排氣制動閥結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計

張利娟

摘 要：本文簡述了排氣閥在整個制動回路中的位置和作用，詳述了其工作原理，重點闡述了1203015-KE300排氣閥總成的性能要求和設(shè)計計算等。

關(guān)鍵詞：排氣制動閥；原理設(shè)計；背壓

中圖分類號：TK421+.5 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）03-0095-06

The Structure And Principle Design of Exhaust Brake Valve

ZHANG Li-juan

（ Knorr-Bremse DETC Commercial Vehicle Braking Technology Co.， Ltd.，

Shiyan442062， China ）

Abstract： This article simply introduces the position and function of the exhaust brake valves in whole brake system and particularly relates working principle， This paper expatiates the performance demand and design computation of 1203015-KE300 exhaust brake valves.

Key Words： Exhaust Brake Valves； Principle Design； Back Pressure

1 前言

中重型汽車在下長坡等工況下頻繁使用主制動器會使制動系統(tǒng)的熱負荷非常大而制動系統(tǒng)又無法及時將熱量釋放到周圍環(huán)境使得制動鼓和制動蹄的溫度過高磨損較快，從而使主制動器失去部分或全部的制動效能，這將嚴重影響主制動系統(tǒng)的連續(xù)制動的效能，從而影響制動的安全性。而采用輔助制動裝置就可以減少主制動系統(tǒng)的使用頻率，減少因制動器連續(xù)使用產(chǎn)生的制動器溫度過高，效能下降，磨損嚴重等一系列問題。因此，輔助制動裝置的應(yīng)用越來越廣泛。輔助制動裝置主要包括：發(fā)動機制動器、排氣制動閥、液力緩速器和電渦流緩速器，而排氣制動閥作為一種性價比最高的輔助制動裝置在中重型汽車及客車上被廣泛應(yīng)用。

2 排氣制動閥在排氣制動裝置的位置和主要作用

電控氣動式排氣制動裝置（見圖1）有排氣制動執(zhí)行機構(gòu)、控制機構(gòu)和斷油機構(gòu)三部分組成。排氣制動閥和排氣制動缸為排氣制動裝置的執(zhí)行機構(gòu)。排氣制動開關(guān)、油門踏板、和離合器踏板聯(lián)動開關(guān)、排氣制動工作指示燈、電磁閥和空氣管等構(gòu)成控制機構(gòu)，停油缸等則組成斷油機構(gòu)。

1-蓄電池；2-排氣制動開關(guān)；3-排氣制動工作指示燈；

4-離合器聯(lián)動開關(guān)；5-加速踏板（油門）聯(lián)動開關(guān)；

6-排氣制動閥；7-排氣制動缸；8-電磁閥；9-儲氣筒

排氣制動系統(tǒng)是由操縱缸和閥體組成的排氣制動閥以及控制電磁閥，供氣管、電器、電路等組成，排氣制動閥被安裝在發(fā)動機排氣管上。排氣制動時，按下排氣制動開關(guān)按鈕，排氣制動閥的蝶形閥機構(gòu)關(guān)閉排氣通道，使發(fā)動機活塞在排氣行程時受到氣體的反壓力，阻滯發(fā)動機運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生制動作用，達到控制車速的目的。

當排氣制動系統(tǒng)工作時，閥體中的閥片關(guān)閉，發(fā)動機在排氣沖程時，發(fā)動機氣缸和排氣管內(nèi)的廢氣被壓縮，這一過程所消耗的功，就產(chǎn)生對汽車的制動力。制動力的大小隨排氣管和發(fā)動機氣缸內(nèi)壓力（發(fā)動機背壓）的升高而增大。汽車裝有排氣制動閥有如下優(yōu)點：

（1）汽車下長坡時，行車制動的作用次數(shù)和作用時間可顯著減少，防止制動器過熱和制動力衰退，保持制動器始終處于良好狀態(tài)。延長了蹄片的壽命，減輕了駕駛員制動過程的疲勞，有利于環(huán)保。

