排氣制動閥結構原理及設計

張利娟

摘 要：本文簡述了排氣閥在整個制動回路中的位置和作用，詳述了其工作原理，重點闡述了1203015-KE300排氣閥總成的性能要求和設計計算等。

關鍵詞：排氣制動閥；原理設計；背壓

中圖分類號：TK421+.5 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）03-0095-06

The Structure And Principle Design of Exhaust Brake Valve

ZHANG Li-juan

（ Knorr-Bremse DETC Commercial Vehicle Braking Technology Co.， Ltd.，

Shiyan442062， China ）

Abstract： This article simply introduces the position and function of the exhaust brake valves in whole brake system and particularly relates working principle， This paper expatiates the performance demand and design computation of 1203015-KE300 exhaust brake valves.

Key Words： Exhaust Brake Valves； Principle Design； Back Pressure

1 前言

中重型汽車在下長坡等工況下頻繁使用主制動器會使制動系統的熱負荷非常大而制動系統又無法及時將熱量釋放到周圍環境使得制動鼓和制動蹄的溫度過高磨損較快，從而使主制動器失去部分或全部的制動效能，這將嚴重影響主制動系統的連續制動的效能，從而影響制動的安全性。而采用輔助制動裝置就可以減少主制動系統的使用頻率，減少因制動器連續使用產生的制動器溫度過高，效能下降，磨損嚴重等一系列問題。因此，輔助制動裝置的應用越來越廣泛。輔助制動裝置主要包括：發動機制動器、排氣制動閥、液力緩速器和電渦流緩速器，而排氣制動閥作為一種性價比最高的輔助制動裝置在中重型汽車及客車上被廣泛應用。

2 排氣制動閥在排氣制動裝置的位置和主要作用

電控氣動式排氣制動裝置（見圖1）有排氣制動執行機構、控制機構和斷油機構三部分組成。排氣制動閥和排氣制動缸為排氣制動裝置的執行機構。排氣制動開關、油門踏板、和離合器踏板聯動開關、排氣制動工作指示燈、電磁閥和空氣管等構成控制機構，停油缸等則組成斷油機構。

1-蓄電池；2-排氣制動開關；3-排氣制動工作指示燈；

4-離合器聯動開關；5-加速踏板（油門）聯動開關；

6-排氣制動閥；7-排氣制動缸；8-電磁閥；9-儲氣筒

排氣制動系統是由操縱缸和閥體組成的排氣制動閥以及控制電磁閥，供氣管、電器、電路等組成，排氣制動閥被安裝在發動機排氣管上。排氣制動時，按下排氣制動開關按鈕，排氣制動閥的蝶形閥機構關閉排氣通道，使發動機活塞在排氣行程時受到氣體的反壓力，阻滯發動機運轉而產生制動作用，達到控制車速的目的。

當排氣制動系統工作時，閥體中的閥片關閉，發動機在排氣沖程時，發動機氣缸和排氣管內的廢氣被壓縮，這一過程所消耗的功，就產生對汽車的制動力。制動力的大小隨排氣管和發動機氣缸內壓力（發動機背壓）的升高而增大。汽車裝有排氣制動閥有如下優點：

（1）汽車下長坡時，行車制動的作用次數和作用時間可顯著減少，防止制動器過熱和制動力衰退，保持制動器始終處于良好狀態。延長了蹄片的壽命，減輕了駕駛員制動過程的疲勞，有利于環保。

（2）排氣制動是壓縮發動機和排氣管中的氣體而產生的制動。因此制動柔和、無沖擊、減少零件的沖擊載荷，可延長相關零件的使用壽命，減少保養次數。

（3）排氣制動是通過傳動系傳遞到驅動輪的。驅動橋的差速器將制動力矩平均分配到左、右車輪上。減少了汽車側滑的傾向，行車時，具有安全感，可提高汽車的平均車速。

（4）排氣制動的停油開關具有一定的節油效果。

為滿足國內商用車發展趨勢及整車需求，根據東風商用車4H發動機項目進度要求，我公司開發該發動機的排氣制動閥1203015-KE300。

3 排氣制動閥總成的結構和工作原理

排氣制動閥總成主要有：操縱缸分總成（圖1中的排氣制動缸）、聯接部分、蝶閥分總成（圖1中的排氣制動閥）三部分構成（見圖2），其中操縱缸分總成為控制機構、蝶閥分總成為執行機構。

