偏心扭桿式排氣輔助制動(dòng)器在商用車(chē)上的應(yīng)用

王月成，戴關(guān)林，徐晴朗，田宇

(浙江吉利新能源商用車(chē)集團(tuán)有限公司， 浙江杭州 311200)

0 引言

目前，商用車(chē)用氣壓式排氣輔助制動(dòng)器結(jié)構(gòu)多為通過(guò)蝶閥上的常通孔和蝶閥與閥體的間隙來(lái)調(diào)節(jié)排氣背壓，常通孔直徑和蝶閥與閥體的間隙通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)得出。但是對(duì)于不同發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，同樣的排氣輔助制動(dòng)器在使用中會(huì)出現(xiàn)排氣背壓大或者排氣背壓小的問(wèn)題，若要解決這個(gè)問(wèn)題，每種不同發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)型必須重新匹配不同的排氣輔助制動(dòng)器，給開(kāi)發(fā)帶來(lái)了不便，同時(shí)也不利于模塊化設(shè)計(jì)。為此開(kāi)發(fā)了一種新型排氣輔助制動(dòng)器——偏心扭桿式排氣輔助制動(dòng)器。這種排氣輔助制動(dòng)器能夠適用于不同發(fā)動(dòng)機(jī)。

本文作者首先闡述了排氣制動(dòng)的原理，結(jié)合樣車(chē)出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)排氣輔助制動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了偏心扭桿式排氣輔助制動(dòng)器。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，闡述這種新式排氣輔助制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)。

1 排氣制動(dòng)的原理及特性

1.1 排氣制動(dòng)原理

排氣制動(dòng)的原理是通過(guò)關(guān)閉排氣歧管和消聲器間的排氣制動(dòng)閥門(mén)而起作用的，在制動(dòng)時(shí)，排氣制動(dòng)閥門(mén)將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路關(guān)閉，排氣管內(nèi)的氣體壓力不斷升高，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣行程時(shí)，活塞受氣體的反壓力，經(jīng)過(guò)曲軸和傳動(dòng)系傳至車(chē)輪，增加了車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，降低了車(chē)速，起到一定的制動(dòng)效果。

1.2 排氣制動(dòng)特性

排氣制動(dòng)特性是指汽車(chē)在排氣制動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪上制動(dòng)力矩和制動(dòng)功率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)力矩：

MZ=i(pm·Vh+Wp)/π·τ

式中：MZ為排氣制動(dòng)力矩，N·m；pm為平均機(jī)械損失壓力，Pa(隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由低而高，開(kāi)始時(shí)不斷降低，至發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最小值，之后隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高而提高)；i為氣缸數(shù)；τ為沖程數(shù)；Wp為排氣消耗功，J；Vh為發(fā)動(dòng)機(jī)工作容積，m3。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)功率：

Pz=πneMZ/500

式中：Pz為排氣制動(dòng)功率，kW；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s。

車(chē)輪排氣制動(dòng)力矩：

F=MZρ/Rη

式中：ρ為發(fā)動(dòng)機(jī)至車(chē)輪間的傳動(dòng)比；R為車(chē)輪的有效半徑，m；η為傳動(dòng)效率。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)效果及影響因素

在使用排氣制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)功率可以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)功率的50%。

從以上的分析可以看出，在排氣制動(dòng)閥完全關(guān)閉的情況下，影響發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)效果的因素主要有以下幾個(gè)方面：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣制動(dòng)特性；

(2)汽車(chē)整車(chē)和總成的技術(shù)參數(shù)；

(3)排氣制動(dòng)特征壓力(即排氣管內(nèi)的壓力，與排氣門(mén)正背面承壓面積、排氣門(mén)彈簧剛度、氣門(mén)升程有關(guān))。

目前使用排氣輔助制動(dòng)器是在與特定發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行裝車(chē)試驗(yàn)時(shí)，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)允許的最大背壓值，進(jìn)行相應(yīng)的匹配實(shí)驗(yàn)，測(cè)量排氣管內(nèi)氣壓值而確定閥門(mén)間隙或固定孔徑，以此來(lái)確定產(chǎn)品狀態(tài)。如發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣管以及具體的安裝位置等發(fā)生變化，均能引起排氣管內(nèi)背壓變化。而實(shí)際情況是同一排氣輔助制動(dòng)器使用在不同車(chē)型上，而因不同車(chē)型的發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣管的差異性，導(dǎo)致排氣輔助制動(dòng)器很難適應(yīng)，結(jié)果是不同車(chē)型排氣管中的背壓差異大，出現(xiàn)阻力大或小現(xiàn)象。

