王家華

摘 要：排氣輔助制動器屬于汽車輔助制動的一種，對汽車下長坡工況的安全起到關(guān)鍵作用。本論文對實(shí)踐中遇到的排氣輔助制動的故障做深入分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)，解決了排氣排氣輔助制動器設(shè)計(jì)上的誤區(qū)，降低了排氣輔助制動器的故障概率。關(guān)鍵詞：運(yùn)動機(jī)構(gòu);失效;約束;腐蝕中圖分類號：U463.51? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）01-85-05

Abstract： Exhaust Auxiliary Brake belong to Truck Auxiliary Brake， It is a key element of Downhill condition for the heavy duty truck. It is fully discussed the failure and evaluation of Exhaust Auxiliary Brake in this paper. Meanwhile， the wrong design method being corrected for descending the failure rate.Keywords： motion mechanism; failure; restrain; erosionCLC NO.： U463.51 ?Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）01-85-05

1 前言

卡車在下長坡工況時(shí)常常需要使用輔助制動，以減少使用行車制動，降低行車制動的熱衰退，以保證行車安全。常用的輔助制動包括發(fā)動機(jī)缸內(nèi)制動、液力緩速器、電渦流緩速器以及排氣輔助制動器。

各類緩速器各有其特點(diǎn)，其工作原理以及優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，其中排氣輔助制動器在排氣管路上安裝蝶閥，在發(fā)動機(jī)的壓縮和排氣沖程都能壓縮空氣，消耗動能，具有無需改動發(fā)動機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。由于排氣輔助制動器受到汽車尾氣的腐蝕和高溫的影響，工作在高溫、高腐蝕條件下，容易發(fā)生故障，導(dǎo)致輔助制動失效，因此對排氣輔助制動器的常見故障進(jìn)行分析以及對排氣輔助制動器的進(jìn)一步改進(jìn)對提高排氣輔助制動的可靠性，保證下坡制動安全具有較為重要的意義。

2 排輔故障的常見形式和發(fā)生機(jī)理

根據(jù)某整車市場和道路試驗(yàn)反饋的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選擇故障最多的排氣輔助制動器進(jìn)行分析，以充分暴露存在的問題。根據(jù)圖1所示，選定故障數(shù)量為61例，概率為56.48%的故障件，對其失效形式和失效機(jī)理進(jìn)行研究。

2.1 故障件拆解分析

如圖2和表2所示，經(jīng)過拆解分析，61例故障件中33例為芯軸嚴(yán)重銹蝕，2例氣缸進(jìn)灰，6例電磁閥故障，其余為拆解無法確定原因。經(jīng)拆解可知，芯軸銹蝕是發(fā)生故障的重要原因。

2.2 排輔結(jié)構(gòu)和動力學(xué)分析

排輔蝶閥運(yùn)動的動力來源是氣缸，氣缸必須提供足夠的推力來克服各種阻力來實(shí)現(xiàn)碟片轉(zhuǎn)動，故障件排輔的剖面結(jié)構(gòu)見圖3所示。氣缸6有桿腔無泄氣口，當(dāng)左側(cè)無桿腔通入高壓情況下，活塞帶動活塞桿向右側(cè)運(yùn)動，右側(cè)腔體積縮小，由于右側(cè)無泄氣口，僅僅靠活塞桿4與襯套7配合間隙（最大為0.14mm）實(shí)現(xiàn)泄氣，因此在推動活塞桿時(shí)將產(chǎn)生較大阻滯力，容易發(fā)生卡滯故障。

2.2.1 推力計(jì)算

注：

P1=0.9MPa——左側(cè)無桿腔通入的空氣絕對壓強(qiáng)

S1=3.14×252/4mm2——左側(cè)活塞有效面積

P0=0.1MPa——大氣壓

S2=3.14×（252-102）mm2——活塞右側(cè)有效面積

S3=3.14×102 /4mm2——活塞桿截面積

Ft——彈簧力，根據(jù)彈簧鋼度計(jì)算。

k=3.517N/mm——彈簧剛度

F1——活塞左側(cè)受力

F2——活塞右側(cè)受力

F3——活塞桿因大氣壓產(chǎn)生的力

Fm——活塞與氣缸內(nèi)壁處摩擦力

F0——活塞桿頂端的工作力

Fz——考慮氣缸蓋兩側(cè)的壓力差產(chǎn)生的阻力

1

2

活塞左側(cè)受到F1作用力，右側(cè)受到F2、F3作用，以及彈簧力Ft，除此之外還受到與運(yùn)動方向有關(guān)的活塞摩擦阻力Fm、活塞桿頂端的推動阻滯力F0。

