鄭紅梅, 沈 浩, 查傳婷, 董文龍, 邊尚琪, 吳 勝

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥億恒智能科技有限公司,安徽 合肥 230022; 3.北京裕峻汽車技術(shù)研究院,北京 100089)

在坡道眾多且抖長(zhǎng)的路面,對(duì)于重型車輛,長(zhǎng)時(shí)間的制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)過(guò)度使用而引起制動(dòng)失靈,極其危險(xiǎn)[1]。為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題,各國(guó)強(qiáng)制要求安裝輔助制動(dòng)系統(tǒng)。緩速器作為重型車輛、貨運(yùn)車輛的輔助制動(dòng)手段之一,主要分為液力緩速器和電渦流緩速器[2]。液力緩速器由于體積較小、制動(dòng)力矩大、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),在輔助制動(dòng)系統(tǒng)中廣受歡迎[3]。液力緩速器主要依靠控制閥來(lái)改變儲(chǔ)油腔的氣壓,進(jìn)一步控制工作腔內(nèi)的充液率來(lái)提供制動(dòng)力矩,實(shí)現(xiàn)減速功能[4-5]。如今國(guó)內(nèi)外大多數(shù)緩速器企業(yè)所用的控制閥均為比例壓力閥,但其在控制過(guò)程中需一直通電[6]。長(zhǎng)時(shí)間工作內(nèi)阻溫度會(huì)隨之升高。溫度上升電阻增大,導(dǎo)致電流減小,相應(yīng)電磁力減小。由于比例壓力閥成本較高,換用電磁開(kāi)關(guān)閥會(huì)避免上述問(wèn)題,提高整個(gè)系統(tǒng)壽命。文獻(xiàn)[7]研究了使用充液閥控制帶來(lái)的遲滯影響;文獻(xiàn)[8]分析了液力緩速器比例壓力閥氣動(dòng)控制特性;文獻(xiàn)[9]對(duì)氣動(dòng)比例壓力閥的系統(tǒng)特性進(jìn)行測(cè)試,其響應(yīng)時(shí)間為0.5 s,最大超調(diào)量為0.02 MPa,調(diào)整時(shí)間與響應(yīng)時(shí)間均為5.5 s。相比較于比例壓力閥,電磁開(kāi)關(guān)閥的響應(yīng)時(shí)間與調(diào)整時(shí)間皆遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于比例壓力閥的時(shí)間。在響應(yīng)時(shí)間減少的同時(shí),超調(diào)量較比例壓力閥也有所減少,整個(gè)系統(tǒng)的壽命隨之增長(zhǎng),并且能夠?qū)崿F(xiàn)多擋位的精確控制?？梢钥闯鲭姶砰_(kāi)關(guān)閥較比例壓力閥有顯著優(yōu)勢(shì)。本文采用電磁開(kāi)關(guān)閥代替比例壓力閥對(duì)液力緩速器腔內(nèi)氣壓的控制進(jìn)行分析。

1 電磁開(kāi)關(guān)閥研究

1.1 電磁開(kāi)關(guān)閥工作原理

電磁開(kāi)關(guān)閥組成結(jié)構(gòu)原理[10-11]如圖1所示。

圖1 電磁開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)原理

電磁開(kāi)關(guān)閥3種工作狀態(tài)分別為增壓、減壓、保壓狀態(tài)。兩電磁閥為常閉電磁閥。

增壓狀態(tài)時(shí),高壓氣體從進(jìn)氣口A處進(jìn)氣,此時(shí)進(jìn)氣電磁閥芯和排氣閥芯呈斷電狀態(tài),進(jìn)氣先導(dǎo)室與大氣相連通。氣源處的高壓氣體由于壓力差克服彈簧阻力打開(kāi)進(jìn)氣膜片,壓縮空氣通過(guò)腔體B進(jìn)入緩速器工作腔內(nèi)。同時(shí)另一路高壓氣體通過(guò)氣道到達(dá)排氣先導(dǎo)氣室,由于壓力差和彈簧作用力,排氣膜片會(huì)堵住排氣口,實(shí)現(xiàn)液力緩速器工作腔的穩(wěn)定增壓。

減壓狀態(tài)時(shí),電子控制模塊(electronic control unit,ECU)發(fā)出指令,進(jìn)氣電磁閥芯與排氣電磁閥芯通電。進(jìn)氣閥芯的閥門由于電磁作用力被打開(kāi),高壓氣體進(jìn)入進(jìn)氣先導(dǎo)室,進(jìn)氣膜片在壓力差與彈簧力的作用下,閥口被進(jìn)氣膜片關(guān)閉。同時(shí),因排氣閥芯被打開(kāi),排氣先導(dǎo)閥與空氣相連通,在壓力差的作用下,高壓氣體會(huì)克服排氣膜片彈簧,打開(kāi)排氣閥口,液力緩速器工作腔內(nèi)的高壓氣體從底邊排向空氣,液緩工作腔內(nèi)氣壓減小。

