全液壓制動系統雙回路制動閥仿真與實驗研究

胡波　張振東　王小燕

摘要：

分析了雙回路制動閥的動態工作過程，探討了雙回路制動閥上、下閥芯對其前、后橋輸出口的遮蓋量對動態工作特性的影響.基于AMESim液壓/機械多場耦合仿真平臺建立了雙回路制動閥的仿真模型，研究了遮蓋量變化對制動壓力輸出特性的影響規律以及單回路制動安全性能.搭建了全液壓制動系統的實驗臺架，對具有不同遮蓋量的制動閥樣品的制動性能進行了實驗對比測試.實測結果表明：遮蓋量與制動空行程成正相關，與前、后橋的最大制動壓力成負相關；雙回路制動閥的前、后回路相互獨立，當其中一條回路失效時，另一條回路仍能正常工作.實驗結果與仿真結果具有良好的一致性，驗證了該仿真模型的有效性.

關鍵詞：

全液壓制動系統； 雙回路制動閥； 遮蓋量； AMESim仿真； 制動壓力輸出特性

中圖分類號： TH 137.52+1文獻標志碼： A

Abstract：

The dynamic movement process of dual circuit braking valve was analyzed.The influence of the overlapping lengths between the upper core and the rear output port as well as the lower valve core and the front output port on its dynamic characteristics was investigated.According to the simulation model of dual circuit braking valve built by AMESim software，the effects of overlapping length on the braking output pressure characteristics and the safety of single circuit brake valve were studied.The experimental bench with a full hydraulic braking system was established to determine the braking valves output characteristics with different overlapping lengths.The experimental results showed that there were positive correlations between overlapping lengths and the length of braking spare travelling process.And the overlapping lengths were negatively correlated with the maximum output pressure.Each circuit could work independently.Therefore，when one circuit lost efficacy，the other could work well.The experimental results were consistent with the simulation results，which verified the great validity of the simulation model and its simulation method.

Keywords：

full hydraulic braking system； dual circuit hydraulic braking valve； overlapping length； AMESim simulation；brake pressure output characteristics

全液壓制動系統具有制動力矩大、制動靈敏、穩定性強的特點，與氣液制動系統相比具有顯著的性能優勢，已成為工程機械制動系統的主流發展趨勢.由于目前國內并未完全掌握全液壓制動系統的核心技術，仍依靠國外進口的系統元件，造成系統成本昂貴、升級困難.因此，實現全液壓制動系統元件的國產化非常重要.雙回路制動閥作為全液壓制動系統壓力輸出的控制元件，其性能的優劣直接影響車輛制動的安全性.目前國內學者只對國外雙回路制動閥樣品的動、靜態特性進行了仿真與實驗研究[1-4]，尚未深入開展不同關鍵結構參數對雙回路制動閥性能影響規律的研究.

本文建立了雙回路制動閥工作過程的數學模型，分析了閥芯受力平衡以及動態運動過程，并基于AMESim液壓/機械多場耦合仿真平臺，建立了制動閥的液壓仿真模型，通過變參數仿真和實驗研究了關鍵結構參數對制動閥性能的影響規律.研究對于雙回路制動閥的國產化開發具有一定的參考價值.

1雙回路制動閥工作原理

1.1工作過程分析

雙回路制動閥的液壓原理圖如圖1所示，其中：A1、A2分別為前、后橋輸出口；T1、T2分別為前、后橋回油口；P1、P2分別為前、后橋進油口；F為踏板力，N.雙回路制動閥內部結構圖如圖2所示，其中：Xu為上閥芯對P1的遮蓋量；Xd為下閥芯對P2的遮蓋量.

雙回路制動閥具有上、下兩個閥芯（近制動踏板端為上閥芯，遠制動踏板端為下閥芯），其工作過程可分為三個階段：制動空行程階段、比例制動輸出階段、制動撤銷階段.

制動空行程階段是指上、下閥芯在F作用下左移，制動閥的前、后橋輸出口A1、A2分別與回油口T1、T2由接通到逐漸斷開，并與進油口P1、P2由斷開到臨界接通的過程.

比例制動輸出階段是指隨著閥芯位移逐漸增大，A1、A2分別開始與P1、P2接通，雙回路制動閥開始輸出制動壓力，制動輸出壓力與閥芯位移成比例關系.當閥芯位移達到最大值時，制動輸出壓力達到最大值并保持不變.

當F撤銷時，閥芯在復位彈簧的作用下右移，雙回路制動閥A1、A2分別與T1、T2接通，前、后橋制動器中的液壓油回流至油箱，制動過程結束.

