施　巖，陸　藝，王學(xué)影，羅　哉

(1．中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院汽車零部件檢測(cè)試驗(yàn)室，浙江杭州　310018；2．杭州沃鐳科技有限公司，浙江杭州　310018)

0　引言

氣制動(dòng)閥是汽車制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在制動(dòng)過程中使氣壓與制動(dòng)操縱力(或踏板行程)成一定比例關(guān)系輸出，是氣壓行車制動(dòng)系統(tǒng)中的控制單元，在制動(dòng)響應(yīng)過程和釋放過程中實(shí)現(xiàn)靈敏的隨動(dòng)控制。制動(dòng)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度直接影響制動(dòng)距離和整車制動(dòng)系統(tǒng)的性能，對(duì)汽車行車安全有決定性作用[1]。對(duì)于氣壓制動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，其制動(dòng)響應(yīng)過程是指從氣制動(dòng)閥感受踏板力到最終制動(dòng)氣室輸出工作氣壓力所需的時(shí)間；由于制動(dòng)閥內(nèi)部各元件動(dòng)力傳遞關(guān)系復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型非線性嚴(yán)重，研究閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)制動(dòng)閥動(dòng)態(tài)特性的影響困難[2]。因此引入多領(lǐng)域建模軟件AMEsim對(duì)氣制動(dòng)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模，采用基于物理模型的圖形化建模方式，避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)。目前該軟件已應(yīng)用于車輛、航空航天及重型設(shè)備等行業(yè)。

1　氣制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)和工作原理

文中以某公交客車的制動(dòng)系統(tǒng)中串聯(lián)雙腔制動(dòng)閥為研究對(duì)象，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行分析。圖1、圖2分別為制動(dòng)閥三維圖和結(jié)構(gòu)原理圖。制動(dòng)閥由上、下兩路獨(dú)立的氣壓回路構(gòu)成，當(dāng)其中一腔制動(dòng)失效時(shí)，確保另一腔仍可正常工作。制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)踏板踩下，推桿推動(dòng)活塞下移，關(guān)閉排氣口并打開進(jìn)氣口，壓縮空氣經(jīng)制動(dòng)閥進(jìn)入制動(dòng)氣室產(chǎn)生制動(dòng)力。當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入制動(dòng)閥內(nèi)部時(shí)，與推桿制動(dòng)力以及彈簧回位力共同作用，實(shí)現(xiàn)閥的動(dòng)態(tài)平衡過程。

通過上述分析得出制動(dòng)閥通過氣口開閉來控制高壓氣體的輸出，內(nèi)部主體元件有推桿、小活塞、橡膠平衡彈簧、回位彈簧、進(jìn)氣閥芯、大活塞以及閥口。通過制動(dòng)推桿力、氣壓力和彈簧恢復(fù)力平衡作用實(shí)現(xiàn)制動(dòng)閥的增壓、保壓和減壓基本作用。

圖1　制動(dòng)閥三維結(jié)構(gòu)圖

1—橡膠平衡彈簧；2—上腔小活塞；3—活塞回位彈簧；4—上腔進(jìn)氣閥芯；5—閥芯回位彈簧；6—下腔活塞；7—下腔進(jìn)氣閥芯；8—閥芯回位彈簧；9—閥座；M11—上腔進(jìn)氣口；M21—上腔出氣口；M12—下腔進(jìn)氣口；M22—下腔出氣口；M3—排氣口

2　氣制動(dòng)閥建模

2．1運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析

制動(dòng)閥的進(jìn)氣口和排氣口的開閉是通過活塞和閥芯的接觸分離完成的，活塞與閥芯之間有間隙，即空行程xk．踏板踩下，推動(dòng)活塞移動(dòng)關(guān)閉排氣口，此時(shí)x2=0?；钊氖芰?/p>

(1)

式中：x0為橡膠平衡彈簧位移；x1為活塞行程；x2為閥芯行程；Ft為輸入踏板力；k0為平衡彈簧彈性系數(shù)；k1為活塞回位彈簧彈性系數(shù)；Fps為回位彈簧預(yù)壓力。

加大踏板輸入力，活塞繼續(xù)移動(dòng)，打開進(jìn)氣口，從M11口來的高壓氣體進(jìn)入制動(dòng)閥腔室，高壓氣體產(chǎn)生的力作用于活塞和閥芯的承壓面上。此時(shí)xk=x1，x1-xk=x2?；钊南卤砻婧烷y芯均有氣壓力作用，其受力分別為：

(2)

(3)

