基于AMESim 的差動繼動閥的動態性能仿真研究

王明亮， 葉 敏， 史亞寧

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710061）

0 引言

汽車在人們的生活中越來越扮演重要角色，行車安全一直是人們關注的焦點。 在行車安全中，制動系統非常重要。按照動力源來劃分制動系統有3 種：全液壓制動，氣頂液制動和氣壓制動[1-2]。 在使用車型方面，液壓制動多使用于小型或輕型汽車，氣壓制動系統多使用于大中型客貨車[3]。 與液壓制動系統相比， 氣壓制動系統的優點是結構簡單、動力源節能環保、可產生較大的驅動制動力等。

在氣壓制動系統的使用過程中， 隨著制動需求以及制動安全的考量，制動形式在不斷地完善[4]。 普通氣壓繼動閥在具有駐車制動功能的制動系統在動作過程中，只能起到減少制動氣壓傳輸時間的作用， 而差動繼動閥作為氣壓制動系統和駐車制動回路的重要元件， 不僅可以降低氣壓傳輸時間， 還能有效避免行車制動與駐車制動的共同作用，延長制動器的壽命，可防止行車制動及停車制動同時施加時產生制動重疊。

本文以無軌電車所使用的差動繼動閥為研究對象，在了解其物理結構以及結構參數和氣壓基礎知識，建立差動繼動閥的仿真模型[5-7]，為進一步對氣壓制動系統研究提供模型支持，同時為差動繼動閥的優化設計打下基礎。

1 差動繼動閥的結構和工作原理

差動繼動閥的結構和普通繼動閥的結構相似，其外形三維圖如圖1 所示。 圖2 是內部結構的簡單示意圖。 在具有縮短制動響應時間的功能時兼具防止駐車制動與行車制動共同作用，加速制動器的損壞，減少使用壽命。 差動繼動閥的工作原理如下：

1） 在正常行駛時，沒有踩下制動踏板，駐車制動閥經過端口42 不斷向A 腔供氣， 此時活塞a 和b 受壓向下，先關閉排氣閥，繼續向下運動將打開排氣閥；通過1 口從儲氣筒來的壓縮空氣經2 口輸出，2 口來的壓縮空氣使得彈簧制動被解除。

2） 在踩下制動踏板時，駐車制動閥經端口42 持續向A 腔提供空氣， 同時制動分流壓力經41 口向B 腔供氣，A、B 腔壓力共同使活塞a 和b 繼續向下推動，進氣閥門d開口繼續增大，彈簧制動氣室中制動彈簧被壓縮至最底。

3） 抬起制動踏板時，41 口的制動分流壓力逐漸降低為零，B 腔壓力降低為零，僅剩A 腔壓力，此時C 腔壓力大于A 腔，C 腔壓力推動活塞b 上升，活塞C 被下側復位彈簧推動下跟隨上升，此時進氣閥門d 關閉，排氣口e 打開，彈簧制動氣室被逐漸排氣，當C 腔壓力等于A 腔壓力時，活塞a 和b 下移，排氣閥門e 關閉。 車輛停止，拉起手剎開啟駐車制動時，駐車制動閥壓力排空，A 腔壓力經42口排空，C 腔壓力大于A 腔，活塞a 和b 上移，排氣口e 打開，彈簧制動氣室壓力排空，彈簧復位，實現彈簧駐車制動。

4） 當行車制動和駐車制動同時動作時，A 腔氣壓經42 口從駐車制動閥排空，制動分流壓力經41 口向B 腔供氣，作用于活塞a，由于C 腔排空，活塞a 活塞b 向下移動， 通過閥桿c 關閉排氣閥門e 同時打開進氣閥門d，來自1 口的壓縮空氣經C 腔到達2 口，并進入彈簧制動室，隨著行車制動壓力上升的程度加深，彈簧制動解除，這樣就防止了兩種制動的重疊作用。

圖1 差動繼動閥外部結構

圖2 差動繼動閥內部結構

2 差動繼動閥的建模與仿真

2.1 差動繼動閥的控制方程

閥類元件的控制方程一般是圍繞活塞的運動建立起來的。 在差動繼動閥中，將圍繞活塞a 和b 作為一個整體運動的活塞進行控制方程的建立。首先，壓縮空氣從41 和42 口進入差動繼動閥，先充滿活塞上部，建立壓力。 然后，當氣體進一步增加，會推動活塞向下移動，繼續運動的過程中先將關閉排氣閥口， 繼續增加氣體會使活塞繼續向下，打開進氣閥門，進而使得來自儲氣罐中的控制氣壓由進氣口1 進入閥體內部，由出氣口2 傳遞給制動氣室。 在整個動作過程中，由41 和42 口進入的控制氣體先建立氣壓，活塞將要被推動還沒推動前，此時的控制方程為：

