趙夜城，汪選要,2

（1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.陜汽淮南專用汽車有限公司，安徽 淮南 232001）

由于重型卡車的質(zhì)量較大，制動(dòng)時(shí)需要的制動(dòng)力較大，目前大多數(shù)重型卡車采用氣壓制動(dòng)系統(tǒng)。由于氣體本身具有壓縮性、制動(dòng)管路較長等原因，氣壓制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)遲滯的現(xiàn)象，導(dǎo)致制動(dòng)過程中容易發(fā)生危險(xiǎn)事故[1]。氣制動(dòng)閥在氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)揮著最關(guān)鍵的控制作用，當(dāng)輸入的壓力已經(jīng)確定時(shí)，氣制動(dòng)閥所輸出的壓力相對(duì)于輸入的信號(hào)而言應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)一種線性的變化[2-3]。重型卡車廣泛采用串聯(lián)雙腔式氣制動(dòng)閥，整車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能與該氣制動(dòng)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性密切相關(guān)[4]。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)氣制動(dòng)閥響應(yīng)特性的研究主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：Patil等[5]在Simulink中建立了氣制動(dòng)閥（ABV）的數(shù)學(xué)模型，以獲取氣制動(dòng)閥的動(dòng)態(tài)特性，并通過在AMEsim中搭建的氣制動(dòng)閥模型驗(yàn)證該方法的有效性；Sridhar等[6]采用鍵合圖法對(duì)氣制動(dòng)閥進(jìn)行了仿真研究，預(yù)測了氣制動(dòng)閥的響應(yīng)時(shí)間，且發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果兩者的吻合度較高；呂江紅[7]采用氣體動(dòng)力學(xué)理論和牛頓第二定律研究制動(dòng)閥中壓縮氣體的動(dòng)態(tài)變化過程，并使用MATLAB/Simulink完成制動(dòng)閥仿真模型的搭建；施巖等[8]利用AMEsim建立了某公交客車氣制動(dòng)閥的物理模型，并仿真分析了包括輸入氣壓在內(nèi)的一些參數(shù)對(duì)制動(dòng)閥響應(yīng)特性的影響，得出橡膠平衡彈簧剛度對(duì)制動(dòng)閥響應(yīng)及釋放時(shí)間的影響最為明顯這一結(jié)論。但是，以上研究對(duì)于影響氣制動(dòng)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的自身內(nèi)部參數(shù)考慮得較少，更多的是通過復(fù)雜公式的推導(dǎo)建立氣制動(dòng)閥的數(shù)學(xué)模型，以及分析氣制動(dòng)閥靜特性、動(dòng)特性的仿真模型。

本文先對(duì)某重型卡車氣制動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，建立其工作過程中的數(shù)學(xué)模型，再利用AMEsim軟件搭建相應(yīng)的仿真模型，并進(jìn)一步研究平衡彈簧剛度、上腔閥桿回位彈簧剛度、上腔活塞直徑、上腔排氣間隙以及上腔閥桿直徑對(duì)氣制動(dòng)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響，從而得到影響氣制動(dòng)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的關(guān)鍵參數(shù)，為氣制動(dòng)閥的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化提供參考。

1 氣制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)及工作原理

某重型卡車的串聯(lián)雙腔式氣制動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，上腔第一進(jìn)氣口11口連接到后儲(chǔ)氣筒，下腔第二進(jìn)氣口12口連接到前儲(chǔ)氣筒，上腔第一出氣口21口連接到繼動(dòng)閥的控制口，使壓縮氣體通向后制動(dòng)氣室，下腔第二出氣口22口連接到前制動(dòng)氣室，使壓縮氣體通向前制動(dòng)氣室[9]。

圖1 氣制動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)原理圖

氣制動(dòng)閥工作時(shí)，踏板力F驅(qū)動(dòng)上腔活塞向下運(yùn)動(dòng)，使排氣閥門a處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)氣閥門b處于打開狀態(tài)。壓縮氣體從第一進(jìn)氣口11口進(jìn)入，經(jīng)過A腔后從第一出氣口21口排出。同時(shí)壓縮氣體從孔c流經(jīng)B腔，再推動(dòng)下腔活塞向下運(yùn)動(dòng)，使排氣閥門e處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)氣閥門d處于打開狀態(tài)，壓縮氣體從第二進(jìn)氣口12口進(jìn)入，經(jīng)過C腔后從第二出氣口22口排出。由于活塞的上方和下方分別受到A腔和C腔內(nèi)氣體壓力的作用，所以只有當(dāng)活塞處于平衡狀態(tài)時(shí)，才會(huì)使進(jìn)氣閥門和排氣閥門關(guān)閉。當(dāng)需要將制動(dòng)解除時(shí),壓縮氣體流經(jīng)排氣閥門a、e，最后從排氣口3口排出[10-11]。