可以采用以下3種解決方法：

(1)不同車(chē)型與排氣輔助制動(dòng)器進(jìn)行匹配，以確定閥門(mén)間隙或固定孔徑；

(2)不同車(chē)型與排氣輔助制動(dòng)器不進(jìn)行匹配，實(shí)際裝車(chē)時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓對(duì)排氣輔助制動(dòng)器進(jìn)行微調(diào)，以確定閥門(mén)間隙；

(3)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)允許的最大背壓，考慮在排氣管中裝配的具體位置，確定排氣輔助制動(dòng)器調(diào)節(jié)背壓范圍，采用偏心扭桿式排氣輔助制動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)排氣管中背壓的相對(duì)穩(wěn)定，提高與整車(chē)的匹配適應(yīng)性。此種排氣輔助制動(dòng)器既能防止過(guò)壓，又可維持背壓恒定，從而可以保證穩(wěn)定的制動(dòng)功率。

3 目前排氣輔助制動(dòng)器的使用情況

目前整車(chē)上使用的排氣輔助制動(dòng)器狀態(tài)大多是直接借用基本型原配，因拓展、變型車(chē)產(chǎn)品使用的發(fā)動(dòng)機(jī)或排氣管較基本型都有一定改變，且沒(méi)有做相應(yīng)匹配試驗(yàn)，導(dǎo)致整車(chē)調(diào)試過(guò)程中可能出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。根據(jù)生產(chǎn)線(xiàn)總裝調(diào)試人員反饋，整車(chē)在怠速情況下使用排氣輔助制動(dòng)器時(shí)，發(fā)現(xiàn)有些車(chē)型出現(xiàn)排氣阻力偏大現(xiàn)象，有些車(chē)型存在阻力小現(xiàn)象。例如，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)某月統(tǒng)計(jì)情況：某款排氣輔助制動(dòng)器1203120G1510有7輛出現(xiàn)阻力大，2輛出現(xiàn)阻力小現(xiàn)象。

對(duì)于同一排氣輔助制動(dòng)器與不同發(fā)動(dòng)機(jī)裝車(chē)后的輔助制動(dòng)差異，主要受發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率、排量、配氣相位、氣門(mén)大小、排氣輔助制動(dòng)器的安裝位置等影響。排氣輔助制動(dòng)器的作用就是盡力將發(fā)動(dòng)機(jī)自身的制動(dòng)效果發(fā)揮出來(lái)，同時(shí)又要防止排氣管背壓過(guò)高而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)“氣門(mén)浮動(dòng)”現(xiàn)象。要做到這一點(diǎn)，排氣輔助制動(dòng)器工作時(shí)關(guān)閉后的蝶閥與閥體之間的縫隙越小越好，以便能夠及時(shí)建立背壓，同時(shí)當(dāng)背壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)，應(yīng)能夠可靠的卸壓，以便保持壓力的相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)于排氣輔助制動(dòng)器蝶閥與閥體之間的縫隙在考慮保證轉(zhuǎn)動(dòng)性能后盡量做到較小值；對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)功率較小的，出現(xiàn)排氣管背壓過(guò)高現(xiàn)象較少，對(duì)于大功率發(fā)動(dòng)機(jī)匹配不好易出現(xiàn)排氣管背壓過(guò)高現(xiàn)象。

4 新式排氣輔助制動(dòng)器的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)實(shí)際情況的分析，結(jié)合當(dāng)前重汽、陜汽等使用排氣輔助制動(dòng)器的情況，開(kāi)發(fā)了一種偏心扭桿式排氣輔助制動(dòng)器，碟閥能夠在排氣管中背壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟調(diào)節(jié)，能有效防止阻力大等故障。為實(shí)現(xiàn)排氣制動(dòng)過(guò)程中，排氣背壓保持在允許的范圍內(nèi)，閥片安裝軸線(xiàn)相對(duì)于閥體中心有偏移，安裝閥片的扭桿軸為扭桿彈簧，其扭轉(zhuǎn)剛度在(130±15) (N·m)/rad范圍內(nèi)。通過(guò)扭轉(zhuǎn)角度來(lái)控制排氣管背壓值，較好地解決了排氣管內(nèi)背壓超高現(xiàn)象，同時(shí)可以適應(yīng)匹配不同發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣管，能夠很好適應(yīng)當(dāng)前的現(xiàn)狀。

