霍皓靈，吳慶定，陳 華，鄒 敏

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.東科克諾爾制動(dòng)系統(tǒng)有限公司，湖北 十堰 442000)

引言

隨著汽車市場(chǎng)快速發(fā)展，人們對(duì)車輛安全性的要求也隨之不斷提高[1]。制動(dòng)系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，其作用是使汽車減速或在最短的距離內(nèi)停車，其性能的好壞會(huì)直接影響汽車的運(yùn)行安全和制動(dòng)的可靠性[2-3]。中、重型汽車前后橋間距較長(zhǎng)，從而導(dǎo)致聯(lián)接管路較長(zhǎng)，會(huì)造成制動(dòng)傳輸?shù)难舆t和波動(dòng)。為了縮短排氣距離，加快排氣速度，中、重型汽車會(huì)在制動(dòng)系統(tǒng)中加入快放閥[4]，本研究對(duì)某型號(hào)快放閥出現(xiàn)的解除制動(dòng)時(shí)進(jìn)氣口與出氣口排氣不同步從而導(dǎo)致的排氣延遲問題進(jìn)行分析，深入研究快放閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)快放閥排氣延遲的影響，進(jìn)而提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決方案。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于氣壓制動(dòng)系統(tǒng)閥類部件的相關(guān)研究較少，有限的研究也以動(dòng)態(tài)特性為主，很少涉及到閥類部件排氣響應(yīng)時(shí)間。其中，李保平等[5]對(duì)快放閥的壓力響應(yīng)特性進(jìn)行了研究，利用Simulink平臺(tái)建立仿真模型對(duì)快放閥的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析，并通過與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比得出了不同條件下快放閥的壓力響應(yīng)曲線；方桂華等[6]利用AMESim建立了繼動(dòng)閥動(dòng)態(tài)模型以及氣壓制動(dòng)系統(tǒng)整體模型對(duì)繼動(dòng)閥的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究；程洪杰等[7]建立了調(diào)壓閥的AMESim仿真模型并分析了其靜、動(dòng)態(tài)特性，分析了調(diào)壓響應(yīng)特性參數(shù)影響規(guī)律。

1 工作原理

1.1 快放閥的主要結(jié)構(gòu)

快放閥的主要結(jié)構(gòu)有上閥體、下閥體和膜片。上閥體通過管路與雙腔制動(dòng)閥相連，下閥體則是通過ABS調(diào)壓閥連接前橋兩制動(dòng)氣室或直接接前橋兩制動(dòng)氣室。

圖1 快放閥的主要結(jié)構(gòu)

1.2 膜片的數(shù)學(xué)模型

1) 膜片運(yùn)動(dòng)方程

膜片是快放閥中的重要元件，工作過程中膜片會(huì)頻繁彎曲，膜片的參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致膜片的破裂失效從而導(dǎo)致快放閥的失效。制動(dòng)過程中快放閥膜片處于下閥體上，僅膜片邊緣部分向下彎曲，膜片在壓差較小時(shí)可以彎曲到接觸膜片支撐筋而不再運(yùn)動(dòng)，所以只能得到近似的膜片運(yùn)動(dòng)方程[5]：

(1)

式中,pup—— 膜片上腔壓力

pdown—— 膜片下腔壓力

m—— 膜片的質(zhì)量

Fm—— 膜片的變形力

y—— 膜片的有效位移

A1—— 有效工作面積

Cv—— 速度阻尼系數(shù)

2) 膜片變形方程

快放閥動(dòng)作時(shí)膜片的變形范圍較小，不考慮拉壓應(yīng)力，可以近似采用[8-9]：

(2)

得到彈性薄板小撓度彎曲問題的基本微分方程[10]：

(3)

固定邊界條件為：

(4)

式中，D—— 板彎曲剛度

r—— 半徑

q—— 橫向載荷

E—— 膜片材料彈性模量

h—— 膜片厚度

ω—— 膜片撓度

μ—— 泊松比

3) 膜片的有效面積

汽車制動(dòng)過程中壓縮空氣會(huì)推動(dòng)膜片上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)、排氣狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，在此過程中膜片會(huì)發(fā)生一定的變形，有效工作面積會(huì)發(fā)生變化。通過分析膜片在閥體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，能夠發(fā)現(xiàn)有效工作面積是隨著膜片運(yùn)動(dòng)位移的變化而改變的，并且與氣隙寬度有很大的關(guān)聯(lián)。所以快放閥膜片處進(jìn)出口的氣體流通面積并非定值，進(jìn)氣流通面積會(huì)隨著快放閥膜片位移的變化而改變。將快放閥膜片進(jìn)氣口視為閥口，計(jì)算流過快放閥進(jìn)氣口的氣體質(zhì)量流量A為式(5)結(jié)果的最小值：

