一种汽车ESC系统中获得高速开关阀阀芯所受液压力的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种汽车ESC中获得高速开关阀阀芯所受液压力的方法，包括：步骤A：根据增压阀的内部结构，选择合适的控制体，所选择的控制体包围整个阀芯；步骤B：利用流体动量方程计算控制体内流体对阀芯的作用力；步骤C：利用有限元仿真，改变阀芯开度以及阀入口和阀出口处的边界条件，分析阀芯所受的液压力与阀进出口压差ΔP、阀芯所受的液压力与阀芯开度x的关系；步骤D：利用有限元仿真的分析结果，建立阀芯所受的液压力与阀进出口压差ΔP、阀芯所受的液压力与阀芯开度x的关系，得到阀芯实际所受的液压力。本发明专利技术通过选择完全围绕阀芯的流体为控制体，结合流场理论分析和有限元分析，得到了高精度的流场模型。

Method for obtaining hydraulic pressure of spool valve of high speed switch valve in automobile ESC system

The invention discloses a method, obtained by high speed on-off valve spool hydraulic pressure for automobile ESC comprises the following steps: step A: according to the internal structure of booster valve, select the appropriate control body, control body selected around the entire spool; step B: Calculation of control system in force of the fluid on the spool by the fluid momentum equation; step C: using the finite element simulation, change the opening of valve and the entrance and exit of the valve spool boundary conditions, analysis of the relationship between fluid pressure and fluid pressure and the valve spool valve by the pressure difference between the inlet and outlet valve, Delta P by opening X; step D: Based on the analysis result of finite element simulation. Establish the relationship between the fluid pressure and fluid pressure and the valve spool valve by the pressure difference between the inlet and outlet valve, Delta P by opening x, liquid pressure obtained by the actual valve. In the invention, a flow field model with high precision is obtained by selecting the fluid which is completely around the spool and combining the theoretical analysis of the flow field and the finite element analysis.

【技术实现步骤摘要】
一种汽车ESC系统中获得高速开关阀阀芯所受液压力的方法
本专利技术属于流体力学领域，具体涉及一种汽车电子稳定控制(ESC)系统中获得高速开关阀阀芯所受液压力的方法。
技术介绍