根據閥芯在不同工作階段的受力情況，可得到其受力平衡方程.當制動閥處于空行程階段時，閥芯受力平衡情況及動態運動方程可表示為

綜上可得，上、下閥芯分別對進油口P1、P2的遮蓋量Xu、Xd決定了制動過程中空行程的長短.此外，由式（4）可知，在雙回路制動閥其他結構參數不變的情況下，Xu、Xd與雙回路制動閥輸出壓力成比例關系.由于在雙回路制動閥加工中主要是通過改變Xu、Xd調節不同的雙回路制動閥的輸出壓力，因此，Xu、Xd是雙回路制動閥的關鍵結構參數.

2雙回路制動閥性能仿真

基于AMESim液壓/機械多場耦合仿真平臺建立的雙回路制動閥仿真模型[5-6]如圖3所示.為了保證該仿真模型能正確進行運算，在模型中增加了蓄能器及前、后制動器[7].主要仿真參數如表1所示.

2.1制動壓力輸出特性

雙回路制動閥仿真模型中閥芯位移輸入信號如圖4（a）所示，閥芯位移變化范圍為0～9 mm.雙回路制動閥前、后橋輸出壓力仿真結果如圖4（b）所示，雙回路制動閥的空行程為2 mm，滿足制動輸出壓力響應速度的要求.此后，經過一個短暫的壓力脈動階段，前、后橋制動輸出壓力與閥芯位移成正相關，隨著閥芯位移的增大其輸出壓力相應增大.由于上、下閥芯運動存在不同步性，因此在輸出壓力比例增大階段，后橋輸出壓力略小于前橋.當閥芯位移達到最大值時，雙回路制動閥前、后橋的制動輸出壓力也達到最大值（10.4 MPa）并保持不變.

2.2制動閥特性變參數仿真

利用AMESim仿真平臺中的批處理模塊對制動閥上、下閥芯的Xu、Xd進行了變參數仿真分析（閥芯位移輸入信號同2.1節），以確定Xu、Xd與前、后橋制動輸出壓力之間的關系.Xu、Xd仿真參數如表2所示.

圖5為不同Xu、Xd時的仿真結果.隨著Xu不斷減小，雙回路制動閥前橋輸出口A1的最大輸出壓力逐漸增大；隨著Xd不斷減小，雙回路制動閥后橋輸出口A2的最大輸出壓力也逐漸增大.隨著Xu、Xd逐漸減小，雙回路制動閥前、后橋的制動空行程變小.因此，可通過改變Xu、Xd的大小改變雙回路制動閥的空行程長短和前、后橋的最大輸出壓力.

2.3單回路安全性仿真

將雙回路制動閥仿真模型的其中一條回路斷開，對另一條回路的輸出壓力特性進行了仿真.仿真結果如圖6所示.當一條回路失效時，另一條回路的制動空行程以及前、后橋最大輸出壓力與未失效時基本一致，即能正常實施制動，兩條回路相互獨立，從而提高了制動安全性.

3實驗結果分析

為了對雙回路制動閥的工作特性進行分析，搭建了全液壓制動系統的實驗臺架，如圖7所示.實驗臺架主要元件參數如表3所示.

3.1制動壓力輸出特性

利用由舵機、搖臂及連桿等組成的制動踏板控制機構對踏板進行勻速控制.制動踏板控制機構如圖8所示.雙回路制動閥的前、后橋制動輸出壓力的實驗結果如圖9所示，制動空行程約為2 mm.由圖9

4結論

（1） 通過對雙回路制動閥閥芯的動態運動方程進行分析，得出雙回路制動閥上、下閥芯對其前、后橋輸出口的遮蓋量為其關鍵結構參數.

（2） 對雙回路制動閥上、下閥芯對其前、后橋輸出口的遮蓋量進行了變參數仿真，發現該參數與雙回路制動閥的空行程成正相關，與最大輸出壓力成負相關；此外，對雙回路制動閥的單回路安全性進行了仿真，結果顯示，雙回路制動閥在其中一條回路失效的情況下，另一條回路仍能正常輸出壓力，表明雙回路制動閥具有較高的安全性.

（3） 通過搭建全液壓制動系統的實驗臺架，對雙回路制動閥的輸出壓力特性、單回路安全性進行了實驗，并對比了不同遮蓋量時的制動輸出壓力特性.

實驗結果與仿真結果具有較好的一致性，說明建立的仿真模型能對雙回路制動閥的制動特性進行較準確的模擬計算.研究為雙回路制動閥的產品開發尤其是結構優化提供了一定的理論參考.

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