周兆鵬，丁曉輝，王慧，李超，楊文釗,安學(xué)慧

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

隨著交通運(yùn)輸業(yè)和汽車工業(yè)的發(fā)展，人們的交通安全意識不斷增強(qiáng)，我國法規(guī)對汽車行駛安全性的要求越來越高，汽車制動(dòng)性能及可靠性備受重視，越來越多的汽車配備了輔助制動(dòng)技術(shù)。輔助制動(dòng)的使用可減少行車制動(dòng)的使用，減少剎車片的磨損，降低剎車片連續(xù)制動(dòng)過熱的行車安全風(fēng)險(xiǎn)。目前市場中輔助制動(dòng)技術(shù)主要有排氣制動(dòng)、壓縮釋放式排氣制動(dòng)、緩速器制動(dòng)、減壓閥制動(dòng)、液力緩速器等。文獻(xiàn)[1-7]對目前國內(nèi)普遍使用的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用等進(jìn)行了研究分析，重型汽車載荷大，普遍使用壓縮釋放式、液力緩速器等方式；文獻(xiàn)[8]研究了排氣制動(dòng)對增壓器軸向載荷的影響，與正常工況相比，增壓器在制動(dòng)工況的軸向載荷顯著增大，且排氣背壓越高，增壓器軸向載荷越大；文獻(xiàn)[9]以某客車為例，采用減速度測定試驗(yàn)方法來測試樣車的輔助制動(dòng)性能，結(jié)果表明緩速器制動(dòng)的制動(dòng)效能優(yōu)于發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)。

輕型柴油機(jī)主要配套輕型客車，制動(dòng)功率不高，采用制動(dòng)蝶閥即可達(dá)到制動(dòng)功率需求。本文中采用仿真分析及試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，主要針對蝶閥排氣制動(dòng)系統(tǒng)的性能、可靠性等方面進(jìn)行研究，對輔助制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)過程中的各類問題提出改進(jìn)建議，并對改進(jìn)方案進(jìn)行驗(yàn)證，為今后輔助制動(dòng)技術(shù)開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 輔助制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)目標(biāo)

1.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

文獻(xiàn)[10-11]對機(jī)動(dòng)車制動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)要求作了具體規(guī)定，文獻(xiàn)[11]中進(jìn)一步對機(jī)動(dòng)車制動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法進(jìn)行了規(guī)定。

1)Ⅱ型試驗(yàn)：車輛在僅使用輔助制動(dòng)的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)在坡度為6%的坡道上，以(30±5)km/h的穩(wěn)定車速下坡行駛。若通過測量汽車減速度方式來確定發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)性能，要求測試的平均減速度≥0.5 mm/s2。

2)ⅡA型試驗(yàn)：車輛在僅使用輔助制動(dòng)的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)在坡度為7%的坡道上，以(30±5)km/h的穩(wěn)定車速下坡行駛。若通過測量汽車減速度方式來確定發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)性能，要求測試到的平均減速度≥0.6 mm/s2。

M3類長途客車和旅游客車及允許掛接O4類掛車的N3類車輛需進(jìn)行ⅡA型試驗(yàn)。

1.2 開發(fā)目標(biāo)

本文中所研究輕型柴油機(jī)制動(dòng)功率需求不高，因此采用蝶閥排氣輔助制動(dòng)系統(tǒng)；柴油機(jī)的3種配套輕型客車均屬于M3類車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)系統(tǒng)需滿足ⅡA型試驗(yàn)的性能要求，即需保證車輛在僅使用輔助制動(dòng)的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)在坡度為7%的坡道上，以(30±5)km/h的穩(wěn)定車速下坡行駛。

2 仿真分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率仿真計(jì)算

圖1 不同排氣背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率仿真曲線

對發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率進(jìn)行仿真計(jì)算，預(yù)估缸壓等邊界條件，作為結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算的輸入?yún)?shù),確定不同排氣背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律[12]，如圖1所示。

2.2 整車需求制動(dòng)功率仿真計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[11]的要求，試驗(yàn)車速為(30±5) km/h，對應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)常用擋位為3擋，發(fā)動(dòng)機(jī)3擋轉(zhuǎn)速較低，可能無法滿足制動(dòng)功率要求，需同時(shí)計(jì)算2擋需求制動(dòng)功率。整車需求制動(dòng)功率仿真計(jì)算的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 3種配套車型主要技術(shù)參數(shù)

車型1～3整車需求制動(dòng)功率與發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率仿真對比如圖2～4所示。

圖2 車型1整車需求與發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率仿真對比 圖3 車型2整車需求與發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率仿真對比

圖4 車型3整車需求與發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率仿真對比

由圖2～4可知:

1)3擋狀態(tài)下，車型1～3的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，制動(dòng)功率均小于整車需求制動(dòng)功率，無法滿足要求。

2)2擋狀態(tài)下，車型1、2在排氣背壓分別大于190、260 kPa時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率可滿足整車制動(dòng)需求；排氣背壓190～480 kPa時(shí)，車型3發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率均可滿足整車制動(dòng)要求。

綜合3種車型整車需求制動(dòng)功率與發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率的對比分析，確定輔助制動(dòng)系統(tǒng)所需發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓為260 kPa，并進(jìn)行后續(xù)仿真及試驗(yàn)。

