本發(fā)明屬于流體力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種汽車電子穩(wěn)定控制(ESC)系統(tǒng)中獲得高速開關(guān)閥閥芯所受液壓力的方法。

背景技術(shù)：

在汽車ESC液壓系統(tǒng)中應(yīng)用的高速開關(guān)閥是簡單的兩位兩通閥，其中包括增壓閥(常開閥)、限壓閥(常開閥)、減壓閥(常閉閥)、吸入閥(常閉閥)。在極限工況下，ESC系統(tǒng)通過其ECU協(xié)調(diào)控制這四種電磁閥的開關(guān)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同的功能，以改善汽車的操作穩(wěn)定性。

在這四種閥中，增壓閥調(diào)控輪缸的壓力增長速率，同時(shí)也關(guān)系到輪缸的快速減壓速率，所以建立準(zhǔn)確的增壓閥模型對(duì)研究ESC系統(tǒng)的控制起著關(guān)鍵作用。

在建立汽車ESC系統(tǒng)中增壓閥的動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，閥芯受到作用力包括電磁力、液壓力、彈簧力、摩擦力和粘性阻尼力等，其中液壓力(與電磁力的方向相反)對(duì)閥芯的運(yùn)動(dòng)起到了關(guān)鍵作用。

目前，閥芯所受液壓力一般是通過純理論的分析方法：首先將液壓力分解為液動(dòng)力和靜態(tài)液壓力，然后與流體力學(xué)相關(guān)的公式推導(dǎo)出各個(gè)力的模型，最后合并?，F(xiàn)有的這種液壓力計(jì)算方法可以分析常規(guī)高速開關(guān)閥(如滑閥、錐閥)所受液壓力與閥體結(jié)構(gòu)和流體特性對(duì)液壓力的影響趨勢，但液壓力的計(jì)算結(jié)果的精度不是很高，尤其是對(duì)非常規(guī)的高速開關(guān)閥(比如ESC和ABS中的推桿球閥)，所以往往要通過各種不同的補(bǔ)償和修正來提高計(jì)算精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決通過模型計(jì)算高速開關(guān)閥閥芯在流體中的受到的液壓力的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種汽車ESC中獲得高速開關(guān)閥閥芯所受液壓力的方法，所述方法包括：

步驟A：根據(jù)增壓閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，選擇合適的控制體，所選擇的控制體包圍整個(gè)閥芯；

步驟B：利用流體動(dòng)量方程計(jì)算控制體內(nèi)流體對(duì)閥芯的作用力；

步驟C：利用有限元仿真，改變閥芯開度以及閥入口和閥出口處的邊界條件，分析閥芯所受的液壓力與閥進(jìn)出口壓差ΔP、閥芯所受的液壓力與閥芯開度x的關(guān)系；

步驟D：利用有限元仿真的分析結(jié)果，建立閥芯所受的液壓力與閥進(jìn)出口壓差ΔP、 閥芯所受的液壓力與閥芯開度x的關(guān)系，得到閥芯實(shí)際所受的液壓力。

