2024年6月10日发(作者：吉骏琛)
2019
年第
7
期
doi
:
10.
11832/j.
issn.
1000-4858.2019.
07.014
液压与'动
81
基于
AMESim
的高速
开
关阀动
态
特性仿真研究
方
洋
1
,
肖
峻
1
,
蔡未末
2
,
刘志
柱
2
(
1.
武汉
理
工大学机电工程学院
，
湖北武汉
430070
；
2
.东风汽车集团股份有限公司
，
湖北武汉
420100
)
摘
要
：
以某型号电子限滑差速器中的无复位弹簧式高速开关阀为研究对象
，
分析了该高速开关阀的结
构及工作原理
，
并建立了机
、
电
、
磁
、
液等各
个耦
合部分的数学模型
。
运用
AMESim
建模仿真平台建立高速开
关阀的阀芯位移动态响应模型
，
基于该模型对高速开关阀在一定
PWM
信号下进行动态时间响应特性仿真
，
分析了阀芯质量
、
驱动电压
、
黏性阻尼系数等参数对高速开关阀阀芯位移响应时间各个阶段的影响
，
通过仿
真结果分析了响应时间滞后的原
因
，
并从提高阀芯响应时间方面提出参数优化调整建议
。
关键词
：
高速开关阀
；
AMESim
;
建模仿真
;
动态时间响应
中图分类号
:
TH137
文献标志码
：
B
文章编号
：
1000-4858
(
2019
)
07-0081-07
Simulation
Research
on
Dynamic
Characteristics
of
High
Speed
On-off
Valve
Based
on
AMESim
FANG
Yang
1
,
XIAO
Jun
1
,
CAI
Wei-mo
2
,
LIA
Zhi-zhu
2
(
1.
Mechanicol
and
ElectWcol
Engineering
,
Wuhan
University
o
V
Technology
,
Wuhan
,
Hubei
430070
；
2.
Dongfeng
MoWr
Group
Co.
,
LtU.
,
Wuhan
,
Hubei
420100
)
Abstract
:
Taking
the
non-retum
sp/ng
type
high
speed
on-oft
velve
of
a
certain
type
of
electronic
limited
slip
dCerential
as
the
resetrch
object
,
the
and
working
p/nciple
of
We
high
speed
on-off
velve
are
analyzed
and
the
matUematicel
models
of
each
coupling
pa/
of
machine
,
electWcity
,
maynetism
and
liquip
are
established.
Then
iheAMESimmodeland
simulaiion
plaiooem
aeeused
ioesiablish
ihedynamicdisplacemenieesponsemodeloo
the
high
speed
on-oft
velve.
Based
on
the
modet
,
the
dynamic
time
response
01
x
0/100
of
the
high
speed
on-oft
velve
under
ce/ain
PWM
signals
are
simulated
,
tfa
influence
of
the
parameters
such
as
spocO
quality
,
d/ving
voltage
and
viscous
damping
coefficient
on
tfa
displacement
response
time
of
the
high-speed
on-off
valve
spocO
are
,
ihe
eeason
o
teesponse
icme
lag
cs
analy
eed
teom
scmulaicon
eesulis
,
and
ihe
paeameie
es
optcmceatcon
adeustmentsuggestconsaeepeoposed
teom
theaspectotcmpeoecngtheeesponsetcmeottheealeecoee.
Key
words
：
high-speed
on-off
vv
I
vv
,
AMESim
,
modeling
and
simulation
,
dynamic
time
response
引言
控制下的高速开关阀动态时间响应特性等进行研究,
在电液控制系统中
，
咼速开关阀是一个很关键的
零部件
，
具有响应速度快
、
结构简单紧
凑
、
重复性好
、
工
作可靠和不易受到外界污染等特点
［
1
］
(其采用脉宽
提高其反应时间的快速性
。
近年来
，
国内外学者越来越重视对高速开关阀的
研究分析
。
德国的
K.
ENGELSDAF
、
P.
DNNKEN
,
美国
调制
(
Pulse
Width
Modulation
,
PWM
)
进行控制
&
2
'
，
可以
直接与控制器连接,不需要
D/A
转换,极大简化了控
制系统的软
、
硬
件模
块
。
新型的电子限滑差速器在汽
车领域中被广泛使用
［
3
］
，
而高速开关阀作为电子限滑
差速器中的
核
心部件
，
其响应的快速性直接影响了差
的
BKM
公司和日本的田中
裕久
等人相继开发出了响
收稿日期
：
2018-11-13
基金项目
：
湖北省科学技术研究与开发基金
(
201397289
)
作者简介:方洋
(
1992
—
)
，
男
，
湖北黄冈人
，
硕士研究生
，
主要
速器的可靠性
、
稳定性等工作性能
，
因此
，
需要对
PWM
从事液压技术和机电
一体化方面的研究工作
。
82
液压与'动
2019
年第
7
期
应速度快的高速开关阀
&
4
一
5
'
,结构
，成
。
国
的浙江大学
了衔铁形
速开关阀的动态响
应特性影响分
&
6
'
。
大学的戴佳等
&
7
'
实现了电动气阀
动态响应过程的仿真分析
。
以
上
只是
速开关阀的结构
仿真分析
和优化
，
而没有谈及到黏性阻尼系数等
的影响
，
并
电子限滑差速器
速开关阀的
分析还鲜见
报道
。
针对新型脉宽调制式高速开关阀的结构
,
建立相关数学模型
，
基于
IMAGIUE.