該排氣輔助制動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，蝶閥中心線(xiàn)和扭桿彈簧中心線(xiàn)不重合，有一定偏距，蝶閥和扭桿彈簧在一端用定位銷(xiāo)固定在一起。排氣輔助制動(dòng)器工作(即蝶閥關(guān)閉)后， 排氣管內(nèi)建立了一定的背壓，同時(shí)扭桿彈簧也受到一個(gè)來(lái)自蝶閥的扭矩，如果背壓過(guò)大，超過(guò)設(shè)定的限值時(shí)，蝶閥會(huì)帶動(dòng)扭桿彈簧旋轉(zhuǎn)一定角度，使氣體通過(guò)蝶閥，排氣背壓能夠穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，有效地解決了排氣背壓過(guò)大導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的現(xiàn)象。

圖1 偏心扭桿式排氣輔助制動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證此排氣輔助制動(dòng)器的適應(yīng)性，同時(shí)檢查不同車(chē)型和發(fā)動(dòng)機(jī)匹配此排氣輔助制動(dòng)器后性能差異，探詢(xún)現(xiàn)場(chǎng)檢查判定方案，準(zhǔn)備了一臺(tái)偏心扭桿式排氣輔助制動(dòng)器進(jìn)行排氣背壓測(cè)試(見(jiàn)圖2)。

圖2 測(cè)試用偏心扭桿式排氣輔助制動(dòng)器

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)對(duì)下線(xiàn)車(chē)輛在怠速情況下，開(kāi)啟排氣輔助制動(dòng)器后轉(zhuǎn)速表變化進(jìn)行測(cè)量；

(2)換裝背壓測(cè)試用排氣輔助制動(dòng)器后，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速情況下開(kāi)啟排氣輔助制動(dòng)器后排氣背壓值及穩(wěn)定后怠速轉(zhuǎn)速(見(jiàn)圖3)。

圖3 測(cè)試用氣壓表

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)下線(xiàn)車(chē)輛隨機(jī)抽取進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論:

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、排氣管等對(duì)排氣制動(dòng)效果影響很大。同一排氣輔助制動(dòng)器裝在5臺(tái)不同車(chē)上，怠速情況下排氣輔助制動(dòng)器工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化不一致，排氣管背壓有差別。如試驗(yàn)中底盤(pán)號(hào)為98007401和98007404的兩臺(tái)車(chē)，車(chē)型和發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)都一樣，試驗(yàn)中測(cè)量出的排氣管中背壓差別卻很大，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)自身對(duì)排氣制動(dòng)的效果影響很大，并非由排氣輔助制動(dòng)器單方面決定的。

(2)偏心扭桿式排氣輔助制動(dòng)器能有效防止阻力大、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速熄火的現(xiàn)象。目前整車(chē)上使用的排氣輔助制動(dòng)器很難適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣管的變化，現(xiàn)場(chǎng)易出現(xiàn)怠速時(shí)使用排氣輔助制動(dòng)器后發(fā)動(dòng)機(jī)熄火現(xiàn)象。測(cè)試用的排氣輔助制動(dòng)器較好地處理了不同規(guī)格型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣管導(dǎo)致的熄火現(xiàn)象，能防止出現(xiàn)排氣管中背壓超出設(shè)計(jì)許可范圍，有利于保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。

表1 排氣輔助制動(dòng)器工作時(shí)背壓、車(chē)輛怠速轉(zhuǎn)速

5 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)分析和目前部分重型卡車(chē)的使用情況，這種偏心扭桿式排氣輔助制動(dòng)器能夠很好地解決在排氣輔助制動(dòng)器工作時(shí)的排氣背壓過(guò)大或過(guò)小的問(wèn)題。同時(shí)，這種新型排氣輔助制動(dòng)器能夠適應(yīng)不同發(fā)動(dòng)機(jī)，提高了零部件的通用性，便于模塊化設(shè)計(jì)的運(yùn)用。