黃雨田,任青劍,萬(wàn)宏強(qiáng)

(1.陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710300；2.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

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反比例電磁閥中銜鐵材料與熱處理工藝對(duì)矯頑力的影響*

黃雨田1,任青劍1,萬(wàn)宏強(qiáng)2

(1.陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710300；2.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

為研究銜鐵材料、熱處理和表面處理對(duì)矯頑力的影響，利用電液比例閥液壓試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同磁性材料、磁性熱處理和表面處理等工藝方法進(jìn)行了試驗(yàn)分析.結(jié)果表明：電工純鐵DT4C作為反比例電磁閥銜鐵材料時(shí)，對(duì)其進(jìn)行磁性熱處理后，矯頑力Hc≤48 m·A-1，磁性穩(wěn)定性提高；該磁性熱處理工藝過(guò)程為升溫-保溫(890 ℃，保溫4 h)-降溫(勻速降溫速率為2 ℃·min-1，降溫至800 ℃)-冷卻(風(fēng)冷)；銜鐵材料經(jīng)表面鍍鎳處理后(鍍層厚度為0.03 mm)，表面硬度增加，銜鐵耐磨性提高.

反比例電磁閥；銜鐵；磁性熱處理；表面鍍鎳

電液控制反比例電磁閥是一種用于汽車自動(dòng)變速箱的行車安全控制閥，反比例是指電磁閥的輸出壓力隨輸入信號(hào)的增大而降低，位于變速器滑閥箱內(nèi)，具有4個(gè)工位(即N92、N93、N282及N283)，工位N92和工位N282用于控制膜片式離合器的自動(dòng)變速箱用油(Automatic Transmission Fluid，ATF)油壓，工位N93根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制變速箱內(nèi)ATF主壓力，工位N283用于控制膜片式制動(dòng)器的ATF油壓，這四項(xiàng)功能是調(diào)節(jié)ATF油壓，建立與實(shí)際工況相適應(yīng)的系統(tǒng)油壓，調(diào)節(jié)離合器和制動(dòng)器的結(jié)合油壓，實(shí)現(xiàn)同步換檔，改善換擋質(zhì)量，提高運(yùn)行的平穩(wěn)性.影響電磁閥工作性能的主要因素是電磁力的大小，而線圈匝數(shù)、加在線圈上的電流和磁性材料的矯頑力成為電磁力的主要參數(shù)[1].因滑閥箱加在所有電磁閥上的電壓是相同的，而電磁閥上線圈的空間尺寸也是一定的，故要增大電流只能增大線徑、減少匝數(shù)，而匝數(shù)減少使磁場(chǎng)強(qiáng)度降低，且電流增大又會(huì)引起發(fā)熱和控制電器的變化等問(wèn)題[2-3]，因此，無(wú)法通過(guò)增大電流提高電磁力.銜鐵是電磁閥的核心元件，其電磁力的大小和磁穩(wěn)定性(高溫工作時(shí)產(chǎn)生的磁時(shí)效現(xiàn)象)直接影響電磁閥的工作性能[4-5].文獻(xiàn)[4]對(duì)薄型電工純鐵銜鐵磁性熱處理工藝進(jìn)行了研究,分析了電工純鐵銜鐵的矯頑力影響因素和磁性熱處理工藝.文獻(xiàn)[5]分析了冷軋變形量和熱處理工藝對(duì)電磁純鐵矯頑力的影響機(jī)理，給出了電磁純鐵矯頑力的影響曲線.文獻(xiàn)[6]提出了電磁閥用軟磁合金熱處理工藝，結(jié)果表明電磁矯頑力受軟磁合金熱處理工藝參數(shù)影響.文獻(xiàn)[7]對(duì)Fe-Co軟磁合金真空磁場(chǎng)熱處理工藝進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[8-9]對(duì)電控單體泵高速電磁閥電磁力的影響參數(shù)進(jìn)行了量化分析，給出了電控單體泵高速電磁閥電磁力關(guān)鍵影響因素.文獻(xiàn)[10]構(gòu)建了高速電磁閥電磁力近似模型，基于近似模型分析了高速電磁閥電磁力.一般通過(guò)降低電磁材料的矯頑力來(lái)增大電磁力，選擇矯頑力小的電磁材料作為銜鐵材料，通過(guò)熱處理和表面處理降低此材料的矯頑力，本文研究銜鐵材料、熱處理和表面處理對(duì)矯頑力的影響，以期改善自動(dòng)變速箱換擋質(zhì)量以提高其運(yùn)行平穩(wěn)性.