（2）排氣制動是壓縮發(fā)動機和排氣管中的氣體而產(chǎn)生的制動。因此制動柔和、無沖擊、減少零件的沖擊載荷，可延長相關(guān)零件的使用壽命，減少保養(yǎng)次數(shù)。

（3）排氣制動是通過傳動系傳遞到驅(qū)動輪的。驅(qū)動橋的差速器將制動力矩平均分配到左、右車輪上。減少了汽車側(cè)滑的傾向，行車時，具有安全感，可提高汽車的平均車速。

（4）排氣制動的停油開關(guān)具有一定的節(jié)油效果。

為滿足國內(nèi)商用車發(fā)展趨勢及整車需求，根據(jù)東風商用車4H發(fā)動機項目進度要求，我公司開發(fā)該發(fā)動機的排氣制動閥1203015-KE300。

3 排氣制動閥總成的結(jié)構(gòu)和工作原理

排氣制動閥總成主要有：操縱缸分總成（圖1中的排氣制動缸）、聯(lián)接部分、蝶閥分總成（圖1中的排氣制動閥）三部分構(gòu)成（見圖2），其中操縱缸分總成為控制機構(gòu)、蝶閥分總成為執(zhí)行機構(gòu)。

圖2所示為排氣制動閥總成非工作狀態(tài)，當需要進行排氣制動時，來自貯氣筒的壓縮空氣經(jīng)操縱缸分總成進氣口充入操縱缸，推動活塞，通過連桿機構(gòu)使蝶閥片完全關(guān)閉。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 設(shè)計要求

應(yīng)商用車技術(shù)中心要求：

1. 確保產(chǎn)品密封部位（操縱缸、閥體端面等）密封可靠；

2. 運動機構(gòu)（操縱缸、蝶閥軸總成等）靈活不干涉；

3. 總成性能（耐高溫性、背壓等）滿足技術(shù)要求。

4.2 結(jié)構(gòu)選型

以滿足客戶要求為為前提，并根據(jù)客戶總成功能圖要求，參照現(xiàn)有排氣制動閥的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，借用現(xiàn)有操縱缸、壓鉚結(jié)構(gòu)蝶閥、不銹鋼軸承、高分子石墨墊和泄漏槽等結(jié)構(gòu)，降低了新品開發(fā)費用。

采用方案如下：

整體結(jié)構(gòu)采用圖2結(jié)構(gòu)形式。具體如下：

（1）操縱缸分總成選用雷諾排氣制動閥操縱缸（內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3），缸體內(nèi)徑為φ35mm。