式中：P41、P42分別為來自制動閥和駐車制動閥的控制氣壓；P1為入口氣壓；P2為出口氣壓；ApuB、ApuA分別為控制活塞上表面B 腔和A 腔承壓面的面積；Apd為控制活塞下表面承壓面；Apd為閥門總成下表面承壓面；k1為閥門回位彈簧彈性系數；x1為閥門位移；Fss為回位彈簧預緊力。

然后，活塞在氣壓的進一步推動下，將關閉排氣閥，打開進氣閥。 能夠使排氣閥關閉且打開進氣閥的氣壓為差動繼動閥能工作的最低氣壓，此時的方程為：

在差動繼動閥工作之前，為了能夠使整個內部活塞連接緊湊， 需要使用預緊彈簧對系統出現的間隙進行補償，設置的預緊彈簧方程為：

式中：k 為彈簧剛度；x 為彈簧壓縮量；G 為材料剪切模量；d 為材料直徑；D 為彈簧中徑；n 為彈簧有效圈數。

差動繼動閥的質量流量方程為：

其中：qm為繼動閥出口流量；A 為出氣口面積；Cq為流量系數，k 為等熵系數，R 為氣體常數。

2.2 建立差動繼動閥的AMESim 仿真模型

根據差動繼動閥的工作過程以及結構，利用AMESim軟件對差動繼動閥進行建模仿真。首先建立模型。在草圖模式下選取建立模型所需的基本元件，連接完成。 然后對基本元件進行選型，這一步可以采用軟件自帶的最優化按鈕進行完成。 在完成建模后，對參數根據差動繼動閥設計圖紙尺寸進行設置。 建立的仿真模型如圖3 所示。

圖3 差動繼動閥AMESim 模型

2.3 參數設置

根據差動繼動閥的設計圖紙得到參數，此差動繼動閥應用于某型號無軌電車對各部分參數設置如表1 所示。

3 仿真分析

差動繼動閥受到來自制動閥的氣壓在0.2s 內從1barA（即大氣壓力）上升到8barA，保持3s，再從8barA 降到1barA 用時0.2s，然后持續2.6s,仿真總時間設計為6s[8]。當駐車制動閥壓力為9barA，進氣口氣壓為8barA，來自制動閥的氣壓如上所述時，輸出氣壓如圖4 所示。 在兩個壓力的共同作用下實現了對駐車制動的解除。

表1 差動繼動閥各部分參數

圖4 來自制動閥和駐車制動閥的氣壓共同作用輸出氣壓情況

當駐車制動閥壓力為1barA 時，其他條件不變，此時的情況就相當于行車制動與駐車制動共同作用于制動器上，輸出氣壓如圖5 所示，可以看出在0～3.2s 兩個制動同時作用時， 來自行車制動的壓力經過差動繼動閥給彈簧制動氣室一個解除駐車制動的壓力， 實現了差動繼動閥避免兩種制動共同作用的情況。

圖5 當行車制動與駐車制動共同作用時輸出氣壓情況

在不改變其他參數僅改變輸入氣壓時， 差動繼動閥的響應速度有所不同，通過仿真得到如圖6 所示的結果能看出，隨著輸入氣壓的上升，響應速度有一定的加快，但是對響應速度的影響較小。

圖6 差動繼動閥輸入氣壓對響應速度的圖像

圖7 是閥口流量變化情況，在行車制動開始和解除時，流量發生突變， 這是因為在閥口打開和關閉時會有流量發生變化，在很短的時間就會建立起一定的壓力，達到穩定狀態，當閥口再次發生變化時流量才會再次發生變化。

圖7 差動繼動閥閥口流量變化

4 結論

綜上所述， 文章對氣壓差動繼動閥進行了仿真建模，差動繼動閥的功能得到了驗證，分析了輸入氣壓對差動繼動閥的響應速率的影響。 結果表明：通過差動繼動閥控制氣壓與駐車制動閥的氣壓設置，得到的仿真結果可以表明該模型能正確實現差動繼動閥的功能；輸入氣壓對差動繼動閥的響應速率影響較小。 所建模型對于分析差動繼動閥性能影響和優化有著指導作用，為以后整車氣壓制動系統模型建立提供必要支持。