某车用气压电磁阀设计文献综述

文 献 综 述

当今社会的汽车工业正进入汽车技术电子化、信息化的快速发展阶段，相关的新型汽车电子产品不断涌现，并迅速地占领市场。在不断提高汽车各方面性能，为司乘人员带来安全、舒适、方便的同时，也为汽车业内的设计者、生产者带来丰厚的利润。汽车电子产品的发展进一步压缩了传统汽车产品加工行业的利润，现代汽车电子产品占整车成本的1/3～1/2，只有在汽车电子产品市场上占领一席之地，才能扼住汽车工业的高利润区，获得丰厚的回报。

汽车电子驻车制动系统（Electronic Parking Brake System，EPB）是一种新兴的汽车制动产品，上世纪末开始出现在国外的汽车市场，并于本世纪初期进入中国市场。是汽车线控制动系统的一类，也是车辆驻车制动系统的发展方向。它用电线取代传统手制动装置的拉索和传动机构，用电制动器代替传统的制动器，用电子控制单元结合车辆驻车环境的状况控制驻车制动力的大小和各轮驻车制动力的分配，并具有辅助驾驶员坡道起步和智能驻车/解除功能，是车辆驻车制动系统的革新。EPB系统能够实现汽车在坡道上安全驻车，还能够实现坡道起步辅助，使汽车在坡道上实现平稳起步，很大改善驾驶的舒适性和方便性。EPB相较于传统的“手刹”部件具有安全、舒适、可靠等诸多优点，能够提升汽车的整车档次。EPB凭借其优秀的工作性能和特点，经受住了汽车市场的考验，并且获得了驾驶员的肯定。目前EPB产品的市场占有率逐年攀升，尤其是在高端汽车市场，已经成为标准配置。在气压式EPB中，电磁阀是最关键的部件，通过控制电磁阀的快速通断，便可实现制动力的逐步施加和解除，因而电磁阀就必须具备良好的响应特性，从而保证其工作性能。

受我国汽车工业水平的限制，国内从航空快速电磁阀^[1]到各控制系统中高速电磁阀^[2]以及汽车电子驻车制动系统电磁阀市场开发程度相对较低，但其发展势头已经逐步显现。当下，国内汽车市场上的EPB产品均被国外的汽车厂商占领，或是EPB随整车进口，或是EPB单独进口，亦或是在我国投资建厂，在中国汽车工业快速发展的大环境下，国外汽车整车厂商和零部件厂商已经看到了中国汽车市场的电子驻车制动产品的广阔市场，并且已经开始动手占领。国内的汽车厂商也注意到了汽车电子驻车制动技术的诸多优点及良好的市场表现，目前已经有若干家企业着手投入开发相关的产品，试图在后续的汽车电子驻车制动产品的市场上获得相应的地位和利润。

国际市场上关于汽车电子驻车制动阀系统^[3]的竞争十分激烈，大多生产厂家都把研究的重点放在车用电磁阀部件的优化设计和动态响应仿真研究^[4]上。并且为了尽量缩短产品开发周期，许多公司采取多种软件联合仿真的方式，代替试制品试验，进行电磁阀模型特性研究，包括商用车ABS电磁阀^[5][6]，电磁阀的数字样机^[7]，高速电磁阀试验台^[8]等等。

加州大学对两位两通式电磁阀进行了磁场模型和动态性能仿真分析，并设计了相关仿真软件，主要对ABS电磁阀进行优化研究^[9]，韩国MANDO公司将AMESim建立的运动模型、MAXWELL建立的电磁模型和MATLAB建立的控制逻辑联合仿真，进行对制动系统的分析^[10]。

