張利娟

摘 要：本文簡(jiǎn)述了排氣閥在整個(gè)制動(dòng)回路中的位置和作用，詳述了其工作原理，重點(diǎn)闡述了1203015-KE300排氣閥總成的性能要求和設(shè)計(jì)計(jì)算等。

關(guān)鍵詞：排氣制動(dòng)閥；原理設(shè)計(jì)；背壓

中圖分類號(hào)：TK421+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）03-0095-06

The Structure And Principle Design of Exhaust Brake Valve

ZHANG Li-juan

（ Knorr-Bremse DETC Commercial Vehicle Braking Technology Co.， Ltd.，

Shiyan442062， China ）

Abstract： This article simply introduces the position and function of the exhaust brake valves in whole brake system and particularly relates working principle， This paper expatiates the performance demand and design computation of 1203015-KE300 exhaust brake valves.

Key Words： Exhaust Brake Valves； Principle Design； Back Pressure

1 前言

中重型汽車在下長(zhǎng)坡等工況下頻繁使用主制動(dòng)器會(huì)使制動(dòng)系統(tǒng)的熱負(fù)荷非常大而制動(dòng)系統(tǒng)又無(wú)法及時(shí)將熱量釋放到周圍環(huán)境使得制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄的溫度過高磨損較快，從而使主制動(dòng)器失去部分或全部的制動(dòng)效能，這將嚴(yán)重影響主制動(dòng)系統(tǒng)的連續(xù)制動(dòng)的效能，從而影響制動(dòng)的安全性。而采用輔助制動(dòng)裝置就可以減少主制動(dòng)系統(tǒng)的使用頻率，減少因制動(dòng)器連續(xù)使用產(chǎn)生的制動(dòng)器溫度過高，效能下降，磨損嚴(yán)重等一系列問題。因此，輔助制動(dòng)裝置的應(yīng)用越來越廣泛。輔助制動(dòng)裝置主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)器、排氣制動(dòng)閥、液力緩速器和電渦流緩速器，而排氣制動(dòng)閥作為一種性價(jià)比最高的輔助制動(dòng)裝置在中重型汽車及客車上被廣泛應(yīng)用。

2 排氣制動(dòng)閥在排氣制動(dòng)裝置的位置和主要作用

電控氣動(dòng)式排氣制動(dòng)裝置（見圖1）有排氣制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)和斷油機(jī)構(gòu)三部分組成。排氣制動(dòng)閥和排氣制動(dòng)缸為排氣制動(dòng)裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。排氣制動(dòng)開關(guān)、油門踏板、和離合器踏板聯(lián)動(dòng)開關(guān)、排氣制動(dòng)工作指示燈、電磁閥和空氣管等構(gòu)成控制機(jī)構(gòu)，停油缸等則組成斷油機(jī)構(gòu)。

1-蓄電池；2-排氣制動(dòng)開關(guān)；3-排氣制動(dòng)工作指示燈；

4-離合器聯(lián)動(dòng)開關(guān)；5-加速踏板（油門）聯(lián)動(dòng)開關(guān)；

6-排氣制動(dòng)閥；7-排氣制動(dòng)缸；8-電磁閥；9-儲(chǔ)氣筒

排氣制動(dòng)系統(tǒng)是由操縱缸和閥體組成的排氣制動(dòng)閥以及控制電磁閥，供氣管、電器、電路等組成，排氣制動(dòng)閥被安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上。排氣制動(dòng)時(shí)，按下排氣制動(dòng)開關(guān)按鈕，排氣制動(dòng)閥的蝶形閥機(jī)構(gòu)關(guān)閉排氣通道，使發(fā)動(dòng)機(jī)活塞在排氣行程時(shí)受到氣體的反壓力，阻滯發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生制動(dòng)作用，達(dá)到控制車速的目的。

當(dāng)排氣制動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)，閥體中的閥片關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)在排氣沖程時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸和排氣管內(nèi)的廢氣被壓縮，這一過程所消耗的功，就產(chǎn)生對(duì)汽車的制動(dòng)力。制動(dòng)力的大小隨排氣管和發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)壓力（發(fā)動(dòng)機(jī)背壓）的升高而增大。汽車裝有排氣制動(dòng)閥有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）汽車下長(zhǎng)坡時(shí)，行車制動(dòng)的作用次數(shù)和作用時(shí)間可顯著減少，防止制動(dòng)器過熱和制動(dòng)力衰退，保持制動(dòng)器始終處于良好狀態(tài)。延長(zhǎng)了蹄片的壽命，減輕了駕駛員制動(dòng)過程的疲勞，有利于環(huán)保。