2 氣制動(dòng)閥模型的建立

2.1 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

氣制動(dòng)閥的工作過程主要分為制動(dòng)過程（充氣）、制動(dòng)平衡過程（保壓）和制動(dòng)釋放過程（排氣）三個(gè)階段，由于制動(dòng)閥的上、下腔分別作用于后制動(dòng)氣室和前制動(dòng)氣室，所以當(dāng)制動(dòng)過程中前（后）制動(dòng)回路發(fā)生故障時(shí)，也不會(huì)影響后（前）制動(dòng)氣室的正常工作。氣制動(dòng)閥的作用過程取決于活塞處于不同的位置，其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型如式（1）、式（2）和式（3）所示[12]。

當(dāng)氣制動(dòng)閥上腔活塞運(yùn)動(dòng)距離相比于上腔排氣間隙要較小時(shí)，有

當(dāng)氣制動(dòng)閥上腔活塞運(yùn)動(dòng)距離與上腔排氣間隙相等時(shí)：

當(dāng)氣制動(dòng)閥上腔活塞運(yùn)動(dòng)距離相比于上腔排氣間隙要較大時(shí)：

式中：m1為上腔活塞質(zhì)量，m2為上腔閥桿質(zhì)量，x1為上腔活塞位移，x2為上腔閥桿位移，F(xiàn)為踏板力，F(xiàn)n1為上腔活塞回位彈簧的預(yù)緊力，F(xiàn)n2上腔閥桿回位彈簧的預(yù)緊力，k1為上腔活塞回位彈簧的剛度，k2為上腔閥桿回位彈簧的剛度，P11為上腔供氣口的壓力，P21為上腔出氣口的壓力，As為活塞的作用面積，Ah1為閥桿上端的作用面積，Ah2為閥桿下端的作用面積。

2.2 AMEsim仿真模型

使用西門子公司的AMEsim2019.2（Siemens Simcenter AMEsim 2019.2），是開發(fā)的一款可以將物理模型圖形化、只需要分析研究物理結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)本身的多領(lǐng)域建模仿真軟件，避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)以及程序語言的編寫[13]。在上述分析氣制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，利用AMEsim軟件搭建相應(yīng)的仿真模型如圖2所示，相關(guān)部件的名稱、子模型的類型以及主要參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

圖2 氣制動(dòng)閥的AMEsim模型

表1 氣制動(dòng)閥的AMEsim模型說明

3 氣制動(dòng)閥仿真結(jié)果分析

根據(jù)所搭建的氣制動(dòng)閥AMEsim模型，將踏板位移作為輸入信號(hào)，如圖3所示，當(dāng)開始制動(dòng)時(shí)，駕駛員在0.4 s內(nèi)踩下的踏板位移為0.03 m，之后保持不變并持續(xù)2 s；當(dāng)制動(dòng)解除時(shí)，駕駛員將踏板松開，踏板位移由0.03 m回到初始狀態(tài)0，制動(dòng)過程結(jié)束。

圖3 制動(dòng)踏板位移的輸入過程

制動(dòng)所需氣壓由恒壓氣源提供，氣源壓力設(shè)置為8 bar，初始溫度設(shè)置為293.15 K，用來模擬前、后制動(dòng)氣室的腔室初始?xì)鈮涸O(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.013 bar，氣制動(dòng)閥的上腔出氣口和下腔出氣口分別連接到后制動(dòng)氣室和前制動(dòng)氣室，仿真時(shí)間設(shè)置為4 s，仿真步長設(shè)置為0.01 s，運(yùn)行仿真，通過觀察前、后制動(dòng)氣室內(nèi)的氣壓變化情況，仿真結(jié)果顯示氣制動(dòng)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，如圖4所示。