气压式电子驻车制动系统的最大特点在于其执行结构变为电磁阀，方式变为电磁流量控制^[11]，同时相关的传感部件也变为气压传感器。气压式电子驻车制动系统：现在的驻车制动系统均采用“断气阀”的方式。无论在斜坡起步^[12][13]还是驻车制动辅助^[14]时，电子驻车系统控制器根据倾角传感器、气压传感器等采集到的信号，判断车辆是否满足驻车条件、如果满足条件，控制器将控制排气电磁阀动作使驻车制动气室中的高压拍到大气中，从而成功施加驻车制动力，车辆在坡道上停驻。驻车解除时，EPB电控单元根据汽车传感器信号判断满足驻车解除条件，然后向控制进气电磁阀输送充气指令，在继动阀的作用下，直接充入驻车制动气室，驻车制动力逐步解除，同时配合发动机转矩的变化，最终驻车解除，从而车辆平稳起步。驻车制动系统长期工作在两种状态：驻车制动或驻车释放，因此气压式电子驻车制动系统的控制电磁阀应该具备两种工作状态：第一种状态可以实现驻车制动；第二种状态可以实现驻车释放。同时，车辆处于驻车制动状态时，车电系统断电，在该状态下电磁阀需要依然能够实现车辆保持在驻车制动状态；在车辆处于驻车制动释放状态时，电磁阀在断电工况下也需能够保持驻车制动系统的当前工作状态。

本文设计对电磁阀的基本结构、动作方式、联接方式、密封结构、复位弹簧结构型号进行分析对比和选取，从而确定电磁阀基本结构形式，做出相应结构原理图。之后，对电磁阀的基本参数、结构尺寸、阀芯密封力及复位弹簧弹力及尺寸等进行计算，得出具体参数，并绘制机械加工图。最后，需要建立电磁阀的数学模型，并且利用MATLAB/Simulink软件进行仿真，探索电磁阀不同结构参数对电磁阀动态响应特性^[15]与优化设计^[16][17]。为了能通过电控系统取代传统手刹，根据建立的数学模型，推导良好响应的预测模型，以预测模型为基础，运用多种算法设计以良好响应特性为优化目标的电磁阀参数^[18]优化程序，对阀的参数进行优化，分析了各参数的影响，并在仿真的基础上，需要在试验台加工实验样阀，对优化结果进行实验验证。观察和电脑仿真的理论数据有无偏差，如有偏差有目的的改变结构的参数进行再一次实验，经过多次仿真和实验，构建出比较优化的模型目的使车辆在实际当中打到最优化的性能。

本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

本课题研究EPB系统中的执行机构气压式电磁阀，同机械式驻车制动系统相比，执行机构是整个电子驻车制动系统中的核心。本课题就是要基于现有的机械式电子驻车制动系统，设计出可实现其功能的气压式电磁阀，以期能够作用于电子驻车制动系统之中。

首先对汽车EPB系统的组成及功能原理进行了分析，得出该系统中电磁阀所需的功能，据此用气动元件设计出可实现系统功能的方案。通过对比分析，确定最优系统方案，从而确定电磁阀的整体类型、数量、工作位置等。过程如下：

1. EPB系统功能分析及电磁阀方案选取

分析气压式EPB系统工作原理，得出系统中所需执行机构电磁阀的功能要求。针对这些要求，采用通用元件，设计出能够实现该功能的气压系统，通过合理分析，选取最优设计方案。

1. 电磁阀结构设计

根据气动原理技术，对电磁阀基本结构类型、联接方式及结构、密封方式及结构、控制方式等方面，通过对不同结构类型的对比与分析，确定电磁阀各部分的具体结构形式。

1. 电磁阀结构参数设计计算及校核

运用机械原理、流体力学、摩擦理论等知识，参考阀类零件设计手册，通过机械设计手段，对阀的公称通径、阀芯直径、开口量、电磁力、密封圈结构尺寸、复位弹簧等进行计算，进行相关零件的强度校核。

1. 电磁阀仿真分析

建立该气压式电磁阀电路系统、磁路系统、机械运动系统、气动系统的数学模型，基于MATLAB/Simulink仿真平台，实现对阀芯位移、响应时间、气室压力等参数的动态仿真，对仿真结果进行分析。

1. 设计机械加工图纸

根据结构设计及参数运算的结果，设计该电磁阀的机械加工图纸。