歐盟拖拉機(jī)雙管路氣制動系統(tǒng)研究*

孫德明，朱曉巖，馬忠強(qiáng)，李正宇，李超

(濰柴雷沃重工股份有限公司，山東濰坊，261000)

0 引言

近年來，隨著拖拉機(jī)車速的不斷提高[1]，拖拉機(jī)參與道路運輸作業(yè)逐年增多[2-3]，對車輛行駛的安全性要求越來越高[4-5]。歐盟法規(guī)EU 167/2013中要求高速農(nóng)林車輛制動系統(tǒng)安全性應(yīng)達(dá)到商用卡車的水平。農(nóng)林車輛制動法規(guī)EU 2015/68在結(jié)構(gòu)和內(nèi)容上與歐盟機(jī)動車制動法規(guī)UNECE R13相近，且允許拖拉機(jī)與商用卡車互換牽引的掛車，因此歐盟拖拉機(jī)雙管路氣制動系統(tǒng)技術(shù)路線更接近商用卡車[6-8]。

歐盟拖拉機(jī)雙管路氣制動系統(tǒng)由兩路氣路組成，一路是“供能氣路”用來為掛車儲氣筒供氣，因握手接頭為紅色也稱“紅路”；另一路是“控制氣路”用來控制掛車制動，因握手接頭為黃色也稱“黃路”。氣制動系統(tǒng)普遍采用電控、液壓操縱閥，主要組成元件通常包括卸荷閥、液控氣制動閥、手制動電磁閥和拖車控制閥，其中拖車控制閥是核心元件[9]。

國內(nèi)傳統(tǒng)的拖拉機(jī)掛車氣制動系統(tǒng)大部分為單管路氣制動系統(tǒng)，分為充氣剎和斷氣剎[10-11]。充氣剎一般應(yīng)用在小功率拖拉機(jī)上，斷氣剎應(yīng)用在大功率拖拉機(jī)，可以匹配載重量更大的掛車[12-13]。國內(nèi)的雙管路氣制動系統(tǒng)僅是在單管路系統(tǒng)基礎(chǔ)上從儲氣筒增加一路輸出氣路[14]，從而組成供能管路和控制管路[15-16]。上述國內(nèi)傳統(tǒng)氣制動系統(tǒng)通常采用拉桿或拉線機(jī)械操縱氣制動閥[17-18]，與主車液壓制動系統(tǒng)兼容協(xié)調(diào)性差[19-20]；系統(tǒng)組成元件缺少手制動閥和掛車控制閥，功能上無法實現(xiàn)主掛同時駐車制動和主掛連接管路破裂時掛車自動制動功能。

本文研究一種新的雙管路氣制動系統(tǒng)，首先對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行分析，然后對關(guān)鍵元件根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行選型，最后進(jìn)行裝機(jī)測試該雙管路氣制動系統(tǒng)的響應(yīng)時間、接頭壓力以及自動制動功能。

1 歐盟拖拉機(jī)雙管路氣制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 雙管路氣制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能特點

歐盟拖拉機(jī)雙管路氣制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上必須包含一個“供能氣路”和一個“控制氣路”，氣路末端采用卡車握手接頭，握手接頭執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ISO 1728。性能上要求響應(yīng)時間不大于0.4 s；制動時黃握手接頭處壓力不小于650 kPa；功能上要求掛車具有駐車制動功能，并與主車駐車同時工作；“控制氣路”失效破裂時踩下制動踏板2 s內(nèi)“供能氣路”氣壓降到150 kPa(激活掛車自動制動功能)；“供能氣路”斷裂或泄露掛車自動制動。因此歐盟拖拉機(jī)雙管路氣制動系統(tǒng)具有互換性高、響應(yīng)時間短、制動性能好、安全性高等特點。

1.2 系統(tǒng)元件構(gòu)成及工作原理

雙管路氣制動系統(tǒng)由氣泵、卸荷閥、儲氣筒、手制動電磁閥、液控氣制動閥、拖車控制閥和紅黃握手接頭組成，如圖1所示，系統(tǒng)原理如圖2所示。在實際的應(yīng)用過程中，空壓機(jī)往儲氣罐充氣，當(dāng)氣壓達(dá)到800 kPa的時候，卸荷閥開始卸荷并保持系統(tǒng)壓力在規(guī)定范圍內(nèi)。

圖1 雙管路氣制動系統(tǒng)的元件構(gòu)成圖Fig. 1 Component diagram of double-pipe air brake system

圖2 雙管路氣制動系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Schematic diagram of double-pipe air brake system1.液控氣制動閥 2.拖車控制閥 3.控制線 4.供給線 5.儲氣筒 6.卸荷閥 7.空壓機(jī) 8.腳剎 9.手制動電磁閥

正常工作狀態(tài)時，拖車控制閥出氣口和進(jìn)氣口常通，與出氣口相連的供給線經(jīng)過拖車上的繼動閥給拖車儲氣筒供氣，稱為“供能氣路”。

行車制動時，踩下制動踏板制動主泵，制動液進(jìn)入液控氣制動閥并使其進(jìn)氣口和出氣口相通，液控氣制動閥出氣口氣壓升高，使拖車控制閥閥芯有氣壓交互，使其出氣口和進(jìn)氣口相通，控制線有氣壓輸出，此時掛車制動系統(tǒng)立即做出制動反應(yīng)，且響應(yīng)時間短，稱為“控制氣路”。