保壓狀態(tài)時(shí),進(jìn)氣閥芯通電,排氣閥芯斷電。進(jìn)氣膜片堵住進(jìn)氣閥口,排氣膜片堵住排氣閥口,實(shí)現(xiàn)保壓狀態(tài)。根據(jù)其工作原理,利用MATLAB/Simulink與AMESim聯(lián)合仿真,模擬液力緩速器充液率分別為25%、50%、75%、100%時(shí)電磁開(kāi)關(guān)閥的工作性能。

1.2 電磁開(kāi)關(guān)閥力學(xué)特性分析

在電磁開(kāi)關(guān)閥線圈通電后,閥芯的周圍會(huì)產(chǎn)生大量磁場(chǎng)。當(dāng)閥芯所受的電磁力大于彈簧的預(yù)緊力時(shí),電磁開(kāi)關(guān)閥朝著線圈處移動(dòng),閥芯運(yùn)動(dòng)方程為:

(1)

膜片的啟閉與彈簧預(yù)緊力和進(jìn)氣壓力有關(guān),膜片的動(dòng)態(tài)平衡方程為:

paS-F1-k1x1

(2)

其中:M為閥芯總質(zhì)量;M1為膜片的質(zhì)量;x為閥芯的位移;x1為膜片的位移;Fm為電磁力;F1為膜片彈簧預(yù)緊力;k為閥芯處彈簧剛度;k1為膜片處彈簧剛度;x0為初始彈簧位移;p1為進(jìn)氣口的氣壓強(qiáng)度;pc為氣體所給壓強(qiáng);p0為大氣壓強(qiáng);pa為先導(dǎo)進(jìn)氣室處的氣壓;S1為閥芯處的橫截面積;S為膜片與進(jìn)氣相通的橫截面積;S0為膜片與出氣相通的橫截面積;c為阻尼系數(shù);i為通過(guò)線圈處電流大小。

2 電磁開(kāi)關(guān)閥仿真模型的建立

液力緩速器工作時(shí),電磁開(kāi)關(guān)閥的啟閉隨著工作腔內(nèi)壓力的變化而調(diào)節(jié),從而控制工作腔內(nèi)壓力值,即控制工作腔內(nèi)的充液率。本次使用的液力緩速器型號(hào)為福伊特VR115CT,經(jīng)實(shí)車測(cè)試,液力緩速器工作腔的充液率和控制閥通過(guò)氣壓關(guān)系見(jiàn)表1所列。

表1 充液率和氣壓關(guān)系

對(duì)于液力緩速器輔助制動(dòng)裝置,系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間特性與超調(diào)量特性尤為重要,響應(yīng)時(shí)間特性分為氣相響應(yīng)時(shí)間與液相響應(yīng)時(shí)間,對(duì)于電磁開(kāi)關(guān)閥式與比例壓力閥式液力緩速器,液相響應(yīng)時(shí)間為液體進(jìn)入工作腔內(nèi)時(shí)間,相同型號(hào)液力緩速器的液相響應(yīng)時(shí)間可視作相等,故這里只分析兩者氣相響應(yīng)時(shí)間的差別。

2.1 AMESim仿真模型的建立

電磁開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)部分仿真模型[12-13]如圖2所示。模型仿真參數(shù)見(jiàn)表2所列。

表2 FAST、VOITH比例壓力閥與電磁開(kāi)關(guān)閥更換擋位響應(yīng)時(shí)間對(duì)比 單位:ms

圖2 AMEsim仿真模型

2.2 MATLAB/Simulink仿真模型的建立

控制電磁開(kāi)關(guān)閥啟閉信號(hào)部分仿真模型[14]如圖3所示。使用比例積分微分(proportional integral derivative,PID)的控制方法來(lái)控制電磁開(kāi)關(guān)閥的啟閉狀態(tài)。輸入信號(hào)是期望壓力,與系統(tǒng)實(shí)際壓力做差后,經(jīng)過(guò)PID模塊和脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)波模塊轉(zhuǎn)換為1個(gè)占空比,占空比通過(guò)Stateflow中的邏輯判斷控制增壓閥與減壓閥的啟閉。

PID作為一種線性控制器,系統(tǒng)的控制信號(hào)輸入為目標(biāo)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的偏差,系統(tǒng)中輸入信號(hào)為目標(biāo)壓力,分出2條信號(hào)到不同的PID模塊,分別為增壓閥和減壓閥的輸入信號(hào),系統(tǒng)的輸出公式為:

