王明亮， 葉 敏， 史亞寧

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710061）

0 引言

汽車在人們的生活中越來(lái)越扮演重要角色，行車安全一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。 在行車安全中，制動(dòng)系統(tǒng)非常重要。按照動(dòng)力源來(lái)劃分制動(dòng)系統(tǒng)有3 種：全液壓制動(dòng)，氣頂液制動(dòng)和氣壓制動(dòng)[1-2]。 在使用車型方面，液壓制動(dòng)多使用于小型或輕型汽車，氣壓制動(dòng)系統(tǒng)多使用于大中型客貨車[3]。 與液壓制動(dòng)系統(tǒng)相比， 氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)力源節(jié)能環(huán)保、可產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)制動(dòng)力等。

在氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的使用過(guò)程中， 隨著制動(dòng)需求以及制動(dòng)安全的考量，制動(dòng)形式在不斷地完善[4]。 普通氣壓繼動(dòng)閥在具有駐車制動(dòng)功能的制動(dòng)系統(tǒng)在動(dòng)作過(guò)程中，只能起到減少制動(dòng)氣壓傳輸時(shí)間的作用， 而差動(dòng)繼動(dòng)閥作為氣壓制動(dòng)系統(tǒng)和駐車制動(dòng)回路的重要元件， 不僅可以降低氣壓傳輸時(shí)間， 還能有效避免行車制動(dòng)與駐車制動(dòng)的共同作用，延長(zhǎng)制動(dòng)器的壽命，可防止行車制動(dòng)及停車制動(dòng)同時(shí)施加時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)重疊。

本文以無(wú)軌電車所使用的差動(dòng)繼動(dòng)閥為研究對(duì)象，在了解其物理結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣壓基礎(chǔ)知識(shí)，建立差動(dòng)繼動(dòng)閥的仿真模型[5-7]，為進(jìn)一步對(duì)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)研究提供模型支持，同時(shí)為差動(dòng)繼動(dòng)閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

1 差動(dòng)繼動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

差動(dòng)繼動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)和普通繼動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)相似，其外形三維圖如圖1 所示。 圖2 是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單示意圖。 在具有縮短制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的功能時(shí)兼具防止駐車制動(dòng)與行車制動(dòng)共同作用，加速制動(dòng)器的損壞，減少使用壽命。 差動(dòng)繼動(dòng)閥的工作原理如下：

1） 在正常行駛時(shí)，沒(méi)有踩下制動(dòng)踏板，駐車制動(dòng)閥經(jīng)過(guò)端口42 不斷向A 腔供氣， 此時(shí)活塞a 和b 受壓向下，先關(guān)閉排氣閥，繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)將打開(kāi)排氣閥；通過(guò)1 口從儲(chǔ)氣筒來(lái)的壓縮空氣經(jīng)2 口輸出，2 口來(lái)的壓縮空氣使得彈簧制動(dòng)被解除。

2） 在踩下制動(dòng)踏板時(shí)，駐車制動(dòng)閥經(jīng)端口42 持續(xù)向A 腔提供空氣， 同時(shí)制動(dòng)分流壓力經(jīng)41 口向B 腔供氣，A、B 腔壓力共同使活塞a 和b 繼續(xù)向下推動(dòng)，進(jìn)氣閥門d開(kāi)口繼續(xù)增大，彈簧制動(dòng)氣室中制動(dòng)彈簧被壓縮至最底。

3） 抬起制動(dòng)踏板時(shí)，41 口的制動(dòng)分流壓力逐漸降低為零，B 腔壓力降低為零，僅剩A 腔壓力，此時(shí)C 腔壓力大于A 腔，C 腔壓力推動(dòng)活塞b 上升，活塞C 被下側(cè)復(fù)位彈簧推動(dòng)下跟隨上升，此時(shí)進(jìn)氣閥門d 關(guān)閉，排氣口e 打開(kāi)，彈簧制動(dòng)氣室被逐漸排氣，當(dāng)C 腔壓力等于A 腔壓力時(shí)，活塞a 和b 下移，排氣閥門e 關(guān)閉。 車輛停止，拉起手剎開(kāi)啟駐車制動(dòng)時(shí)，駐車制動(dòng)閥壓力排空，A 腔壓力經(jīng)42口排空，C 腔壓力大于A 腔，活塞a 和b 上移，排氣口e 打開(kāi)，彈簧制動(dòng)氣室壓力排空，彈簧復(fù)位，實(shí)現(xiàn)彈簧駐車制動(dòng)。

