電磁開關閥式液力緩速器特性研究

鄭紅梅, 沈 浩, 查傳婷, 董文龍, 邊尚琪, 吳 勝

(1.合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009; 2.合肥億恒智能科技有限公司,安徽 合肥 230022; 3.北京裕峻汽車技術研究院,北京 100089)

在坡道眾多且抖長的路面,對于重型車輛,長時間的制動會導致制動系統過度使用而引起制動失靈,極其危險[1]。為應對這一問題,各國強制要求安裝輔助制動系統。緩速器作為重型車輛、貨運車輛的輔助制動手段之一,主要分為液力緩速器和電渦流緩速器[2]。液力緩速器由于體積較小、制動力矩大、壽命長等特點,在輔助制動系統中廣受歡迎[3]。液力緩速器主要依靠控制閥來改變儲油腔的氣壓,進一步控制工作腔內的充液率來提供制動力矩,實現減速功能[4-5]。如今國內外大多數緩速器企業所用的控制閥均為比例壓力閥,但其在控制過程中需一直通電[6]。長時間工作內阻溫度會隨之升高。溫度上升電阻增大,導致電流減小,相應電磁力減小。由于比例壓力閥成本較高,換用電磁開關閥會避免上述問題,提高整個系統壽命。文獻[7]研究了使用充液閥控制帶來的遲滯影響;文獻[8]分析了液力緩速器比例壓力閥氣動控制特性;文獻[9]對氣動比例壓力閥的系統特性進行測試,其響應時間為0.5 s,最大超調量為0.02 MPa,調整時間與響應時間均為5.5 s。相比較于比例壓力閥,電磁開關閥的響應時間與調整時間皆遠遠小于比例壓力閥的時間。在響應時間減少的同時,超調量較比例壓力閥也有所減少,整個系統的壽命隨之增長,并且能夠實現多擋位的精確控制。可以看出電磁開關閥較比例壓力閥有顯著優勢。本文采用電磁開關閥代替比例壓力閥對液力緩速器腔內氣壓的控制進行分析。

1 電磁開關閥研究

1.1 電磁開關閥工作原理

電磁開關閥組成結構原理[10-11]如圖1所示。

圖1 電磁開關閥結構原理

電磁開關閥3種工作狀態分別為增壓、減壓、保壓狀態。兩電磁閥為常閉電磁閥。

增壓狀態時,高壓氣體從進氣口A處進氣,此時進氣電磁閥芯和排氣閥芯呈斷電狀態,進氣先導室與大氣相連通。氣源處的高壓氣體由于壓力差克服彈簧阻力打開進氣膜片,壓縮空氣通過腔體B進入緩速器工作腔內。同時另一路高壓氣體通過氣道到達排氣先導氣室,由于壓力差和彈簧作用力,排氣膜片會堵住排氣口,實現液力緩速器工作腔的穩定增壓。

減壓狀態時,電子控制模塊(electronic control unit,ECU)發出指令,進氣電磁閥芯與排氣電磁閥芯通電。進氣閥芯的閥門由于電磁作用力被打開,高壓氣體進入進氣先導室,進氣膜片在壓力差與彈簧力的作用下,閥口被進氣膜片關閉。同時,因排氣閥芯被打開,排氣先導閥與空氣相連通,在壓力差的作用下,高壓氣體會克服排氣膜片彈簧,打開排氣閥口,液力緩速器工作腔內的高壓氣體從底邊排向空氣,液緩工作腔內氣壓減小。

保壓狀態時,進氣閥芯通電,排氣閥芯斷電。進氣膜片堵住進氣閥口,排氣膜片堵住排氣閥口,實現保壓狀態。根據其工作原理,利用MATLAB/Simulink與AMESim聯合仿真,模擬液力緩速器充液率分別為25%、50%、75%、100%時電磁開關閥的工作性能。

1.2 電磁開關閥力學特性分析

在電磁開關閥線圈通電后,閥芯的周圍會產生大量磁場。當閥芯所受的電磁力大于彈簧的預緊力時,電磁開關閥朝著線圈處移動,閥芯運動方程為:

(1)

膜片的啟閉與彈簧預緊力和進氣壓力有關,膜片的動態平衡方程為:

paS-F1-k1x1

(2)