圖2所示為排氣制動閥總成非工作狀態，當需要進行排氣制動時，來自貯氣筒的壓縮空氣經操縱缸分總成進氣口充入操縱缸，推動活塞，通過連桿機構使蝶閥片完全關閉。

4 結構設計

4.1 設計要求

應商用車技術中心要求：

1. 確保產品密封部位（操縱缸、閥體端面等）密封可靠；

2. 運動機構（操縱缸、蝶閥軸總成等）靈活不干涉；

3. 總成性能（耐高溫性、背壓等）滿足技術要求。

4.2 結構選型

以滿足客戶要求為為前提，并根據客戶總成功能圖要求，參照現有排氣制動閥的結構進行設計，借用現有操縱缸、壓鉚結構蝶閥、不銹鋼軸承、高分子石墨墊和泄漏槽等結構，降低了新品開發費用。

采用方案如下：

整體結構采用圖2結構形式。具體如下：

（1）操縱缸分總成選用雷諾排氣制動閥操縱缸（內部結構見圖3），缸體內徑為φ35mm。

（2）閥體內經為φ63mm。

（3）增加閥體強度

閥體法蘭面連接處，三孔臺階增加5mm高度，在吊耳處增加R5的倒圓，來增加閥體的連接強度，降低斷裂風險。

5 操縱缸活塞行程計算

5.1.1 活塞工作行程計算

c=40 b=205

L1 =

=181.88

L2 =

=221.88

于是，蝶閥片從全開位置到全閉位置，活塞的行程為

L = L2- L1=40mm

操縱缸內活塞允許行程到達極限位置時空間位置尺寸：

L=33.7mm

活塞行程滿足設計要求。

5.1.2 活塞受力分析

F氣——進氣口氣壓作用在活塞上的力（N）

F彈——回位彈簧作用在活塞上的力（N）

F氣——進氣口氣壓作用在活塞上的力（N）

F彈——回位彈簧（兩個串聯彈簧）作用在活塞上的力（N）

（根據缸筒和推桿工作位置計算推桿行程，計算簡圖見圖6）

已知：單個彈簧內徑D2=25.5；d=2.5；n=5.5； n1=7.5；H0=65；

初始位置預拉伸時兩個彈簧變形長度

L1=65×2-88.9-2=39.1；

完全關閉時兩個彈簧變形長度

L2=39.1+40（推桿行程）=79.1；

單個彈簧的剛度K = =4.2（N/mm）

兩個串聯彈簧的剛度

k=k1×k2/（k1+k2）= =2.11（N/mm）

F初 = k×L1=82.5（N）

F關 = k×L2=177.9（N）

活塞面積S= = =961.625（mm2）

蝶閥片開始關閉時的氣壓為

P開=F初 /S= 86（kPa）

蝶閥片完全關閉時的氣壓為

P關=F關 /S= 195（kPa）

進氣口額定氣壓為P=800kPa

則蝶閥片完全關閉時推桿伸出的力為

F桿=P×S- F關==591.4（N）

5.1.3 最大輸出力矩（Mmax）

P=0.8MPa

L2 = 221.88

β=arcos（ ）=61.7°

M有效=F桿×L×cos（90-β）

=591.4×40×COS28.3°×10-3

=20.8N.m

5.2 彈簧的計算校核

回位彈簧3541LN-024：

材料：琴鋼絲

許用抗拉強度σb =1814MPa

彈簧的許用剪切應力[τ]=0.5σb =907MPa

彈簧自由高度H0=65mm

彈簧鋼絲直徑d=2.5mm 彈簧外徑D=28mm

彈簧中徑D2=D-d=25.5mm

C= D2 /d=10.2

彈簧有效圈數n=5.5

單個彈簧剛度J=Gd/8C n=4.2 N/m

兩個串聯彈簧的剛度

k=k1×k2/（k1+k2）= =2.11（N/mm）

彈簧工作載荷：（見4活塞受力分析）

蝶閥片全開時推桿輸出力：

F初=k×L1=82.5（N）

蝶閥片全閉時推桿輸出力（即最大輸出力）：F關= k×L2=177.9（N）

彈簧旋繞比：

λ=（4C-1）/（4C-4）-0.615/C=1.005

彈簧最大剪切應力：

τmax=λ×8 D2Fmax/（πd ）=743.18MPa

τmax<[τ]，故彈簧設計滿足使用要求

5.3 密封性設計

密封性設計是汽車制動閥類產品設計的重要組成部分，此類產品通常采用O型圈密封，工藝性好，性能可靠。影響O型圈密封的因素主要有以下幾點：O型圈的尺寸，材料硬度，安裝時的壓縮率，密封面的光潔度，介質內壓以及往復運動的速度等，對于O型圈不論是動密封還是靜密封，在保證密封的前提下，壓縮率的選擇必須適當，壓縮率太大，活塞運動阻力大，O型圈壽命短，壓縮率過小，則密封不嚴，運動中還易發生振動。