在汽车ESC液压系统中应用的高速开关阀是简单的两位两通阀，其中包括增压阀(常开阀)、限压阀(常开阀)、减压阀(常闭阀)、吸入阀(常闭阀)。在极限工况下，ESC系统通过其ECU协调控制这四种电磁阀的开关进而实现不同的功能，以改善汽车的操作稳定性。在这四种阀中，增压阀调控轮缸的压力增长速率，同时也关系到轮缸的快速减压速率，所以建立准确的增压阀模型对研究ESC系统的控制起着关键作用。在建立汽车ESC系统中增压阀的动力学模型时，阀芯受到作用力包括电磁力、液压力、弹簧力、摩擦力和粘性阻尼力等，其中液压力(与电磁力的方向相反)对阀芯的运动起到了关键作用。目前，阀芯所受液压力一般是通过纯理论的分析方法：首先将液压力分解为液动力和静态液压力，然后与流体力学相关的公式推导出各个力的模型，最后合并。现有的这种液压力计算方法可以分析常规高速开关阀(如滑阀、锥阀)所受液压力与阀体结构和流体特性对液压力的影响趋势，但液压力的计算结果的精度不是很高，尤其是对非常规的高速开关阀(比如ESC和ABS中的推杆球阀)，所以往往要通过各种不同的补偿和修正来提高计算精度。
技术实现思路
为解决通过模型计算高速开关阀阀芯在流体中的受到的液压力的技术问题，本专利技术提出了一种汽车ESC中获得高速开关阀阀芯所受液压力的方法，所述方法包括：步骤A：根据增压阀的内部结构，选择合适的控制体，所选择的控制体包围整个阀芯；步骤B：利用流体动量方程计算控制体内流体对阀芯的作用力；步骤C：利用有限元仿真，改变阀芯开度以及阀入口和阀出口处的边界条件，分析阀芯所受的液压力与阀进出口压差ΔP、阀芯所受的液压力与阀芯开度x的关系；步骤D：利用有限元仿真的分析结果，建立阀芯所受的液压力与阀进出口压差ΔP、阀芯所受的液压力与阀芯开度x的关系，得到阀芯实际所受的液压力。优选地，所述控制体入口流向平行于轴向，出口方向垂直于轴向。优选地，所述阀芯开度是指阀芯与阀座之间的距离，当阀关闭时，阀芯开度为0mm。优选地，所述边界条件是指施加在阀入口和出口处的压力。优选地，所述阀芯实际所受的液压力为：其中，β1为控制体入口处的动量系数；kmn(m＝1，2，3，4；n＝1，2，3，4，5)为压力拟合系数；kqi(i＝1，2，3，4，5)为流量拟合系数；A1为控制体入口节流孔的截面积；A2为阀口锥角处的最大半径对应的截面积；A3为阀芯截面积；A4为控制体末端最大半径处对应的截面积；△P是阀进出口压差；ΔPmax为阀进出口的最大阀进出口压差。本专利技术通过选择完全围绕阀芯的流体为控制体，结合流场理论分析和有限元分析，得到了高精度的流场模型。此模型能够精确地计算出此种高速开关阀在不同阀芯开度和不同进出口压力下流体对阀芯的作用力。得到了阀芯所受的液压力，再结合其所受的其他作用力(电磁力、弹簧力等)即可建立阀芯的动力学方程。这对研究此种高速开关阀在不同控制算法下，其内部阀芯运动状态起到关键作用。附图说明图1为本专利技术一种汽车ESC中获得高速开关阀阀芯所受液压力的方法提供的方法流程图；图2为高速开关阀内部选择的控制体(加黑部分)及其各压力面在轴向上的受力的示意图；图3为阀的内部结构尺寸示意图；图4为有限元仿真结果所得的阀芯所受液压力与阀芯开度和阀进出口压差的关系；图5为有限元仿真结果提取的阀的流量与模型输出的阀的流量对比；图6为有限元仿真结果提取的阀芯所受液压力与模型输出的阀芯所受液压力对比及误差。具体实施方式为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体建模方法仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。由现有的高速开关阀(增压阀)的模型可知，目前此种阀的液压力建模方法多是采用传统的方法，即利用纯理论的公式推导出目标参数的数学模型，但多数模型选择的分析控制体并未包围整个阀芯，这样就使得推导出的模型并非是流体对整个阀芯的作用力，而只是控制体区域的流体对阀芯的作用力，所以最后的模型与实际的试验数据相差甚多。如图1所示，本专利技术的一种汽车ESC中获得高速开关阀阀芯所受液压力的方法，包括：步骤A：根据增压阀的内部结构，选择合适的控制体(将阀芯整体包围的控制体)，所选择的控制体包围整个阀芯。如图2所示，黑色部分为选择的控制体，控制体入口流向平行于轴向，出口方向垂直于轴向，所以，出口的流体在轴向上的速度分量几乎为0，可以忽略不计。步骤B：利用流体动量方程计算控制体内流体对阀芯的作用力。