根據(jù)故障件排氣輔助制動器結(jié)構(gòu)，當(dāng)排輔開始工作時(shí)，活塞將帶動活塞桿由圖5所示位置推動曲柄轉(zhuǎn)動105°到達(dá)止動位置（由止動螺栓頂住曲柄）。由圖5可知，活塞由最左側(cè)運(yùn)動到止動位置，彈簧壓縮距離為：182.91-221.12=-38.21mm。如圖6所示，從三維模型上測量活塞在最左端位置時(shí)，彈簧長度為13+51.39=64.39mm，最右端位置時(shí)長度為64.39-38.21=28.16mm，同時(shí)如圖6所示彈簧剛度圖，當(dāng)活塞在最左端時(shí)彈簧力為：

Ft=68+（65.5-64.39）×3.517=71.9N

當(dāng)活塞在到達(dá)右側(cè)止動位置時(shí)彈簧力Ft為：

Ft=193+（30.5-26.18）×3.517=208.2N

F1=P1×S1=0.9×3.14×252/4=441.6N

F2+F0=P0×S2+P0×S3=P0×S1=0.1×3.14×252/4=196.3N

由此左側(cè)氣壓產(chǎn)生的推力克服彈簧力后剩余441.6-196.3=37.1N。然而還有活塞摩擦力Fm、阻力Fz，活塞桿頂端工作力F0，這幾個(gè)力中阻滯力Fz應(yīng)是最大的力，會造成活塞運(yùn)動緩慢?？p隙阻滯力計(jì)算[2]如下：

假設(shè)活塞桿與襯套之間為同心狀態(tài)，計(jì)算公式如左圖所示：

Δp=12μ×Q×12/（3.14×10.14×0.073 ）

μ——空氣的動力粘度：17.9×10-6Pas

Q——空氣流量：

L——縫隙長度：12mm

流量Q與活塞運(yùn)動速度有關(guān)，如果要使排氣輔助制動器在1S內(nèi)關(guān)閉蝶閥，則活塞的平均運(yùn)動速度為：

V=（212.12-182.91）/1=29.21mm/s

則可得氣缸流量為Q=29.21×（252-102）×10-9=15.3×10-6m3/s

帶入上式得：Δp=3611kPa，由此將產(chǎn)生額外阻滯力

Fz=3611×（252-102）×10-3N=1800N

如果排氣輔助制動器動作時(shí)間為2s，則產(chǎn)生的額外阻滯力Fz=900N。由以上計(jì)算可知，如果在活塞向右運(yùn)動過程中，空氣不發(fā)生壓縮阻滯力非常大，活塞不可能發(fā)生運(yùn)動，因此下面進(jìn)行考慮空氣壓縮的計(jì)算：

氣缸運(yùn)動過程中既非等溫過程也非絕熱過程，考慮到氣缸與外界大氣充分熱交換，氣缸溫升有限，近似認(rèn)為是等溫過程，則有：

P0×V2=P3×V3

P0——?dú)飧子覀?cè)初始壓強(qiáng)

V2——?dú)飧子覀?cè)初始容積

P3——?dú)飧子覀?cè)終了壓強(qiáng)

V3——?dú)飧子覀?cè)終了容積

計(jì)算所需參數(shù)見圖7所示，可得：

0.1×21066.97=P3×（21066.97-18746.78）

P3=0.65MPa

由此計(jì)算出額外阻滯力為： F0=0.65×3.14×（252-102）=1071N。

綜上所述，按現(xiàn)有狀態(tài)，氣缸右側(cè)無泄氣口，因氣體壓縮或縫隙泄氣產(chǎn)生壓力降而產(chǎn)生的額外阻滯力均超過了氣缸左側(cè)推理所能承受范圍，因此必然造成活塞動作緩慢。

2.2.2 回位力計(jì)算

停止工作時(shí)，氣缸左側(cè)接入大氣壓，因此氣缸兩側(cè)壓強(qiáng)平衡，在彈簧力作用下回位。

a）初始回位力（活塞在最右側(cè)止動位置時(shí)的回位力）

Ft=193+（30.5-26.18）×3.517=208.2N

同樣還有活塞摩擦力Fm、阻滯力Fz，活塞桿頂端阻滯力F0，一起阻止活塞向左側(cè)運(yùn)動。

b）終了位置附近的回位力（活塞在最左側(cè)的止動位置）

Ft=68+（65.5-64.39）×3.517=71.9N

同樣還有活塞摩擦力Fm阻滯力Fz塞桿頂端阻滯力F0起阻止活塞向左側(cè)運(yùn)動。

通過以上校核在活塞向右側(cè)運(yùn)動時(shí)，如果Fm+F0+Fz<37.1N，可以實(shí)現(xiàn)活塞行程到位，然而由于氣缸右側(cè)沒有泄氣口，僅靠0.14mm間隙進(jìn)行泄氣，必然造成氣缸靠近右側(cè)止動位置時(shí)，速度緩慢甚至卡滯。同理在活塞向右側(cè)運(yùn)動時(shí)，如果Fm+F0+Fz<71.9 N可以實(shí)現(xiàn)活塞向右運(yùn)動到位，然而由于氣缸右側(cè)沒有泄氣口，必然造成抽真空效應(yīng)，造成活塞阻滯。阻滯力計(jì)算方法同推力校核，不再進(jìn)行計(jì)算。

