商用車氣壓駐車制動(dòng)系統(tǒng)繼動(dòng)閥壓力特性研究

胡 俊，林家祥，孫乙城，李少偉，周茜琳

（廣西科技大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣西 柳州 545616）

0 引言

隨著我國商用車需求量的逐年增長，人們對商用車的安全性能提出了更高的要求。制動(dòng)系統(tǒng)作為汽車的核心安全系統(tǒng)，其性能好壞直接影響汽車的制動(dòng)可靠性和行駛安全性。氣壓制動(dòng)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于中重型商用車，具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)力源環(huán)保、能產(chǎn)生大制動(dòng)驅(qū)動(dòng)力等顯著優(yōu)點(diǎn)。繼動(dòng)閥是組成駐車制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，可以縮短充氣和排氣的時(shí)間。在解除駐車制動(dòng)時(shí)，彈簧制動(dòng)氣室氣壓逐漸升高，直至完全松開駐車制動(dòng)器需要一定的時(shí)間。如果氣壓傳輸時(shí)間過長就會造成駐車制動(dòng)解除慢，不僅會大大降低汽車行駛效率，還會影響商用車的制動(dòng)安全性能。

國內(nèi)外學(xué)者對氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中閥類零件的研究不多，主要以壓力響應(yīng)特性研究為主。霍皓靈等應(yīng)用AMESim 仿真軟件對快放閥進(jìn)行建模仿真，得到對快放閥壓力響應(yīng)影響較大的變量，并利用正交試驗(yàn)法對快放閥結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；李保平等利用Simulink 平臺建立快放閥仿真模型，通過對比仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析不同條件下的壓力響應(yīng)特性；方桂花等建立繼動(dòng)閥AMESim動(dòng)態(tài)模型及系統(tǒng)AMESim 模型，研究不同因素下繼動(dòng)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并通過系統(tǒng)仿真驗(yàn)證了繼動(dòng)閥的控制作用。

目前對于繼動(dòng)閥壓力特性的研究，主要是利用AMESim仿真軟件進(jìn)行建模仿真，由于其參數(shù)不易確定，仿真調(diào)參困難。因此，本文以某商用車氣壓駐車制動(dòng)系統(tǒng)繼動(dòng)閥為研究對象，分析駐車制動(dòng)回路繼動(dòng)閥的工作過程，基于繼動(dòng)閥的物理結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)知識，建立繼動(dòng)閥的數(shù)學(xué)模型和Simulink仿真模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證模型的正確性，研究繼動(dòng)閥在升壓過程中的壓力響應(yīng)特性，為繼動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和系統(tǒng)研究提供理論支持。

1 商用車氣壓駐車制動(dòng)系統(tǒng)及繼動(dòng)閥

1.1 商用車氣壓駐車制動(dòng)系統(tǒng)

商用車氣壓駐車制動(dòng)系統(tǒng)大多采用斷氣剎，這種制動(dòng)系統(tǒng)平時(shí)處于常剎車狀態(tài)，當(dāng)車輛即將行駛時(shí)，需松開駐車手剎，此時(shí)是一個(gè)充氣過程，彈簧制動(dòng)氣室壓力達(dá)到一定值，壓縮強(qiáng)力彈簧，松開駐車制動(dòng)器。斷氣剎是儲能彈簧氣壓制動(dòng)方式，不僅用于駐車制動(dòng)，還可用于緊急制動(dòng)。商用車氣壓駐車制動(dòng)系統(tǒng)主要由氣源、駐車手閥、駐車制動(dòng)回路、駐車制動(dòng)器等部分組成。圖1為商用車氣壓駐車制動(dòng)系統(tǒng)原理圖，繼動(dòng)閥5 安裝在駐車手閥4與后橋彈簧制動(dòng)氣室6之間，其作用是在解除駐車制動(dòng)時(shí)使彈簧制動(dòng)氣室快速充氣。

圖1 商用車氣壓駐車制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

1.2 繼動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.2.1 繼動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

繼動(dòng)閥的主要結(jié)構(gòu)有閥體、活塞、閥門總成和復(fù)位彈簧，具有4種工作接口，分別是控制口、進(jìn)氣口、出氣口和排氣口。繼動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，進(jìn)氣閥門、閥芯、排氣閥門組成閥門總成，進(jìn)氣口與儲氣筒相連直接供氣，控制口與駐車手閥相通，出氣口連接后橋彈簧制動(dòng)氣室，排氣口與大氣相通用于排氣。

