汽車排氣輔助制動器典型故障研究

王家華

摘 要：排氣輔助制動器屬于汽車輔助制動的一種，對汽車下長坡工況的安全起到關鍵作用。本論文對實踐中遇到的排氣輔助制動的故障做深入分析和改進設計，解決了排氣排氣輔助制動器設計上的誤區，降低了排氣輔助制動器的故障概率。關鍵詞：運動機構;失效;約束;腐蝕中圖分類號：U463.51? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）01-85-05

Abstract： Exhaust Auxiliary Brake belong to Truck Auxiliary Brake， It is a key element of Downhill condition for the heavy duty truck. It is fully discussed the failure and evaluation of Exhaust Auxiliary Brake in this paper. Meanwhile， the wrong design method being corrected for descending the failure rate.Keywords： motion mechanism; failure; restrain; erosionCLC NO.： U463.51 ?Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）01-85-05

1 前言

卡車在下長坡工況時常常需要使用輔助制動，以減少使用行車制動，降低行車制動的熱衰退，以保證行車安全。常用的輔助制動包括發動機缸內制動、液力緩速器、電渦流緩速器以及排氣輔助制動器。

各類緩速器各有其特點，其工作原理以及優缺點如表1所示，其中排氣輔助制動器在排氣管路上安裝蝶閥，在發動機的壓縮和排氣沖程都能壓縮空氣，消耗動能，具有無需改動發動機，結構簡單、可靠、成本低的優點，因此得到了廣泛的應用。由于排氣輔助制動器受到汽車尾氣的腐蝕和高溫的影響，工作在高溫、高腐蝕條件下，容易發生故障，導致輔助制動失效，因此對排氣輔助制動器的常見故障進行分析以及對排氣輔助制動器的進一步改進對提高排氣輔助制動的可靠性，保證下坡制動安全具有較為重要的意義。

2 排輔故障的常見形式和發生機理

根據某整車市場和道路試驗反饋的情況進行統計，選擇故障最多的排氣輔助制動器進行分析，以充分暴露存在的問題。根據圖1所示，選定故障數量為61例，概率為56.48%的故障件，對其失效形式和失效機理進行研究。

2.1 故障件拆解分析

如圖2和表2所示，經過拆解分析，61例故障件中33例為芯軸嚴重銹蝕，2例氣缸進灰，6例電磁閥故障，其余為拆解無法確定原因。經拆解可知，芯軸銹蝕是發生故障的重要原因。

2.2 排輔結構和動力學分析

排輔蝶閥運動的動力來源是氣缸，氣缸必須提供足夠的推力來克服各種阻力來實現碟片轉動，故障件排輔的剖面結構見圖3所示。氣缸6有桿腔無泄氣口，當左側無桿腔通入高壓情況下，活塞帶動活塞桿向右側運動，右側腔體積縮小，由于右側無泄氣口，僅僅靠活塞桿4與襯套7配合間隙（最大為0.14mm）實現泄氣，因此在推動活塞桿時將產生較大阻滯力，容易發生卡滯故障。