（2）排氣制動(dòng)是壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣管中的氣體而產(chǎn)生的制動(dòng)。因此制動(dòng)柔和、無(wú)沖擊、減少零件的沖擊載荷，可延長(zhǎng)相關(guān)零件的使用壽命，減少保養(yǎng)次數(shù)。

（3）排氣制動(dòng)是通過傳動(dòng)系傳遞到驅(qū)動(dòng)輪的。驅(qū)動(dòng)橋的差速器將制動(dòng)力矩平均分配到左、右車輪上。減少了汽車側(cè)滑的傾向，行車時(shí)，具有安全感，可提高汽車的平均車速。

（4）排氣制動(dòng)的停油開關(guān)具有一定的節(jié)油效果。

為滿足國(guó)內(nèi)商用車發(fā)展趨勢(shì)及整車需求，根據(jù)東風(fēng)商用車4H發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目進(jìn)度要求，我公司開發(fā)該發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣制動(dòng)閥1203015-KE300。

3 排氣制動(dòng)閥總成的結(jié)構(gòu)和工作原理

排氣制動(dòng)閥總成主要有：操縱缸分總成（圖1中的排氣制動(dòng)缸）、聯(lián)接部分、蝶閥分總成（圖1中的排氣制動(dòng)閥）三部分構(gòu)成（見圖2），其中操縱缸分總成為控制機(jī)構(gòu)、蝶閥分總成為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖2所示為排氣制動(dòng)閥總成非工作狀態(tài)，當(dāng)需要進(jìn)行排氣制動(dòng)時(shí)，來自貯氣筒的壓縮空氣經(jīng)操縱缸分總成進(jìn)氣口充入操縱缸，推動(dòng)活塞，通過連桿機(jī)構(gòu)使蝶閥片完全關(guān)閉。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)要求

應(yīng)商用車技術(shù)中心要求：

1. 確保產(chǎn)品密封部位（操縱缸、閥體端面等）密封可靠；

2. 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（操縱缸、蝶閥軸總成等）靈活不干涉；

3. 總成性能（耐高溫性、背壓等）滿足技術(shù)要求。

4.2 結(jié)構(gòu)選型

以滿足客戶要求為為前提，并根據(jù)客戶總成功能圖要求，參照現(xiàn)有排氣制動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，借用現(xiàn)有操縱缸、壓鉚結(jié)構(gòu)蝶閥、不銹鋼軸承、高分子石墨墊和泄漏槽等結(jié)構(gòu)，降低了新品開發(fā)費(fèi)用。

采用方案如下：

整體結(jié)構(gòu)采用圖2結(jié)構(gòu)形式。具體如下：

（1）操縱缸分總成選用雷諾排氣制動(dòng)閥操縱缸（內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3），缸體內(nèi)徑為φ35mm。

（2）閥體內(nèi)經(jīng)為φ63mm。

（3）增加閥體強(qiáng)度

閥體法蘭面連接處，三孔臺(tái)階增加5mm高度，在吊耳處增加R5的倒圓，來增加閥體的連接強(qiáng)度，降低斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

5 操縱缸活塞行程計(jì)算

5.1.1 活塞工作行程計(jì)算

c=40 b=205

L1 =

=181.88

L2 =

=221.88

于是，蝶閥片從全開位置到全閉位置，活塞的行程為

L = L2- L1=40mm

操縱缸內(nèi)活塞允許行程到達(dá)極限位置時(shí)空間位置尺寸：

L=33.7mm

活塞行程滿足設(shè)計(jì)要求。

5.1.2 活塞受力分析

F氣——進(jìn)氣口氣壓作用在活塞上的力（N）

F彈——回位彈簧作用在活塞上的力（N）

F氣——進(jìn)氣口氣壓作用在活塞上的力（N）

F彈——回位彈簧（兩個(gè)串聯(lián)彈簧）作用在活塞上的力（N）

（根據(jù)缸筒和推桿工作位置計(jì)算推桿行程，計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖6）