4） 當(dāng)行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，A 腔氣壓經(jīng)42 口從駐車制動(dòng)閥排空，制動(dòng)分流壓力經(jīng)41 口向B 腔供氣，作用于活塞a，由于C 腔排空，活塞a 活塞b 向下移動(dòng)， 通過(guò)閥桿c 關(guān)閉排氣閥門e 同時(shí)打開(kāi)進(jìn)氣閥門d，來(lái)自1 口的壓縮空氣經(jīng)C 腔到達(dá)2 口，并進(jìn)入彈簧制動(dòng)室，隨著行車制動(dòng)壓力上升的程度加深，彈簧制動(dòng)解除，這樣就防止了兩種制動(dòng)的重疊作用。

圖1 差動(dòng)繼動(dòng)閥外部結(jié)構(gòu)

圖2 差動(dòng)繼動(dòng)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 差動(dòng)繼動(dòng)閥的建模與仿真

2.1 差動(dòng)繼動(dòng)閥的控制方程

閥類元件的控制方程一般是圍繞活塞的運(yùn)動(dòng)建立起來(lái)的。 在差動(dòng)繼動(dòng)閥中，將圍繞活塞a 和b 作為一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)的活塞進(jìn)行控制方程的建立。首先，壓縮空氣從41 和42 口進(jìn)入差動(dòng)繼動(dòng)閥，先充滿活塞上部，建立壓力。 然后，當(dāng)氣體進(jìn)一步增加，會(huì)推動(dòng)活塞向下移動(dòng)，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中先將關(guān)閉排氣閥口， 繼續(xù)增加氣體會(huì)使活塞繼續(xù)向下，打開(kāi)進(jìn)氣閥門，進(jìn)而使得來(lái)自儲(chǔ)氣罐中的控制氣壓由進(jìn)氣口1 進(jìn)入閥體內(nèi)部，由出氣口2 傳遞給制動(dòng)氣室。 在整個(gè)動(dòng)作過(guò)程中，由41 和42 口進(jìn)入的控制氣體先建立氣壓，活塞將要被推動(dòng)還沒(méi)推動(dòng)前，此時(shí)的控制方程為：

式中：P41、P42分別為來(lái)自制動(dòng)閥和駐車制動(dòng)閥的控制氣壓；P1為入口氣壓；P2為出口氣壓；ApuB、ApuA分別為控制活塞上表面B 腔和A 腔承壓面的面積；Apd為控制活塞下表面承壓面；Apd為閥門總成下表面承壓面；k1為閥門回位彈簧彈性系數(shù)；x1為閥門位移；Fss為回位彈簧預(yù)緊力。

然后，活塞在氣壓的進(jìn)一步推動(dòng)下，將關(guān)閉排氣閥，打開(kāi)進(jìn)氣閥。 能夠使排氣閥關(guān)閉且打開(kāi)進(jìn)氣閥的氣壓為差動(dòng)繼動(dòng)閥能工作的最低氣壓，此時(shí)的方程為：

在差動(dòng)繼動(dòng)閥工作之前，為了能夠使整個(gè)內(nèi)部活塞連接緊湊， 需要使用預(yù)緊彈簧對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的間隙進(jìn)行補(bǔ)償，設(shè)置的預(yù)緊彈簧方程為：

式中：k 為彈簧剛度；x 為彈簧壓縮量；G 為材料剪切模量；d 為材料直徑；D 為彈簧中徑；n 為彈簧有效圈數(shù)。

差動(dòng)繼動(dòng)閥的質(zhì)量流量方程為：

其中：qm為繼動(dòng)閥出口流量；A 為出氣口面積；Cq為流量系數(shù)，k 為等熵系數(shù)，R 為氣體常數(shù)。

2.2 建立差動(dòng)繼動(dòng)閥的AMESim 仿真模型

根據(jù)差動(dòng)繼動(dòng)閥的工作過(guò)程以及結(jié)構(gòu)，利用AMESim軟件對(duì)差動(dòng)繼動(dòng)閥進(jìn)行建模仿真。首先建立模型。在草圖模式下選取建立模型所需的基本元件，連接完成。 然后對(duì)基本元件進(jìn)行選型，這一步可以采用軟件自帶的最優(yōu)化按鈕進(jìn)行完成。 在完成建模后，對(duì)參數(shù)根據(jù)差動(dòng)繼動(dòng)閥設(shè)計(jì)圖紙尺寸進(jìn)行設(shè)置。 建立的仿真模型如圖3 所示。