2.2.1 推力計算

注：

P1=0.9MPa——左側無桿腔通入的空氣絕對壓強

S1=3.14×252/4mm2——左側活塞有效面積

P0=0.1MPa——大氣壓

S2=3.14×（252-102）mm2——活塞右側有效面積

S3=3.14×102 /4mm2——活塞桿截面積

Ft——彈簧力，根據彈簧鋼度計算。

k=3.517N/mm——彈簧剛度

F1——活塞左側受力

F2——活塞右側受力

F3——活塞桿因大氣壓產生的力

Fm——活塞與氣缸內壁處摩擦力

F0——活塞桿頂端的工作力

Fz——考慮氣缸蓋兩側的壓力差產生的阻力

1

2

活塞左側受到F1作用力，右側受到F2、F3作用，以及彈簧力Ft，除此之外還受到與運動方向有關的活塞摩擦阻力Fm、活塞桿頂端的推動阻滯力F0。

根據故障件排氣輔助制動器結構，當排輔開始工作時，活塞將帶動活塞桿由圖5所示位置推動曲柄轉動105°到達止動位置（由止動螺栓頂住曲柄）。由圖5可知，活塞由最左側運動到止動位置，彈簧壓縮距離為：182.91-221.12=-38.21mm。如圖6所示，從三維模型上測量活塞在最左端位置時，彈簧長度為13+51.39=64.39mm，最右端位置時長度為64.39-38.21=28.16mm，同時如圖6所示彈簧剛度圖，當活塞在最左端時彈簧力為：

Ft=68+（65.5-64.39）×3.517=71.9N

當活塞在到達右側止動位置時彈簧力Ft為：

Ft=193+（30.5-26.18）×3.517=208.2N

F1=P1×S1=0.9×3.14×252/4=441.6N

F2+F0=P0×S2+P0×S3=P0×S1=0.1×3.14×252/4=196.3N

由此左側氣壓產生的推力克服彈簧力后剩余441.6-196.3=37.1N。然而還有活塞摩擦力Fm、阻力Fz，活塞桿頂端工作力F0，這幾個力中阻滯力Fz應是最大的力，會造成活塞運動緩慢。縫隙阻滯力計算[2]如下：

假設活塞桿與襯套之間為同心狀態，計算公式如左圖所示：

Δp=12μ×Q×12/（3.14×10.14×0.073 ）

μ——空氣的動力粘度：17.9×10-6Pas

Q——空氣流量：

L——縫隙長度：12mm

流量Q與活塞運動速度有關，如果要使排氣輔助制動器在1S內關閉蝶閥，則活塞的平均運動速度為：

V=（212.12-182.91）/1=29.21mm/s

則可得氣缸流量為Q=29.21×（252-102）×10-9=15.3×10-6m3/s

帶入上式得：Δp=3611kPa，由此將產生額外阻滯力

Fz=3611×（252-102）×10-3N=1800N

如果排氣輔助制動器動作時間為2s，則產生的額外阻滯力Fz=900N。由以上計算可知，如果在活塞向右運動過程中，空氣不發生壓縮阻滯力非常大，活塞不可能發生運動，因此下面進行考慮空氣壓縮的計算：

氣缸運動過程中既非等溫過程也非絕熱過程，考慮到氣缸與外界大氣充分熱交換，氣缸溫升有限，近似認為是等溫過程，則有：

P0×V2=P3×V3

P0——氣缸右側初始壓強

V2——氣缸右側初始容積

P3——氣缸右側終了壓強

V3——氣缸右側終了容積

計算所需參數見圖7所示，可得：

0.1×21066.97=P3×（21066.97-18746.78）

P3=0.65MPa

由此計算出額外阻滯力為： F0=0.65×3.14×（252-102）=1071N。

綜上所述，按現有狀態，氣缸右側無泄氣口，因氣體壓縮或縫隙泄氣產生壓力降而產生的額外阻滯力均超過了氣缸左側推理所能承受范圍，因此必然造成活塞動作緩慢。

2.2.2 回位力計算

停止工作時，氣缸左側接入大氣壓，因此氣缸兩側壓強平衡，在彈簧力作用下回位。

a）初始回位力（活塞在最右側止動位置時的回位力）

Ft=193+（30.5-26.18）×3.517=208.2N

同樣還有活塞摩擦力Fm、阻滯力Fz，活塞桿頂端阻滯力F0，一起阻止活塞向左側運動。

b）終了位置附近的回位力（活塞在最左側的止動位置）

Ft=68+（65.5-64.39）×3.517=71.9N

同樣還有活塞摩擦力Fm阻滯力Fz塞桿頂端阻滯力F0起阻止活塞向左側運動。

通過以上校核在活塞向右側運動時，如果Fm+F0+Fz<37.1N，可以實現活塞行程到位，然而由于氣缸右側沒有泄氣口，僅靠0.14mm間隙進行泄氣，必然造成氣缸靠近右側止動位置時，速度緩慢甚至卡滯。同理在活塞向右側運動時，如果Fm+F0+Fz<71.9 N可以實現活塞向右運動到位，然而由于氣缸右側沒有泄氣口，必然造成抽真空效應，造成活塞阻滯。阻滯力計算方法同推力校核，不再進行計算。