(5)

式中，Q—— 快放閥流量系數(shù)

D1—— 閥口直徑

D2—— 膜片直徑

x—— 膜片與上閥體間隙

2 快放閥壓力響應(yīng)特性的影響因素分析

AMESim軟件是專注于機(jī)械、液壓、氣壓等領(lǐng)域的多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)，能夠從元件本身結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮摩擦、氣體本身的特性、溫度等非常復(fù)雜的建模部分，用戶可以以此為基礎(chǔ)建立系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真模擬計(jì)算并進(jìn)行深入分析，研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能[10]。根據(jù)快放閥的工作原理與結(jié)構(gòu)特性，在AMESim中利用信號(hào)、機(jī)械、氣動(dòng)庫(kù)搭建如下AMESim模型。

2.1 模型建立

基于數(shù)學(xué)模型，利用AMESim軟件對(duì)快放閥的內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行模型建立。其中腳制動(dòng)閥的輸出口所排出的氣壓通過信號(hào)庫(kù)中的氣壓信號(hào)表示，出氣口連接一個(gè)可變氣室，通過可變氣室所得特性曲線來分析快放閥性能，建立模型如圖2所示[11-12]。

圖2 快放閥AMESim模型

目前，我國(guó)重型汽車氣制動(dòng)系統(tǒng)的行車制動(dòng)氣壓普遍采用850 kPa。所以在進(jìn)行仿真模擬時(shí)，設(shè)置快放閥的控制氣壓，即所輸送的氣壓升至850 kPa，保持2 s，再?gòu)?50 kPa降回。

根據(jù)實(shí)際拆解，快放閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括上、下閥體質(zhì)量、膜片厚度、膜片質(zhì)量、有效進(jìn)氣口面積、有效排氣口面積、接頭直徑、排氣口氣隙寬度等，量取相關(guān)數(shù)據(jù)作為仿真參數(shù)?；诜抡嬖囼?yàn)得到快放閥的動(dòng)態(tài)壓力響應(yīng)曲線，分析不同條件下快放閥的排氣曲線，得到對(duì)快放閥排氣延遲影響較大的因素。

2.2 排氣口流通面積的影響

排氣口氣隙的大小會(huì)影響排氣口的實(shí)際流通面積，對(duì)排氣時(shí)的壓力性能起關(guān)鍵作用。由于在試驗(yàn)中直接測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)十分困難，所以通過模擬仿真的方式，直接改變快放閥氣隙大小來研究排氣口氣隙大小對(duì)快放閥壓力特性的影響?；谀壳笆忻嫔系闹髁骺旆砰y氣隙寬度的設(shè)計(jì)，選取2.0，2.5，3.0 mm作為仿真試驗(yàn)參數(shù)。

圖3為氣室初始?jí)毫?50 kPa時(shí)，排氣口氣隙寬度分別為2.0，2.5，3.0 mm時(shí)的變化曲線。

由圖3所示，排氣口氣隙寬度對(duì)快放閥壓力響應(yīng)有著較大影響?？旆砰y的排氣速率隨排氣口氣隙寬度的增大而提升，排氣時(shí)間隨氣隙寬度的增大而縮短；同時(shí)，隨著排氣口氣隙寬度增大，對(duì)排氣壓力響應(yīng)時(shí)間的影響逐漸縮小。與文獻(xiàn)[13]得出的試驗(yàn)結(jié)果一致，排氣口氣隙的數(shù)值增大會(huì)導(dǎo)致膜片振動(dòng)加劇、穩(wěn)定性降低，膜片的響應(yīng)時(shí)間也越長(zhǎng)。

圖3 排氣口氣隙寬度的影響

2.3 膜片厚度的影響

快放閥工作過程中橡膠膜片會(huì)頻繁彎曲，橡膠材質(zhì)能夠保證及時(shí)響應(yīng)脈沖壓縮空氣的噴吹，但是在脈沖之后卻存在一定的膜片波動(dòng)現(xiàn)象，所以膜片的參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致膜片的破裂失效。

選取市面上常見的1，2，3 mm 3種不同厚度的膜片進(jìn)行對(duì)比仿真試驗(yàn)，得到快放閥排氣響應(yīng)曲線如圖4所示，膜片持續(xù)振動(dòng)時(shí)間如表1所示。