駐車制動時，駕駛員拉起手制動主車實現(xiàn)駐車制動，同時手剎開關(guān)信號控制手制動電磁閥動作，使其出氣口與排氣口導(dǎo)通，使拖車控制閥閥芯有氣壓交互，拖車控制閥出氣口和進(jìn)氣口相通，控制線有氣壓輸出，此時掛車制動系統(tǒng)立即做出制動反應(yīng)，從而實現(xiàn)主掛同時駐車制動。

控制線與掛車連接的管路失效破裂時(此時駕駛員可能并未發(fā)現(xiàn))，當(dāng)駕駛員進(jìn)行制動操作時，拖車控制閥閥芯有氣壓交互，拖車制動閥進(jìn)出氣口、供給線出氣口、控制線出氣口同時貫通，但由于控制線與掛車連接的管路失效破裂，使得拖車控制閥閥芯交互氣壓發(fā)生變化而再次動作，從而關(guān)閉進(jìn)氣口與出氣口連接通道，使得與供給線出氣口連接的“供能氣路”氣壓在2 s內(nèi)降到150 kPa(通過管路破裂處)，因此會觸發(fā)掛車制動系統(tǒng)的緊急制動，通過“供能氣路”的壓力下降將掛車剎住。

1.3 系統(tǒng)重要元件選型及工作原理介紹

系統(tǒng)中卸荷閥的主要作用是限定并保持系統(tǒng)壓力在800 kPa左右，同時滿足紅黃兩路握手接頭處輸出壓力不小于650 kPa的要求。本文選擇型號為FKA-02的卸荷閥，其開啟壓力(cut-off)為810 kPa，關(guān)閉壓力(cut-in)為750 kPa。

系統(tǒng)中液控氣制動閥的作用是實現(xiàn)主車液壓制動和掛車氣制動的協(xié)調(diào)兼容。當(dāng)踩下制動踏板時，制動主缸產(chǎn)生一定的液壓，通過梭閥分別傳遞到氣制動系統(tǒng)液控氣制動閥和拖拉機(jī)制動器。本文選擇型號為FBV-131的液控氣制動閥，根據(jù)液控氣制動閥的性能曲線(圖3)可以看出，液壓制動壓力越高輸出的氣壓越高，拖車制動力越大。對于拖拉機(jī)而言，液壓制動壓力越高拖拉機(jī)制動力也越大，因此能夠?qū)崿F(xiàn)主車和掛車制動力同時逐漸增大。

圖3 液控氣制動閥的性能曲線圖Fig. 3 Performance curve of hydraulically controlled air foot brake valve

系統(tǒng)中手制動電磁閥為兩位三通結(jié)構(gòu)，由手剎開關(guān)信號控制，形成電控氣功能。駐車狀態(tài)拉起手剎后電磁閥斷電，此時電磁閥出氣口控制拖車控制閥，從而在“控制氣路”產(chǎn)生規(guī)定的氣壓，驅(qū)動掛車制動系統(tǒng)，形成掛車駐車制動。本文手制動電磁閥選用型號為EV-281的開關(guān)閥，其與拖拉機(jī)電氣連接圖如圖4所示。

圖4 手制動電磁閥電氣接線原理圖Fig. 4 Electrical wiring schematic diagram of hand brake solenoid valve

系統(tǒng)中拖車控制閥型號為TCV-470，由液控氣制動閥、手制動電磁閥(電控氣)出氣口和拖車控制閥控制口分別相連共同控制，從而將行車和駐車制動集成到黃握手接頭進(jìn)行輸出。該閥采用氣控氣原理，從而能夠?qū)崿F(xiàn)控制管路發(fā)生破裂時，踩下制動踏板后掛車自動制動功能，具體如圖5所示。原理如下：在事故中掛車“控制氣路”破裂連通大氣(接口22)，踩下制動踏板后，B腔和E腔沒有建立壓力，空氣通過打開的進(jìn)氣口f和接口22在破裂處排入大氣，在F腔壓力作用下，活塞k迅速下移，阻止接口11到接口22的壓縮空氣供應(yīng)，同時通過打開的進(jìn)氣口f在斷裂處掛車供應(yīng)回路(接口12)的壓力被降低，引起掛車的自動制動。

圖5 拖車控制閥結(jié)構(gòu)剖面圖Fig. 5 Trailer control valve structural section

2 雙管路氣制動系統(tǒng)的功能測試

2.1 測試設(shè)備器材準(zhǔn)備

測試設(shè)備及器材包括BBOX制動評判系統(tǒng)、紅黃握手接頭、氣制動軟管(長2.5 m、內(nèi)徑13 mm)、儲氣罐(385 mL)、拉線位移傳感器、氣壓傳感器。