（2）閥體內(nèi)經(jīng)為φ63mm。

（3）增加閥體強度

閥體法蘭面連接處，三孔臺階增加5mm高度，在吊耳處增加R5的倒圓，來增加閥體的連接強度，降低斷裂風險。

5 操縱缸活塞行程計算

5.1.1 活塞工作行程計算

c=40 b=205

L1 =

=181.88

L2 =

=221.88

于是，蝶閥片從全開位置到全閉位置，活塞的行程為

L = L2- L1=40mm

操縱缸內(nèi)活塞允許行程到達極限位置時空間位置尺寸：

L=33.7mm

活塞行程滿足設(shè)計要求。

5.1.2 活塞受力分析

F氣——進氣口氣壓作用在活塞上的力（N）

F彈——回位彈簧作用在活塞上的力（N）

F氣——進氣口氣壓作用在活塞上的力（N）

F彈——回位彈簧（兩個串聯(lián)彈簧）作用在活塞上的力（N）

（根據(jù)缸筒和推桿工作位置計算推桿行程，計算簡圖見圖6）

已知：單個彈簧內(nèi)徑D2=25.5；d=2.5；n=5.5； n1=7.5；H0=65；

初始位置預(yù)拉伸時兩個彈簧變形長度

L1=65×2-88.9-2=39.1；

完全關(guān)閉時兩個彈簧變形長度

L2=39.1+40（推桿行程）=79.1；

單個彈簧的剛度K = =4.2（N/mm）

兩個串聯(lián)彈簧的剛度

k=k1×k2/（k1+k2）= =2.11（N/mm）

F初 = k×L1=82.5（N）

F關(guān) = k×L2=177.9（N）

活塞面積S= = =961.625（mm2）

蝶閥片開始關(guān)閉時的氣壓為

P開=F初 /S= 86（kPa）

蝶閥片完全關(guān)閉時的氣壓為

P關(guān)=F關(guān) /S= 195（kPa）

進氣口額定氣壓為P=800kPa

則蝶閥片完全關(guān)閉時推桿伸出的力為

F桿=P×S- F關(guān)==591.4（N）

5.1.3 最大輸出力矩（Mmax）

P=0.8MPa

L2 = 221.88

β=arcos（ ）=61.7°

M有效=F桿×L×cos（90-β）

=591.4×40×COS28.3°×10-3

=20.8N.m

5.2 彈簧的計算校核

回位彈簧3541LN-024：

材料：琴鋼絲

許用抗拉強度σb =1814MPa

彈簧的許用剪切應(yīng)力[τ]=0.5σb =907MPa

彈簧自由高度H0=65mm

彈簧鋼絲直徑d=2.5mm 彈簧外徑D=28mm

彈簧中徑D2=D-d=25.5mm

C= D2 /d=10.2

彈簧有效圈數(shù)n=5.5

單個彈簧剛度J=Gd/8C n=4.2 N/m

兩個串聯(lián)彈簧的剛度

k=k1×k2/（k1+k2）= =2.11（N/mm）

彈簧工作載荷：（見4活塞受力分析）

蝶閥片全開時推桿輸出力：

F初=k×L1=82.5（N）

蝶閥片全閉時推桿輸出力（即最大輸出力）：F關(guān)= k×L2=177.9（N）

彈簧旋繞比：

λ=（4C-1）/（4C-4）-0.615/C=1.005

彈簧最大剪切應(yīng)力：

τmax=λ×8 D2Fmax/（πd ）=743.18MPa

τmax<[τ]，故彈簧設(shè)計滿足使用要求

5.3 密封性設(shè)計

密封性設(shè)計是汽車制動閥類產(chǎn)品設(shè)計的重要組成部分，此類產(chǎn)品通常采用O型圈密封，工藝性好，性能可靠。影響O型圈密封的因素主要有以下幾點：O型圈的尺寸，材料硬度，安裝時的壓縮率，密封面的光潔度，介質(zhì)內(nèi)壓以及往復(fù)運動的速度等，對于O型圈不論是動密封還是靜密封，在保證密封的前提下，壓縮率的選擇必須適當，壓縮率太大，活塞運動阻力大，O型圈壽命短，壓縮率過小，則密封不嚴，運動中還易發(fā)生振動。

操縱缸常用工作氣壓是0.6MPa ，在機械密封中壓力是比較低的，在這種情況下，橡膠硬度一般選擇在紹爾70°左右。同時排氣制動閥安裝位置在發(fā)動機排氣管上，靠近發(fā)動機，溫度較高，因此O型圈材料應(yīng)選用耐高溫材料。

O型圈結(jié)構(gòu)尺寸見圖8：

活塞式動密封（見圖9）計算

d1=φ28.5±0.22 d2=3.47±0.1

d3=φ d4=φ

壓縮量：

E1max=d2max- =3.57- =0.57

E1min=d2min- =3.37- =0.308

壓縮率：

K1max= ×100%= ×100%=16.9%

K1min= ×100%= ×100%=8.6%

預(yù)拉伸率：

X1max= ×100%= ×100%=2.1%

X1min= ×100%= ×100%=0.8%

5.4 蝶閥部分設(shè)計計算

5.4.1蝶閥部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)，見圖10：

蝶閥片和蝶閥軸通過可在閥體內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動。

5.5 排氣背壓計算

由于此總成是非偏心結(jié)構(gòu)，無法在設(shè)計階段估算出在發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速下的背壓值。只能在試制樣件的發(fā)動機臺架上摸索出轉(zhuǎn)速和背壓的關(guān)系，及背壓是否滿足客戶需求。背壓值通過蝶閥片與閥體的間隙來控制，通過限位螺栓來進行調(diào)整。