(3)

其中:u為控制器的輸出;e(t)為偏差信號(hào),即系統(tǒng)的輸入;kp為控制器的比例放大系數(shù);ki為控制器的積分系數(shù);kd為控制器的微分系數(shù)。經(jīng)過(guò)標(biāo)定kp=10,ki=5,kd=1。經(jīng)過(guò)PID模塊輸出u再進(jìn)入PWM模塊,得出1個(gè)占空比,實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)電磁閥芯電流的控制。

電磁開(kāi)關(guān)閥狀態(tài)切換邏輯如圖4所示。使用Simulink仿真模型中chart模塊,其中:charge為增壓狀態(tài);release為減壓狀態(tài);maintain為保壓狀態(tài);charge為1時(shí)增壓閥打開(kāi),為0時(shí)增壓閥關(guān)閉;release為1時(shí)減壓閥打開(kāi),為0時(shí)減壓閥關(guān)閉。3種狀態(tài)之間的切換條件為腔內(nèi)壓力與目標(biāo)壓力之間的關(guān)系。鑒于大多數(shù)司機(jī)在使用液力緩速器時(shí)會(huì)采用連續(xù)換擋的方式,取1 s 為每次更換擋位時(shí)間,與實(shí)際情況相符。由于氣體分子間的相互斥力和吸引力會(huì)使得氣體各分子產(chǎn)生間距,此間距會(huì)導(dǎo)致氣體的可壓縮性,在每次升擋與降擋時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的脈沖,因此由脈沖導(dǎo)致的超調(diào)量不可避免,但可以通過(guò)控制手段來(lái)減少這段超調(diào)量。在控制電磁開(kāi)關(guān)閥啟閉時(shí),在期望壓力的基礎(chǔ)上設(shè)置一個(gè)窗數(shù)prs-trg-window。增壓階段時(shí),當(dāng)腔內(nèi)壓力到達(dá)目標(biāo)壓力減去窗數(shù)時(shí),關(guān)閉增壓閥,電磁開(kāi)關(guān)閥進(jìn)入保壓狀態(tài)。由于氣體的可壓縮性,氣壓會(huì)持續(xù)上升,當(dāng)腔內(nèi)壓力到達(dá)目標(biāo)壓力加上窗數(shù)時(shí),減壓狀態(tài)開(kāi)啟,腔內(nèi)氣壓穩(wěn)定在期望壓力。減壓階段時(shí),當(dāng)腔內(nèi)壓力小于目標(biāo)壓力加上窗數(shù)時(shí),減壓閥關(guān)閉,電磁開(kāi)關(guān)閥進(jìn)到保壓狀態(tài)。由于氣體的可壓縮性,氣壓會(huì)持續(xù)減小,當(dāng)腔內(nèi)壓力到達(dá)目標(biāo)壓力減去窗數(shù)時(shí),增壓狀態(tài)開(kāi)啟。由于每個(gè)擋位的目標(biāo)壓力都不相同,在每個(gè)擋位要設(shè)置不同的窗數(shù),各個(gè)擋位的窗數(shù)值切換邏輯如圖5所示。

圖4 電磁開(kāi)關(guān)閥狀態(tài)切換邏輯

圖5 窗數(shù)值切換邏輯

2.3 動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果分析

仿真數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

圖6 仿真數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比

圖6中:虛線為液力緩速器各擋位的目標(biāo)壓力,每次換擋時(shí)間為1 s;實(shí)線為實(shí)際控制壓力。由圖6可知,實(shí)際控制壓力與目標(biāo)壓力基本一致,分析電磁開(kāi)關(guān)閥響應(yīng)時(shí)間及腔內(nèi)壓力實(shí)際超調(diào)量曲線特性:各擋位超調(diào)量基本一致。其中,第2擋位超調(diào)量為最大超調(diào)量,電磁開(kāi)關(guān)閥最大超調(diào)量如圖7所示,數(shù)值為0.01 MPa,其數(shù)值符合實(shí)際工程中的要求范圍內(nèi)。

圖7 電磁開(kāi)關(guān)閥最大超調(diào)量

電磁開(kāi)關(guān)閥響應(yīng)時(shí)間基本穩(wěn)定,最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間如圖8所示,時(shí)間為0.15 s。

圖8 電磁開(kāi)關(guān)閥響應(yīng)時(shí)間

在0擋狀態(tài)下,由于空氣壓力為0.1 MPa,導(dǎo)致液力緩速器工作腔中的氣體未完全排出,因此存在0.01 MPa的誤差值,該誤差在實(shí)際工作情況下可被接受。