優(yōu)選地，所述控制體入口流向平行于軸向，出口方向垂直于軸向。

優(yōu)選地，所述閥芯開度是指閥芯與閥座之間的距離，當(dāng)閥關(guān)閉時(shí)，閥芯開度為0mm。

優(yōu)選地，所述邊界條件是指施加在閥入口和出口處的壓力。

優(yōu)選地，所述閥芯實(shí)際所受的液壓力為：

其中，

β₁為控制體入口處的動(dòng)量系數(shù)；

k_mn(m＝1，2，3，4；n＝1，2，3，4，5)為壓力擬合系數(shù)；

k_qi(i＝1，2，3，4，5)為流量擬合系數(shù)；

A₁為控制體入口節(jié)流孔的截面積；

A₂為閥口錐角處的最大半徑對(duì)應(yīng)的截面積；

A₃為閥芯截面積；

A₄為控制體末端最大半徑處對(duì)應(yīng)的截面積；

△P是閥進(jìn)出口壓差；

ΔP_max為閥進(jìn)出口的最大閥進(jìn)出口壓差。

本發(fā)明通過選擇完全圍繞閥芯的流體為控制體，結(jié)合流場理論分析和有限元分析，得到了高精度的流場模型。此模型能夠精確地計(jì)算出此種高速開關(guān)閥在不同閥芯開度和不同進(jìn)出口壓力下流體對(duì)閥芯的作用力。得到了閥芯所受的液壓力，再結(jié)合其所受的其他作用力(電磁力、彈簧力等)即可建立閥芯的動(dòng)力學(xué)方程。這對(duì)研究此種高速開關(guān)閥在不同控制算法下，其內(nèi)部閥芯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)起到關(guān)鍵作用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種汽車ESC中獲得高速開關(guān)閥閥芯所受液壓力的方法提供的方法流程圖；

圖2為高速開關(guān)閥內(nèi)部選擇的控制體(加黑部分)及其各壓力面在軸向上的受力的示 意圖；

圖3為閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸示意圖；

圖4為有限元仿真結(jié)果所得的閥芯所受液壓力與閥芯開度和閥進(jìn)出口壓差的關(guān)系；

圖5為有限元仿真結(jié)果提取的閥的流量與模型輸出的閥的流量對(duì)比；

圖6為有限元仿真結(jié)果提取的閥芯所受液壓力與模型輸出的閥芯所受液壓力對(duì)比及誤差。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體建模方法僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

由現(xiàn)有的高速開關(guān)閥(增壓閥)的模型可知，目前此種閥的液壓力建模方法多是采用傳統(tǒng)的方法，即利用純理論的公式推導(dǎo)出目標(biāo)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，但多數(shù)模型選擇的分析控制體并未包圍整個(gè)閥芯，這樣就使得推導(dǎo)出的模型并非是流體對(duì)整個(gè)閥芯的作用力，而只是控制體區(qū)域的流體對(duì)閥芯的作用力，所以最后的模型與實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差甚多。

如圖1所示，本發(fā)明的一種汽車ESC中獲得高速開關(guān)閥閥芯所受液壓力的方法，包括：

步驟A：根據(jù)增壓閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，選擇合適的控制體(將閥芯整體包圍的控制體)，所選擇的控制體包圍整個(gè)閥芯。如圖2所示，黑色部分為選擇的控制體，控制體入口流向平行于軸向，出口方向垂直于軸向，所以，出口的流體在軸向上的速度分量幾乎為0，可以忽略不計(jì)。

步驟B：利用流體動(dòng)量方程計(jì)算控制體內(nèi)流體對(duì)閥芯的作用力。

如圖2所示，圖2給出了該實(shí)施例中高速開關(guān)閥內(nèi)部選擇的控制體及其各壓力面在軸向上的受力的示意圖，根據(jù)流體動(dòng)量方程可得：

F₁+F₂+F₃+F₄-F_h＝β₂ρqv₂-β₁ρqv₁ (1)

式中：F₁、F₂、F₃、F₄分別為控制體與閥壁接觸面上的作用于控制體上的軸向力；

F₁為控制體前端入口處所受的軸向力；

F₂為前端閥口錐面處控制體所受的軸向力；

F₃為控制體出口豎直平面所受的軸向力；

F₄為控制臺(tái)末端所受的軸向力；

F_h為閥芯對(duì)流體的作用力；

v₁為控制體入口處的流速；

v₂為控制體出口處的流速；

ρ為流體密度；

q為閥的流量；

β₁和β₂分別為入口和出口處的動(dòng)量系數(shù)，當(dāng)為層流時(shí)，兩個(gè)動(dòng)量均系數(shù)近似為1.32，當(dāng)為紊流時(shí)，兩個(gè)動(dòng)量系數(shù)均接近于1。

