摘要
中置式电磁阀是可变气门正时（Variable Valve Timing,VVT）系统的主要部件，能精确控制流向相位器内部不同腔室的机油量，对VVT系统的整体性能有重要影响。与传统的侧置式电磁阀相比，中置式电磁阀无需单独开设油道，具有结构简单、维护方便等优点。然而，中置式电磁阀的阀芯和基座处需要增设若干不同尺寸的孔和槽、设置不同的结构参数的盆口，并配合不同的工作电压和弹簧，以减少工作时的阻力，从而提高电磁力和响应速度。为了提高中置式电磁阀的性能，本文系统分析阀芯和基座处的孔、槽尺寸参数、盆口结构参数、工作电压、弹簧和线圈等部件的主要参数对中置式电磁阀电磁力性能和动态特性的影响规律，在此基础上，利用响应面法对影响电磁力特性的主要参数进行多目标优化，为高性能中置式电磁阀的设计提供一定的理论参考。主要研究内容如下： （1）研究了VVT中置式电磁阀电磁力特性的影响因素和变化规律。利用Ansoft Maxwell软件，建立了电磁力特性的仿真模型，计算了不同位移下的电磁力，并与试验结果对比，验证了模型正确性。利用仿真模型，研究了安匝数855A下的阀芯和基座的参数对电磁力特性的影响规律。研究结果表明：平均电磁力随着阀芯处钢球槽直径、圆角半径、深度的增大而显著减小，电磁力的标准差随着钢球槽深度的增加而波动下降。基座处的排油孔直径、盆口顶部厚度、盆口外倾斜角度、盆口内倾斜角度、基座底部厚度对电磁力特性均产生较大的影响，其中平均电磁力随着盆口顶部厚度的增加而减少，随着盆口外倾斜角度、盆口内倾斜角度、基座底部厚度的增加而增加；电磁力的标准差随着盆口顶部厚度、盆口外倾斜角度、盆口内倾斜角度的增加而增加，随着基座底部厚度的增加而降低。 （2）研究了VVT中置式电磁阀动态特性的影响因素和变化规律。用Amesim建立动态特性的仿真模型，计算了80%脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）的位移-时间曲线，并与试验结果比较，验证了模型正确性。利用仿真模型，研究了工作电压、弹簧预紧力、弹簧刚度、线圈电阻等不同参数对电磁阀响应时间的影响规律。研究结果表明：响应时间随着工作电压的增大而减少，随弹簧预紧力、弹簧刚度、线圈电阻的增大而增大。 （3）开展了VVT中置式电磁阀电磁力特性影响因素的多目标优化。根据前面章节的分析结果，选取基座的盆口外倾斜角、盆口内倾斜角、底部厚度和阀芯的钢球槽直径为优化对象，采用平衡区组设计（Box-Behnken Design,BBD）设计法确定了计算方案，利用电磁力特性仿真模型，计算了平均电磁力和电磁力的标准差，根据计算结果分别建立了二次回归模型方程。采用方差分析和残差图分析对回归模型进行了检验，利用检验合格的回归模型开展了响应面分析，以平均电磁力和电磁力的标准差为优化目标，获得4组最佳组合，并对各组合下的平均电磁力和电磁力标准差进行了计算验证。结果表明，优化对象的最佳组合为盆口外倾斜角度为7.502°、盆口内倾斜角度为3.583°、基座底部厚度为3.1mm、钢球槽直径为2.029mm；该组合下的平均电磁力为16.02N，电磁力标准差为0.052N，响应时间为14.7ms。电磁阀的整体性能达到最优。
NETL