圖2 繼動(dòng)閥閥體結(jié)構(gòu)圖

進(jìn)行駐車制動(dòng)時(shí)，駕駛員拉起手剎，駐車手閥關(guān)閉，排氣口打開，繼動(dòng)閥控制口氣壓通過駐車手閥排出，氣壓力不斷降低，活塞及閥門總成在閥腔氣壓力和復(fù)位彈簧力共同作用下，向上移動(dòng)至臨界位置，進(jìn)氣閥門關(guān)閉，排氣閥門打開，排氣通道開啟，彈簧制動(dòng)氣室中的壓縮空氣通過排氣閥門和排氣口排向大氣，釋放被壓縮的強(qiáng)力彈簧，實(shí)現(xiàn)駐車制動(dòng)。

解除駐車制動(dòng)時(shí)，駕駛員放下手剎，駐車手閥打開通氣，控制氣壓通過駐車手閥通向繼動(dòng)閥控制口，活塞向下移動(dòng)至臨界位置，接著壓著閥門總成一起向下移動(dòng)，先關(guān)閉排氣閥門，再打開進(jìn)氣閥門，儲氣筒中的壓縮空氣便可直接經(jīng)進(jìn)氣口流進(jìn)繼動(dòng)閥的閥腔內(nèi)，再經(jīng)過出氣口充進(jìn)彈簧制動(dòng)氣室，壓縮強(qiáng)力彈簧，松開駐車制動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)解除駐車制動(dòng)。

1.2.2 繼動(dòng)閥的壓力特性要求

關(guān)于商用車氣壓駐車制動(dòng)系統(tǒng)繼動(dòng)閥的壓力響應(yīng)特性要求，《商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》（GB 12676—2014）和《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2017）等相關(guān)法規(guī)提出了明確規(guī)定：1）從開始制動(dòng)到制動(dòng)氣室壓力達(dá)到穩(wěn)態(tài)值75%的響應(yīng)時(shí)間不得超過0.6 s；2）解除駐車制動(dòng)的壓力響應(yīng)時(shí)間不得超過1.2 s。除此之外，提高制動(dòng)的可靠性，還要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，避免在制動(dòng)的過程中出現(xiàn)壓力波動(dòng)過大的現(xiàn)象。因此，本文主要從壓力響應(yīng)特性和系統(tǒng)穩(wěn)定性2個(gè)方面對繼動(dòng)閥升壓過程中的壓力特性展開研究。

2 繼動(dòng)閥的數(shù)學(xué)模型及仿真模型

2.1 繼動(dòng)閥的數(shù)學(xué)模型

2.1.1 繼動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

圖3為繼動(dòng)閥升壓過程中活塞及閥門總成的受力分析。可得到活塞及閥門總成的運(yùn)動(dòng)方程如下：

圖3 繼動(dòng)閥活塞及閥門總成的受力分析

其中：為活塞與閥門總成的質(zhì)量；為重力加速度；為控制氣壓；為輸入氣壓；為輸出氣壓；為活塞上表面有效承壓面積；為進(jìn)氣閥門有效承壓面積；為活塞下表面有效承壓面積；為活塞有效位移；為速度阻尼系數(shù)；為復(fù)位彈簧剛度；為彈簧預(yù)緊力。

2.1.2 固定節(jié)流孔質(zhì)量流量數(shù)學(xué)模型

繼動(dòng)閥的進(jìn)氣口和出氣口都可以等效為具有一定開度的固定節(jié)流孔，故都可以用固定節(jié)流孔質(zhì)量流量方程來表示其數(shù)學(xué)模型。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6358中規(guī)定，將音速流導(dǎo)值、臨界壓力比值作為固定節(jié)流孔流量特性的主要特征參數(shù)。繼動(dòng)閥進(jìn)出氣口的氣體質(zhì)量流量計(jì)算如式（2）所示：

其中：為標(biāo)準(zhǔn)大氣密度；為音速流導(dǎo)；為上游氣體壓力；為下游氣體壓力；為臨界壓力比；為上游氣體溫度。

2.1.3 可變節(jié)流孔質(zhì)量流量數(shù)學(xué)模型

充氣過程中進(jìn)氣閥門的流通面積為一個(gè)變值。根據(jù)理想氣體連續(xù)性方程和伯努利方程，通過進(jìn)氣閥口進(jìn)入繼動(dòng)閥閥腔的氣體質(zhì)量流量計(jì)算公式為：

