客車制動系統動態模型研究及試驗驗證

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(1.中國計量學院 計量測試工程學院， 浙江 杭州 310018； 2.杭州沃鐳科技有限公司， 浙江 杭州 310018)

引言

氣壓制動系統具有結構簡單、制動力大、工作介質不回收等優點，同時氣壓制動系統制動過程又是一個復雜的多變量、非線性和強耦合的工作過程。從制動需求出發，考慮的是制動瞬時氣壓的響應，如果只考慮靜特性，分析結果與實際情況會有較大差距。國標GB 12676-1999《汽車制動系統結構、性能和試驗方法》[1]和GB 7258-2012《機動車運行安全技術條件》[2]是中國的機動車安全技術規范，對機動車的制動系統提出了嚴格的要求。因此針對制動系統的動態響應特性進行研究非常必要。國內外學者針對氣壓制動系統模型的建立做了大量研究，其中陳燕[3]等應用鍵圖理論建立了雙腔制動閥、管路、氣室、緊急繼動閥、半掛汽車的鍵圖模型，研究制動系統的動態仿真過程，得出了氣壓制動系統各元件制動力的傳遞關系與控制信號的流向及因果關系，真實反映汽車的制動特性；LI He[4]等人，利用MWorks軟件對氣制動系統(關鍵部件和整個系統進行建模仿真，分析踏板力與氣室壓力的關系以及系統的動態響應。美國S.C.Subramanian[5]等人對鼓式氣制動系統進行建模，通過試驗驗證證明該模型動態響應良好；Fanping BU[6]為提高大型車輛氣制動系統制動時的精度，建立了氣制動系統的非線性模型，并進行穩健性設計，提出相應的控制策略，提高整個氣制動系統的穩定性。動態建模普遍存在建模不完全、數學模型太復雜等問題，為提高建模精度，單從數學模型上進行理論分析已不能滿足當前的汽車研發需求，從物理模型的角度來準確分析氣壓制動系統的壓力延遲變得十分必要。引入多領域建模軟件AMESim對氣制動系統內部關鍵部件建模，采用基于物理模型的圖形化建模方式，避免復雜的數學關系推導，從而專注于物理系統本身。

1 氣壓制動系統原理及要求

氣壓制動傳動裝置通過發動機驅動空氣壓縮機工作，將壓縮空氣的壓力最終轉變為制動氣室推桿機械推力，使車輪產生制動。一般采用雙回路制動，制動過程中，通過制動閥和繼動閥等制動部件來控制壓力釋放，從而獲得不同的制動力[7]。作為制動傳動系統的關鍵控制元件，制動閥和繼動閥的性能直接影響氣壓制動系統的動態響應特性。

制動系統的動特性包括制動響應時間和制動解除時間，對于氣壓制動傳動系統，其制動響應時間是指從氣制動閥感受踏板力到最終制動氣室輸出工作氣壓力所需要的時間；制動解除時間為從踏板力消失到制動氣室內壓縮空氣排除所需要的時間；國標GB 12676-1999規定氣壓制動系統的響應時間不得超過0.6 s，釋放時間不得超過0.8 s。因此，要保證制動響應輸出，制動部件制動閥、繼動閥以及制動氣室必須快速響應并且輸出協調性良好，保證高壓氣體快速傳遞至制動氣室產生作用。

2 氣制動系統建模

2.1 制動閥建模

氣制動閥是氣壓行車系統的主要控制裝置，它的作用是控制儲氣罐進入各制動氣室的壓縮空氣量，在制動響應過程和釋放過程中實現靈敏的隨動控制。制動過程中，制動閥內上、下腔的活塞和閥芯的控制方程如式(1)、式(2)所示：

Ft+p21Asu=p21Apd+p11Asd+k2x2+Fps

+[k0(x0-x1)+k1x1]+Fss

(1)

(2)

根據串聯雙腔制動閥的物理結構和工作原理，制動閥有閥體、控制主體(推桿、平衡彈簧、小活塞、閥門總成、大活塞、復位彈簧)及排氣閥座等組成。制動閥通過機械和氣動的相互作用完成控制過程增壓、保壓和減壓等基本作用。在AMESim中搭建的制動閥模型如圖1所示。制動閥模型中各參數的值如表1所示。

1.踏板信號 2.橡膠平衡彈簧 3.上腔活塞總成 4.上腔進氣閥門總成 5.下腔大活塞 6.下腔閥門總成圖1 串聯雙腔制動閥模型

2.2 繼動閥建模

繼動閥用于在氣壓制動回路中使壓縮空氣不流經制動閥而直接充入制動氣室，從而縮短充氣時間，加速制動，起到“快充、快放”的作用。繼動閥有控制腔和制動腔組成，制動時，控制活塞下移打開進氣閥門，其平衡方程如式(3)所示：

p0APu=p1Asd+p2APd+k1x1+Fss

(3)