圖3 差動(dòng)繼動(dòng)閥AMESim 模型

2.3 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)差動(dòng)繼動(dòng)閥的設(shè)計(jì)圖紙得到參數(shù)，此差動(dòng)繼動(dòng)閥應(yīng)用于某型號(hào)無(wú)軌電車對(duì)各部分參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

3 仿真分析

差動(dòng)繼動(dòng)閥受到來(lái)自制動(dòng)閥的氣壓在0.2s 內(nèi)從1barA（即大氣壓力）上升到8barA，保持3s，再?gòu)?barA 降到1barA 用時(shí)0.2s，然后持續(xù)2.6s,仿真總時(shí)間設(shè)計(jì)為6s[8]。當(dāng)駐車制動(dòng)閥壓力為9barA，進(jìn)氣口氣壓為8barA，來(lái)自制動(dòng)閥的氣壓如上所述時(shí)，輸出氣壓如圖4 所示。 在兩個(gè)壓力的共同作用下實(shí)現(xiàn)了對(duì)駐車制動(dòng)的解除。

表1 差動(dòng)繼動(dòng)閥各部分參數(shù)

圖4 來(lái)自制動(dòng)閥和駐車制動(dòng)閥的氣壓共同作用輸出氣壓情況

當(dāng)駐車制動(dòng)閥壓力為1barA 時(shí)，其他條件不變，此時(shí)的情況就相當(dāng)于行車制動(dòng)與駐車制動(dòng)共同作用于制動(dòng)器上，輸出氣壓如圖5 所示，可以看出在0～3.2s 兩個(gè)制動(dòng)同時(shí)作用時(shí)， 來(lái)自行車制動(dòng)的壓力經(jīng)過(guò)差動(dòng)繼動(dòng)閥給彈簧制動(dòng)氣室一個(gè)解除駐車制動(dòng)的壓力， 實(shí)現(xiàn)了差動(dòng)繼動(dòng)閥避免兩種制動(dòng)共同作用的情況。

圖5 當(dāng)行車制動(dòng)與駐車制動(dòng)共同作用時(shí)輸出氣壓情況

在不改變其他參數(shù)僅改變輸入氣壓時(shí)， 差動(dòng)繼動(dòng)閥的響應(yīng)速度有所不同，通過(guò)仿真得到如圖6 所示的結(jié)果能看出，隨著輸入氣壓的上升，響應(yīng)速度有一定的加快，但是對(duì)響應(yīng)速度的影響較小。

圖6 差動(dòng)繼動(dòng)閥輸入氣壓對(duì)響應(yīng)速度的圖像

圖7 是閥口流量變化情況，在行車制動(dòng)開(kāi)始和解除時(shí)，流量發(fā)生突變， 這是因?yàn)樵陂y口打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)會(huì)有流量發(fā)生變化，在很短的時(shí)間就會(huì)建立起一定的壓力，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)閥口再次發(fā)生變化時(shí)流量才會(huì)再次發(fā)生變化。

圖7 差動(dòng)繼動(dòng)閥閥口流量變化

4 結(jié)論

綜上所述， 文章對(duì)氣壓差動(dòng)繼動(dòng)閥進(jìn)行了仿真建模，差動(dòng)繼動(dòng)閥的功能得到了驗(yàn)證，分析了輸入氣壓對(duì)差動(dòng)繼動(dòng)閥的響應(yīng)速率的影響。 結(jié)果表明：通過(guò)差動(dòng)繼動(dòng)閥控制氣壓與駐車制動(dòng)閥的氣壓設(shè)置，得到的仿真結(jié)果可以表明該模型能正確實(shí)現(xiàn)差動(dòng)繼動(dòng)閥的功能；輸入氣壓對(duì)差動(dòng)繼動(dòng)閥的響應(yīng)速率影響較小。 所建模型對(duì)于分析差動(dòng)繼動(dòng)閥性能影響和優(yōu)化有著指導(dǎo)作用，為以后整車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)模型建立提供必要支持。