商用車氣壓制動系統(tǒng)快放閥優(yōu)化設計

霍皓靈，吳慶定，陳 華，鄒 敏

(1.中南林業(yè)科技大學 機電工程學院，湖南 長沙 410004； 2.東科克諾爾制動系統(tǒng)有限公司，湖北 十堰 442000)

引言

隨著汽車市場快速發(fā)展，人們對車輛安全性的要求也隨之不斷提高[1]。制動系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，其作用是使汽車減速或在最短的距離內(nèi)停車，其性能的好壞會直接影響汽車的運行安全和制動的可靠性[2-3]。中、重型汽車前后橋間距較長，從而導致聯(lián)接管路較長，會造成制動傳輸?shù)难舆t和波動。為了縮短排氣距離，加快排氣速度，中、重型汽車會在制動系統(tǒng)中加入快放閥[4]，本研究對某型號快放閥出現(xiàn)的解除制動時進氣口與出氣口排氣不同步從而導致的排氣延遲問題進行分析，深入研究快放閥的結構參數(shù)對快放閥排氣延遲的影響，進而提出結構優(yōu)化解決方案。

國內(nèi)外學者對于氣壓制動系統(tǒng)閥類部件的相關研究較少，有限的研究也以動態(tài)特性為主，很少涉及到閥類部件排氣響應時間。其中，李保平等[5]對快放閥的壓力響應特性進行了研究，利用Simulink平臺建立仿真模型對快放閥的動態(tài)特性進行了仿真分析，并通過與試驗結果相對比得出了不同條件下快放閥的壓力響應曲線；方桂華等[6]利用AMESim建立了繼動閥動態(tài)模型以及氣壓制動系統(tǒng)整體模型對繼動閥的動態(tài)特性進行了研究；程洪杰等[7]建立了調(diào)壓閥的AMESim仿真模型并分析了其靜、動態(tài)特性，分析了調(diào)壓響應特性參數(shù)影響規(guī)律。

1 工作原理

1.1 快放閥的主要結構

快放閥的主要結構有上閥體、下閥體和膜片。上閥體通過管路與雙腔制動閥相連，下閥體則是通過ABS調(diào)壓閥連接前橋兩制動氣室或直接接前橋兩制動氣室。

圖1 快放閥的主要結構

1.2 膜片的數(shù)學模型

1) 膜片運動方程

膜片是快放閥中的重要元件，工作過程中膜片會頻繁彎曲，膜片的參數(shù)選擇不當會導致膜片的破裂失效從而導致快放閥的失效。制動過程中快放閥膜片處于下閥體上，僅膜片邊緣部分向下彎曲，膜片在壓差較小時可以彎曲到接觸膜片支撐筋而不再運動，所以只能得到近似的膜片運動方程[5]：

(1)

式中,pup—— 膜片上腔壓力

pdown—— 膜片下腔壓力

m—— 膜片的質(zhì)量

Fm—— 膜片的變形力

y—— 膜片的有效位移

A1—— 有效工作面積

Cv—— 速度阻尼系數(shù)

2) 膜片變形方程

快放閥動作時膜片的變形范圍較小，不考慮拉壓應力，可以近似采用[8-9]：

(2)

得到彈性薄板小撓度彎曲問題的基本微分方程[10]：

(3)

固定邊界條件為：

(4)

式中，D—— 板彎曲剛度

r—— 半徑

q—— 橫向載荷

E—— 膜片材料彈性模量

h—— 膜片厚度

ω—— 膜片撓度

μ—— 泊松比

3) 膜片的有效面積

汽車制動過程中壓縮空氣會推動膜片上下運動，從而實現(xiàn)進、排氣狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，在此過程中膜片會發(fā)生一定的變形，有效工作面積會發(fā)生變化。通過分析膜片在閥體內(nèi)的運動，能夠發(fā)現(xiàn)有效工作面積是隨著膜片運動位移的變化而改變的，并且與氣隙寬度有很大的關聯(lián)。所以快放閥膜片處進出口的氣體流通面積并非定值，進氣流通面積會隨著快放閥膜片位移的變化而改變。將快放閥膜片進氣口視為閥口，計算流過快放閥進氣口的氣體質(zhì)量流量A為式(5)結果的最小值：