式中，p0為控制口氣壓(kPa)；p1為進氣口氣壓(kPa)；p2為出氣口氣壓(kPa)；APu為活塞上表面承壓面積(mm2)；Asd、APd為活塞和閥門下表面承壓面積(mm2)；k1為復位彈簧剛度(N/mm)；Fss為彈簧預壓力(N)。

表1 制動閥模型參數值

*：橡膠平衡彈簧剛度不是一個定值，而是一個變量。

根據繼動閥的物理結構和工作原理，控制元件由活塞、閥門總成、復位彈簧組成，擁有3個氣口，控制口A、出氣口B、供氣口C及排氣閥。在AMESim中搭建的繼動閥模型如圖2所示。繼動閥模型中各參數的值如表2所示。

1.繼動閥控制端口A 2.排氣閥 3.閥芯彈性接觸面 4.進氣閥門總成 5.氣壓信號圖2 繼動閥模型

2.3 制動氣室建模

制動氣室將壓縮空氣的氣壓力轉換為推桿的機械推力，作用于制動調整臂對車輪產生制動，其控制方程如式(4)所示：

表2 繼動閥模型參數值

(4)

根據制動氣室工作原理和物理結構在AMESim中建立制動氣室模型，用于模擬制動氣室在制動系統制動時的動態特性(p-t曲線)以及輸入輸出曲線(f-p曲線)。如圖3為建立的膜片式制動氣室模型。膜片式氣室模型中各參數的值如表3所示。

1.氣壓信號 2.橡膠盤 3.活塞盤 4.制動推桿圖3 膜片式制動氣室AMESim模型

2.4 制動系統系統建模

氣壓制動系統由制動關鍵部件和基本氣動回路組成，將上述建立的制動關鍵部件全參數模型通過氣動管路連接，建立完整氣壓制動系統模型如圖4所示。其主要由氣源、踏板信號、串聯雙腔制動閥、繼動閥和制動氣室構成。

表3 膜片式氣室模型參數值

*：復位彈簧彈性系數k1是關于x的函數(其中x代表復位彈簧離開其平衡位置的位移)。

圖4 氣壓制動系統模型

實際工況中，制動系統額定工作壓力為800 kPa，前、后制動氣室分別由獨立的儲氣罐供氣，為此采用兩個壓力為800 kPa、溫度為20 ℃的恒壓源作為制動系統供氣端；駕駛員通過制動踏板使制動閥打開，為此通過一個踏板信號來為制動閥提供制動力信號。踏板最大額定壓力為2800 N，在0.2 s內達到最大值并保持不變，使制動壓力穩定輸出[8]。沒有踏板力信號時，制動閥和繼動閥關閉，制動系統管路中無壓縮空氣，制動時，踏板力作用于制動閥，制動閥打開，壓縮空氣進入制動管路，最終到達制動氣室使車輪制動；解除制動時，踏板力消失，制動閥、繼動閥以及制動氣室在各自回位彈簧作用下，推動活塞和閥門回移，關閉氣口，切斷空氣管路。

設置仿真模式為動態仿真，仿真時間為10 s，步長為0.01，得到氣壓制動系統動態響應曲線如圖5所示，虛線為制動閥響應曲線，實線為制動氣室響應曲線。從圖5可以看出，制動系統在0.39 s達到800 kPa穩定輸出；制動保持時，氣壓穩定輸出，無波動；制動解除時間為0.536 s。制動過程中，前制動氣室釋放時間比后制動氣室釋放時間短。具體結果見表4所示。

圖5 制動系統響應特性仿真結果

表4 氣制動系統動態響應特性結果 s

2.5 輸出協調時間

氣壓制動系統的輸出協調時間，即從制動踏板踩下到各制動部件出氣口開始有輸出氣壓所需要的時間。圖6所示為系統中制動閥、繼動閥和制動氣室的動態響應曲線，從圖6中可以看出，制動閥幾乎在0 s瞬時響應，繼動閥必須在控制氣壓達到一定值才能開啟，制動氣室在0.06 s開始有氣壓力輸出，結果見表5所示。

1.制動閥上腔 2.制動閥下腔 3.繼動閥 4.前制動氣室 5.后制動氣室圖6 制動部件輸出協調時間仿真結果

表5 制動系統輸出協調時間 s

通過仿真結果可以得出，氣制動系統動特性不僅與各制動部件自身動特性有關，還與制動部件之間的輸出傳遞有關。因此，要保證制動系統快速穩定輸出不僅要對各制動部件的動特性進行分析，同時還與制動閥→繼動閥、制動閥→前制動氣室、繼動閥→后制動氣室之間壓力傳遞時間相關。