其中:M為閥芯總質量;M1為膜片的質量;x為閥芯的位移;x1為膜片的位移;Fm為電磁力;F1為膜片彈簧預緊力;k為閥芯處彈簧剛度;k1為膜片處彈簧剛度;x0為初始彈簧位移;p1為進氣口的氣壓強度;pc為氣體所給壓強;p0為大氣壓強;pa為先導進氣室處的氣壓;S1為閥芯處的橫截面積;S為膜片與進氣相通的橫截面積;S0為膜片與出氣相通的橫截面積;c為阻尼系數;i為通過線圈處電流大小。

2 電磁開關閥仿真模型的建立

液力緩速器工作時,電磁開關閥的啟閉隨著工作腔內壓力的變化而調節,從而控制工作腔內壓力值,即控制工作腔內的充液率。本次使用的液力緩速器型號為福伊特VR115CT,經實車測試,液力緩速器工作腔的充液率和控制閥通過氣壓關系見表1所列。

表1 充液率和氣壓關系

對于液力緩速器輔助制動裝置,系統響應時間特性與超調量特性尤為重要,響應時間特性分為氣相響應時間與液相響應時間,對于電磁開關閥式與比例壓力閥式液力緩速器,液相響應時間為液體進入工作腔內時間,相同型號液力緩速器的液相響應時間可視作相等,故這里只分析兩者氣相響應時間的差別。

2.1 AMESim仿真模型的建立

電磁開關閥結構部分仿真模型[12-13]如圖2所示。模型仿真參數見表2所列。

表2 FAST、VOITH比例壓力閥與電磁開關閥更換擋位響應時間對比 單位:ms

圖2 AMEsim仿真模型

2.2 MATLAB/Simulink仿真模型的建立

控制電磁開關閥啟閉信號部分仿真模型[14]如圖3所示。使用比例積分微分(proportional integral derivative,PID)的控制方法來控制電磁開關閥的啟閉狀態。輸入信號是期望壓力,與系統實際壓力做差后,經過PID模塊和脈寬調制(pulse width modulation,PWM)波模塊轉換為1個占空比,占空比通過Stateflow中的邏輯判斷控制增壓閥與減壓閥的啟閉。

PID作為一種線性控制器,系統的控制信號輸入為目標信號與實際信號的偏差,系統中輸入信號為目標壓力,分出2條信號到不同的PID模塊,分別為增壓閥和減壓閥的輸入信號,系統的輸出公式為:

(3)

其中:u為控制器的輸出;e(t)為偏差信號,即系統的輸入;kp為控制器的比例放大系數;ki為控制器的積分系數;kd為控制器的微分系數。經過標定kp=10,ki=5,kd=1。經過PID模塊輸出u再進入PWM模塊,得出1個占空比,實現對2個電磁閥芯電流的控制。

電磁開關閥狀態切換邏輯如圖4所示。使用Simulink仿真模型中chart模塊,其中:charge為增壓狀態;release為減壓狀態;maintain為保壓狀態;charge為1時增壓閥打開,為0時增壓閥關閉;release為1時減壓閥打開,為0時減壓閥關閉。3種狀態之間的切換條件為腔內壓力與目標壓力之間的關系。鑒于大多數司機在使用液力緩速器時會采用連續換擋的方式,取1 s 為每次更換擋位時間,與實際情況相符。由于氣體分子間的相互斥力和吸引力會使得氣體各分子產生間距,此間距會導致氣體的可壓縮性,在每次升擋與降擋時會產生一定的脈沖,因此由脈沖導致的超調量不可避免,但可以通過控制手段來減少這段超調量。在控制電磁開關閥啟閉時,在期望壓力的基礎上設置一個窗數prs-trg-window。增壓階段時,當腔內壓力到達目標壓力減去窗數時,關閉增壓閥,電磁開關閥進入保壓狀態。由于氣體的可壓縮性,氣壓會持續上升,當腔內壓力到達目標壓力加上窗數時,減壓狀態開啟,腔內氣壓穩定在期望壓力。減壓階段時,當腔內壓力小于目標壓力加上窗數時,減壓閥關閉,電磁開關閥進到保壓狀態。由于氣體的可壓縮性,氣壓會持續減小,當腔內壓力到達目標壓力減去窗數時,增壓狀態開啟。由于每個擋位的目標壓力都不相同,在每個擋位要設置不同的窗數,各個擋位的窗數值切換邏輯如圖5所示。