AMESCm
液压仿真
台
，
构
型高速开关阀的动
性响应仿真模型
。
速开关阀的阀芯位移随时
的关系
&
8
引
*
,
从优化系统
的角度
阀芯响应时间的建
，
为
电子限滑差速器的控制性能提供
。
1
速
开
关阀的结构
作
原理
调制高速开关阀按阀芯的结构分类
，
可
分
为
4
大类,即喷嘴挡板式
、
圆
滑阀式
、
锥阀式
、
球阀式
等
，
而球阀式
PWM
高速开关阀因其结构简单
、
密封可
靠
、
动作
、
动
响应好等优点而
泛应
个
领域
&
10
'
*
。
新型二位
球阀式高速开关阀的结构简
图如图
1
所示
，
它应
电子限滑差速器中
，
其结构主
要由壳体
、
阀体组件、
顶
杆
、
钢球等组成
。
6
5
4
3
2
1
7
8
9
10
1
•阀体
2
•密封圈
3
•出油口
4
•壳体
5
•感应线圈
6
•磁
O
7
•衔铁
8
•极靴
9
•顶杆
10.
钢球
11.
进油口
图
1
高速
开
关阀结构
简
图
新型高速开关阀采用
PWM
控制
，
调节控
制信号的
和占空比
，
使速开关阀的阀口在开启
和关
交
。
其工作原理为
，
当
PWM
信号为高电平时
，
感应
5
通电
，
衔铁
7
电
推
，
服
和液动力
，
顶
杆
9
带动钢球
10
右移
动
，
直至
球紧靠密封
，
使阀口关闭
。
当
PWM
信
为低电平时
，
感应
5
断电
，
电
消失
，
钢球
10
在液动力的作
左移动
，
使阀
开。
PWM
信号
的
一定时
，
调节占空比的大小可
阀口开启
、
关闭的时间
，
速开关阀没有复位弹簧
，
减少了弹簧
阻尼带来的机械延时
，
同时也提高电磁阀的使
。
2
高速
开
关阀数
学
模型
调制式高速开关阀主要由电场模型部分
、
磁
模型部分
、
机械运动模型部分和流体模型部分
.
而成
&
⑴
，
机
、
电
、
磁
、
液等部分的
关系如图
2
所示
。
控制器输出的
PWM
信号作
速开关阀,
使电
输出电流
，
,
部分
电
，
同
时电场中的电流也会受
,
和线圈电阻
6
的影响
。
磁场部分输出的电磁力
O
%
作用至机械运动
部分,驱使推杆移动
，
同时钢球(即阀芯
)
的质量
?
和
阀芯位移
&
也会影响电
的大小
。
流体部分产生的
液动力
O
p
会作
球上
，
同时阀口的
9
和阀
座锥角
$也
液动力的大小产生影响
。
图
2
高速
开
关阀子模型间耦合关系图
2
-
1
电路模型
由电路原理和麦克斯韦电磁感应定律
,忽
度
的
电阻的影响
&
12
'
,速开关阀电
两
端的电
衡方程如式
！
1
)所示
：
I
+
6/
+
d
半
#
+
6/
+
N
d
单
#
(
1
)
式中
，
I
电磁线圈的驱动电压
6
线圈电阻
,
—
—
中的磁链
1
----
的
----
中的电流
N
—
—
匝
由电磁学理论
，
，
、
磁通
1
、
线圈电流
，
和电感
:
的关系如式
(
2
)
所示
：
,
二
N1
二也
(
2
)
综合上述式
(
1
)
和式
(
2
)
可得电路的数学模型如
式(
3
)
所示：
I
+
6+
：
d
£
,
+
.
，
d:
r#
(
&
g
)
(
&)
(
3
)
式中
，：
—
—
电
的等
效
电感
&
—
—
电磁铁的工作气隙
2.2
磁路模型
速开关阀的
部
，
采
量
，
工程上适用的磁路分
，
速开关阀的阀芯位
移
，
阀部
可以忽略
&
13
'
。
由衔铁
2019
年第
7
期
液压与'动
83
的磁导率远大于空气的磁导率
,
所以近似认为整个磁
路的
主要
在气隙上
，
磁导体的
可
忽略
不计
，
路的
主要由气隙
决定
&
14
'
,而
工
作气隙
为
，
综上可
路部分的数学模型为:
_
4
>
(
>
0
-
&
)
+
@
s
#0
"
9
>
e
式中
，
6
X
-------
总
6
g1
—
—
工作气隙磁阻
—
—
非工作气隙
>
一
*
工作气隙
长度
>
—
—
衔铁长度
&
----
阀芯位移
9
—
—
衔铁直径
厂
—
—
非工作气隙长度
#0
----
空气磁导率
由磁路基尔霍夫定律可得
：
M
_
,
6
X
(
5
)
2.
3
机械
运
动模型
井
：
N
2
_6
(
6
$
速开关阀的阀芯力平衡方程
&
15
'
如式!
7
)
:
m
d
2
&
d
2
_
(
7
)
式中
，
5
—
一
黏性
系数
F
%
----
电磁力
Fp
------液动力
F
-
—
—
摩擦力
电磁学理论及能量守恒定理
，
得到电磁力方
程如式
(
8
)
：
1
.2
d
：
2
'
d
&
(
8
)
将式!
4
)
〜
式!