式中：p1為出氣口壓力；p2為進(jìn)氣口壓力；Fpp為活塞傳遞給閥芯的合力；Fss為閥芯回位彈簧預(yù)壓力；Apd為活塞下表面承壓面；Asu為閥芯上表面承壓面；Asd為閥芯下表面承壓面。

上述公式是對(duì)制動(dòng)閥上腔動(dòng)態(tài)平衡過程的力學(xué)分析公式，制動(dòng)閥下腔制動(dòng)過程與上腔相同。當(dāng)上腔失效時(shí)，仍可以通過踩踏制動(dòng)踏板來控制制動(dòng)閥下腔，從而獲得一定的制動(dòng)力。分析制動(dòng)閥的受力模型可幫助使用AMEsim對(duì)氣制動(dòng)閥建模時(shí)選取各元件的數(shù)學(xué)子模型[3]。

2．2模型建立

制動(dòng)閥制動(dòng)是機(jī)械和氣動(dòng)的相互作用完成控制的過程，為了準(zhǔn)確地對(duì)此類系統(tǒng)進(jìn)行仿真，采用多領(lǐng)域仿真軟件AMEsim對(duì)制動(dòng)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。在上述理論分析的基礎(chǔ)上，選取AMEsim中信號(hào)庫(kù)、機(jī)械庫(kù)、氣動(dòng)庫(kù)以及氣動(dòng)元件設(shè)計(jì)庫(kù)中的相關(guān)元件，根據(jù)閥的結(jié)構(gòu)搭建制動(dòng)閥模型。其中通過一個(gè)帶有環(huán)形截面口的噴嘴閥來控制進(jìn)氣和排氣[4]，通過設(shè)定節(jié)流口面積改變節(jié)流效果，從而實(shí)現(xiàn)氣壓的變化；質(zhì)量塊模擬活塞和閥芯的質(zhì)量、慣性和摩擦，完成活塞和閥芯的機(jī)械運(yùn)動(dòng)；橡膠平衡彈簧具有變剛度的特點(diǎn)，不能直接使用普通機(jī)械彈簧，選用橡膠材質(zhì)的阻尼彈簧模擬；制動(dòng)閥閥芯外徑為橡膠材質(zhì)，因此活塞與閥門之間的接觸為非剛性接觸，選用彈性接觸塊模擬活塞與閥芯間接觸。圖3為建立的串聯(lián)雙腔制動(dòng)閥模型。

圖3　串聯(lián)雙腔制動(dòng)閥AMEsim模型

通過可變氣室觀察輸出氣壓值。根據(jù)制動(dòng)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)建立的制動(dòng)閥模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，見表1。

表1　氣制動(dòng)閥模型仿真參數(shù)

3　制動(dòng)閥仿真分析

輸入氣壓值不同時(shí)，制動(dòng)閥響應(yīng)速度不同，響應(yīng)速度見圖4。氣壓力越大，響應(yīng)速度越快。但氣制動(dòng)閥的工作氣壓范圍為550～800 kPa，在工作氣壓范圍內(nèi)，氣壓力大小對(duì)制動(dòng)閥響應(yīng)速度影響較小。

圖4　輸入氣壓對(duì)制動(dòng)閥響應(yīng)速度影響

橡膠平衡彈簧是有較大彈性變形的變剛度彈簧，容易滿足非線性要求，當(dāng)平衡彈簧剛度發(fā)生變化時(shí)，對(duì)制動(dòng)閥的響應(yīng)時(shí)間、壓力保持以及釋放時(shí)間均有較明顯的影響。不同剛度值的橡膠彈簧對(duì)制動(dòng)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響見圖5。從圖中可以看出，當(dāng)平衡彈簧剛度變化超出一定范圍時(shí)，制動(dòng)閥動(dòng)特性變化不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，導(dǎo)致制動(dòng)閥制動(dòng)失效。

圖5　橡膠平衡彈簧對(duì)制動(dòng)閥動(dòng)特性影響

圖6為當(dāng)制動(dòng)閥進(jìn)氣口大小發(fā)生變化時(shí)對(duì)應(yīng)的制動(dòng)閥響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)閥口內(nèi)徑發(fā)生變化時(shí)，對(duì)氣壓響應(yīng)速度有明顯影響，孔口內(nèi)徑增大，氣壓上升速度加快。

4　制動(dòng)閥動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4．1動(dòng)特性測(cè)試方法分析

