商用車氣壓制動回路自動調(diào)壓閥的設(shè)計與分析

陳曉博，李剛炎，胡大偉

(武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

制動系統(tǒng)是保障車輛行駛安全、實現(xiàn)車輛安全駕駛的必要環(huán)節(jié)，商用車一般采用氣壓制動的制動方式，調(diào)壓閥作為連接電控單元和氣壓制動回路的關(guān)鍵元件，其在制動系統(tǒng)中用于調(diào)節(jié)壓力的大小，其性能直接影響氣壓制動的性能[1]。隨著對電子技術(shù)、控制技術(shù)、自動化技術(shù)的深入研究，氣動元件及其控制系統(tǒng)向著自動化、智能化方向發(fā)展已成為一個重要趨勢。尤其是隨著自動駕駛汽車的興起，急需可實現(xiàn)自動駕駛汽車在制動過程中實現(xiàn)輸出壓力自動控制和調(diào)節(jié)的壓力調(diào)節(jié)裝置[2]。

目前，在商用車氣壓制動回路中常用的調(diào)壓閥為ABS電磁閥，但ABS電磁閥并不能實現(xiàn)輸出壓力的精確控制，且時延較長[3]。另外，常見的可實現(xiàn)壓力自動調(diào)壓的調(diào)壓閥有電氣比例閥、氣動伺服閥和壓電閥等。國內(nèi)外多家氣動元器件公司如日本SMC、德國PESTO以及諸多高校如浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等都對此進了比較充分的研究[4-6]。

但是，電氣比例閥對負載變化比較敏感，適用于輸出功率不太高，動態(tài)特性要求也不太高的場合；氣動伺服閥價格高昂，且對氣源純凈度的要求也較高，其使用維護較為困難；而壓電閥則因壓電陶瓷材料的可調(diào)變形量較小導(dǎo)致其調(diào)壓范圍有限，應(yīng)用范圍較小[7-9]。基于以上分析，目前常見的自動調(diào)壓閥都不適合在商用車氣壓制動系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

本文介紹了一種新的自動調(diào)壓閥一體化設(shè)計方案，并在闡述其結(jié)構(gòu)組成和工作原理的基礎(chǔ)上，建立數(shù)學(xué)模型，對自動調(diào)壓閥的壓力響應(yīng)特性和流量特性進行分析，以驗證其設(shè)計的合理性。

1 自動調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)組成和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

本文設(shè)計了一種具有結(jié)構(gòu)簡單、便于維護、響應(yīng)速度快、穩(wěn)壓精度高，且能融入商用車CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的自動調(diào)壓閥。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主體結(jié)構(gòu)包括：

1) 主閥體：采用先導(dǎo)式減壓閥為主閥體；

2) 步進電機驅(qū)動機構(gòu)；

3) 集成CAN總線的步進電機驅(qū)動控制裝置。

此外，還包括壓力顯示屏和驅(qū)動、控制電路等，共同組成一個完整的自動調(diào)壓閥。

1—進氣口；2—出氣口；3—主閥芯；4—排氣閥芯；5—膜片1；6—膜片2；7—排氣通道；8—擋板；9—常泄孔；10—膜片3；11—膜片4；12—壓力顯示屏；13—凸輪推桿；14—凸輪；15—步進電機輸出軸；16—步進電機定子；17—定子線圈；18—步進電機轉(zhuǎn)子；19—軸承；20—驅(qū)動控制器；21—接線端口圖1 自動調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)視圖

1.2 工作原理

本裝置通過CAN收發(fā)器來完成與CAN總控制節(jié)點之間的信息傳遞與反饋。而步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為響應(yīng)角位移的一種特殊電動機，其工作方式是每輸入1個電脈沖信號，電動機就轉(zhuǎn)動1個角度，且角位移和脈沖指令的個數(shù)成正比。因此，只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率，便可通過“步進電機—凸輪機構(gòu)—閥芯”來控制閥芯的位移及速度，從而實現(xiàn)對輸出壓力的調(diào)控。