其中：為氣體流量系數(shù)；為上游氣體壓力；為下游氣體壓力；為進(jìn)氣口流通面積；為等熵系數(shù)；為氣體常數(shù)；為上游氣體絕對溫度。

2.1.4 繼動(dòng)閥各閥腔壓力特性數(shù)學(xué)模型

在升壓的過程中，繼動(dòng)閥的進(jìn)氣腔是一個(gè)固定容積，出氣腔與彈簧制動(dòng)氣室相連，則出氣腔壓力變化就是變?nèi)莘e氣室的壓力變化。分別建立繼動(dòng)閥升壓過程中繼動(dòng)閥進(jìn)氣腔和彈簧制動(dòng)氣室內(nèi)腔壓力特性的數(shù)學(xué)模型。

其中：為氣體比熱比，理想氣體值為1.4；為氣體常數(shù)，理想氣體值為287 N·m（/kg·K）。

2.2 繼動(dòng)閥的仿真模型

繼動(dòng)閥的升壓過程是一個(gè)非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，對其進(jìn)行直接求解非常復(fù)雜，本文將運(yùn)用圖形化仿真建模軟件Matlab/Simulink 對繼動(dòng)閥進(jìn)行仿真建模。根據(jù)所推導(dǎo)的繼動(dòng)閥數(shù)學(xué)模型，在Simulink模塊中搭建繼動(dòng)閥壓力動(dòng)態(tài)仿真模型，并運(yùn)用四階龍格-庫塔法進(jìn)行求解，其仿真模型如圖4所示。

圖4 繼動(dòng)閥壓力特性仿真模型

3 繼動(dòng)閥壓力特性的試驗(yàn)設(shè)置

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為深入研究繼動(dòng)閥壓力特性的影響因素，參照《汽車和掛車 氣壓控制裝置技術(shù)要求及臺架試驗(yàn)方法》（QC/T 35—2015），設(shè)計(jì)了如圖5 所示的試驗(yàn)回路圖。

圖5 試驗(yàn)回路圖

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

本文以繼動(dòng)閥控制口和彈簧制動(dòng)氣室的壓力變化為主要測量值，探究駐車制動(dòng)系統(tǒng)繼動(dòng)閥的壓力特性。壓力傳感器9、11 分別用于采集2 個(gè)彈簧制動(dòng)氣室的壓力變化值，壓力傳感器12 用于采集繼動(dòng)閥控制口的壓力變化值。為了達(dá)到試驗(yàn)測量要求，本次試驗(yàn)所選的壓力傳感器為SMC 生產(chǎn)的PSE540A-R06，測量壓力范圍為0～1.0 MPa，測量精度為1%FS。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

按照試驗(yàn)回路圖連接繼動(dòng)閥壓力特性測試回路，利用LabⅤIEW 軟件編寫壓力測試程序，對試驗(yàn)過程中壓力傳感器的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。

3.4 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

輸入氣壓為800 kPa，控制氣壓為800 kPa，繼動(dòng)閥進(jìn)氣口、出氣口直徑均為10 mm，控制口直徑5 mm，通過圖4 仿真模型進(jìn)行仿真運(yùn)算，利用圖5 試驗(yàn)回路進(jìn)行壓力測試，得到了如圖6 所示的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比圖。由圖可知，兩者數(shù)據(jù)的整體一致性比較好，證明仿真模型的準(zhǔn)確性比較高，試驗(yàn)回路設(shè)計(jì)比較合理。在升壓起始階段存在一定誤差，這是由于在充氣過程的初期，進(jìn)氣閥門的流通面積為一個(gè)變值，變量較為復(fù)雜，因此，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差。在升壓的中后期，整個(gè)充氣過程趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果誤差比較小。

圖6 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

4 繼動(dòng)閥壓力特性的影響因素分析

通過對仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析對比可知，繼動(dòng)閥數(shù)學(xué)模型和仿真模型的準(zhǔn)確度比較高，可以通過仿真對繼動(dòng)閥壓力特性的影響因素進(jìn)行研究分析。根據(jù)繼動(dòng)閥的實(shí)際拆解，其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括活塞質(zhì)量、活塞直徑、進(jìn)氣閥門直徑、進(jìn)氣口直徑、排氣間隙寬度等，測量所得的相關(guān)數(shù)據(jù)作為仿真參數(shù)；依據(jù)繼動(dòng)閥的工作原理，其性能參數(shù)包括輸入氣壓、控制氣壓、控制口進(jìn)氣速率、相通氣室初始容積等，選取相關(guān)數(shù)據(jù)作為仿真參數(shù)。通過仿真試驗(yàn)可得到繼動(dòng)閥的動(dòng)態(tài)壓力響應(yīng)曲線，分析不同條件下繼動(dòng)閥的充氣升壓曲線，得到對繼動(dòng)閥充氣延遲影響比較大的因素。