表1 膜片振動(dòng)響應(yīng)時(shí)間表

由圖4可知，不同厚度膜片的壓力響應(yīng)曲線擬合程度較高，但是膜片振動(dòng)時(shí)間呈現(xiàn)出膜片振動(dòng)時(shí)間隨著膜片厚度的增加大幅增加的趨勢(shì)，這說明適當(dāng)增加膜片的厚度可以提高膜片強(qiáng)度，但是會(huì)導(dǎo)致膜片的波動(dòng)更加劇烈。膜片的振動(dòng)加劇會(huì)導(dǎo)致膜片易于破裂，壽命縮短。所以選擇合適厚度的膜片對(duì)快放閥的排氣壓力特性有著較大影響。

圖4 不同膜片厚度下的壓力響應(yīng)曲線

2.4 快放閥下閥體有效排氣面積的影響

快放閥下閥體排氣閥口處，存在托住膜片的支撐筋以及對(duì)應(yīng)的內(nèi)陷高度，不同型號(hào)快放閥下閥體的設(shè)計(jì)存在一定差異。通過拆解市面上主流的快放閥可以發(fā)現(xiàn)，如圖5所示，支撐筋面積不同也就是排氣的有效面積不同，并且不同型號(hào)的快放閥在下閥口的內(nèi)陷高度上也有所差異。

圖5 快放閥拆解實(shí)物圖

通過對(duì)比觀察a和b兩種型號(hào)快放閥的壓力響應(yīng)曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)其在快速排氣的情況下(左側(cè)圖)曲線基本一致，但是在慢速排氣的情況下(右側(cè)圖)存在較大差異。經(jīng)過多次試驗(yàn)，測(cè)得a型號(hào)的快放閥慢速排氣的延遲均值約為65 kPa，b型號(hào)的慢速排氣延遲均值約為152 kPa。通過試驗(yàn)測(cè)量不同型號(hào)a和b快放閥的排氣情況，可以發(fā)現(xiàn)下閥體的有效排氣面積對(duì)快放閥的排氣延遲有較大影響。

3 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)法是一種研究多因素多水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。首先分析試驗(yàn)指標(biāo)并挑選因素，然后設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表，明確試驗(yàn)方案，最后進(jìn)行試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證、分析。通過前面的仿真及試驗(yàn)分析選定以下快放閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為試驗(yàn)因素：膜片與上閥體之間的排氣口氣隙寬度A、膜片厚度B、下閥口支撐筋面積C，考慮到實(shí)際需要以及加工的可能性，選取每種因素3個(gè)水平，所選因素以及取值如表2所示。

圖6 a，b型號(hào)快放閥壓力響應(yīng)曲線

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

4 試驗(yàn)設(shè)置

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別測(cè)量解除制動(dòng)后的快速排氣和慢速排氣壓力隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線，研究在放氣過程中快放閥的壓力響應(yīng)特性，試驗(yàn)選用的入口接頭直徑為10 mm。

4.2 試驗(yàn)過程

排氣響應(yīng)試驗(yàn)過程：首先打開開關(guān)閥，關(guān)閉截止閥2；打開分離開關(guān)，通過快放閥給制動(dòng)氣室充氣，調(diào)整氣源，至穩(wěn)定氣壓(850 kPa)保持0.8 s。然后迅速關(guān)閉分離開關(guān)，快速排氣試驗(yàn)是讓快放閥從分離開關(guān)快速排氣，慢速排氣試驗(yàn)則是從部分開啟的截止閥3慢速排氣。用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄整個(gè)過程快放閥各口氣壓隨時(shí)間變化的曲線，接線如圖7所示，測(cè)試平臺(tái)如圖8所示。

1.氣源 2.壓力表 3.開關(guān)閥 4.限壓閥 5.氣室 6.控制閥7.快放閥 9、12.壓力傳感器 10、11.制動(dòng)氣室 13.數(shù)據(jù)采集圖7 試驗(yàn)接線圖

圖8 快放閥氣壓測(cè)試平臺(tái)

5 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

評(píng)價(jià)指標(biāo)選取快放閥進(jìn)氣口與排氣口之間的排氣壓力差和延遲時(shí)間，9個(gè)快放閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。