作用于控制體上的軸向力F₁、F₂、F₃、F₄可已通過積分各接觸面上的壓力得到，公式如下：

式中：

r₁為控制體入口節(jié)流孔的半徑，A₁為此處對(duì)應(yīng)的截面積；

r₂為閥口錐角處的最大半徑，A₂為此處對(duì)應(yīng)的截面積；

r₃為閥芯的半徑，A₃為此處對(duì)應(yīng)的閥芯截面積；

r₄為控制體末端最大半徑，A₄為此處對(duì)應(yīng)的截面積。

p為作用于閥體內(nèi)壁面所受的流體壓力。

P₁、P₂、P₃、P₄是指分別在最大閥進(jìn)出口壓差下軸向力F₁、F₂、F₃、F₄作用面上的等效壓力。

在該實(shí)施例中，該高速開關(guān)閥的閥口結(jié)構(gòu)，可以視為小孔，利用小孔節(jié)流的流量公式計(jì)算閥口流量，即：

式中C_d為控制體入口處的流量系數(shù)，該參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)獲得，△P是閥進(jìn)出口壓差。

所以，控制體入口處的流速為：

由于控制體出口處的軸向流速分量幾乎為0，所以動(dòng)量方程(1)里的出口處動(dòng)量(β₂ρqv₂)可以忽略不計(jì)。這里假設(shè)流體對(duì)閥芯的作用力為F_H，即閥芯所受的液壓力，即F_H＝-F_h。

所以公式(1)可以簡化為：

步驟C：利用有限元仿真，改變閥芯開度以及閥入口和閥出口處的邊界條件，分析閥芯所受的液壓力與閥進(jìn)出口壓差△P、閥芯所受的液壓力與閥芯開度x的關(guān)系。

所述閥芯開度是指閥芯與閥座之間的距離，當(dāng)閥關(guān)閉時(shí)，閥芯開度為0mm。

所述邊界條件是指閥的入口壓力和出口壓力。

具體地，在流體前處理軟件gambit里建立閥內(nèi)部流體結(jié)構(gòu)的二維模型，并劃分網(wǎng)格，利用有限元流體仿真軟件FLUENT分析流體對(duì)閥芯的作用力。

在FLUENT仿真過程中，邊界條件為閥的入口壓力和出口壓力，在此還應(yīng)考慮到閥口處出現(xiàn)的空化現(xiàn)象，即設(shè)置流體為混合相：氣相和液相，并設(shè)置飽和蒸汽壓和其各自的密度。為了節(jié)省仿真時(shí)間，簡化仿真流程，可以利用UDF定義閥的出口壓力隨時(shí)間遞增，這樣通過一次仿真可模擬相同入口壓力不同出口壓力邊界條件下的工況。最后提取流體對(duì)閥芯的作用力。

工況1：入口壓力為15MPa(汽車主缸通?？蛇_(dá)到的最大壓力)，初始出口壓力為0.5MPa，出口壓力隨時(shí)間遞增，增壓速率為14.5MPa/s，液相密度為850kg/m3，氣相密度為9.4kg/m3，飽和蒸汽壓為2900pa(絕對(duì)壓力)，閥芯開度分別為0.01mm、0.05mm、0.10mm、0.20mm(閥芯最大開度為0.20mm)。這樣就可以提取相同閥芯開度不同閥進(jìn)出口壓差下流體對(duì)閥芯的作用力。

工況2：入口壓力為5.5MPa(汽車主缸通?？蛇_(dá)到的最大壓力)，初始出口壓力為0.5MPa，出口壓力隨時(shí)間遞增，增壓速率為20MPa/s，液相密度為850kg/m3，氣相密度為9.4kg/m3，飽和蒸汽壓為2900pa(絕對(duì)壓力)，閥芯開度分別為0.01mm、0.05mm、0.10mm、 0.20mm(閥芯最大開度為0.20mm)。這樣就可以提取相同閥芯開度不同閥進(jìn)出口壓差下流體對(duì)閥芯的作用力。