2.2.3 氣缸防塵結構分析

由于只能通過4與襯套7配合間隙（最大為0.14mm）實現與外界連通，可能會導致灰塵進入氣缸，導致氣缸偏磨損等問題，從而增加阻滯力。

2.3 機構學分析

氣管5固定連接了電磁閥接氣口和氣缸接氣口，而電磁閥相對固定，氣缸在工作時發生擺動，從而發生管路接頭發生旋轉摩擦，增加阻力，并且磨損管路接頭。排氣輔助制動器的支架、氣缸總成、曲柄共同構成了曲柄搖塊機構，如圖8所示：

該機構由于增加了接氣管，導致產生冗余的運動約束，增加了氣缸運動的阻力。經以上拆解分析和理論分析，導致排輔產生卡滯留的主要原因有：

1）氣缸推力和回位力不足，導致排輔卡滯;

2）無防塵結構，灰塵進入氣缸導致氣缸磨損且內部零件銹蝕，導致排輔卡滯;

3）運動機構不合理，導致運動冗余約束，進而排輔卡滯;

4）零部件防腐能力不足，導致部分運動零件銹蝕，產生排輔卡滯。

3 排氣輔助制動器改進措施

根據以上分析，為降低排氣輔助制動器的故障概率，結構改進措施如下：

1）提高排輔零部件的耐腐蝕能力，特別是運動零件的耐腐蝕能力;

2）更改排輔的機構設計，取消電磁閥與氣缸之間的氣缸，消除冗余約束;

3）適當增大氣缸直徑和彈簧直徑，以提高氣缸推力和回位力;

4）氣缸增加進行防塵設計。

3.1 提高耐腐蝕性

針對零部件發生銹蝕的情況，采取提高零部件耐腐蝕性措施，如表3所示對于運動零部件采取不銹鋼材料，對于非運動零件采取涂層處理，以提高耐腐蝕性。

3.2 優化排氣輔助制動器結構

優化排氣輔助制動器的運動機構，并增加防塵過濾結構。如圖9所示，原電磁閥與氣缸之間的連接鋼管，改為將電磁閥安裝在氣缸后端的法蘭座上，以消除剛性氣管對氣缸擺動時產生的約束。在氣缸前端靠近氣缸蓋處增加過濾結構，以減少灰塵進入氣缸內部。

4 排氣輔助制動器改進后試驗驗證

4.1 運動零部件材料的耐腐蝕性測試

改進后的運動零部件采用了不銹鋼材料，耐腐蝕采取240h中性鹽霧試驗驗證如圖10和圖11所示。

經測試，改用高SUS304不銹鋼的零部件滿足240h中性鹽霧試驗不出現紅銹，耐腐蝕性明顯高于原40Cr材料。

4.2 整體耐腐蝕性、密封性、耐粉塵性、耐久性等測試

如圖12所示經測試改進后排氣輔助制動器各項性能指標滿足設計要求，同時與卡滯故障相關的耐粉塵和耐腐蝕測試滿足設計要求。

5 結論

通過對排氣輔助制動器故障件分析，找出產生故障的原因以及發生機理，有針對性的進行運動機構和材料以及結構優化，提升了排輔可靠性和耐腐蝕性能，降低了發生故障的概率。同時，理論分析為排氣輔助制動器在運動機構的設計提供了理論依據和參考。對排氣輔助制動器零部件的耐腐蝕性試驗具有借鑒意義，同時為提高排氣輔助制動器零件耐腐蝕性的材料選擇提供實踐依據。