圖4 氣制動(dòng)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

從圖4中可知，制動(dòng)開始階段，前、后制動(dòng)氣室氣壓的建立都存在一小段延遲，后制動(dòng)氣室經(jīng)過約0.05 s開始建壓，前制動(dòng)氣室經(jīng)過約0.2 s開始建壓，這是由于氣制動(dòng)閥在工作過程中需要先填充閥體本身內(nèi)部存在的間隙，之后再向各制動(dòng)氣室輸出氣壓。隨著踏板位移不斷增大，于0.4 s上升到最大值，前、后制動(dòng)氣室壓力也在不斷上升，后制動(dòng)氣室壓力在0.22 s左右上升到輸出氣壓的最大值，前制動(dòng)氣室壓力在0.38 s左右上升到輸出氣壓的最大值；此時(shí)的前、后制動(dòng)氣室是由AMEsim中兩個(gè)恒定體積的腔室元件所模擬的，并直接分別與氣制動(dòng)閥的下腔、上腔相連，且沒有考慮管路長度、其它各閥體的影響，由于氣制動(dòng)閥的上腔先開始建立壓力，氣制動(dòng)閥的下腔后建立壓力，因此后制動(dòng)氣室要比前制動(dòng)氣室更快達(dá)到最大工作氣壓。在制動(dòng)保持階段，前、后制動(dòng)氣室的壓力都基本穩(wěn)定在恒壓氣源所提供的最大壓力8 bar。在制動(dòng)解除階段，踏板位移在2.4 s時(shí)開始減小，在2.8 s回到初始位置零，前、后制動(dòng)氣室的壓力也在下降，前制動(dòng)氣室在2.55 s左右壓力開始下降，后制動(dòng)氣室在2.69 s左右壓力開始下降，隨后都于3.03 s左右降低到初始?jí)毫Γㄒ粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 1.013 bar）。

在整個(gè)制動(dòng)過程中，氣制動(dòng)閥上腔和下腔響應(yīng)正常且迅速，前、后制動(dòng)氣室壓力的建立、釋放情況與踏板位移的變化相互對(duì)應(yīng)，仿真結(jié)果與氣制動(dòng)閥的工作原理相符合。查閱相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)可知[14]，制動(dòng)氣室達(dá)到穩(wěn)態(tài)壓力75% 的時(shí)間不得超0.6 s。上述仿真結(jié)果顯示，前、后制動(dòng)氣室氣壓達(dá)到6 bar所經(jīng)歷的時(shí)間分別為0.30、0.15 s，符合要求，由此驗(yàn)證了所建立的氣制動(dòng)閥仿真模型的正確性，且能夠滿足仿真需求。

4 氣制動(dòng)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響因素分析

由于氣體本身具有的可壓縮性以及閥體自身結(jié)構(gòu)的原因，氣制動(dòng)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間存在一定延遲，通過分析與氣制動(dòng)閥相關(guān)的部分參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響，并找出關(guān)鍵性影響因素，從而為后續(xù)氣制動(dòng)閥的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化提供有力的參考。

4.1 平衡彈簧剛度對(duì)氣制動(dòng)閥響應(yīng)特性的影響

設(shè)置氣制動(dòng)閥的平衡彈簧剛度分別為 1.2×105、 1.0×105、 8.0×105和6.0×105N/m，保持其他參數(shù)不變，進(jìn)行仿真分析，得到不同平衡彈簧剛度下氣制動(dòng)閥的響應(yīng)特性，如圖5～6所示。

圖5 不同平衡彈簧剛度下的前制動(dòng)氣室壓力變化

圖6 不同平衡彈簧剛度下的后制動(dòng)氣室壓力變化

從圖5中可知，隨著平衡彈簧剛度的減小，氣制動(dòng)閥下腔輸出壓力的響應(yīng)時(shí)間逐漸加長，當(dāng)平衡彈簧剛度減小到一定范圍后，氣制動(dòng)閥下腔輸出壓力將達(dá)不到最大氣源壓力，且壓力保持階段抖動(dòng)較為明顯，會(huì)對(duì)前制動(dòng)氣室的制動(dòng)效果產(chǎn)生不利影響。

從圖6中可知，平衡彈簧剛度越小，氣制動(dòng)閥上腔輸出壓力響應(yīng)時(shí)間略微變長，壓力保持階段較為平穩(wěn)，壓力釋放時(shí)間有所提前，但釋放階段排氣口壓力抖動(dòng)越明顯，故較大的平衡彈簧剛度更有利于氣制動(dòng)閥的正常工作。

4.2 上腔閥桿回位彈簧剛度對(duì)氣制動(dòng)閥響應(yīng)特性的影響

設(shè)置上腔閥桿回位彈簧剛度分別為1、21、41和61 N/m，根據(jù)仿真結(jié)果圖7可知，不同的上腔閥桿回位彈簧剛度對(duì)氣制動(dòng)閥響應(yīng)速度的影響很小，在對(duì)氣制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面可以不用考慮上腔閥桿回位彈簧剛度這一參數(shù)。

圖7 不同上腔閥桿回位彈簧剛度下的后制動(dòng)氣室壓力變化

4.3 上腔活塞直徑對(duì)氣制動(dòng)閥響應(yīng)特性的影響

設(shè)置上腔活塞直徑分別為20、40、60和80 mm，在其余參數(shù)不變的情況下對(duì)氣制動(dòng)閥響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析，不同上腔活塞直徑下的后制動(dòng)氣室壓力變化情況如圖8所示。