操縱缸常用工作氣壓是0.6MPa ，在機械密封中壓力是比較低的，在這種情況下，橡膠硬度一般選擇在紹爾70°左右。同時排氣制動閥安裝位置在發動機排氣管上，靠近發動機，溫度較高，因此O型圈材料應選用耐高溫材料。

O型圈結構尺寸見圖8：

活塞式動密封（見圖9）計算

d1=φ28.5±0.22 d2=3.47±0.1

d3=φ d4=φ

壓縮量：

E1max=d2max- =3.57- =0.57

E1min=d2min- =3.37- =0.308

壓縮率：

K1max= ×100%= ×100%=16.9%

K1min= ×100%= ×100%=8.6%

預拉伸率：

X1max= ×100%= ×100%=2.1%

X1min= ×100%= ×100%=0.8%

5.4 蝶閥部分設計計算

5.4.1蝶閥部分內部結構，見圖10：

蝶閥片和蝶閥軸通過可在閥體內靈活轉動。

5.5 排氣背壓計算

由于此總成是非偏心結構，無法在設計階段估算出在發動機最大轉速下的背壓值。只能在試制樣件的發動機臺架上摸索出轉速和背壓的關系，及背壓是否滿足客戶需求。背壓值通過蝶閥片與閥體的間隙來控制，通過限位螺栓來進行調整。

5.6 兩側中心高度計算

計算兩側中心高度：

支撐軸一側：

長軸一側：

即：兩側中心高度偏差：

因為聯接叉的內部間距為8.5±0.1mm，兩側中心高度偏差可以有

（8.5±0.1- ）mm的余量，可以包容以上計算高度差，所以不會發生干涉、發卡現象。

5.7 配合尺寸計算

3541KE300-046不銹鋼襯套配合尺寸：

外徑：φ 23.5

內徑：φ 17.5

與之配合的閥體尺寸：內徑：φ 23.5H8

與之配合的長軸外徑：φ 17.5

外徑處間隙量：0.065～0.131

內徑處間隙量：0.15～0.236

1203015-KM800-049石墨墊配合尺寸：

外徑：φ 27.5

內徑：φ 12.3

與之配合的閥體尺寸：內徑：φ 27.5

與之配合的長軸外徑：φ 12.3

外徑處間隙量：0～0.2

內徑處間隙量：0～0.17

3541KE300-042蝶閥片配合尺寸：

蝶閥片外徑：φ 62

蝶閥片厚： 4

與之配合的閥體尺寸：內徑：φ 62

與之配合的長軸及短軸開槽尺寸：3.9

蝶閥片與閥體間隙：0.1～0.274

蝶閥片與軸裝配過盈量：0.05～0.2

閥體材料QT400，膨脹系數為13.2×10-6

蝶閥片材料為鋼，膨脹系數為19.3×10-6

蝶閥片的膨脹量為：

19.3×10-6×62×700=0.837

閥體的膨脹量為： 13.2×10-6×62×700=0.573

蝶閥片比閥體膨脹的快，高溫下兩者的膨脹量差值為0.264，

因該總成的背壓不易確定，故閥體與蝶閥片的間隙需根據實際實驗情況再做相應調整。

5.8 計算推桿與連接叉螺紋配合尺寸

計算活塞工作行程時，

初始位置尺寸為181.88

連接叉中心距端面距離為33

因此推桿與連接叉的螺紋配合尺寸為

23+135+33-181.88=9.12；

結論：

根據以上理論計算可以看出，目前設計的產品圖紙，從理論上能符合功能圖紙的要求，但應經過產品試制驗證，并應進行耐久、振動和裝車使用等工作，以確信產品開發的成功性。

6 全文總結與展望

通過對排氣制動閥的深入計算，特別是完成該的設計開發，使自己對公司此類產品有了更深入的掌握。各項性能試驗表明，本次設計是可靠的，結構、性能等各項指標均能滿足東風商用車整車的需要，壯大了公司在國內整車的配套市場，也為公司以后開拓更大的市場奠定了基礎。

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