6
)
代入到式(
8
)
中可得
：
F
%
二二^
(
9
)
#0
"
9
2.4
流
体模型
液体在流经阀口时
，
球
一定的作
，
为液动力
&
16
'
。
在阀芯
受
衡方程中
，
液动力的大
阀芯运动
大影响
。
速开关阀的阀
芯
及节流口的一段流体空间为液动力分
f
象
&
17
'
，
流体力学相关
推
导出阀芯液动力的数
学模型
，
如图
3
所示
。
O
p
_
pQ'
o
-
pQvd
+
+0
L
1
+
j
2
"rdr
-
O
LcosC
-
0
L
2
(
10
)
式中
，
p
—
—
液体密度
'0
—
—
液体的流速
Q
------
阀口流量
'
—
—
节流
液体流速
*
—
一阀座的半
O
------
的压力
O
—
—
出油口处压力
L
1
—
一喉管处的过流面积
L
------
阀
大端
L
—
一节流
流
6
-
—
一节流
半径
r
—
—
—
管
半
3
AMESim
的高速开关阀建模
3.1
高
速开关阀的动态模型
速开关阀的结构以及各个耦合部分的数学
模型
，
AMESim
中的信
(
Synal
)
Control)
)
液
元件库
(
Hydmulic
Component
Design
)
和电磁元件库
(
Electro
Mechanical)
，
电子
限
滑差速
器
中的高速
开关阀的动态仿真模型&⑻
，
如图
4
所示
。
图
4
高速
开
关阀
AMESim
动态仿真模型
84
液压与'动
2019
年第
7
期
3.2
高
速开关阀理论响应特性分析
的二位
开式高速开关阀
，
在理想条
件下
,
在一个
PWM
脉宽调制周期内
，
阀芯的位移响应
形应
输入的
PWM
信
形
一致
，
即在
PWM
信号的高电
，
阀芯应
关
，
在
电
，阀芯应
开启
。
但是在实际情况下
,
由于电磁响应
、
黏性
及惯性的影响
，
阀芯的运动
不能
着输
信号的
而
，
调制
T
、
占空
-
等
其响应特性影响很大
[
19
]
,
在
输入一定的
PWM
控制信
,
典型的阀芯位移随时
如图
5
所示
。
图
5
高速开
关阀阀
芯
位移响应曲线
在一个
调制周期丁内
,
PWM
信号的高电
时间为
#
，
当
调制一定时
，
空比-的
大小
，
阀芯的位移响应
也
。
阀芯的位
移动态响应大致可以分为三个
[
20
]
:
阀芯关
段
#
0
、阀芯
关
和阀芯开启
#
n
(
由
速
开关阀阀芯本身的惯性
和
的影响
，
其阀
芯关
可以分为阀芯关闭滞
#
1
和阀芯
关闭动作
#
2
，
阀芯开启
可以分为阀芯开启滞
#
3
和阀芯开启动作
#
4
,
#
1
和
#
3
是由于电磁
电流的感抗作
成的电流增长滞后时间和电
流衰减滞后时间
。
阀芯的关闭时间#和开启时间如是
衡量高速开关阀动态响应特性的重要指标
[
21
]
，
其中
：
#
0
=#
1
+
#
2
(
11
)
#
n
=#
3
+
#
4
(
12
)
(
13
)
由阀芯位移响应曲线可知
，
当
PWM
信号的高电
时间
#
P
阀芯关闭滞后时间
#
1
时
，
阀芯不会
关闭
，
此时阀芯位移位于死区
，
位移
为
0
(
当
#
p
/
[
#
1
,
#
1
+
#
)
时
，
此时速开关阀
控制
性区
,
阀芯
移动
，
但是不会达
大值
,
而是关
I
某一位移
开启。当
#
p
/
[
#
1
+
#
2
,
H
-
#
3
-
#
'
时
，
阀芯关闭和开启均到位
，
此时位于控制线性区
。
当
#
p
>
H-#
3-
#
4
时
，
阀芯可以关
位
，
由
电平时间
,
阀芯开启滞后时间
，
导致阀芯不能开启
，此
时阀芯工作在
饱
和区
[
22
]
,
一
关
，
所
；
适当的驱动频率以及合理的占空
能更好的
控制咼速开关阀的开
、
关动作
。
4
速开关阀的动态响应特性仿真分析
4.1
模型固有频率的确定
在高速开关阀仿真模型中
，
关键参数如表
1
所示
。
表
1
高速
开
关阀仿真模型关键参数
参数名
数值
参数名
数值
驱
动电压
/V
12
初始气隙
/mm
2
阀芯质量
/g
1
阀芯最大行程
/
mm
1.5
线圈匝数
/
匝
420
线圈电感
/mH
46
线圈电阻
/&
14
阀座半锥角
/(°)
45
黏性阻尼系数
/N
+
m
+
s"
0.2
真空磁导率/
H
-m"
1
1.5
当
速开关阀动态仿真模型的驱动
为
50
He
,
占空
为
50%
时
，
阀芯位移
应
PWM
信
的响应曲线
，
如图
6
所示
。
-
…
阀芯位移
X10'
3
—
PWM
信号
图
6
九
=50
H
z
,
!