2.2.3 氣缸防塵結(jié)構(gòu)分析

由于只能通過4與襯套7配合間隙（最大為0.14mm）實(shí)現(xiàn)與外界連通，可能會導(dǎo)致灰塵進(jìn)入氣缸，導(dǎo)致氣缸偏磨損等問題，從而增加阻滯力。

2.3 機(jī)構(gòu)學(xué)分析

氣管5固定連接了電磁閥接氣口和氣缸接氣口，而電磁閥相對固定，氣缸在工作時(shí)發(fā)生擺動，從而發(fā)生管路接頭發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦，增加阻力，并且磨損管路接頭。排氣輔助制動器的支架、氣缸總成、曲柄共同構(gòu)成了曲柄搖塊機(jī)構(gòu)，如圖8所示：

該機(jī)構(gòu)由于增加了接氣管，導(dǎo)致產(chǎn)生冗余的運(yùn)動約束，增加了氣缸運(yùn)動的阻力。經(jīng)以上拆解分析和理論分析，導(dǎo)致排輔產(chǎn)生卡滯留的主要原因有：

1）氣缸推力和回位力不足，導(dǎo)致排輔卡滯;

2）無防塵結(jié)構(gòu)，灰塵進(jìn)入氣缸導(dǎo)致氣缸磨損且內(nèi)部零件銹蝕，導(dǎo)致排輔卡滯;

3）運(yùn)動機(jī)構(gòu)不合理，導(dǎo)致運(yùn)動冗余約束，進(jìn)而排輔卡滯;

4）零部件防腐能力不足，導(dǎo)致部分運(yùn)動零件銹蝕，產(chǎn)生排輔卡滯。

3 排氣輔助制動器改進(jìn)措施

根據(jù)以上分析，為降低排氣輔助制動器的故障概率，結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施如下：

1）提高排輔零部件的耐腐蝕能力，特別是運(yùn)動零件的耐腐蝕能力;

2）更改排輔的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，取消電磁閥與氣缸之間的氣缸，消除冗余約束;

3）適當(dāng)增大氣缸直徑和彈簧直徑，以提高氣缸推力和回位力;

4）氣缸增加進(jìn)行防塵設(shè)計(jì)。

3.1 提高耐腐蝕性

針對零部件發(fā)生銹蝕的情況，采取提高零部件耐腐蝕性措施，如表3所示對于運(yùn)動零部件采取不銹鋼材料，對于非運(yùn)動零件采取涂層處理，以提高耐腐蝕性。

3.2 優(yōu)化排氣輔助制動器結(jié)構(gòu)

優(yōu)化排氣輔助制動器的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，并增加防塵過濾結(jié)構(gòu)。如圖9所示，原電磁閥與氣缸之間的連接鋼管，改為將電磁閥安裝在氣缸后端的法蘭座上，以消除剛性氣管對氣缸擺動時(shí)產(chǎn)生的約束。在氣缸前端靠近氣缸蓋處增加過濾結(jié)構(gòu)，以減少灰塵進(jìn)入氣缸內(nèi)部。

4 排氣輔助制動器改進(jìn)后試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 運(yùn)動零部件材料的耐腐蝕性測試

改進(jìn)后的運(yùn)動零部件采用了不銹鋼材料，耐腐蝕采取240h中性鹽霧試驗(yàn)驗(yàn)證如圖10和圖11所示。

經(jīng)測試，改用高SUS304不銹鋼的零部件滿足240h中性鹽霧試驗(yàn)不出現(xiàn)紅銹，耐腐蝕性明顯高于原40Cr材料。

4.2 整體耐腐蝕性、密封性、耐粉塵性、耐久性等測試

如圖12所示經(jīng)測試改進(jìn)后排氣輔助制動器各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)與卡滯故障相關(guān)的耐粉塵和耐腐蝕測試滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

通過對排氣輔助制動器故障件分析，找出產(chǎn)生故障的原因以及發(fā)生機(jī)理，有針對性的進(jìn)行運(yùn)動機(jī)構(gòu)和材料以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升了排輔可靠性和耐腐蝕性能，降低了發(fā)生故障的概率。同時(shí)，理論分析為排氣輔助制動器在運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和參考。對排氣輔助制動器零部件的耐腐蝕性試驗(yàn)具有借鑒意義，同時(shí)為提高排氣輔助制動器零件耐腐蝕性的材料選擇提供實(shí)踐依據(jù)。