汽车ABS电磁阀空载响应测试与分析

袁海军，杨小琴，甘吴波，王光明，谢云峰

（1.重庆华渝电气集团有限公司，重庆400021；2.重庆市统景职业中学，重庆401142；3.重庆化医恩力吉投资有限责任公司，重庆401221；4.重庆市九龙坡职业教育中心，重庆400052）

0 引言

汽车ABS 电磁阀是汽车防抱死制动系统 （简称ABS）中液压控制单元（简称HCU）的重要核心部件，其作用是汽车在行驶过程中，车速传感器实时将轮速信息传递给汽车电子控制单元（简称ECU），经ECU 进行逻辑判断、分析和计算后，一旦识别出一个或几个车轮有抱死倾向时，ECU 将命令在ABS 电磁线圈中输入电流，依靠电磁线圈产生的强大的电磁力移动电磁阀阀芯，以调节车轮制动缸（气室）中的压力，防止车轮抱死[1]。在液压防抱死制动装置ABS 中，HCU 部件多采用电磁阀进行制动压力自动控制。ABS 电磁阀的响应时间长短成为影响ABS 系统控制精度的一个重要因素，ABS 液压总成在装配检测过程中需要单独对电磁阀进行测试。因此，ABS产品在测试检测过程中必须对部件增压、减压电磁阀的空载响应时间进行检测。

目前公开的文献资料主要是介绍，为测试汽车ABS液压总成综合性能或电磁阀而设计开发专用数据采集系统的主要工作原理及测试结果，对其电路设计和程序框架及程序代码介绍的较少，其余的文献资料以介绍汽车ABS 液压总成和ABS 电磁阀建模、设计和仿真研究为主，侧重于产品的原理设计和仿真研究，对测试ABS 电磁阀的具体原理及测试过程介绍较少。实施产品工艺过程控制是产品质量的重要保障环节，针对企业在生产进度及产品测试过程中的实际情况，需要提供一种可以进行快速、有效、准确、简易的测试装置对ABS 电磁阀进行测试。本文设计了汽车ABS 电磁阀空载响应测试装置，并利用该装置对某公司的ABS 电磁阀进行了空载响应测试。

1 电磁阀空载响应测试原理

ABS 电磁阀空载响应测试由检测设备、检测电路及待测电磁阀三部分组成。其中检测设备采用具有存储功能的示波器HITACHI VC-6745A，检测电路依据电磁阀的工作原理及技术指标进行设计，待测电磁阀为ABS液压控制单元上的增压电磁阀和减压电磁阀。

1.1 ABS 电磁阀介绍

目前汽车ABS 防抱死制动装置上的压力控制单元均采用开关式两位两通电磁阀的形式[7]。本文所述的ABS 电磁阀分为两种，一种为常开式增压电磁阀，另一种为常闭式减压电磁阀。由一个常开式增压电磁阀和一个常闭式减压电磁阀组合成一组对某一路制动轮缸的压力进行调节控制。某品牌汽车供应商的ABS 液压控制单元对其部件电磁阀在开启、关闭时空载响应时间的技术指标要求均小于8ms，产品工作电压直流12±1.5V[4]。图1 是减压电磁阀的结构示意图[2]，图2 是增压电磁阀的结构示意图[3]。

1.2 电流曲线理论依据

汽车ABS 电磁阀上的控制元件是电磁线圈（俗称线圈组件），该组件属于感性元件。当电磁线圈通电后，线圈中的电流会按照指数曲线从零开始增加，电磁阀中的动铁芯所受到的电磁推力也随电流的增加开始增大，当电磁推力上升到足以克服负载力和摩擦力时，动铁芯开始移动，并切割磁力线产生反电动势，使电流急剧下降，直至动铁芯完全吸合，之后电流继续按指数曲线增至稳态[1,5,6]。

图1 常闭式减压电磁阀示意图Fig.1 Normally closed solenoid valve pressure sketch map

图2 常开式增压电磁阀示意图Fig.2 Normally open solenoid valve booster sketch map

1.3 测试电路设计

由于无法直接测量出电磁阀的空载响应时间大小，可以利用电流曲线的理论依据通过设计一个检测电路来间接测量出电磁阀的空载响应时间。该电路设计通过采集串联电阻R2 的电流信号来分析出电磁阀的空载响应时间，为了保证电磁线圈和电磁阀能正常工作，必须保证测试时电磁线圈两端的电压达到12V，串联电阻R2的大小一般依据电磁线圈的电阻大小来定，本文设计时取电磁线圈阻值的20%左右来进行电路设计。图3 是检测电路的工作原理和参数值。

2 测试与结果分析

2.1 增压阀空载响应测试

将常开式增压电磁阀按图3 接入测试连接电路，示波器采样设置为单次采集。测试时，给开关一个触发信号（接通后迅速断开），通过对示波器所采集的电流阶跃信号进行分析确定出空载响应时间。图4 为示波器所采集到的电流阶跃信号。