=
0.5
时阀
芯
位移随
PWM
信号变化曲线
从该仿真结果可
，
阀芯关闭时间
#
为
2.7
ms
,
阀芯开启时间
#
n
为
7.3
ms
,通
高速开关阀模型的固有
[
23
]
T
为
：
f
0
=
—
1
—
=
100
He
#
0
+#
在确定高速开关阀的驱动频率
T
时一般都会参
考其固有
T
,
如果驱动
大
有效占空
调
不足
，
有可能使阀芯
死区
,
不能产
生动作
a
。
驱动
PWM
控制信
系统控制指令的响应滞后
,
所驱动频率的
是非
2019
年第
7
期
液压与'动
85
重要的
,
经过仿真分析
，
高速开关阀的驱动频率确定
为
50
Hz
。
4.2
系统仿真参数对
高速
开关阀动态响应特性的影响
1
)
阀芯质量
速开关阀特性的影响
在
AMESim
仿真模型中
,
将阀芯质量参数分别设
置为
1
,
2
,
4
g
,
的不同阀芯质量下电
响应曲
线和阀芯位移时间响应
仿真结果分别如图
7
和图
z/s
图
7
不同阀
芯
质量
下电
磁
力随时间响应曲线
图
8
不同阀
芯
质量下阀
芯
位移随时间响应曲线
由仿真结果可知
，
阀芯质量不会影响高速开关阀
关闭和开启的滞后时间
，
电
的增长和
衰
基
一致
，
但是着阀芯质量的
，
阀芯的关闭动作时
和开启动作时
。
这是为阀芯的关闭和
开启滞后时间是由电流增长和衰减滞
成的
，
阀芯
质量并不会影响
。
同时阀芯质量越小
，
阀芯关闭和开启的惯性力就
越小
，
可
少机械滞后
，
阀芯的动作响应时间
，
由
速开关阀的结构可知
，
如果阀芯质量
，
就
使阀口的通流
，
从而
了阀的流量
。
2
)
驱动电
速开关阀
性的影响
当驱动电源接通
，
由电磁感应定律可知
，
当驱动电
压越大
，
电
中
的电流就会在越短的时间内
上
，
从而使电
快速的
大值
，
阀芯
关闭也
少
，
但是如果驱动电
，
也
成高速
开关阀的
快
，
发热重
，
阀的使
，
所
以从
、
耗能量等
，
驱动电
不能无限制
的
，
一个合理值
，
故以下分析驱动电压对高
速开关阀的时间响应的影响
。
在高速开关阀的液压仿真模型中
，
将驱动电压系
统参数分别设置为
10
,
12
，
15
V
，
得到的电磁力响应曲
和阀芯位移响应
分别如图
9
和图
10
所示
，
表
2
为不同驱动电
速开关阀的各个阶段的响应时间
。
........
—
10
V
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
t/s
图
9
不同驱动电压下电
磁
力随时间响应曲线
1.6
X10'
「
3
一
10V
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
t/s
图
10
不同驱动电压下阀
芯
位移随时间响应曲线
表
2
不同驱动电压下高速
开
关阀的响应时间
驱
动
关闭滞后
关闭动作
开启滞后
开
启
动作
电压/
V
时间/
ms
时间/
ms
时间/
ms
时间/
ms
10
0.6
2.
1
1.0
3.5
120.55
2.
1
1.3
3.5
15
0.4
2.
1
1.5
3.5
由仿真结果可知
，当驱动电
时
，
电
无法
服
、
重力及液动力
,
导致高速开关阀无法关
;
着驱动电压的
，
高速开关阀的阀芯关闭滞后
时
将
，
是阀芯开启
滞
时
将
，
是
为驱动电
越
，
当
电
，
将
大的
，
导致
服
的时
长
，
大
速开关阀
的开启滞
时
，
而阀芯关
动作和开启
动作时
不
,
不能无限增大
驱
动电压
，
因
为性
达到一
个
饱
和值
，
电
不能无限增大
，同时也
阀的使
，
所以适当的
驱动电
阀芯关闭的
滞后时间
。
86
液压与'动
2019
年第
7
期
3
）
黏性
系
速
开
关阀特性的影响
在高速
开
关阀动态仿真模型中
，
批处理操作
,
将油液的黏性
系数分别设置为
0.
2
,
0.
7
,
1.2
N
•
m
•
s
1
，
分别得到如图
11
和图
12
所示的不同
黏性阻尼系
电
时
的
图和阀芯位
移随时
图
，
从仿真结
果
可知
，
随着
液黏性
系数的
，
对阀芯的关闭时间滞后的影响不大
,
阀芯的
开启
动作时
长
，
由阀芯的
受
衡方
2
,
阀芯开始动作时
，
受
的油液
，
几不影响阀
芯的位移
，
当阀芯达
大位移处
，
黏性
阀
芯的动作
大影响
，
了阀芯的
开启
动作时间
（
黏性
系数是油液的固有属性
，
受
度等
的影
响较大
，
所要
速
开
关阀的响应时间，
尽
量选取
系
的油液
。
图
11
不同黏性阻尼系数下电
磁
力随时间响应曲线
图
12
不同
黏
性阻尼系数下阀
芯
位移随时间响应曲线
5
结论
本研究通过
AMESim
建立新型高速开关阀机
、
电
、
液
动态模型
，
阀芯位移随时
，
分析了机械本体
、
驱
动电压
、
油液黏性
系数
3
个
阀芯动态响应各个
的影响
，
理
速
开
关阀
,
时响应特性具有一定的
。
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Ming
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Speed
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Vaoee
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Speed
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2024年6月10日发(作者：吉骏琛)
2019
年第
7
期
doi
:
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11832/j.
issn.