(5)

式中，Q—— 快放閥流量系數(shù)

D1—— 閥口直徑

D2—— 膜片直徑

x—— 膜片與上閥體間隙

2 快放閥壓力響應特性的影響因素分析

AMESim軟件是專注于機械、液壓、氣壓等領域的多學科領域復雜系統(tǒng)建模仿真平臺，能夠從元件本身結構出發(fā)，考慮摩擦、氣體本身的特性、溫度等非常復雜的建模部分，用戶可以以此為基礎建立系統(tǒng)模型，進行仿真模擬計算并進行深入分析，研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能[10]。根據(jù)快放閥的工作原理與結構特性，在AMESim中利用信號、機械、氣動庫搭建如下AMESim模型。

2.1 模型建立

基于數(shù)學模型，利用AMESim軟件對快放閥的內(nèi)部構造進行模型建立。其中腳制動閥的輸出口所排出的氣壓通過信號庫中的氣壓信號表示，出氣口連接一個可變氣室，通過可變氣室所得特性曲線來分析快放閥性能，建立模型如圖2所示[11-12]。

圖2 快放閥AMESim模型

目前，我國重型汽車氣制動系統(tǒng)的行車制動氣壓普遍采用850 kPa。所以在進行仿真模擬時，設置快放閥的控制氣壓，即所輸送的氣壓升至850 kPa，保持2 s，再從850 kPa降回。

根據(jù)實際拆解，快放閥的結構參數(shù)主要包括上、下閥體質(zhì)量、膜片厚度、膜片質(zhì)量、有效進氣口面積、有效排氣口面積、接頭直徑、排氣口氣隙寬度等，量取相關數(shù)據(jù)作為仿真參數(shù)。基于仿真試驗得到快放閥的動態(tài)壓力響應曲線，分析不同條件下快放閥的排氣曲線，得到對快放閥排氣延遲影響較大的因素。

2.2 排氣口流通面積的影響

排氣口氣隙的大小會影響排氣口的實際流通面積，對排氣時的壓力性能起關鍵作用。由于在試驗中直接測量相關數(shù)據(jù)十分困難，所以通過模擬仿真的方式，直接改變快放閥氣隙大小來研究排氣口氣隙大小對快放閥壓力特性的影響。基于目前市面上的主流快放閥氣隙寬度的設計，選取2.0，2.5，3.0 mm作為仿真試驗參數(shù)。

圖3為氣室初始壓力為850 kPa時，排氣口氣隙寬度分別為2.0，2.5，3.0 mm時的變化曲線。

由圖3所示，排氣口氣隙寬度對快放閥壓力響應有著較大影響。快放閥的排氣速率隨排氣口氣隙寬度的增大而提升，排氣時間隨氣隙寬度的增大而縮短；同時，隨著排氣口氣隙寬度增大，對排氣壓力響應時間的影響逐漸縮小。與文獻[13]得出的試驗結果一致，排氣口氣隙的數(shù)值增大會導致膜片振動加劇、穩(wěn)定性降低，膜片的響應時間也越長。

圖3 排氣口氣隙寬度的影響

2.3 膜片厚度的影響

快放閥工作過程中橡膠膜片會頻繁彎曲，橡膠材質(zhì)能夠保證及時響應脈沖壓縮空氣的噴吹，但是在脈沖之后卻存在一定的膜片波動現(xiàn)象，所以膜片的參數(shù)選擇不當會導致膜片的破裂失效。