如图2所示，图2给出了该实施例中高速开关阀内部选择的控制体及其各压力面在轴向上的受力的示意图，根据流体动量方程可得：F1+F2+F3+F4-Fh＝β2ρqv2-β1ρqv1(1)式中：F1、F2、F3、F4分别为控制体与阀壁接触面上的作用于控制体上的轴向力；F1为控制体前端入口处所受的轴向力；F2为前端阀口锥面处控制体所受的轴向力；F3为控制体出口竖直平面所受的轴向力；F4为控制台末端所受的轴向力；Fh为阀芯对流体的作用力；v1为控制体入口处的流速；v2为控制体出口处的流速；ρ为流体密度；q为阀的流量；β1和β2分别为入口和出口处的动量系数，当为层流时，两个动量均系数近似为1.32，当为紊流时，两个动量系数均接近于1。作用于控制体上的轴向力F1、F2、F3、F4可已通过积分各接触面上的压力得到，公式如下：式中：r1为控制体入口节流孔的半径，A1为此处对应的截面积；r2为阀口锥角处的最大半径，A2为此处对应的截面积；r3为阀芯的半径，A3为此处对应的阀芯截面积；r4为控制体末端最大半径，A4为此处对应的截面积。p为作用于阀体内壁面所受的流体压力。P1、P2、P3、P4是指分别在最大阀进出口压差下轴向力F1、F2、F3、F4作用面上的等效压力。在该实施例中，该高速开关阀的阀口结构，可以视为小孔，利用小孔节流的流量公式计算阀口流量，即：式中Cd为控制体入口处的流量系数，该参数可以通过实验获得，△P是阀进出口压差。所以，控制体入口处的流速为：由于控制体出口处的轴向流速分量几乎为0，所以动量方程(1)里的出口处动量(β2ρqv2)可以忽略不计。这里假设流体对阀芯的作用力为FH，即阀芯所受的液压力，即FH＝-Fh。所以公式(1)可以简化为：步骤C：利用有限元仿真，改变阀芯开度以及阀入口和阀出口处的边界条件，分析阀芯所受的液压力与阀进出口压差△P、阀芯所受的液压力与阀芯开度x的关系。所述阀芯开度是指阀芯与阀座之间的距离，当阀关闭时，阀芯开度为0mm。所述边界条件是指阀的入口压力和出口压力。具体地，在流体前处理软件gambit里建立阀内部流体结构的二维模型，并划分网格，利用有限元流体仿真软件FLUENT分析流体对阀芯的作用力。在FLUENT仿真过程中，边界条件为阀的入口压力和出口压力，在此还应考虑到阀口处出现的空化现象，即设置流体为混合相：气相和液相，并设置饱和蒸汽压和其各自的密度。为了节省仿真时间，简化仿真流程，可以利用UDF定义阀的出口压力随时间递增，这样通过一次仿真可模拟相同入口压力不同出口压力边界本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种汽车ESC中获得高速开关阀阀芯所受液压力的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤A：根据增压阀的内部结构，选择合适的控制体，所选择的控制体包围整个阀芯；步骤B：利用流体动量方程计算控制体内流体对阀芯的作用力；步骤C：利用有限元仿真，改变阀芯开度以及阀入口和阀出口处的边界条件，分析阀芯所受的液压力与阀进出口压差ΔP、阀芯所受的液压力与阀芯开度x的关系；步骤D：利用有限元仿真的分析结果，建立阀芯所受的液压力与阀进出口压差ΔP、阀芯所受的液压力与阀芯开度x的关系，得到阀芯实际所受的液压力。

【技术特征摘要】
1.一种汽车ESC中获得高速开关阀阀芯所受液压力的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤A：根据增压阀的内部结构，选择合适的控制体，所选择的控制体包围整个阀芯；步骤B：利用流体动量方程计算控制体内流体对阀芯的作用力；步骤C：利用有限元仿真，改变阀芯开度以及阀入口和阀出口处的边界条件，分析阀芯所受的液压力与阀进出口压差ΔP、阀芯所受的液压力与阀芯开度x的关系；步骤D：利用有限元仿真的分析结果，建立阀芯所受的液压力与阀进出口压差ΔP、阀芯所受的液压力与阀芯开度x的关系，得到阀芯实际所受的液压力。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述控制体入口流向平行于轴向，出口方向垂直于轴向。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述阀芯开度是指阀芯与阀座之间的距离；当阀关闭时，阀芯开度为0mm。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述边界条件是指施加在阀入口和出口处...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亮，赵洵，高祥，俞伟，
申请(专利权)人：天津英创汇智汽车技术有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12