表3 快放閥正交試驗(yàn)結(jié)果

為了評(píng)價(jià)3個(gè)結(jié)構(gòu)因素對(duì)快放閥排氣延遲壓力與延遲時(shí)間的影響，尋求排氣延遲的原因并優(yōu)化快放閥結(jié)構(gòu)，對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行了極差分析。通過極差分析可以得出各指標(biāo)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響大小，極差越大的因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果的影響越大。其中，k1，k2，k3分別為各參數(shù)在水平1，2，3下仿真指標(biāo)的均值，R為各參數(shù)均值的極差[14]。

極差結(jié)果如表4、表5所示，由極差趨勢(shì)可以看出決定快放閥延遲氣壓大小的因素因子主次順序?yàn)锽>A>C，依次為膜片厚度B、排氣口氣隙寬度A、下閥口支撐筋面積C；決定快放閥氣壓延遲時(shí)間的因素因子主次順序?yàn)锳>B>C，排氣口氣隙寬度A、膜片厚度B、下閥口支撐筋面積C。最佳試驗(yàn)組合為7。

表4 延遲氣壓極差分析結(jié)果

表5 延遲時(shí)間極差分析結(jié)果

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)存在個(gè)別壓差極高的情況，都是下閥口排氣面積大并且膜片厚度小的情況。經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證得到結(jié)論：快放膜片受上、下腔壓差和自身變形力作用，會(huì)產(chǎn)生劇烈的上下波動(dòng)。開始制動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣口巨大的壓差快速?zèng)_擊膜片會(huì)使膜片陷入到下閥體的中心部位，下陷距離為從中心部分的上平面到支撐筋的距離。

當(dāng)進(jìn)氣口快速排氣時(shí)，由于上腔氣壓迅速下降，巨大的壓差快速?zèng)_擊膜片，外沿膜片迅速將中心部位膜片帶離閥口，排氣閥口快速開啟，下閥體兩口的氣壓幾乎同步下降；當(dāng)進(jìn)氣口慢速排氣時(shí)，膜片在進(jìn)氣口氣壓作用下，中心部位不僅下沉較深，而且擠入支撐筋之間空隙的膜片面積及深度較大。

所以，增加有效面積一方面會(huì)增大單位時(shí)間內(nèi)的氣體流量，另一方面則可能會(huì)導(dǎo)致膜片內(nèi)陷，影響排氣從而導(dǎo)致更大的延遲?？紤]到工程實(shí)際情況，同時(shí)結(jié)合上述各參數(shù)分析，進(jìn)而確定快放閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)最終方案。

6 優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

解除制動(dòng)時(shí)要想快速打開排氣閥口，一方面要克服膜片脫出空隙的較大阻力，另一方面要消除膜片較大的變形，需要有較大的上下壓差，這會(huì)使下閥體兩口氣壓下降延遲較多。所以想要降低解除制動(dòng)時(shí)的排氣延遲，應(yīng)當(dāng)盡量減少膜片在排氣口的變形量以及膜片變形力。

由此提出快放閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案：下閥體降低排氣有效面積同時(shí)降低支撐筋到閥口的深度。確定優(yōu)化組合為：A3B2C3，即排氣口氣隙寬度為3 mm，膜片厚度為2 mm，下閥口支撐筋面積70 mm2。

為驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性，在現(xiàn)有快放閥的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬結(jié)構(gòu)改制試驗(yàn)，將內(nèi)陷距離磨平換上同高度的帶通氣孔的墊片，膜片換成外側(cè)厚度為1 mm，內(nèi)側(cè)厚度為2 mm的橡膠膜片，保持其他變量不變，得到試驗(yàn)延遲壓力差均值為25 kPa，延遲時(shí)間均值為0.023 s。

7 結(jié)論

通過正交試驗(yàn)將商用車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)快放閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)快放閥優(yōu)化前后的性能進(jìn)行對(duì)比研究，得出以下結(jié)論：

(1) 快放閥延遲氣壓大小的因素主次順序?yàn)锽>A>C，即依次為膜片厚度B、排氣口氣隙寬度A、下閥口支撐筋面積C；決定快放閥氣壓延遲時(shí)間的因素主次順序?yàn)锳>B>C，即排氣口氣隙寬度A、膜片厚度B、下閥口支撐筋面積C；

(2) 最優(yōu)快放閥結(jié)構(gòu)的排氣口氣隙寬度為3 mm，膜片厚度為2 mm，下閥口支撐筋面積70 mm2；

(3) 通過快放閥結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化，可有效降低排氣延遲氣壓與時(shí)間，壓差同比降低約110 kPa，時(shí)間縮短0.65 s，使制動(dòng)系統(tǒng)可靠性顯著增強(qiáng)。

圖9 優(yōu)化后快放閥氣壓響應(yīng)曲線