1　反比例電磁閥動(dòng)態(tài)特性建模

線圈通電產(chǎn)生磁力使銜鐵推動(dòng)閥芯右移，卸油口逐漸打開(kāi)調(diào)節(jié)ATF油壓，直到卸油口全部打開(kāi)，此時(shí)油壓為0 MPa，完成換檔.這一過(guò)程閥芯移動(dòng)距離是一定的，當(dāng)電磁力不足時(shí)，閥芯移動(dòng)速度慢或遇阻，使滑閥箱各電磁閥同步關(guān)系破壞，換檔產(chǎn)生發(fā)卡和異響.電磁閥開(kāi)路時(shí)各零件所處的位置結(jié)構(gòu)如圖1所示，此時(shí)ATF油壓最大，不具備同步功能，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的入檔沖擊.圖2為電磁閥接通狀態(tài).

圖1　電磁閥開(kāi)路狀態(tài)

圖2　電磁閥接通狀態(tài)

反比例電磁閥屬于直動(dòng)式電磁閥，比例電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性由線圈電流強(qiáng)度、電磁吸力大小及銜鐵位移的過(guò)渡特性等決定.

反比例電磁鐵線圈電流動(dòng)態(tài)特性與線圈動(dòng)態(tài)特性電感和銜鐵運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，電磁鐵線圈電流動(dòng)態(tài)過(guò)程[2]為

(1)

式中：U0(t)為電磁線圈電壓；Lc為電磁線圈電感；i(t)為電磁線圈電流；Rc為電磁線圈電阻；Kb為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；xc為銜鐵位移；t為時(shí)刻.

銜鐵在磁場(chǎng)中受到的電磁力為

(2)

式中：fe(t)為電磁力；N為電磁線圈匝數(shù)；Rg為氣隙磁阻，Rg=l/μ0A；l為氣隙長(zhǎng)度，l=xe0-xe(t)；xe(t)為t時(shí)刻氣隙長(zhǎng)度;xe0為氣隙的初始長(zhǎng)度；μ0為真空磁導(dǎo)率；A為氣隙部位垂直于磁力線的面積；I(t)為勵(lì)磁線圈電流.

進(jìn)行線性化處理，可得

fe(t)=KiI(t)+Kxex(t)

(3)

式中：Ki為電磁鐵電流-力增益，Ki=?fe(t)/?I(t)；Kxe為電磁鐵位移-力增益，Kxe=?fe(t)/?xe(t)；x(t)為線性化處理后t時(shí)刻氣隙長(zhǎng)度.

由于電磁鐵的位移-力特性呈現(xiàn)水平特性，故Kxe≈0，是一個(gè)極小值.可推導(dǎo)出閥芯的動(dòng)力學(xué)平衡方程為

fe(t)+p(t)A-ρq(t)vcosφ-K(x0+x(t))=

(m1+m2)

(4)

式中：p(t) 為閥穩(wěn)態(tài)輸出壓力；m1為閥芯質(zhì)量；m2為銜鐵質(zhì)量；ρ為液體密度；q(t)為液體流經(jīng)閥口溢流量；v為液體流經(jīng)閥口的速度；K為閥芯彈簧剛度；x0為初始彈簧壓縮量；B為閥芯黏性阻尼系數(shù)；t為時(shí)刻；φ為液體流向角.

通過(guò)該閥閥口的油液溢流量為

(5)

式中：Cd為閥口流量系數(shù);W為閥口面積梯度.

2　試驗(yàn)及分析

2.1試驗(yàn)裝置

電液比例閥液壓試驗(yàn)系統(tǒng)主要由機(jī)械系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和硬件設(shè)備等組成.機(jī)械系統(tǒng)包括液壓性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)、泵及附加連接部件等，軟件系統(tǒng)包括電磁閥的控制程序及采樣程序等，可設(shè)定步長(zhǎng)、頻率及脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)變換類型等要求，硬件設(shè)備包括作為采集儲(chǔ)存數(shù)據(jù)和監(jiān)控使用測(cè)控的測(cè)控平臺(tái)、計(jì)算機(jī)及各種傳感器等.電液比例閥的液壓試驗(yàn)回路原理如圖3所示.該測(cè)試系統(tǒng)可以完成反比例電磁閥的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試,試驗(yàn)項(xiàng)目包括：靜態(tài)力控特性、靜態(tài)負(fù)載特性、輸入電信號(hào)階躍響應(yīng)特性以及負(fù)載流量階躍響應(yīng)特性等.