圖8 不同上腔活塞直徑下的后制動(dòng)氣室壓力變化

從圖8中可知，隨著上腔活塞直徑不斷變小，氣制動(dòng)閥響應(yīng)時(shí)間不斷變短。當(dāng)活塞直徑由60減小到40 mm時(shí)，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間由0.32 s左右降低到0.22 s左右，縮短約0.1 s，提升效果較為明顯。當(dāng)活塞直徑由40 mm減小到20 mm時(shí)，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間僅縮短約0.01 s；但在上腔活塞直徑只有20 mm的情況下，氣制動(dòng)閥在壓力釋放階段無法正常減壓，氣室壓力一直處在最大工作壓力，導(dǎo)致車輛不能解除制動(dòng)，而且上腔活塞直徑小于40 mm后對(duì)降低制動(dòng)響應(yīng)延遲影響極小，因此上腔活塞直徑并不是越小越好。此外，當(dāng)上腔活塞直徑過大時(shí)，氣制動(dòng)閥上腔輸出壓力達(dá)不到氣源壓力值，氣室內(nèi)壓力波動(dòng)較大，制動(dòng)效果較差。

4.4 上腔排氣間隙對(duì)氣制動(dòng)閥響應(yīng)特性的影響

設(shè)置上腔排氣間隙分別為1、3、5和7 mm，控制其他參數(shù)不變，運(yùn)行仿真，得出不同上腔排氣間隙對(duì)氣制動(dòng)閥響應(yīng)特性的影響，如圖9所示。從圖9中可知，隨著上腔排氣間隙的變大，氣制動(dòng)閥響應(yīng)時(shí)間變長。由于氣制動(dòng)閥工作時(shí)，制動(dòng)踏板需要先克服上腔排氣間隙后才能使上腔活塞運(yùn)動(dòng)，從而打開進(jìn)氣閥門，開始建立壓力，因此較小的排氣間隙可以縮短制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間。

圖9 不同上腔排氣間隙下的后制動(dòng)氣室壓力變化

4.5 上腔閥桿直徑對(duì)氣制動(dòng)閥響應(yīng)特性的影響

設(shè)置上腔閥桿直徑分別為3、5、7和9 mm，在其余參數(shù)保持不變的條件下，得到不同的上腔閥桿直徑對(duì)氣制動(dòng)閥響應(yīng)特性的影響，如圖10所示。從圖10中可知，上腔閥桿直徑在3到7 mm的范圍內(nèi)對(duì)氣制動(dòng)閥響應(yīng)時(shí)間的影響較小，當(dāng)上腔閥桿直徑達(dá)到9 mm時(shí)，響應(yīng)時(shí)間明顯延遲。對(duì)于壓力保持和釋放階段，不同上腔閥桿直徑下的制動(dòng)氣室壓力釋放時(shí)間幾乎沒有差別，且最終都能穩(wěn)定在初始的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖10 不同上腔閥桿直徑下的后制動(dòng)氣室壓力變化

5 結(jié)論

根據(jù)氣制動(dòng)閥的物理結(jié)構(gòu)，利用AMEsim軟件搭建了氣制動(dòng)閥的仿真模型，通過仿真模擬制動(dòng)過程中對(duì)氣制動(dòng)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的分析，驗(yàn)證了所建立的氣制動(dòng)閥仿真模型的正確性，并在此基礎(chǔ)上研究平衡彈簧剛度、上腔閥桿回位彈簧剛度、上腔活塞直徑、上腔排氣間隙以及上腔閥桿直徑對(duì)氣制動(dòng)閥響應(yīng)特性的影響，結(jié)果表明：（1）平衡彈簧剛度越大，氣制動(dòng)閥響應(yīng)時(shí)間越短，當(dāng)平衡彈簧剛度小于一定值時(shí)，氣制動(dòng)閥將無法輸出足夠的制動(dòng)壓力，制動(dòng)性能大大降低；（2）上腔閥桿回位彈簧剛度對(duì)氣制動(dòng)閥響應(yīng)時(shí)間影響較小，可以不做考慮；（3）當(dāng)上腔活塞直徑減小時(shí)，氣制動(dòng)閥響應(yīng)時(shí)間會(huì)有一定的縮短，但上腔活塞直徑過小會(huì)使氣制動(dòng)閥在解除制動(dòng)時(shí)制動(dòng)氣室內(nèi)的壓力不能夠正常釋放，上腔活塞直徑過大又會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)效果較差；（4）隨著上腔排氣間隙的增大，氣制動(dòng)閥響應(yīng)時(shí)間會(huì)略微加長；（5）上腔閥桿直徑超出一定值時(shí)，氣制動(dòng)閥響應(yīng)延遲明顯。