選取市面上常見的1，2，3 mm 3種不同厚度的膜片進行對比仿真試驗，得到快放閥排氣響應曲線如圖4所示，膜片持續(xù)振動時間如表1所示。

表1 膜片振動響應時間表

由圖4可知，不同厚度膜片的壓力響應曲線擬合程度較高，但是膜片振動時間呈現(xiàn)出膜片振動時間隨著膜片厚度的增加大幅增加的趨勢，這說明適當增加膜片的厚度可以提高膜片強度，但是會導致膜片的波動更加劇烈。膜片的振動加劇會導致膜片易于破裂，壽命縮短。所以選擇合適厚度的膜片對快放閥的排氣壓力特性有著較大影響。

圖4 不同膜片厚度下的壓力響應曲線

2.4 快放閥下閥體有效排氣面積的影響

快放閥下閥體排氣閥口處，存在托住膜片的支撐筋以及對應的內(nèi)陷高度，不同型號快放閥下閥體的設計存在一定差異。通過拆解市面上主流的快放閥可以發(fā)現(xiàn)，如圖5所示，支撐筋面積不同也就是排氣的有效面積不同，并且不同型號的快放閥在下閥口的內(nèi)陷高度上也有所差異。

圖5 快放閥拆解實物圖

通過對比觀察a和b兩種型號快放閥的壓力響應曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)其在快速排氣的情況下(左側(cè)圖)曲線基本一致，但是在慢速排氣的情況下(右側(cè)圖)存在較大差異。經(jīng)過多次試驗，測得a型號的快放閥慢速排氣的延遲均值約為65 kPa，b型號的慢速排氣延遲均值約為152 kPa。通過試驗測量不同型號a和b快放閥的排氣情況，可以發(fā)現(xiàn)下閥體的有效排氣面積對快放閥的排氣延遲有較大影響。

3 正交試驗

正交試驗法是一種研究多因素多水平的試驗設計方法。首先分析試驗指標并挑選因素，然后設計正交試驗表，明確試驗方案，最后進行試驗并對試驗結果進行驗證、分析。通過前面的仿真及試驗分析選定以下快放閥的結構參數(shù)作為試驗因素：膜片與上閥體之間的排氣口氣隙寬度A、膜片厚度B、下閥口支撐筋面積C，考慮到實際需要以及加工的可能性，選取每種因素3個水平，所選因素以及取值如表2所示。

圖6 a，b型號快放閥壓力響應曲線

表2 正交試驗因素水平表

4 試驗設置

4.1 試驗設計

分別測量解除制動后的快速排氣和慢速排氣壓力隨時間變化的響應曲線，研究在放氣過程中快放閥的壓力響應特性，試驗選用的入口接頭直徑為10 mm。

4.2 試驗過程

排氣響應試驗過程：首先打開開關閥，關閉截止閥2；打開分離開關，通過快放閥給制動氣室充氣，調(diào)整氣源，至穩(wěn)定氣壓(850 kPa)保持0.8 s。然后迅速關閉分離開關，快速排氣試驗是讓快放閥從分離開關快速排氣，慢速排氣試驗則是從部分開啟的截止閥3慢速排氣。用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄整個過程快放閥各口氣壓隨時間變化的曲線，接線如圖7所示，測試平臺如圖8所示。

1.氣源 2.壓力表 3.開關閥 4.限壓閥 5.氣室 6.控制閥7.快放閥 9、12.壓力傳感器 10、11.制動氣室 13.數(shù)據(jù)采集圖7 試驗接線圖

圖8 快放閥氣壓測試平臺

5 正交試驗結果分析

評價指標選取快放閥進氣口與排氣口之間的排氣壓力差和延遲時間，9個快放閥結構參數(shù)的試驗結果，如表3所示。

表3 快放閥正交試驗結果

為了評價3個結構因素對快放閥排氣延遲壓力與延遲時間的影響，尋求排氣延遲的原因并優(yōu)化快放閥結構，對正交試驗進行了極差分析。通過極差分析可以得出各指標對試驗結果的影響大小，極差越大的因素在試驗范圍內(nèi)的變化對試驗指標結果的影響越大。其中，k1，k2，k3分別為各參數(shù)在水平1，2，3下仿真指標的均值，R為各參數(shù)均值的極差[14]。