圖3　測(cè)試系統(tǒng)原理圖

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：① 工作電壓為12 V；② 電阻為6.2 Ω；③ 最大工作壓力為0.9 MPa；④ 最大流量為4 L·min-1；⑤ 工作電流為0～800 mA，工作壓力為0～0.5 MPa；⑥ 泄漏量為0～0.05 L·min-1；⑦ 最大電流為1.2 A.

2.2銜鐵材料對(duì)矯頑力影響試驗(yàn)

2.2.1進(jìn)口10號(hào)鋼試驗(yàn)

進(jìn)口10號(hào)鋼屬于電磁材料，矯頑力Hc≤120 m·A-1，圖4為使用進(jìn)口10號(hào)鋼做銜鐵材料時(shí)電磁閥工作曲線，該曲線為變速箱反比例電磁閥正常工作曲線，其中工作壓力死區(qū)占空比為8%，壓力調(diào)節(jié)響應(yīng)占空比小于50%.

2.2.2國(guó)產(chǎn)10號(hào)鋼試驗(yàn)

從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，國(guó)產(chǎn)10號(hào)鋼不是電磁材料(國(guó)標(biāo)中對(duì)其未提出電磁性能要求)，其化學(xué)成分和進(jìn)口10號(hào)鋼相近，矯頑力Hc為 200～240 m·A-1.

圖5為使用國(guó)產(chǎn)10號(hào)鋼做銜鐵材料時(shí)電磁閥工作曲線.其中工作壓力死區(qū)占空比小于3%，壓力調(diào)節(jié)響應(yīng)占空比接近65%.可見(jiàn)，工作壓力死區(qū)占空比和壓力調(diào)節(jié)響應(yīng)占空比無(wú)法接近正常工作曲線，表明國(guó)產(chǎn)10號(hào)鋼無(wú)法做銜鐵材料用于反比例電磁閥.

圖4　進(jìn)口10號(hào)鋼做銜鐵材料時(shí)電磁閥工作曲線

圖5　國(guó)產(chǎn)10號(hào)鋼做銜鐵材料時(shí)電磁閥工作曲線

2.2.3電工純鐵試驗(yàn)

電工純鐵是電磁材料，具有高于10號(hào)鋼的電磁性能，銜鐵材料選擇電工純鐵.

圖6為使用電工純鐵做銜鐵材料時(shí)電磁閥工作曲線.其中主要工作參數(shù)：工作壓力死區(qū)占空比接近8%，壓力調(diào)節(jié)響應(yīng)占空比小于55%.可見(jiàn)，工作壓力死區(qū)占空比和壓力調(diào)節(jié)響應(yīng)占空比接近正常工作曲線，證明電工純鐵做銜鐵材料用在反比例電磁閥上，但壓力調(diào)節(jié)響應(yīng)占空比無(wú)法滿足正常工作要求.

圖6　電工純鐵做銜鐵材料時(shí)電磁閥工作曲線

2.3電工純鐵磁性熱處理和表面處理對(duì)矯頑力的影響試驗(yàn)

對(duì)電工純鐵進(jìn)行磁性熱處理的作用是降低零件的矯頑力和提高磁性穩(wěn)定性.影響矯頑力降低和磁穩(wěn)定性的因素主要是磁性材料中的碳和雜質(zhì)的含量，磁性處理就是通過(guò)加熱使純鐵產(chǎn)生相變、晶體長(zhǎng)大，同時(shí)擬制鐵素體的產(chǎn)生(脫碳和雜質(zhì))，以減小矯頑力.要達(dá)到這樣的目的，只有采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚥拍苓_(dá)到預(yù)期的效果[3-4].通過(guò)大量的實(shí)踐確定出熱處理工藝：升溫-保溫(880 ℃保溫 5 h)-降溫(勻速降溫速度為2 ℃·min-1，降至790 ℃)-冷卻(風(fēng)冷)；熱處理后，電工純鐵DT4C矯頑力Hc≤48 m·A-1.