3 氣壓制動試驗臺設計

為驗證模型的正確性，設計氣壓制動系統測試臺，對制動系統及其關鍵部件進行試驗測試，通過將試驗結果與仿真結果對比，進一步驗證建立的模型的準確性。

3.1 氣回路總體設計

為了達到0.2 s內快速加載，同時不損壞產品，采用低摩擦快速氣缸模擬快速制動的加載方式。利用高速數據采集技術獲取回路氣壓值，通過特征點提取計算出制動系統動態響應時間。快速制動過程時，氣源對氣缸充氣，氣缸推動頂桿快速前進，實現快速制動，加載速度達到1000 mm/s，制動時間小于0.2 s，滿足動態響應加載要求，氣動回路設計如圖7所示。

1.氣源 2.二聯件 3.干燥器 4.四回路保護閥 5.減壓閥 6.20 L儲氣罐 7.二位五通閥 8～10.30 L儲氣罐 11.手閥 12.總閥 13.前橋繼動閥 14、15.前制動氣室 16.差動繼動閥 17.后橋繼動閥 18、19.彈簧制動氣室圖7 氣路設計圖

氣源為系統回路的總閥、繼動閥、彈簧制動氣室等氣制動部件提供氣壓，同時為快速氣缸提供氣源動力。外接氣源接入后通過二聯件過濾掉水分和雜質，存入儲氣缸。氣回路管路采用直徑為φ12的塑料管，在前后橋繼動閥出氣口、控制口的管路上采用快插方式連接氣壓傳感器。

3.2 數據采集與控制系統設計

數據采集與控制系統如圖8所示，由數據采集模塊和控制執行模塊組成。數據采集模塊由AI通道、氣壓傳感器、數據采集卡和位移傳感器組成。控制執行模塊由二位五通電磁閥、氣控閥、電氣比例閥、功率板等組成。

圖8 采集系統原理圖

數據采集模塊中，采集卡選用16位、采樣頻率250 kS/s的多功能PCI總線數據采集卡。其在工作時每個采樣通道的采樣頻率為5 kS/s。根據整車工作氣壓800 kPa要求，氣壓傳感器選用量程為1.6 MPa，精度0.25級。總閥推桿的最大行程小于20 mm，輸入端位移傳感器選用拉桿直線位移傳感器。控制執行模塊中，工控機通過AO通道輸出模擬量，控制電氣比例閥，實現制動氣源壓力的準確控制。通過設置DO通道輸出數字量信號，經由功率板控制電磁閥，來控制氣缸等機構的加載和氣路的通斷。功率板采用TLE6228芯片，其響應速度為5～20 μs，滿足實驗要求。

4 氣壓制動系統仿真試驗驗證

4.1 動特性試驗驗證

根據國標GB 12676-1999和GB 7258-2012對標準氣壓制動系統進行試驗，并將結果與仿真結果對比，如圖5和圖9所示，對比結果如表6所示。主要的不同有兩方面，一是仿真輸出氣壓在0 s即響應，而實際情況中，踏板推桿與制動閥并不是完全接觸的，有一定的空行程， 與制動系統內部結構無關；二是制動氣室仿真曲線平滑，而試驗曲線有波動，這是由于橡膠皮碗受壓發生形變導致作用直徑發生變化，從而影響輸出。通過結果對比可以看出，仿真結果與試驗結果較吻合，模型得到驗證。

圖9 制動系統響應特性試驗結果

序號名稱仿真結果試驗結果1響應時間/s0．390．552釋放時間/s0．5360．6233工作氣壓/kPa800800

4.2 輸出協調性試驗驗證

仿真結果和試驗結果如圖6和圖10所示對比結果如表7所示。從結果中可以看出，從制動閥到達前制動氣室需要0.06 s，但是從繼動閥到達后制動氣室，建壓時間只需要0.04 s，加快了后制動氣室響應速度，從而使制動系統快速響應，輸出制動氣壓，繼動閥起到了加速充氣的作用。

1.制動閥上腔 2.制動閥下腔 3.繼動閥 4.前制動氣室 5.后制動氣室圖10 響應輸出協調性

表7 輸出協調時間仿真結果與試驗結果 s

5 結論

搭建了氣制動系統模型并設計了氣壓制動系統真車模擬試驗臺，針對氣壓制動系統本身進行了動特性仿真分析和試驗測試，通過結果對比得出，仿真結果與試驗結果相吻合較好且滿足氣壓制動系統制動需求，驗證了仿真模型的正確性，利用仿真模型可以對制動系統動態響應特性和輸出協調性進行分析研究。解除制動時，壓縮空氣還需要通過管路返回到制動部件排氣口，會使制動解除時間延長，因此要在制動系統中要加入快放閥加快氣體排出。整個氣制動系統的較大誤差發生在制動氣室，主要是因為橡膠膜片形變引起的，得出橡膠膜片的變彈性系數是引起制動系統響應遲滯的一個重要原因。

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