經(jīng)查閱FAST公司相同型號(hào)液力緩速器各擋位氣壓分別為0.1、0.5、1.2、1.6 MPa。VOITH公司液力緩速器各擋位氣壓分別為2.80、3.10、3.25、3.40 MPa。實(shí)驗(yàn)采集FAST公司與VOITH公司液力緩速器的比例壓力閥在換擋情況下響應(yīng)時(shí)間,使用MATLAB軟件繪制曲線,兩公司比例壓力閥更換擋位響應(yīng)時(shí)間曲線分別如圖9、圖10所示。

圖9 FAST公司比例壓力閥更換擋位響應(yīng)時(shí)間

圖10 VOITH公司比例壓力閥更換擋位響應(yīng)時(shí)間

由圖9可知,FAST的比例壓力閥的響應(yīng)最短時(shí)間出現(xiàn)在3擋更換為2擋的情況下,響應(yīng)時(shí)間200 ms,最長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)在3擋升4擋的過(guò)程,響應(yīng)時(shí)間1 850 ms,平均響應(yīng)時(shí)間687 ms。由圖10可知,VOITH的比例壓力閥響應(yīng)時(shí)間最短時(shí)間在2擋降1擋的過(guò)程中,響應(yīng)時(shí)間220 ms,最長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)在3擋升4擋的過(guò)程中,其響應(yīng)時(shí)間600 ms,平均響應(yīng)時(shí)間372 ms。而電磁開(kāi)關(guān)閥的響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)出現(xiàn)在0擋升1擋,響應(yīng)時(shí)間180 ms,各擋位響應(yīng)時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表2所列。使用電磁開(kāi)關(guān)閥大大縮短了液力緩速器更換擋位的響應(yīng)時(shí)間。由于氣體的可壓縮性,使用電磁開(kāi)關(guān)閥時(shí),會(huì)存在一定超調(diào)量。而比例壓力閥能連續(xù)、按比例地控制系統(tǒng)的壓力與流量,氣體的可壓縮性影響較小,因此其超調(diào)量小于電磁開(kāi)關(guān)閥?？赏ㄟ^(guò)PID與PWM波的控制方式使電磁開(kāi)關(guān)閥超調(diào)量減小至工程中可被接受的范圍。

3 電磁開(kāi)關(guān)閥實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,電磁開(kāi)關(guān)閥實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖11所示,實(shí)驗(yàn)原理如圖12所示。實(shí)驗(yàn)所用氣源容量為50 L的空壓機(jī),開(kāi)啟電磁開(kāi)關(guān)閥的電流為1 A,通過(guò)電源設(shè)置的電流信號(hào)值通過(guò)控制器到達(dá)電磁開(kāi)關(guān)閥的輸入端口,開(kāi)啟和關(guān)閉電磁開(kāi)關(guān)閥,氣源提供的高壓氣體通過(guò)電磁開(kāi)關(guān)閥到達(dá)液力緩速器的工作腔內(nèi),工作腔內(nèi)的壓力傳感器讀取壓力值并將信號(hào)發(fā)送給控制器,控制器再次調(diào)節(jié)電磁開(kāi)關(guān)閥芯的通斷,以控制工作腔內(nèi)的充液率。

圖11 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

圖12 實(shí)驗(yàn)原理圖

實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線對(duì)比情況如圖13所示,仿真曲線與實(shí)測(cè)采集曲線基本吻合,達(dá)到預(yù)期目標(biāo),能精確實(shí)現(xiàn)氣壓和充液率控制。實(shí)測(cè)壓力曲線的最大超調(diào)量為0.015 MPa,在升擋脈沖過(guò)后壓力可以穩(wěn)定在目標(biāo)壓力上下,實(shí)現(xiàn)液力緩速器精確換擋功能。在真實(shí)工況下,縮小進(jìn)氣氣路的管路直徑可穩(wěn)定各擋位壓力,減少氣體本身性質(zhì)導(dǎo)致的超調(diào)量。

圖13 實(shí)測(cè)壓力曲線與仿真曲線對(duì)比

4 結(jié) 論

本文使用電磁開(kāi)關(guān)閥代替比例壓力閥控制液力緩速器工作腔內(nèi)的充液率,通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)的方法得到數(shù)據(jù)并整理分析,證實(shí)了使用電磁開(kāi)關(guān)閥代替比例壓力閥控制液力緩速器的優(yōu)勢(shì)。使用電磁開(kāi)關(guān)閥控制液力緩速器,其響應(yīng)時(shí)間相較于比例壓力閥式液力緩速器的響應(yīng)時(shí)間大大縮短,實(shí)現(xiàn)了對(duì)液力緩速器的快速控制及各擋位的精確控制。通過(guò)控制策略的優(yōu)化,氣壓超調(diào)量處于工程實(shí)踐中可允許的范圍內(nèi)。