1000-4858.2019.
07.014
液压与'动
81
基于
AMESim
的高速
开
关阀动
态
特性仿真研究
方
洋
1
,
肖
峻
1
,
蔡未末
2
,
刘志
柱
2
(
1.
武汉
理
工大学机电工程学院
，
湖北武汉
430070
；
2
.东风汽车集团股份有限公司
，
湖北武汉
420100
)
摘
要
：
以某型号电子限滑差速器中的无复位弹簧式高速开关阀为研究对象
，
分析了该高速开关阀的结
构及工作原理
，
并建立了机
、
电
、
磁
、
液等各
个耦
合部分的数学模型
。
运用
AMESim
建模仿真平台建立高速开
关阀的阀芯位移动态响应模型
，
基于该模型对高速开关阀在一定
PWM
信号下进行动态时间响应特性仿真
，
分析了阀芯质量
、
驱动电压
、
黏性阻尼系数等参数对高速开关阀阀芯位移响应时间各个阶段的影响
，
通过仿
真结果分析了响应时间滞后的原
因
，
并从提高阀芯响应时间方面提出参数优化调整建议
。
关键词
：
高速开关阀
；
AMESim
;
建模仿真
;
动态时间响应
中图分类号
:
TH137
文献标志码
：
B
文章编号
：
1000-4858
(
2019
)
07-0081-07
Simulation
Research
on
Dynamic
Characteristics
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High
Speed
On-off
Valve
Based
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AMESim
FANG
Yang
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XIAO
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Wei-mo
2
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LIA
Zhi-zhu
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(
1.
Mechanicol
and
ElectWcol
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Wuhan
University
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V
Technology
,
Wuhan
,
Hubei
430070
；
2.
Dongfeng
MoWr
Group
Co.
,
LtU.
,
Wuhan
,
Hubei
420100
)
Abstract
:
Taking
the
non-retum
sp/ng
type
high
speed
on-oft
velve
of
a
certain
type
of
electronic
limited
slip
dCerential
as
the
resetrch
object
,
the
and
working
p/nciple
of
We
high
speed
on-off
velve
are
analyzed
and
the
matUematicel
models
of
each
coupling
pa/
of
machine
,
electWcity
,
maynetism
and
liquip
are
established.
Then
iheAMESimmodeland
simulaiion
plaiooem
aeeused
ioesiablish
ihedynamicdisplacemenieesponsemodeloo
the
high
speed
on-oft
velve.
Based
on
the
modet
,
the
dynamic
time
response
01
x
0/100
of
the
high
speed
on-oft
velve
under
ce/ain
PWM
signals
are
simulated
,
tfa
influence
of
the
parameters
such
as
spocO
quality
,
d/ving
voltage
and
viscous
damping
coefficient
on
tfa
displacement
response
time
of
the
high-speed
on-off
valve
spocO
are
,
ihe
eeason
o
teesponse
icme
lag
cs
analy
eed
teom
scmulaicon
eesulis
,
and
ihe
paeameie
es
optcmceatcon
adeustmentsuggestconsaeepeoposed
teom
theaspectotcmpeoecngtheeesponsetcmeottheealeecoee.
Key
words
：
high-speed
on-off
vv
I
vv
,
AMESim
,
modeling
and
simulation
,
dynamic
time
response
引言
控制下的高速开关阀动态时间响应特性等进行研究,
在电液控制系统中
，
咼速开关阀是一个很关键的
零部件
，
具有响应速度快
、
结构简单紧
凑
、
重复性好
、
工
作可靠和不易受到外界污染等特点
［
1
］
(其采用脉宽
提高其反应时间的快速性
。
近年来
，
国内外学者越来越重视对高速开关阀的
研究分析
。
德国的
K.
ENGELSDAF
、
P.
DNNKEN
,
美国
调制
(
Pulse
Width
Modulation
,
PWM
)
进行控制
&
2
'
，
可以
直接与控制器连接,不需要
D/A
转换,极大简化了控
制系统的软
、
硬
件模
块
。
新型的电子限滑差速器在汽
车领域中被广泛使用
［
3
］
，
而高速开关阀作为电子限滑
差速器中的
核
心部件
，
其响应的快速性直接影响了差
的
BKM
公司和日本的田中
裕久
等人相继开发出了响
收稿日期
：
2018-11-13
基金项目
：
湖北省科学技术研究与开发基金
(
201397289
)
作者简介:方洋
(
1992
—
)
，
男
，
湖北黄冈人
，
硕士研究生
，
主要
速器的可靠性
、
稳定性等工作性能
，
因此
，
需要对
PWM
从事液压技术和机电
一体化方面的研究工作
。
82
液压与'动
2019
年第
7
期
应速度快的高速开关阀
&
4
一
5
'
,结构
，成
。
国
的浙江大学
了衔铁形
速开关阀的动态响
应特性影响分
&
6
'
。
大学的戴佳等
&
7
'
实现了电动气阀
动态响应过程的仿真分析
。
以
上
只是
速开关阀的结构
仿真分析
和优化
，
而没有谈及到黏性阻尼系数等
的影响
，
并
电子限滑差速器
速开关阀的
分析还鲜见
报道
。
针对新型脉宽调制式高速开关阀的结构
,
建立相关数学模型
，
基于
IMAGIUE.