根據(jù)GB12676-1999和GB7258-2012規(guī)定，氣壓制動(dòng)系統(tǒng)額定工作氣壓為800 kPa，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間指在0.2 s內(nèi)制動(dòng)踏板達(dá)到規(guī)定最大行程，從制動(dòng)踏板動(dòng)作起至最不利的制動(dòng)氣室內(nèi)壓力達(dá)到其穩(wěn)定的75％所經(jīng)歷的時(shí)間不得超過0.6 s．制動(dòng)完全釋放時(shí)間指從制動(dòng)踏板動(dòng)作起至最不利的制動(dòng)氣室內(nèi)壓力達(dá)到其穩(wěn)定的15％所經(jīng)歷的時(shí)間，對(duì)兩軸汽車應(yīng)≤0.80 s，對(duì)三軸及三軸以上汽車應(yīng)≤1.2 s。

圖6　閥口直徑對(duì)制動(dòng)閥響應(yīng)速度影響

為了達(dá)到0.2 s內(nèi)快速加載，同時(shí)不損壞產(chǎn)品，采用低摩擦快速氣缸模擬快速制動(dòng)的加載方式，利用高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)獲取回路氣壓值，通過特征點(diǎn)提取計(jì)算出制動(dòng)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間?？焖僦苿?dòng)過程時(shí)，氣源對(duì)氣缸充氣，氣缸推動(dòng)頂桿快速前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，加載速度達(dá)到1 000 mm/s，制動(dòng)時(shí)間小于0.2 s，滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)加載要求，氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)如圖7所示，制動(dòng)閥測(cè)試參數(shù)條件見表2。

1—?dú)庠矗?—過濾器；3—調(diào)壓閥；4—?dú)鈮罕恚?、8、9—電磁閥；6—電氣比例閥；7、10—儲(chǔ)氣罐；11、12—?dú)鈮簜鞲衅鳎?3—?dú)庵苿?dòng)閥

表2　氣制動(dòng)閥測(cè)試條件

4．2仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，必須保證仿真條件與實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件一致。由2個(gè)恒定氣源(恒壓800 kPa，溫度293.15 K)模擬制動(dòng)閥上下腔的供氣氣壓；信號(hào)輸入為踏板力(2 500～3 000 N)，在0.2 s上升至最大值，保持一段時(shí)間后釋放制動(dòng)力；仿真時(shí)間設(shè)定為10 s，步長(zhǎng)為0.01 s，仿真環(huán)境設(shè)為動(dòng)態(tài)仿真。

圖8和圖9所示分別為制動(dòng)閥響應(yīng)特征和釋放特性的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，其中虛線為串聯(lián)制動(dòng)閥上腔氣壓，實(shí)線為串聯(lián)雙腔制動(dòng)閥下腔氣壓。仿真結(jié)果曲線與試驗(yàn)曲線結(jié)果趨勢(shì)一致。通過結(jié)果對(duì)比分析可知：制動(dòng)閥響應(yīng)時(shí)間，上腔仿真結(jié)果為0.21 s，試驗(yàn)結(jié)果為0.25 s，下腔仿真時(shí)間為0.23 s，試驗(yàn)結(jié)果為0.27 s；釋放時(shí)間，上腔仿真結(jié)果為0.38 s，試驗(yàn)結(jié)果為0.21 s，下腔仿真結(jié)果為0.43 s，試驗(yàn)結(jié)果為0.22 s。

釋放時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于仿真結(jié)果，這是因?yàn)樵趯?shí)際氣壓制動(dòng)系統(tǒng)工作中，為加速壓力釋放一般會(huì)在制動(dòng)氣室處加入快放繼動(dòng)閥，而文中只針對(duì)制動(dòng)閥建模，并沒有建立快放閥的模型，但對(duì)于驗(yàn)證模型并不影響，可在今后研究中進(jìn)一步完善。

(a)響應(yīng)時(shí)間曲線

(b)釋放時(shí)間曲線

5　結(jié)論

文中運(yùn)用AMEsim建立了氣制動(dòng)閥的物理模型，通過仿真分析了制動(dòng)閥本身內(nèi)部元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)制動(dòng)閥動(dòng)態(tài)特性的影響，并通過試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，輸入氣壓、平衡彈簧剛度以及閥口開口大小對(duì)制動(dòng)閥的響應(yīng)時(shí)間和釋放時(shí)間均有不同程度的影響，其中橡膠平衡彈簧剛度對(duì)制動(dòng)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性影響顯著。

該模型可用于分析不同型號(hào)制動(dòng)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)制動(dòng)閥的性能影響，同時(shí)也可建立整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的模型分析汽車制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)性能，為制動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及整車制動(dòng)系統(tǒng)研究提供數(shù)據(jù)支持。

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(a)上腔動(dòng)特性試驗(yàn)曲線

(b)下腔動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)曲線

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