表面處理的目的是增加銜鐵表面硬度，以提高銜鐵耐磨性和使用壽命[5].但電工純鐵DT4C在表面處理時(shí)，由于浸在電解液中，銜鐵表層部分雜質(zhì)被電解液溶合而使其矯頑力略有降低，見(jiàn)表1.通常所使用的表面處理方法及工藝過(guò)程為表面鍍鎳，鍍層厚度0.03 mm.工藝過(guò)程：除油-浸蝕-化學(xué)鍍鎳-清洗-烘干-烘焙(溫度小于300 ℃).

表1　材料表面處理磁性能測(cè)試Tab.1　Magnetic testing of material surface treatment

圖7為使用電工純鐵做銜鐵材料并經(jīng)磁性熱處理和表面處理電磁閥工作曲線.其中主要工作參數(shù)：工作壓力死區(qū)占空比接近8%，壓力調(diào)節(jié)響應(yīng)占空比小于50%.可見(jiàn)，工作壓力死區(qū)占空比和壓力調(diào)節(jié)響應(yīng)占空比和正常工作曲線基本吻合，證明經(jīng)特殊工藝磁性熱處理和表面處理的電工純鐵做為銜鐵材料時(shí)可以用在反比例電磁閥上代替進(jìn)口10號(hào)鋼.

圖7　經(jīng)磁性熱處理和表面處理的電工純鐵做銜鐵材料時(shí)電磁閥工作曲線

通過(guò)試驗(yàn)(見(jiàn)表2)可知，10號(hào)鋼的占空比65%最大，電工純鐵經(jīng)磁性熱處理和表面處理后占空比為52%(可以通過(guò)其他途徑調(diào)整到接近48%)，明顯小于10號(hào)鋼的占空比，也就是說(shuō)使用10號(hào)鋼做銜鐵會(huì)出現(xiàn)明顯的輸出油壓歸零遲滯，使工作電流區(qū)間增加，影響電磁閥的工作協(xié)調(diào)性和工作性能，產(chǎn)生換檔的平順性和產(chǎn)生發(fā)卡異聲.

表2　不同試驗(yàn)條件測(cè)得的占空比數(shù)值Tab.2　Measured values of different duty cycles

3　結(jié) 論

1) 矯頑力試驗(yàn)結(jié)果表明，電工純鐵DT4C作為反比例電磁閥銜鐵材料時(shí)，占空比小于10號(hào)鋼，對(duì)其進(jìn)行磁性熱處理后，矯頑力Hc≤48 m·A-1，磁性穩(wěn)定性提高.

2) 電工純鐵DT4C經(jīng)磁性熱處理和表面處理后作為銜鐵材料時(shí)，占空比低于未經(jīng)處理電工純鐵.該磁性熱處理工藝如下：升溫-保溫(890 ℃保溫4 h)-降溫(勻速降溫速率為2 ℃·min-1，降至800 ℃)-冷卻(風(fēng)冷).該表面處理工藝為表面鍍鎳，鍍層厚度0.03 mm，過(guò)程如下：除油-浸蝕-化學(xué)鍍鎳-清洗-烘干-烘焙(烘焙溫度Tb≤300 ℃).

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(責(zé)任編輯、校對(duì)張超)

Effect of Material and Heat Treatment Process of Armature on the Coercivity in Inverse Proportional Solenoid Valve

HUANGYutian1,RENQingjian1,WANHongqiang2

(1.Mechanical Engineering Institute,Shaanxi Defence Vocational & Technical College，Xi’an 710300,China;2.School of Mechatronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

In order to study the effect of armature material,heat treatment and surface treatment on coercivity,different magnetic materials,magnetic heat treatment and surface treatment process are tested and analyzed by use of hydraulic test system for electro-hydraulic proportional valve. The results show: After magnetic heat treatment for electrical iron DT4C as inversely proportional solenoid armature material,the coercivity is less than or equal to 48 m·A-1,the magnetic stability is improved;The magnetic heat treatment process:heating-heat preservation (thermal insulation at 890 ℃ for 4 h) - lowering temperature (at uniform cooling rate 2 ℃·min-1to 800 ℃) - cooling (air cooling);After surface nickel plating treatment for armature material(to coating thickness 0.03 mm),the wear resistance of the armature is improved as well as the surface hardness is increased.

inverse proportional solenoid valve；armature；magnetic heat treatment；surface Ni-plating

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.08.009

2016-03-25

西安市科技局企業(yè)合作項(xiàng)目(CXY1431(1))

黃雨田(1957-)，男，陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造與自動(dòng)化.

E-mail：412196458@qq.com.

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A

1673-9965(2016)08-0652-05