件与液压阀之问的连接环节它能将输入的电信号( 电流) 一2 一 ：勰 浙江大学硕士学位论文共轨系统高骶变量泵用高速比例电磁铁的研究 按比例转换成机械量( 力或位移) 输出。主要应用于以下几种产品：比例压力阀、 比例流量阀、比例换向阀、比例复合阀、比例减压阀、比例顺序阀、比例调速 阀。 虽然目前国内外市场中比例电磁铁的品种繁多，但其基本的结构和原理大 体相同。图1 3 所示即为一种典型的耐高压比例电磁铁的基本n n t l 3 - 1 5 l 。 1 导套2 隔磁环3 衔铁4 弹簧5 螺钉 6 极靴7 线圈8 轴承环9 外壳 图1 3 比例电磁铁基本结构 由图1 3 可知，典型的耐高压比例电磁铁主要由导套、衔铁、外壳、极靴、 线圈、推杆等组成【l3 1 。导套前后两段为导磁材料，中间则用一段非导磁材料( 隔 磁环) 焊接。导套具有足够的耐压强度( 约可承受3 5 m p a 的静压力) 。导套前 段和极靴组合，形成带锥型端部的盆型极靴，其相对尺寸决定了比例电磁铁稳 态特性曲线的形状。导套和壳体之问配置同心螺线管式控制线圈。衔铁的前端 装有推杆，用以输出力或位移；后端装有弹簧和调节螺钉组成的调零机构，可 以在一定范围内对比例电磁铁特性曲线进行调整。 当前应用比较广泛的比例电磁铁一般为湿式直流电磁铁，比例电磁铁与普 通的直流电磁铁相比，由于其结构上的特殊设计，使之形成特殊形式的磁路， 从而使它获得了特有的吸力特性水平位移一力特性，这一点是二者的本质 区别。比例电磁铁与普通直流电磁铁的位移一力特性对比如图1 4 所示，图中 i 、i i 、i i i 区分别对应比例电磁铁的吸合区、工作行程区和空行程区。 3 一 浙江大学硕士学位论文共轨系统高压变量泵用高速比例电磁铁的研究 mj 、 l 一一么：一一一 1 i 、2f 、么 0 。0 ， 1 、， 6 1 比例电磁铁2 普通直流电磁铁 图1 4 电磁铁的位移一力特性 比例电磁铁的磁路，在工作气隙附近被分成两部分西，和晚，如图1 5 ( a ) 所示。其中，一条磁路痧，由前端盖瓮型极靴底部，沿轴向工作气隙，进入衔 铁，穿过导套后段和导磁外壳回到前端盖极靴，产生轴向推力( 端面力) 砌，； 而另一磁路奶经盆型极靴锥形周边( 导套前段) ，径向穿过工作气隙进入衔铁， 而后与，汇合，产生轴向附加力。这种特殊形式磁路的形成，主要是由于 采用了隔磁环结构，构成了一带锥形周边的盆型极靴。因此，盆口部位几何形 状及尺寸，需要经过优化设计和实验研究才能决定。由于电磁作用，和 二者综合得到比例电磁铁的水平位移一力特性，如图1 - 5 ( b ) 所示。在工作区域 内，电磁力助相对于衔铁位移基本呈水平力特性关系1 1 3 5 1 。 f m 气 f 、2泰 、 。，。 一 ，匙一。 ( a ) 咖，奶的磁路示意图( b ) 位移一力特性示意图 图1 - 5 比例电磁铁磁路及位移力特性 衔铁与导套之间的摩擦力，往往可以采用在控制电流信号里叠加一定频率 的交流信号，即加所谓颤振信号的办法，使其得到明显降低。颤振信号在衔铁 _ 4 _ 。 浙江大学硕士学位论文共轨系统高压变量泵用高速比例电磁铁的研究 里产生一个与控制信号相比幅值较小的附加振动，使摩擦力的干扰影响明显减 小。也可以采用特定频率和占空比的p w m 波作为控制信号来取代颤振信号， 效果更好。 比例电磁铁根据使用情况和调节参数的不同，可分为力控制型、行程控制 型和位置调节型三种基本应用类型【1 3 1 。 力控制型比例电磁铁直接输出力，它的工作行程较短，一般用在比例阀的 先导控制级上。在工作区内，具有水平的位移一力特性，即其输出力只与输入 电流成比例，而与位移无关。 行程控制型比例电磁铁是由力控制型比例电磁铁与负载弹簧共同工作而形 成的。电磁铁的输出力，通过弹簧转换成输出位移。即行程控制型比例电磁铁 实现了电流一力一位移的线性转换。这种类型的比例电磁铁，输出量是与电流 成比例的位移，其工作行程较大，多用在直接控制型比例阀上。行程控制型比 例电磁铁与力控制型比例电磁铁结构完全相同，只有使用条件的区别，因此它 们的控制特性曲线是一致的，都具有水平的位移一力特性和线性的电流一力特 性。 上述比例电磁铁的衔铁位置如果通过位移传感器检测，构成位置电反馈闭 环，就形成了位置调节型比例电磁铁。