根据文中所述电流变化理论依据，对图4 进行分析，可以发现图中A 点（信号起始点： 电磁阀刚通电时间）到B 点（第一个电流阶跃信号凹点：电磁阀完全关闭时间）的水平相对值即为空载响应时间，相对值为2.365ms，表明空载响应时间为2.365ms。从信号曲线还能发现B 点以后有较小曲线波动现象。这是因为通电时，电磁线圈的能量在增加，并驱动电磁阀内的动铁芯开始运动，电磁线圈的电感随动铁芯的运动增加，由能量守恒定律可知，当电感能量增加速率远大于外界能量输入速率时，会导致电流产出下降，因而电流曲线会出现较小波动[7,8]。

图3 测试电路原理图Fig.3 Test circuit schematic

图4 示波器采集的电流阶跃信号图Fig.4 The current step signal oscilloscope acquisition figure

2.2 减压阀空载响应测试

将常闭式减压电磁阀按图3 接入测试连接电路，示波器采样设置为单次采集。测试时，给开关一个触发信号（接通后迅速断开），通过对示波器所采集的电流阶跃信号进行分析确定出空载响应时间。图5 为示波器所采集到的电流阶跃信号。

图5 示波器采集的电流阶跃信号图Fig.5 The current step signal oscilloscope acquisition figure

根据文中所述电流变化理论依据，对图5 进行分析，可以发现图中A 点（信号起始点：电磁阀刚通电时间）到B 点（第一个电流阶跃信号凹点： 电磁阀完全开启时间） 的水平相对值即为空载响应时间，相对值为2.135ms，表明空载响应时间为2.135ms。从信号曲线还能发现B 点以后有较小曲线波动现象，与常开式增压电磁阀存在相同现象。这是因为通电时，电磁线圈的能量在增加，并驱动电磁阀内的动铁芯开始运动，电磁线圈的电感随动铁芯的运动增加，由能量守恒定律可知，当电感能量增加速率远大于外界能量输入速率时，会导致电流产出下降，因而电流曲线会出现较小波动[7,8]。

2.3 测试结果分析

经过测试，减压电磁阀的空载响应时间为2.135ms，增压电磁阀空载响应时间为2.365ms。减压电磁阀的空载响应速度要快于增压电磁阀，经过结构和磁路分析，发现减压电磁阀的开启距离为0.7mm（即动铁芯的最大移动距离），增压电磁阀的关闭距离为0.9mm，当移动距离增大后，电磁线圈在相同电压下通电后作用在动铁芯上的电磁力会降低，导致可以驱动动铁芯运动的能量开始下降，表现在动铁芯移动的速度降低，最终通过空载响应时间的长短表现出来。

经大量测试发现，当电磁线圈上的电压值发生变化时，电磁阀的空载响应时间也会随之发生变化，其变化规律是空载响应时间与电压变化成反比，即空载响应时间随电压值的升高开始缩短；当电磁线圈上的电压值稳定不变时，电磁阀的空载响应时间会随动铁芯的移动距离增大发生变化，其变化规律是空载响应时间与移动距离成正比，即空载响应时间随移动距离的增大开始延长。

3 结论

本文利用电流曲线的理论依据设计了针对汽车ABS电磁阀空载响应测试的测试装置，该测试装置包含了测试设备、测试电路及测试电磁阀三部分，并对某型ABS电磁阀进行了空载响应测试，测试结果表明利用该测试装置能够有效、简易、快速对ABS 电磁阀进行测试。本研究工作结果和经验可以为汽车ABS 电磁阀或类似产品的设计开发提供一定借鉴参考。

测试结果表明，汽车ABS 电磁阀的空载响应时间与电磁线圈的工作电压和动铁芯的移动距离密切相关，其规律是空载响应时间随电压值的升高开始缩短，空载响应时间随移动距离的增大开始延长。为了保证汽车ABS电磁阀的空载响应时间符合技术要求，可以在防抱死制动系统供电范围内取电压最高值和最低值对ABS 电磁阀进行测试，确保指标空载响应时间符合技术要求。如果最低电压值不能保证电磁阀的空载响应时间符合技术要求，可以通过产品设计更改程序进行优化，选取合适的动铁芯移动距离来确保指标空载响应时间符合技术要求。

[1] 袁海军. 基于Ansoft Maxwell 仿真的电磁阀关闭过程动态特性研究[J].机电产品开发与创新，2011，5.

[2] 袁海军.一种常闭式液压电磁阀[P].中国:201020111018.6，2011.04.13.

[3] 袁海军.一种常开式液压电磁阀[P].中国:201020111016.7,2010.10.27.

[4] Q/WJG 339-2012.ABS 工厂80 电磁阀技术条件[S].杭州，2012.

[5] 张功晖，黎志航，等. 基于Maxwell 方程的电磁阀开启过程动态特性仿真研究[J].液压气动与密封，2010，11.

[6] 张榛.电磁阀动态响应特性的有限元仿真与优化设计[J].空间控制技术与应用，2008，5.

[7] 王会义，高博.汽车ABS 电磁阀动作响应测试与分析[J].汽车工程，2002，1.

[8] 王会义，高博.液压式防抱制动系统电磁阀动作响应实验研究[J].液压与气动，2001，9.