極差結果如表4、表5所示，由極差趨勢可以看出決定快放閥延遲氣壓大小的因素因子主次順序為B>A>C，依次為膜片厚度B、排氣口氣隙寬度A、下閥口支撐筋面積C；決定快放閥氣壓延遲時間的因素因子主次順序為A>B>C，排氣口氣隙寬度A、膜片厚度B、下閥口支撐筋面積C。最佳試驗組合為7。

表4 延遲氣壓極差分析結果

表5 延遲時間極差分析結果

分析試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)存在個別壓差極高的情況，都是下閥口排氣面積大并且膜片厚度小的情況。經(jīng)過多次試驗驗證得到結論：快放膜片受上、下腔壓差和自身變形力作用，會產(chǎn)生劇烈的上下波動。開始制動時，進氣口巨大的壓差快速沖擊膜片會使膜片陷入到下閥體的中心部位，下陷距離為從中心部分的上平面到支撐筋的距離。

當進氣口快速排氣時，由于上腔氣壓迅速下降，巨大的壓差快速沖擊膜片，外沿膜片迅速將中心部位膜片帶離閥口，排氣閥口快速開啟，下閥體兩口的氣壓幾乎同步下降；當進氣口慢速排氣時，膜片在進氣口氣壓作用下，中心部位不僅下沉較深，而且擠入支撐筋之間空隙的膜片面積及深度較大。

所以，增加有效面積一方面會增大單位時間內(nèi)的氣體流量，另一方面則可能會導致膜片內(nèi)陷，影響排氣從而導致更大的延遲。考慮到工程實際情況，同時結合上述各參數(shù)分析，進而確定快放閥的結構優(yōu)化設計最終方案。

6 優(yōu)化設計與試驗驗證

解除制動時要想快速打開排氣閥口，一方面要克服膜片脫出空隙的較大阻力，另一方面要消除膜片較大的變形，需要有較大的上下壓差，這會使下閥體兩口氣壓下降延遲較多。所以想要降低解除制動時的排氣延遲，應當盡量減少膜片在排氣口的變形量以及膜片變形力。

由此提出快放閥的結構優(yōu)化改進方案：下閥體降低排氣有效面積同時降低支撐筋到閥口的深度。確定優(yōu)化組合為：A3B2C3，即排氣口氣隙寬度為3 mm，膜片厚度為2 mm，下閥口支撐筋面積70 mm2。

為驗證優(yōu)化方案的可行性，在現(xiàn)有快放閥的基礎上進行模擬結構改制試驗，將內(nèi)陷距離磨平換上同高度的帶通氣孔的墊片，膜片換成外側(cè)厚度為1 mm，內(nèi)側(cè)厚度為2 mm的橡膠膜片，保持其他變量不變，得到試驗延遲壓力差均值為25 kPa，延遲時間均值為0.023 s。

7 結論

通過正交試驗將商用車氣壓制動系統(tǒng)快放閥結構進行優(yōu)化，并對快放閥優(yōu)化前后的性能進行對比研究，得出以下結論：

(1) 快放閥延遲氣壓大小的因素主次順序為B>A>C，即依次為膜片厚度B、排氣口氣隙寬度A、下閥口支撐筋面積C；決定快放閥氣壓延遲時間的因素主次順序為A>B>C，即排氣口氣隙寬度A、膜片厚度B、下閥口支撐筋面積C；

(2) 最優(yōu)快放閥結構的排氣口氣隙寬度為3 mm，膜片厚度為2 mm，下閥口支撐筋面積70 mm2；

(3) 通過快放閥結構的參數(shù)優(yōu)化，可有效降低排氣延遲氣壓與時間，壓差同比降低約110 kPa，時間縮短0.65 s，使制動系統(tǒng)可靠性顯著增強。

圖9 優(yōu)化后快放閥氣壓響應曲線