BBOX制動評判系統(tǒng)是一種基于GPS的數(shù)據(jù)采集測試儀器。它可以用于測量車輛的車速、制動距離、橫縱向加速度值、減速度和MFDD等制動相關(guān)參數(shù)。設(shè)備外接各種模塊和傳感器，可以采集制動踏板力、制動踏板位移和接頭壓力等數(shù)據(jù)。該設(shè)備可以同步記錄壓力曲線、車速曲線、踏板位移曲線等多種車輛測試數(shù)據(jù)，并在以時間為橫坐標(biāo)軸的坐標(biāo)系內(nèi)同步顯示。測試者可以根據(jù)測試的數(shù)據(jù)來分析車輛的制動響應(yīng)時間、握手接頭壓力、自動制動功能等。2.5 m長氣制動軟管和385 mL儲氣罐模擬主掛連接管路，氣壓傳感器需要連接到軟管末端。拉線位移傳感器安裝到腳踏板上，另一端固定到方向盤上，用于記錄制動操縱過程和時間。

2.2 響應(yīng)時間及接頭壓力測試

在主車紅握手接頭處連接385 mL儲氣罐，黃握手接頭處連接2.5 m長、內(nèi)徑13 mm制動軟管，軟管末端接上氣壓傳感器，在制動踏板處裝上制動踏板開關(guān)。在額定氣壓下，迅速踩下制動踏板，保持2～3 s后快速松開。氣壓再次達(dá)到額定值后，拉起主車手制動，保持2～3 s后快速松開。

拖拉機(jī)的制動響應(yīng)時間是指從制動踏板開始動作至最不利的制動氣室內(nèi)壓力達(dá)到其穩(wěn)態(tài)值的75%所經(jīng)歷的時間，法規(guī)要求不超過0.4 s。接頭壓力測試指踩下制動踏板或拉起手制動，黃路接頭管路末端接頭處壓力值，法規(guī)要求不小于650 kPa。踏板行程曲線、黃路末端氣壓曲線見圖6、圖7。

從圖6、圖7可以看出響應(yīng)時間0.25 s，行車制動黃路接頭管路末端壓力達(dá)到680 kPa，駐車制動黃路接頭管路末端壓力達(dá)到650 kPa。響應(yīng)時間、制動時接頭壓力以及主掛同時駐車制動功能，滿足法規(guī)要求。

圖6 響應(yīng)時間及行車制動黃接頭壓力測試曲線圖Fig. 6 Response time and service brake yellow joint pressure test curve

圖7 駐車制動黃接頭壓力測試曲線圖Fig. 7 Parking brake yellow connector pressure test curve

2.3 自動制動(Brake-Away)功能測試

在主車紅握手處連接2.5 m長、內(nèi)徑13 mm制動軟管，軟管末端接上氣壓傳感器，黃握手處連接2.5 m長、內(nèi)徑13 mm制動軟管，軟管末端與大氣相通，模擬管路破裂，在制動踏板處裝上制動踏板開關(guān)。在額定氣壓下，迅速踩下制動踏板，保持2～3 s后快速松開，間隔數(shù)秒后，再次進(jìn)行制動操作，連續(xù)測試5次。

法規(guī)要求踩下制動踏板，2 s內(nèi)“供能氣路”里的壓力降到150 kPa，觸發(fā)拖車的緊急制動，通過“供能氣路”里的壓力下降將拖車剎住。踏板行程曲線、紅路末端氣壓曲線見圖8。從圖8中測試曲線可以看出，從左到右顯示連續(xù)5次測試情況。第一條曲線，驅(qū)動時間為0.13 s(藍(lán)色曲線縱坐標(biāo)值從“0”上升到紅色曲線交點所經(jīng)歷的時間)；壓力降低時間為0.94 s(藍(lán)色曲線縱坐標(biāo)值“0”位置到紅色曲線縱坐標(biāo)值下降到150 kPa，所經(jīng)歷時間)。測試結(jié)果見表1。

圖8 Brake-Away功能測試曲線圖Fig. 8 Brake-Away functional test curve

表1 Brake-Away功能的5次測試記錄Tab. 1 5 test records of Brake-Away function

從表1可以看出，通過連續(xù)5次測試試驗，系統(tǒng)均能夠在2 s內(nèi)將壓力降到150 kPa，滿足法規(guī)要求。

3 結(jié)論

1) 針對歐盟法規(guī)要求，本文設(shè)計的雙管路氣制動系統(tǒng)將電控氣、液控氣和氣控氣技術(shù)原理進(jìn)行結(jié)合，系統(tǒng)選用型號為FKA-02的卸荷閥、FBV-131的液控氣制動閥、EV-281的手制動電磁閥和TCV-470的拖車控制閥等。

2) 經(jīng)過裝機(jī)測試，制動響應(yīng)時間0.25 s、握手接頭處壓力達(dá)到680 kPa，能夠?qū)崿F(xiàn)自動制動、主掛同時駐車制動等功能，滿足歐盟法規(guī)要求。該套雙管路氣制動系統(tǒng)達(dá)到國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先、全球技術(shù)先進(jìn)的水平。投入到拖拉機(jī)掛車的運輸生產(chǎn)活動中，極大地提高了拖拉機(jī)掛車制動的效果和安全性，因此具有極佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。