已知：?jiǎn)蝹€(gè)彈簧內(nèi)徑D2=25.5；d=2.5；n=5.5； n1=7.5；H0=65；

初始位置預(yù)拉伸時(shí)兩個(gè)彈簧變形長(zhǎng)度

L1=65×2-88.9-2=39.1；

完全關(guān)閉時(shí)兩個(gè)彈簧變形長(zhǎng)度

L2=39.1+40（推桿行程）=79.1；

單個(gè)彈簧的剛度K = =4.2（N/mm）

兩個(gè)串聯(lián)彈簧的剛度

k=k1×k2/（k1+k2）= =2.11（N/mm）

F初 = k×L1=82.5（N）

F關(guān) = k×L2=177.9（N）

活塞面積S= = =961.625（mm2）

蝶閥片開始關(guān)閉時(shí)的氣壓為

P開=F初 /S= 86（kPa）

蝶閥片完全關(guān)閉時(shí)的氣壓為

P關(guān)=F關(guān) /S= 195（kPa）

進(jìn)氣口額定氣壓為P=800kPa

則蝶閥片完全關(guān)閉時(shí)推桿伸出的力為

F桿=P×S- F關(guān)==591.4（N）

5.1.3 最大輸出力矩（Mmax）

P=0.8MPa

L2 = 221.88

β=arcos（ ）=61.7°

M有效=F桿×L×cos（90-β）

=591.4×40×COS28.3°×10-3

=20.8N.m

5.2 彈簧的計(jì)算校核

回位彈簧3541LN-024：

材料：琴鋼絲

許用抗拉強(qiáng)度σb =1814MPa

彈簧的許用剪切應(yīng)力[τ]=0.5σb =907MPa

彈簧自由高度H0=65mm

彈簧鋼絲直徑d=2.5mm 彈簧外徑D=28mm

彈簧中徑D2=D-d=25.5mm

C= D2 /d=10.2

彈簧有效圈數(shù)n=5.5

單個(gè)彈簧剛度J=Gd/8C n=4.2 N/m

兩個(gè)串聯(lián)彈簧的剛度

k=k1×k2/（k1+k2）= =2.11（N/mm）

彈簧工作載荷：（見4活塞受力分析）

蝶閥片全開時(shí)推桿輸出力：

F初=k×L1=82.5（N）

蝶閥片全閉時(shí)推桿輸出力（即最大輸出力）：F關(guān)= k×L2=177.9（N）

彈簧旋繞比：

λ=（4C-1）/（4C-4）-0.615/C=1.005

彈簧最大剪切應(yīng)力：

τmax=λ×8 D2Fmax/（πd ）=743.18MPa

τmax<[τ]，故彈簧設(shè)計(jì)滿足使用要求

5.3 密封性設(shè)計(jì)

密封性設(shè)計(jì)是汽車制動(dòng)閥類產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要組成部分，此類產(chǎn)品通常采用O型圈密封，工藝性好，性能可靠。影響O型圈密封的因素主要有以下幾點(diǎn)：O型圈的尺寸，材料硬度，安裝時(shí)的壓縮率，密封面的光潔度，介質(zhì)內(nèi)壓以及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度等，對(duì)于O型圈不論是動(dòng)密封還是靜密封，在保證密封的前提下，壓縮率的選擇必須適當(dāng)，壓縮率太大，活塞運(yùn)動(dòng)阻力大，O型圈壽命短，壓縮率過小，則密封不嚴(yán)，運(yùn)動(dòng)中還易發(fā)生振動(dòng)。

操縱缸常用工作氣壓是0.6MPa ，在機(jī)械密封中壓力是比較低的，在這種情況下，橡膠硬度一般選擇在紹爾70°左右。同時(shí)排氣制動(dòng)閥安裝位置在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上，靠近發(fā)動(dòng)機(jī)，溫度較高，因此O型圈材料應(yīng)選用耐高溫材料。