4.1 繼動(dòng)閥進(jìn)氣口直徑對壓力特性的影響

圖7 為5 種進(jìn)氣口直徑情況下的升壓過程氣室壓力變化曲線圖。由圖7可看出，繼動(dòng)閥進(jìn)氣口直徑對壓力特性的影響比較明顯，當(dāng)進(jìn)氣口直徑增大時(shí)，氣壓上升速度加快，升壓過程氣室壓力響應(yīng)時(shí)間縮短。當(dāng)進(jìn)氣口直徑超過10 mm時(shí)，對縮短壓力響應(yīng)時(shí)間的影響大大降低。

圖7 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）繼動(dòng)閥進(jìn)氣口直徑對壓力特性的影響

4.2 繼動(dòng)閥進(jìn)氣閥門直徑對壓力特性的影響

圖8為5種進(jìn)氣閥門直徑情況下的升壓過程氣室壓力變化曲線圖。由圖8可知，繼動(dòng)閥進(jìn)氣閥門直徑對壓力特性有一定影響，當(dāng)進(jìn)氣閥門直徑減小時(shí)，氣壓上升速度加快，升壓過程氣室壓力響應(yīng)時(shí)間縮短。

圖8 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）繼動(dòng)閥進(jìn)氣閥門直徑對壓力特性的影響

4.3 繼動(dòng)閥控制口進(jìn)氣速率對壓力特性的影響

圖9 為5 種控制口進(jìn)氣速率情況下的升壓過程氣室壓力變化曲線圖。由圖9可看出，控制口進(jìn)氣速率越快，進(jìn)氣時(shí)間越短，氣室升壓速度就越快，壓力響應(yīng)時(shí)間縮短。當(dāng)控制口進(jìn)氣時(shí)間變長時(shí)，升壓過程壓力波動(dòng)越來越明顯，因此，繼動(dòng)閥控制口進(jìn)氣速率對壓力特性影響很明顯。

圖9 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）繼動(dòng)閥控制口進(jìn)氣速率對壓力特性的影響

4.4 繼動(dòng)閥相通氣室初始容積對壓力特性的影響

圖10為5種氣室初始容積情況下的升壓過程氣室壓力變化曲線圖。由圖10 可知，繼動(dòng)閥相通氣室初始容積對壓力特性的影響非常明顯，氣室初始容積越小，氣室壓力上升速度就越快，壓力響應(yīng)時(shí)間縮短。

圖10 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）繼動(dòng)閥相通氣室初始容積對壓力特性的影響

5 結(jié)論

本文對繼動(dòng)閥進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和仿真模型搭建，并設(shè)計(jì)了繼動(dòng)閥壓力特性的測試試驗(yàn)，對比分析了仿真和試驗(yàn)結(jié)果，證明了數(shù)學(xué)模型和仿真模型的準(zhǔn)確性比較高。通過仿真研究，分析了繼動(dòng)閥進(jìn)氣口直徑、進(jìn)氣閥門直徑、控制口進(jìn)氣速率、相通氣室初始容積對升壓過程壓力特性的影響。分析結(jié)果表明：1）繼動(dòng)閥進(jìn)氣口直徑越大，壓力響應(yīng)時(shí)間越短，當(dāng)進(jìn)氣口直徑超過10 mm 時(shí)，對壓力響應(yīng)時(shí)間的影響不明顯，出于節(jié)能考慮，繼動(dòng)閥進(jìn)氣口直徑為10 mm最為合理；2）繼動(dòng)閥進(jìn)氣閥門直徑越小，壓力響應(yīng)速度越快；3）繼動(dòng)閥控制口進(jìn)氣速率越快，壓力響應(yīng)時(shí)間越短，當(dāng)控制口進(jìn)氣時(shí)間變長時(shí)，壓力波動(dòng)越來越明顯；4）繼動(dòng)閥相通氣室初始容積越小，壓力響應(yīng)速度越快。因此，在對繼動(dòng)閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和系統(tǒng)選型匹配時(shí)，要充分考慮升壓過程中壓力響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素。本文所建模型可對繼動(dòng)閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真研究提供理論支持。