圖4 電磁開關閥狀態切換邏輯

圖5 窗數值切換邏輯

2.3 動態仿真結果分析

仿真數據結果對比如圖6所示。

圖6 仿真數據結果對比

圖6中:虛線為液力緩速器各擋位的目標壓力,每次換擋時間為1 s;實線為實際控制壓力。由圖6可知,實際控制壓力與目標壓力基本一致,分析電磁開關閥響應時間及腔內壓力實際超調量曲線特性:各擋位超調量基本一致。其中,第2擋位超調量為最大超調量,電磁開關閥最大超調量如圖7所示,數值為0.01 MPa,其數值符合實際工程中的要求范圍內。

圖7 電磁開關閥最大超調量

電磁開關閥響應時間基本穩定,最長響應時間如圖8所示,時間為0.15 s。

圖8 電磁開關閥響應時間

在0擋狀態下,由于空氣壓力為0.1 MPa,導致液力緩速器工作腔中的氣體未完全排出,因此存在0.01 MPa的誤差值,該誤差在實際工作情況下可被接受。

經查閱FAST公司相同型號液力緩速器各擋位氣壓分別為0.1、0.5、1.2、1.6 MPa。VOITH公司液力緩速器各擋位氣壓分別為2.80、3.10、3.25、3.40 MPa。實驗采集FAST公司與VOITH公司液力緩速器的比例壓力閥在換擋情況下響應時間,使用MATLAB軟件繪制曲線,兩公司比例壓力閥更換擋位響應時間曲線分別如圖9、圖10所示。

圖9 FAST公司比例壓力閥更換擋位響應時間

圖10 VOITH公司比例壓力閥更換擋位響應時間

由圖9可知,FAST的比例壓力閥的響應最短時間出現在3擋更換為2擋的情況下,響應時間200 ms,最長時間出現在3擋升4擋的過程,響應時間1 850 ms,平均響應時間687 ms。由圖10可知,VOITH的比例壓力閥響應時間最短時間在2擋降1擋的過程中,響應時間220 ms,最長時間出現在3擋升4擋的過程中,其響應時間600 ms,平均響應時間372 ms。而電磁開關閥的響應時間最長出現在0擋升1擋,響應時間180 ms,各擋位響應時間對比見表2所列。使用電磁開關閥大大縮短了液力緩速器更換擋位的響應時間。由于氣體的可壓縮性,使用電磁開關閥時,會存在一定超調量。而比例壓力閥能連續、按比例地控制系統的壓力與流量,氣體的可壓縮性影響較小,因此其超調量小于電磁開關閥。可通過PID與PWM波的控制方式使電磁開關閥超調量減小至工程中可被接受的范圍。

3 電磁開關閥實驗驗證及結果分析

為驗證模型的準確性,電磁開關閥實驗臺如圖11所示,實驗原理如圖12所示。實驗所用氣源容量為50 L的空壓機,開啟電磁開關閥的電流為1 A,通過電源設置的電流信號值通過控制器到達電磁開關閥的輸入端口,開啟和關閉電磁開關閥,氣源提供的高壓氣體通過電磁開關閥到達液力緩速器的工作腔內,工作腔內的壓力傳感器讀取壓力值并將信號發送給控制器,控制器再次調節電磁開關閥芯的通斷,以控制工作腔內的充液率。

圖11 實驗臺架

圖12 實驗原理圖

實測曲線與仿真曲線對比情況如圖13所示,仿真曲線與實測采集曲線基本吻合,達到預期目標,能精確實現氣壓和充液率控制。實測壓力曲線的最大超調量為0.015 MPa,在升擋脈沖過后壓力可以穩定在目標壓力上下,實現液力緩速器精確換擋功能。在真實工況下,縮小進氣氣路的管路直徑可穩定各擋位壓力,減少氣體本身性質導致的超調量。

圖13 實測壓力曲線與仿真曲線對比

4 結 論

本文使用電磁開關閥代替比例壓力閥控制液力緩速器工作腔內的充液率,通過仿真與實驗的方法得到數據并整理分析,證實了使用電磁開關閥代替比例壓力閥控制液力緩速器的優勢。使用電磁開關閥控制液力緩速器,其響應時間相較于比例壓力閥式液力緩速器的響應時間大大縮短,實現了對液力緩速器的快速控制及各擋位的精確控制。通過控制策略的優化,氣壓超調量處于工程實踐中可允許的范圍內。