基于AMESim的彈簧制動氣室影響因素分析

周 俊

(安徽理工大學 機械工程學院， 安徽 淮南 232001)

氣壓制動系統成本低、節能環保，常用在大中型客貨車上[1]。了解半掛車制動氣室的整體構造，選擇氣壓元件庫搭建AMESim模塊，研究制動氣室在氣壓制動系統中的影響很有意義[2]。周佳瑋等[3]對彈簧制動氣室進行了動態分析，但未進行影響因素分析。邵瑜[4]對膜片式制動氣室進行了研究，但未考慮駐車情況。何江李[5]對彈簧制動氣室進行建模，但未驗證其模型的準確性及參數影響。Lu等[6]為了驗證系統的精度，建立了多參數動態仿真模型，并基于AMESim對制動室進行了設計。本文在AMESim中建立模型，驗證模型建立的正確性，分析制動氣室的影響因素，為后續整車的氣壓制動系統提供參考依據。

1 彈簧制動氣室的工作原理及數學建模

1.1 工作原理

在CATIA中建立制動氣室結構如圖1所示，其內部結構如圖2所示。當駕駛員踩下制動踏板時，氣體經過ABS調壓閥從進氣口進入氣室內，快速充滿氣室，壓縮彈簧，帶動推桿將力矩傳給盤式制動器進行行車制動。同時，氣體進入左氣室，壓縮儲能活塞，進一步壓縮儲能彈簧進行能量儲存。當卡車停下或進行緊急制動時，儲能彈簧里面的能量，通過儲能活塞釋放，推動推桿，完成駐車制動。

圖1 制動氣室的外部結構 圖2 制動氣室的內部結構

1.2 數學模型的建立

制動氣室的數學模型[8]：

式中：m為推桿質量；x為推桿位移；P1為進氣壓力；P2為前氣腔壓力；SC為膜片承壓面積；k為彈簧剛度；F為反作用力。

2 AMESim模型的建立及參數選定

2.1 仿真模型建立

在分析制動氣室的物理結構以及數學模型后，合理選取AMESim軟件中的氣壓元件以及機械元件建立模型如圖3所示。接著選取子模型，所選擇的子模型如表1所示。

圖3 制動氣室仿真模型

表1 子模型的選取

2.2 參數設定

主要參數的設定如表2所示。

表2 主要參數設定

3 仿真結果與影響因素分析

3.1 仿真結果分析

仿真總時間設置為0.5 s，運行間隔為0.01 s。恒定氣源壓力設置為0.801 3 MPa、0.901 3 MPa、1.001 3 MPa。制動氣室壓力仿真曲線如圖4所示。隨著恒定氣源壓力的上升，制動氣室的壓力也上升。設置壓力越高，達到穩態所需的時間越長，但三者大約在0.15 s左右均達到目標壓力。根據國家標準，安裝氣壓制動系統的車輛，在0.2 s內緊急制動，制動氣室達到穩態值75%所需的時間不得超過0.6 s[9]。由圖4可知，大約在0.05 s時三者均達到目標壓力的75%，完全符合要求。

圖4 制動氣室仿真曲線

3.2 影響因素分析

3.2.1 活塞直徑的影響

活塞質量設定為1 kg，活塞直徑取值為40 mm、80 mm、120 mm、160 mm、200 mm、240 mm、280 mm，仿真時間設定為2 s。仿真結果如圖5所示。

圖5 不同的活塞直徑氣室壓力仿真圖

3.2.2 彈簧剛度的影響

其他條件不變的情況下，活塞直徑設置為160 mm，彈簧剛度的取值為10 N/mm、35 N/mm、60 N/mm、85 N/mm、110 N/mm，仿真時間為0.5 s。仿真結果如圖6所示。

圖6 不同的彈簧剛度氣室壓力仿真圖

從圖5可知，隨著活塞直徑的增加，制動氣室的壓力到達氣源設定數值的時間在逐漸增大，當活塞直徑超過240 mm后，制動氣室壓力將不能在0.6 s達到穩態值的75%。從圖6可知，隨著彈簧剛度的增加，制動氣室達到穩態值的時間在逐漸減小。

4 基于AMESim的整車氣壓制動建模

進行制動氣室的工作原理及仿真分析，并最終建立整車氣壓制動系統的AMESim模型如圖7所示。驗證牽引車的氣壓制動系統，如圖8所示。從圖7可以看出，駕駛員踩下制動踏板，氣體經過腳制動閥到達前輪彈簧制動氣室，又通過管路經繼動閥到達后輪的彈簧制動氣室。因繼動閥具有快速充氣、放氣的作用，后輪的氣壓氣室響應比前輪的制動氣室快。從圖8可以得出，后輪的氣壓制動響應比前輪的制動氣室快，符合實踐情況。

圖7 牽引車氣壓制動AMESim模型

圖8 前后輪的制動氣室的壓力變化

5 結 語

對卡車的制動氣室進行CATIA三維建模，依據仿真曲線變化，說明模塊搭建的正確性。隨著恒定氣壓源壓力的逐步變大，達到穩定目標壓力的時間會延長。隨著活塞直徑的增加，制動氣室的壓力到達穩態的時間逐漸增大，當活塞直徑超過240 mm后，制動氣室壓力將不能在0.6 s內達到穩態值的75%。隨著彈簧剛度的增加，制動氣室達到穩態值的時間在逐漸減小。