位置调节型比例电磁铁的衔铁位置由其 推动的阀芯位置，通过一闭环调节回路进行调节。只要电磁铁运行在允许的工 作区域内，其衔铁就保持与输入电信号相对应位置不变，而与所受反力无关， 即它的负载刚度很大。这类位置调节型比例电磁铁多用于控制精度要求较高的 直接控制式比例阀上。在结构上，除了衔铁的一端接上位移传感器( 位移传感 器的动杆与衔铁固接) 外，其余与力控制型，行程控制型比例电磁铁是相同的。 从结构上讲，比例电磁铁除了耐高压形式外，还有不耐高压的形式。不耐 高压的比例电磁铁一般只能承受溢流阀、方向阀等的回油腔压力。由于结构比 较简单，仍有不少电液比例阀配用这类电磁铁。 为了适应各种不同形式比例阀的需要，满足不同的使用场合和一些特殊工 况要求，除了上述普通比例电磁铁外，常见的其他形式有双向极化耐高压比例 电磁铁、插装阀式比例电磁铁、旋转比例电磁铁( 角位移式) 、防爆比例电磁铁、 内装集成l t 侈, l 放大器式比例电磁铁等。 结合电液比例控制技术和车辆工程中的实际工况对新型比例电磁铁提出的 要求主要有：1 1 3 】【1 5 】 ( 1 ) 水平的位移一力特性，即在比例电磁铁有效工作行程内，当线圈电流一 定时，其输出力保持恒定； ( 2 ) 输出电磁力和行程较小，对精度和平稳性要求很高； ( 3 ) 稳态电流一力特性具有良好的线性度，较小的死区及滞回； 一5 一 浙江大学硕士学位论文共轨系统高压变量泵用高速比例电磁铁的研究 ( 4 ) 阶跃响应快，频响高； ( 5 ) 体积小，环境适应性好； ( 6 ) 需要尽可能降低生产制造成本。 1 1 3 电液比例技术及比例电磁铁发展概况 6 0 年代后期，各类民用工程对电液控制技术的需求，显得更加迫切与广泛。 但是，由于传统的电液伺服阀对流体介质清洁度要求十分苛刻，制造成本和维 护费用比较高昂，系统能耗也比较大，难以为各工业用户所接受，而传统的电 液开关控制又不能满足高质量控制系统要求。电液比例控制技术，正是适应开 发一种可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足工程技术实际需要的电液控 制技术的要求，从6 0 年代末迅速发展起来的。由表1 1 可知，经过几十年的发 展，除比例元件具有中位死区之外，在滞环、重复精度等主要稳念特性上已与 伺服阀相当，而工作频宽又具有足以满足大部分工业系统控制要求的相当水平； 在对介质过滤精度要求、阀内损失和价格方面，又接近与开关阀。因此，电液 比例元件赢得了比电液伺服元件更为广阔的应用领域【1 3 15 1 。 表1 1伺服、比例、开关元件性能对照 类别 项、 电液伺服阀屯液比例阀早期电液比例阀 开关阀 介质过滤度 3 1 02 52 52 5 阀内压力降m p a7 1 2 10 5 20 2 5 0 5 o 2 5 旬5 滞环 1 31 34 7 重复精度 0 5o 5士l 频宽3 d b h z 2 0 2 0 0l 3 0 1 5 线罔功率 o 0 5 51 0 2 41 0 - 3 0 中位死区 无有有有 价格因子 31l0 5 比例电磁铁的发展较早起步于国外，特别是西德和日本。生产厂家主要有 m a g n e t s c h u l t z ，b s o ，b i n d e r ，r e x r o t h ，b o s c h ，v i c k e r s ，油研等。国内上海机 床电器三厂和安阳机床电器厂引进了德国b s o 公司的比例电磁铁生产技术。同 时，国内一些研究机构，如浙江大学流体传动及控制研究所对比例电磁铁作了 一系列的研究工作，从1 9 8 2 年起，先后开发出了三种规格( 额定输出力分别为 5 5 n ，7 0 n ，1 4 5 n ) 的普通型和高频响型耐高压比例电磁铁，以及耐高压双向 极化式比例电磁铁，旋转比例电磁铁，防爆比例电磁铁等，并推广了有关技术， 一些厂家( 如上海机床电器三厂，宁波水表厂电液比例阀分厂等) 开始小批量 生产。 一6 一 浙江大学硕士学位论文共轨系统高压变量泵用高速比例电磁铁的研究 在图1 3 典型结构的基础上，国内外各生产厂家在保证比例电磁铁外型端 面尺寸和螺孔安装连接尺寸不变的前提下，对结构作了一系列的改进，以进一 步提高比例电磁铁的性能。例如，将衔铁运动件的支承方式，由典型结构的两 个与导套相吻合的轴承环支承