AMESCm
液压仿真
台
，
构
型高速开关阀的动
性响应仿真模型
。
速开关阀的阀芯位移随时
的关系
&
8
引
*
,
从优化系统
的角度
阀芯响应时间的建
，
为
电子限滑差速器的控制性能提供
。
1
速
开
关阀的结构
作
原理
调制高速开关阀按阀芯的结构分类
，
可
分
为
4
大类,即喷嘴挡板式
、
圆
滑阀式
、
锥阀式
、
球阀式
等
，
而球阀式
PWM
高速开关阀因其结构简单
、
密封可
靠
、
动作
、
动
响应好等优点而
泛应
个
领域
&
10
'
*
。
新型二位
球阀式高速开关阀的结构简
图如图
1
所示
，
它应
电子限滑差速器中
，
其结构主
要由壳体
、
阀体组件、
顶
杆
、
钢球等组成
。
6
5
4
3
2
1
7
8
9
10
1
•阀体
2
•密封圈
3
•出油口
4
•壳体
5
•感应线圈
6
•磁
O
7
•衔铁
8
•极靴
9
•顶杆
10.
钢球
11.
进油口
图
1
高速
开
关阀结构
简
图
新型高速开关阀采用
PWM
控制
，
调节控
制信号的
和占空比
，
使速开关阀的阀口在开启
和关
交
。
其工作原理为
，
当
PWM
信号为高电平时
，
感应
5
通电
，
衔铁
7
电
推
，
服
和液动力
，
顶
杆
9
带动钢球
10
右移
动
，
直至
球紧靠密封
，
使阀口关闭
。
当
PWM
信
为低电平时
，
感应
5
断电
，
电
消失
，
钢球
10
在液动力的作
左移动
，
使阀
开。
PWM
信号
的
一定时
，
调节占空比的大小可
阀口开启
、
关闭的时间
，
速开关阀没有复位弹簧
，
减少了弹簧
阻尼带来的机械延时
，
同时也提高电磁阀的使
。
2
高速
开
关阀数
学
模型
调制式高速开关阀主要由电场模型部分
、
磁
模型部分
、
机械运动模型部分和流体模型部分
.
而成
&
⑴
，
机
、
电
、
磁
、
液等部分的
关系如图
2
所示
。
控制器输出的
PWM
信号作
速开关阀,
使电
输出电流
，
,
部分
电
，
同
时电场中的电流也会受
,
和线圈电阻
6
的影响
。
磁场部分输出的电磁力
O
%
作用至机械运动
部分,驱使推杆移动
，
同时钢球(即阀芯
)
的质量
?
和
阀芯位移
&
也会影响电
的大小
。
流体部分产生的
液动力
O
p
会作
球上
，
同时阀口的
9
和阀
座锥角
$也
液动力的大小产生影响
。
图
2
高速
开
关阀子模型间耦合关系图
2
-
1
电路模型
由电路原理和麦克斯韦电磁感应定律
,忽
度
的
电阻的影响
&
12
'
,速开关阀电
两
端的电
衡方程如式
！
1
)所示
：
I
+
6/
+
d
半
#
+
6/
+
N
d
单
#
(
1
)
式中
，
I
电磁线圈的驱动电压
6
线圈电阻
,
—
—
中的磁链
1
----
的
----
中的电流
N
—
—
匝
由电磁学理论
，
，
、
磁通
1
、
线圈电流
，
和电感
:
的关系如式
(
2
)
所示
：
,
二
N1
二也
(
2
)
综合上述式
(
1
)
和式
(
2
)
可得电路的数学模型如
式(
3
)
所示：
I
+
6+
：
d
£
,
+
.
，
d:
r#
(
&
g
)
(
&)
(
3
)
式中
，：
—
—
电
的等
效
电感
&
—
—
电磁铁的工作气隙
2.2
磁路模型
速开关阀的
部
，
采
量
，
工程上适用的磁路分
，
速开关阀的阀芯位
移
，
阀部
可以忽略
&
13
'
。
由衔铁
2019
年第
7
期
液压与'动
83
的磁导率远大于空气的磁导率
,
所以近似认为整个磁
路的
主要
在气隙上
，
磁导体的
可
忽略
不计
，
路的
主要由气隙
决定
&
14
'
,而
工
作气隙
为
，
综上可
路部分的数学模型为:
_
4
>
(
>
0
-
&
)
+
@
s
#0
"
9
>
e
式中
，
6
X
-------
总
6
g1
—
—
工作气隙磁阻
—
—
非工作气隙
>
一
*
工作气隙
长度
>
—
—
衔铁长度
&
----
阀芯位移
9
—
—
衔铁直径
厂
—
—
非工作气隙长度
#0
----
空气磁导率
由磁路基尔霍夫定律可得
：
M
_
,
6
X
(
5
)
2.
3
机械
运
动模型
井
：
N
2
_6
(
6
$
速开关阀的阀芯力平衡方程
&
15
'
如式!
7
)
:
m
d
2
&
d
2
_
(
7
)
式中
，
5
—
一
黏性
系数
F
%
----
电磁力
Fp
------液动力
F
-
—
—
摩擦力
电磁学理论及能量守恒定理
，
得到电磁力方
程如式
(
8
)
：
1
.2
d
：
2
'
d
&
(
8
)
将式!
4
)
〜
式!