2.3 配氣機(jī)構(gòu)可靠性計(jì)算

對配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，包括氣門升程、凸輪-搖臂接觸應(yīng)力、凸輪-搖臂作用力等，計(jì)算結(jié)果如圖5～10所示。

圖5 進(jìn)氣門升程 圖6 排氣門升程

圖7 排氣凸輪與搖臂接觸應(yīng)力 圖8 進(jìn)氣凸輪與搖臂接觸應(yīng)力

圖9 排氣凸輪與搖臂相互作用力 圖10 排氣凸輪與搖臂相互作用力

由圖5～10可知，氣門與活塞無碰撞，凸輪與搖臂間無飛脫現(xiàn)象，凸輪與搖臂間的最大接觸應(yīng)力滿足要求(小于1300 MPa)，最大搖臂載荷小于限值(1935 N)，搖臂強(qiáng)度滿足要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 制動(dòng)性能試驗(yàn)

在臺架上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率摸底試驗(yàn)[13]。通過調(diào)整排氣蝶閥開度，得到發(fā)動(dòng)機(jī)在不同排氣背壓下的制動(dòng)功率，綜合整車制動(dòng)需求及可靠性，確定排氣背壓，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率與整車制動(dòng)需求功率對比

由圖11可知，200 kPa排氣背壓制動(dòng)功率線與車型1和車型2的需求制動(dòng)功率線相交，且交點(diǎn)在30 km/h車速點(diǎn)附近；200 kPa排氣背壓制動(dòng)功率線高于車型3的需求制動(dòng)功率線，說明發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓大于200 kPa時(shí)，制動(dòng)功率能夠滿足所有車型的需求，且有一定裕量。選用排氣背壓200 kPa進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證，排氣背壓低于仿真計(jì)算背壓(260 kPa)時(shí)配氣機(jī)構(gòu)可靠性不需重新評估。

3.2 排氣制動(dòng)工況增壓器軸向力評估

根據(jù)制動(dòng)性能試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)在排氣制動(dòng)穩(wěn)態(tài)工況下增壓器受到的軸向力，評估止推軸承承載能力。搭建的計(jì)算模型如圖12所示(圖中:p1～p4為壓氣機(jī)、渦輪機(jī)進(jìn)出口等不同部位的氣體壓力，F(xiàn)1,C～F4,C為葉輪不同部位受到的氣體壓力，F(xiàn)1,T～F4,T為渦輪不同部位受到的氣體壓力，F(xiàn)T,ax為軸向合力，F(xiàn)TW為渦輪軸向力，F(xiàn)CW為葉輪軸向力)。

圖12 增壓器受力分析模型

圖13 增壓器受力計(jì)算曲線

計(jì)算結(jié)果如圖13所示。由圖13可知，在排氣制動(dòng)穩(wěn)態(tài)工況下，壓氣機(jī)所受的氣體壓力很小，最大約為6.0 N；渦輪機(jī)受到的氣動(dòng)力相對較大，最大約為53.0 N；轉(zhuǎn)軸所受總的合力指向壓端，最大約50.0 N，低于止推軸承使用限值130.0 N，無風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 活塞頂隙的動(dòng)態(tài)測量和評定試驗(yàn)

制作特制活塞，進(jìn)行活塞頂隙的動(dòng)態(tài)測量和評定試驗(yàn)，評估是否存在活塞碰撞氣門的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過試驗(yàn)，實(shí)際測量活塞與進(jìn)氣門最小間隙為0.78 mm，活塞與排氣門最小間隙為2.35 mm，試驗(yàn)結(jié)果見表2。滿足進(jìn)氣門最小間隙0.60 mm，排氣門最小間隙2.20 mm設(shè)計(jì)要求，無碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

表2 活塞頂隙動(dòng)態(tài)測量試驗(yàn)結(jié)果mm

3.4 配套整車制動(dòng)性能試驗(yàn)

將輕型發(fā)動(dòng)機(jī)裝配到配套的車輛上進(jìn)行相關(guān)制動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，通過測量整車減速度來確定發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)性能。試驗(yàn)實(shí)測整車減速度為0.8 mm/s2，大于文獻(xiàn)[11]中ⅡA型試驗(yàn)所要求的0.6 mm/s2，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)性能滿足要求。

3.5 整車耐久試驗(yàn)

進(jìn)行整車500 h制動(dòng)可靠性考核，檢驗(yàn)整車制動(dòng)可靠性。試驗(yàn)結(jié)束后對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆檢，關(guān)鍵零部件拆檢狀況見圖14。由圖14可知，相關(guān)零部件未出現(xiàn)可靠性問題，整車順利通過可靠性耐久考核。

a)活塞拆檢情況 b)排氣門拆檢情況 圖14 關(guān)鍵零部件拆檢情況

4 結(jié)論

1)對國內(nèi)外相關(guān)制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)配備蝶閥排氣制動(dòng)系統(tǒng)可滿足使用要求，輔助制動(dòng)系統(tǒng)需滿足文獻(xiàn)[11]中ⅡA試驗(yàn)要求。

2)對發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率和整車需求的制動(dòng)功率進(jìn)行仿真分析，確定排氣背壓260 kPa可滿足需求，以此為輸入進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)可靠性仿真評估，各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。

3)進(jìn)行500 h耐久試驗(yàn)，驗(yàn)證整車制動(dòng)可靠性，試驗(yàn)表明開發(fā)的輔助制動(dòng)系統(tǒng)滿足性能及可靠性使用要求。