5.6 兩側(cè)中心高度計算

計算兩側(cè)中心高度：

支撐軸一側(cè)：

長軸一側(cè)：

即：兩側(cè)中心高度偏差：

因為聯(lián)接叉的內(nèi)部間距為8.5±0.1mm，兩側(cè)中心高度偏差可以有

（8.5±0.1- ）mm的余量，可以包容以上計算高度差，所以不會發(fā)生干涉、發(fā)卡現(xiàn)象。

5.7 配合尺寸計算

3541KE300-046不銹鋼襯套配合尺寸：

外徑：φ 23.5

內(nèi)徑：φ 17.5

與之配合的閥體尺寸：內(nèi)徑：φ 23.5H8

與之配合的長軸外徑：φ 17.5

外徑處間隙量：0.065～0.131

內(nèi)徑處間隙量：0.15～0.236

1203015-KM800-049石墨墊配合尺寸：

外徑：φ 27.5

內(nèi)徑：φ 12.3

與之配合的閥體尺寸：內(nèi)徑：φ 27.5

與之配合的長軸外徑：φ 12.3

外徑處間隙量：0～0.2

內(nèi)徑處間隙量：0～0.17

3541KE300-042蝶閥片配合尺寸：

蝶閥片外徑：φ 62

蝶閥片厚： 4

與之配合的閥體尺寸：內(nèi)徑：φ 62

與之配合的長軸及短軸開槽尺寸：3.9

蝶閥片與閥體間隙：0.1～0.274

蝶閥片與軸裝配過盈量：0.05～0.2

閥體材料QT400，膨脹系數(shù)為13.2×10-6

蝶閥片材料為鋼，膨脹系數(shù)為19.3×10-6

蝶閥片的膨脹量為：

19.3×10-6×62×700=0.837

閥體的膨脹量為： 13.2×10-6×62×700=0.573

蝶閥片比閥體膨脹的快，高溫下兩者的膨脹量差值為0.264，

因該總成的背壓不易確定，故閥體與蝶閥片的間隙需根據(jù)實際實驗情況再做相應(yīng)調(diào)整。

5.8 計算推桿與連接叉螺紋配合尺寸

計算活塞工作行程時，

初始位置尺寸為181.88

連接叉中心距端面距離為33

因此推桿與連接叉的螺紋配合尺寸為

23+135+33-181.88=9.12；

結(jié)論：

根據(jù)以上理論計算可以看出，目前設(shè)計的產(chǎn)品圖紙，從理論上能符合功能圖紙的要求，但應(yīng)經(jīng)過產(chǎn)品試制驗證，并應(yīng)進行耐久、振動和裝車使用等工作，以確信產(chǎn)品開發(fā)的成功性。

6 全文總結(jié)與展望

通過對排氣制動閥的深入計算，特別是完成該的設(shè)計開發(fā)，使自己對公司此類產(chǎn)品有了更深入的掌握。各項性能試驗表明，本次設(shè)計是可靠的，結(jié)構(gòu)、性能等各項指標均能滿足東風商用車整車的需要，壯大了公司在國內(nèi)整車的配套市場，也為公司以后開拓更大的市場奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]何仁：汽車輔助制動裝置， 北京， 化學工業(yè)出版社， 2005.

[2]李玉生：重型汽車發(fā)動機排氣輔助制動效能的分析研究.

[3]鄧陽慶：重型汽車排氣制動效能優(yōu)化， 汽車技術(shù)

[4]余強：發(fā)動機制動和排氣制動對客車制動穩(wěn)定性的影響，交通運輸工程學報， 2003 （9）.

[5]陳家瑞：《汽車構(gòu)造》機械工業(yè)出版社2002年第1版.

[6]鄭文緯：吳克堅：《機械原理》 高等教育出版社 1996年第七版.

[7]徐灝：《機械設(shè)計手冊》第三部分，機械工業(yè)出版社2001年第2版.

[8]何仁：《汽車輔助制動裝置》 化學工業(yè)出版社2005年版.