6
)
代入到式(
8
)
中可得
：
F
%
二二^
(
9
)
#0
"
9
2.4
流
体模型
液体在流经阀口时
，
球
一定的作
，
为液动力
&
16
'
。
在阀芯
受
衡方程中
，
液动力的大
阀芯运动
大影响
。
速开关阀的阀
芯
及节流口的一段流体空间为液动力分
f
象
&
17
'
，
流体力学相关
推
导出阀芯液动力的数
学模型
，
如图
3
所示
。
O
p
_
pQ'
o
-
pQvd
+
+0
L
1
+
j
2
"rdr
-
O
LcosC
-
0
L
2
(
10
)
式中
，
p
—
—
液体密度
'0
—
—
液体的流速
Q
------
阀口流量
'
—
—
节流
液体流速
*
—
一阀座的半
O
------
的压力
O
—
—
出油口处压力
L
1
—
一喉管处的过流面积
L
------
阀
大端
L
—
一节流
流
6
-
—
一节流
半径
r
—
—
—
管
半
3
AMESim
的高速开关阀建模
3.1
高
速开关阀的动态模型
速开关阀的结构以及各个耦合部分的数学
模型
，
AMESim
中的信
(
Synal
)
Control)
)
液
元件库
(
Hydmulic
Component
Design
)
和电磁元件库
(
Electro
Mechanical)
，
电子
限
滑差速
器
中的高速
开关阀的动态仿真模型&⑻
，
如图
4
所示
。
图
4
高速
开
关阀
AMESim
动态仿真模型
84
液压与'动
2019
年第
7
期
3.2
高
速开关阀理论响应特性分析
的二位
开式高速开关阀
，
在理想条
件下
,
在一个
PWM
脉宽调制周期内
，
阀芯的位移响应
形应
输入的
PWM
信
形
一致
，
即在
PWM
信号的高电
，
阀芯应
关
，
在
电
，阀芯应
开启
。
但是在实际情况下
,
由于电磁响应
、
黏性
及惯性的影响
，
阀芯的运动
不能
着输
信号的
而
，
调制
T
、
占空
-
等
其响应特性影响很大
[
19
]
,
在
输入一定的
PWM
控制信
,
典型的阀芯位移随时
如图
5
所示
。
图
5
高速开
关阀阀
芯
位移响应曲线
在一个
调制周期丁内
,
PWM
信号的高电
时间为
#
，
当
调制一定时
，
空比-的
大小
，
阀芯的位移响应
也
。
阀芯的位
移动态响应大致可以分为三个
[
20
]
:
阀芯关
段
#
0
、阀芯
关
和阀芯开启
#
n
(
由
速
开关阀阀芯本身的惯性
和
的影响
，
其阀
芯关
可以分为阀芯关闭滞
#
1
和阀芯
关闭动作
#
2
，
阀芯开启
可以分为阀芯开启滞
#
3
和阀芯开启动作
#
4
,
#
1
和
#
3
是由于电磁
电流的感抗作
成的电流增长滞后时间和电
流衰减滞后时间
。
阀芯的关闭时间#和开启时间如是
衡量高速开关阀动态响应特性的重要指标
[
21
]
，
其中
：
#
0
=#
1
+
#
2
(
11
)
#
n
=#
3
+
#
4
(
12
)
(
13
)
由阀芯位移响应曲线可知
，
当
PWM
信号的高电
时间
#
P
阀芯关闭滞后时间
#
1
时
，
阀芯不会
关闭
，
此时阀芯位移位于死区
，
位移
为
0
(
当
#
p
/
[
#
1
,
#
1
+
#
)
时
，
此时速开关阀
控制
性区
,
阀芯
移动
，
但是不会达
大值
,
而是关
I
某一位移
开启。当
#
p
/
[
#
1
+
#
2
,
H
-
#
3
-
#
'
时
，
阀芯关闭和开启均到位
，
此时位于控制线性区
。
当
#
p
>
H-#
3-
#
4
时
，
阀芯可以关
位
，
由
电平时间
,
阀芯开启滞后时间
，
导致阀芯不能开启
，此
时阀芯工作在
饱
和区
[
22
]
,
一
关
，
所
；
适当的驱动频率以及合理的占空
能更好的
控制咼速开关阀的开
、
关动作
。
4
速开关阀的动态响应特性仿真分析
4.1
模型固有频率的确定
在高速开关阀仿真模型中
，
关键参数如表
1
所示
。
表
1
高速
开
关阀仿真模型关键参数
参数名
数值
参数名
数值
驱
动电压
/V
12
初始气隙
/mm
2
阀芯质量
/g
1
阀芯最大行程
/
mm
1.5
线圈匝数
/
匝
420
线圈电感
/mH
46
线圈电阻
/&
14
阀座半锥角
/(°)
45
黏性阻尼系数
/N
+
m
+
s"
0.2
真空磁导率/
H
-m"
1
1.5
当
速开关阀动态仿真模型的驱动
为
50
He
,
占空
为
50%
时
，
阀芯位移
应
PWM
信
的响应曲线
，
如图
6
所示
。
-
…
阀芯位移
X10'
3
—
PWM
信号
图
6
九
=50
H
z
,
!