O型圈結(jié)構(gòu)尺寸見圖8：

活塞式動(dòng)密封（見圖9）計(jì)算

d1=φ28.5±0.22 d2=3.47±0.1

d3=φ d4=φ

壓縮量：

E1max=d2max- =3.57- =0.57

E1min=d2min- =3.37- =0.308

壓縮率：

K1max= ×100%= ×100%=16.9%

K1min= ×100%= ×100%=8.6%

預(yù)拉伸率：

X1max= ×100%= ×100%=2.1%

X1min= ×100%= ×100%=0.8%

5.4 蝶閥部分設(shè)計(jì)計(jì)算

5.4.1蝶閥部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)，見圖10：

蝶閥片和蝶閥軸通過可在閥體內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。

5.5 排氣背壓計(jì)算

由于此總成是非偏心結(jié)構(gòu)，無(wú)法在設(shè)計(jì)階段估算出在發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速下的背壓值。只能在試制樣件的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上摸索出轉(zhuǎn)速和背壓的關(guān)系，及背壓是否滿足客戶需求。背壓值通過蝶閥片與閥體的間隙來控制，通過限位螺栓來進(jìn)行調(diào)整。

5.6 兩側(cè)中心高度計(jì)算

計(jì)算兩側(cè)中心高度：

支撐軸一側(cè)：

長(zhǎng)軸一側(cè)：

即：兩側(cè)中心高度偏差：

因?yàn)槁?lián)接叉的內(nèi)部間距為8.5±0.1mm，兩側(cè)中心高度偏差可以有

（8.5±0.1- ）mm的余量，可以包容以上計(jì)算高度差，所以不會(huì)發(fā)生干涉、發(fā)卡現(xiàn)象。

5.7 配合尺寸計(jì)算

3541KE300-046不銹鋼襯套配合尺寸：

外徑：φ 23.5

內(nèi)徑：φ 17.5

與之配合的閥體尺寸：內(nèi)徑：φ 23.5H8

與之配合的長(zhǎng)軸外徑：φ 17.5

外徑處間隙量：0.065～0.131

內(nèi)徑處間隙量：0.15～0.236

1203015-KM800-049石墨墊配合尺寸：

外徑：φ 27.5

內(nèi)徑：φ 12.3

與之配合的閥體尺寸：內(nèi)徑：φ 27.5

與之配合的長(zhǎng)軸外徑：φ 12.3

外徑處間隙量：0～0.2

內(nèi)徑處間隙量：0～0.17

3541KE300-042蝶閥片配合尺寸：

蝶閥片外徑：φ 62

蝶閥片厚： 4

與之配合的閥體尺寸：內(nèi)徑：φ 62

與之配合的長(zhǎng)軸及短軸開槽尺寸：3.9

蝶閥片與閥體間隙：0.1～0.274

蝶閥片與軸裝配過盈量：0.05～0.2

閥體材料QT400，膨脹系數(shù)為13.2×10-6

蝶閥片材料為鋼，膨脹系數(shù)為19.3×10-6

蝶閥片的膨脹量為：

19.3×10-6×62×700=0.837

閥體的膨脹量為： 13.2×10-6×62×700=0.573

蝶閥片比閥體膨脹的快，高溫下兩者的膨脹量差值為0.264，

因該總成的背壓不易確定，故閥體與蝶閥片的間隙需根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況再做相應(yīng)調(diào)整。

5.8 計(jì)算推桿與連接叉螺紋配合尺寸

計(jì)算活塞工作行程時(shí)，

初始位置尺寸為181.88

連接叉中心距端面距離為33

因此推桿與連接叉的螺紋配合尺寸為

23+135+33-181.88=9.12；

結(jié)論：

根據(jù)以上理論計(jì)算可以看出，目前設(shè)計(jì)的產(chǎn)品圖紙，從理論上能符合功能圖紙的要求，但應(yīng)經(jīng)過產(chǎn)品試制驗(yàn)證，并應(yīng)進(jìn)行耐久、振動(dòng)和裝車使用等工作，以確信產(chǎn)品開發(fā)的成功性。

6 全文總結(jié)與展望

通過對(duì)排氣制動(dòng)閥的深入計(jì)算，特別是完成該的設(shè)計(jì)開發(fā)，使自己對(duì)公司此類產(chǎn)品有了更深入的掌握。各項(xiàng)性能試驗(yàn)表明，本次設(shè)計(jì)是可靠的，結(jié)構(gòu)、性能等各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足東風(fēng)商用車整車的需要，壯大了公司在國(guó)內(nèi)整車的配套市場(chǎng)，也為公司以后開拓更大的市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。

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