兩種工況下，閥芯所受的液壓力如圖4所示，由圖4可以看出，在不同的閥芯開度下，流體對(duì)閥芯的作用力與閥進(jìn)出口的閥進(jìn)出口壓差近似成正比(如圖4中虛線)，而與閥進(jìn)出口兩端的壓力無關(guān)。這樣的話，公式(5)可以表達(dá)為：

K'為單位閥進(jìn)出口壓差下，控制體壁面對(duì)控制體的作用力。

式中ΔP_max為閥進(jìn)出口的最大閥進(jìn)出口壓差。由于閥芯所受液壓力與閥進(jìn)出口壓差成正比，所以只要得到在最大閥進(jìn)出口壓差下液壓力與閥芯開度的關(guān)系，即可得到液壓力與閥進(jìn)出口壓差和閥芯開度的關(guān)系。

步驟D：利用有限元仿真的分析結(jié)果，建立閥芯所受的液壓力與閥進(jìn)出口壓差ΔP、閥芯所受的液壓力與閥芯開度x的關(guān)系，得到閥芯實(shí)際所受的液壓力。

這里所說的閥芯實(shí)際所受的液壓力是指在不同的閥芯開度、閥進(jìn)出口壓差下計(jì)算得到的液壓力。

在仿真結(jié)果中提取最大閥進(jìn)出口壓差下不同閥芯開度下閥出口的流量，建立最大閥進(jìn)出口壓差下的閥出口處流量與閥芯開度的關(guān)系為：

式中為最大閥進(jìn)出口壓差下的閥出口處流量，k_qi(i＝1，2，3，4，5)為流量擬合系數(shù)，x為閥芯開度。由公式(3)可知流量與閥進(jìn)出口壓差的1/2次方成正比，所以在任意閥進(jìn)出口壓差下，閥出口處的流量方程可以寫為：

其中q為閥口處流量。對(duì)于此閥的工況，最大閥進(jìn)出口壓差為14.5MPa。這樣就可以求得不同閥進(jìn)出口壓差和閥芯開度下閥出口的流量，即閥的流量。

圖5顯示了在不同閥芯開度下，仿真提取的流量與模型輸出的流量隨閥進(jìn)出口壓差的 變化的曲線對(duì)比，吻合效果良好。

同樣，仿真結(jié)果中還可以提取在最大閥進(jìn)出口壓差下軸向力F₁、F₂、F₃、F₄作用面上的等效壓力P₁、P₂、P₃、P₄(通過提取仿真結(jié)果的點(diǎn)壓力并積分，求得等效壓力)。通過擬合可以獲取等效壓力與閥芯開度的關(guān)系，代入公式(2)即可的到最大閥進(jìn)出口壓差下的軸向力。因此，便可以求得任意閥進(jìn)出口壓差下的軸向力F₁、F₂、F₃、F₄。

式中，k_mn(m＝1，2，3，4；n＝1，2，3，4，5)為壓力擬合系數(shù)，利用以上流量和軸向力的擬合結(jié)果，代入公式(5)中即可得到不同閥進(jìn)出口壓差和不同閥芯開度下，流體對(duì)閥芯的作用力，即閥芯實(shí)際所受的液壓力，如式(10)：

圖6顯示了不同閥進(jìn)出口壓差下，通過有限元仿真提取的閥芯所受液壓力和模型輸出的閥芯所受液壓力的對(duì)比曲線及其誤差，吻合效果良好。

盡管參考附圖詳?shù)毓_了本發(fā)明，但應(yīng)理解的是，這些描述僅僅是示例性的，并非用來限制本發(fā)明的應(yīng)用。本發(fā)明的保護(hù)范圍由附加權(quán)利要求限定，并可包括在不脫離本發(fā)明保護(hù)范圍和精神的情況下針對(duì)發(fā)明所作的各種變型、改型及等效方案。