=
0.5
时阀
芯
位移随
PWM
信号变化曲线
从该仿真结果可
，
阀芯关闭时间
#
为
2.7
ms
,
阀芯开启时间
#
n
为
7.3
ms
,通
高速开关阀模型的固有
[
23
]
T
为
：
f
0
=
—
1
—
=
100
He
#
0
+#
在确定高速开关阀的驱动频率
T
时一般都会参
考其固有
T
,
如果驱动
大
有效占空
调
不足
，
有可能使阀芯
死区
,
不能产
生动作
a
。
驱动
PWM
控制信
系统控制指令的响应滞后
,
所驱动频率的
是非
2019
年第
7
期
液压与'动
85
重要的
,
经过仿真分析
，
高速开关阀的驱动频率确定
为
50
Hz
。
4.2
系统仿真参数对
高速
开关阀动态响应特性的影响
1
)
阀芯质量
速开关阀特性的影响
在
AMESim
仿真模型中
,
将阀芯质量参数分别设
置为
1
,
2
,
4
g
,
的不同阀芯质量下电
响应曲
线和阀芯位移时间响应
仿真结果分别如图
7
和图
z/s
图
7
不同阀
芯
质量
下电
磁
力随时间响应曲线
图
8
不同阀
芯
质量下阀
芯
位移随时间响应曲线
由仿真结果可知
，
阀芯质量不会影响高速开关阀
关闭和开启的滞后时间
，
电
的增长和
衰
基
一致
，
但是着阀芯质量的
，
阀芯的关闭动作时
和开启动作时
。
这是为阀芯的关闭和
开启滞后时间是由电流增长和衰减滞
成的
，
阀芯
质量并不会影响
。
同时阀芯质量越小
，
阀芯关闭和开启的惯性力就
越小
，
可
少机械滞后
，
阀芯的动作响应时间
，
由
速开关阀的结构可知
，
如果阀芯质量
，
就
使阀口的通流
，
从而
了阀的流量
。
2
)
驱动电
速开关阀
性的影响
当驱动电源接通
，
由电磁感应定律可知
，
当驱动电
压越大
，
电
中
的电流就会在越短的时间内
上
，
从而使电
快速的
大值
，
阀芯
关闭也
少
，
但是如果驱动电
，
也
成高速
开关阀的
快
，
发热重
，
阀的使
，
所
以从
、
耗能量等
，
驱动电
不能无限制
的
，
一个合理值
，
故以下分析驱动电压对高
速开关阀的时间响应的影响
。
在高速开关阀的液压仿真模型中
，
将驱动电压系
统参数分别设置为
10
,
12
，
15
V
，
得到的电磁力响应曲
和阀芯位移响应
分别如图
9
和图
10
所示
，
表
2
为不同驱动电
速开关阀的各个阶段的响应时间
。
........
—
10
V
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
t/s
图
9
不同驱动电压下电
磁
力随时间响应曲线
1.6
X10'
「
3
一
10V
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
t/s
图
10
不同驱动电压下阀
芯
位移随时间响应曲线
表
2
不同驱动电压下高速
开
关阀的响应时间
驱
动
关闭滞后
关闭动作
开启滞后
开
启
动作
电压/
V
时间/
ms
时间/
ms
时间/
ms
时间/
ms
10
0.6
2.
1
1.0
3.5
120.55
2.
1
1.3
3.5
15
0.4
2.
1
1.5
3.5
由仿真结果可知
，当驱动电
时
，
电
无法
服
、
重力及液动力
,
导致高速开关阀无法关
;
着驱动电压的
，
高速开关阀的阀芯关闭滞后
时
将
，
是阀芯开启
滞
时
将
，
是
为驱动电
越
，
当
电
，
将
大的
，
导致
服
的时
长
，
大
速开关阀
的开启滞
时
，
而阀芯关
动作和开启
动作时
不
,
不能无限增大
驱
动电压
，
因
为性
达到一
个
饱
和值
，
电
不能无限增大
，同时也
阀的使
，
所以适当的
驱动电
阀芯关闭的
滞后时间
。
86
液压与'动
2019
年第
7
期
3
）
黏性
系
速
开
关阀特性的影响
在高速
开
关阀动态仿真模型中
，
批处理操作
,
将油液的黏性
系数分别设置为
0.
2
,
0.
7
,
1.2
N
•
m
•
s
1
，
分别得到如图
11
和图
12
所示的不同
黏性阻尼系
电
时
的
图和阀芯位
移随时
图
，
从仿真结
果
可知
，
随着
液黏性
系数的
，
对阀芯的关闭时间滞后的影响不大
,
阀芯的
开启
动作时
长
，
由阀芯的
受
衡方
2
,
阀芯开始动作时
，
受
的油液
，
几不影响阀
芯的位移
，
当阀芯达
大位移处
，
黏性
阀
芯的动作
大影响
，
了阀芯的
开启
动作时间
（
黏性
系数是油液的固有属性
，
受
度等
的影
响较大
，
所要
速
开
关阀的响应时间，
尽
量选取
系
的油液
。
图
11
不同黏性阻尼系数下电
磁
力随时间响应曲线
图
12
不同
黏
性阻尼系数下阀
芯
位移随时间响应曲线
5
结论
本研究通过
AMESim
建立新型高速开关阀机
、
电
、
液
动态模型
，
阀芯位移随时
，
分析了机械本体
、
驱
动电压
、
油液黏性
系数
3
个
阀芯动态响应各个
的影响
，
理
速
开
关阀
,
时响应特性具有一定的
。
参考文献
：
&
1
]
姚亚妮•高速开关阀及其发展趋势
&
J
]
-
山东工业技术
，
2015
,(
4
):
7.
YAO
Yani.
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