此外，通過壓力傳感器檢測輸出壓力，構(gòu)成反饋閉環(huán)回路，使得輸出壓力的精度較高。為了對此裝置有較為直觀的認識，其工作原理如圖2所示。

圖2 自動調(diào)壓閥工作原理圖

經(jīng)由PC機或上位控制器發(fā)出的信號，通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳送至該自動調(diào)壓閥的CAN收發(fā)器，再通過CAN控制器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖序列，經(jīng)過放大后傳遞至步進電機，從而驅(qū)動步進電機運動，每發(fā)出1個脈沖步進電機就前進或后退1步。步進電機通過凸輪推桿帶動閥芯移動，電機動作一定的步數(shù)，則閥芯開啟相應(yīng)的開度，由此可控制輸出的流量或壓力。同時，壓力傳感器的反饋信號可與輸入信號進行對比，從而完成閉環(huán)控制，實現(xiàn)壓力的精確調(diào)控。

2 自動調(diào)壓閥的數(shù)學(xué)模型

客車氣壓制動回路自動調(diào)壓閥從接收到調(diào)壓信號到輸出穩(wěn)定的壓力這個過程可分為電磁、閥芯運動和氣路3個部分。 本文通過對自動調(diào)壓閥各個系統(tǒng)基本方程的分析，得出其總體的數(shù)學(xué)模型。

建模過程做以下設(shè)定：

1) 視工作介質(zhì)為理想氣體；

2) 自動調(diào)壓閥內(nèi)部的氣體壓力、密度和溫度均呈均勻分布；

3) 不計其他局部損失。

a) 電磁部分數(shù)學(xué)模型

CAN收發(fā)器收到控制信號，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換和驅(qū)動電路，將其轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動步進電機運動的電流信號，根據(jù)基爾霍夫定律可得轉(zhuǎn)子上線圈的方程為：

(1)

式中：U為電壓；I為電流；R為線圈電阻；N為線圈的匝數(shù)；φ為線圈的磁通量；Rm為線圈的磁阻。

線圈通電將電能轉(zhuǎn)化為磁能，其公式為：

(2)

由能量轉(zhuǎn)換原理，可得步進電機轉(zhuǎn)矩表達式為：

(3)

根據(jù)電機的受力情況，可得出其動力學(xué)模型：

(4)

式中：Tf為負載轉(zhuǎn)矩；J為步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量與負載凸輪的轉(zhuǎn)動慣量之和；B為阻尼(包括機械阻尼和電磁阻尼)系數(shù)。

根據(jù)自動調(diào)壓閥的機構(gòu)設(shè)計可知，采用凸輪機構(gòu)作為步進電機與閥芯的連接和傳動機構(gòu)，對凸輪機構(gòu)進行受力分析可得：

(5)

式中：r0為凸輪的基圓半徑；d為推桿的直線運動距離；f為凸輪機構(gòu)表面的摩擦系數(shù)。

b) 閥芯運動部分數(shù)學(xué)模型

該自動調(diào)壓裝置是由CAN總線控制其發(fā)出電脈沖信號經(jīng)過步進電機轉(zhuǎn)換后，帶動凸輪機構(gòu)的轉(zhuǎn)動，再經(jīng)由凸輪推桿驅(qū)動閥芯的直線運動，在這一環(huán)節(jié)中步進電機的旋轉(zhuǎn)角度為：

(6)

式中：θ為步進電機步距角；θS為步進電機的角位移；n為輸入電脈沖的個數(shù)；t為步進電機運動的時間；fHZ為脈沖信號的頻率。

為了避免凸輪推桿在運動過程中產(chǎn)生沖擊，該推桿采用正弦加速度運動規(guī)律。則步進電機的旋轉(zhuǎn)角位移可以轉(zhuǎn)換為凸輪推桿的直線位移，即是閥芯的位移，其位移方程為：

X=h[(θS/θ0)-sin(2πθS/θ0)/(2π)]

(7)

閥芯的運動平衡方程：

(8)

式中：θ0為凸輪的推程運動角；m為閥芯的質(zhì)量；F為凸輪推桿傳遞的壓力；P0為閥芯處的壓力；A0為閥芯的橫截面積；B為閥芯的運動阻尼系數(shù)；Bx為瞬態(tài)氣動力阻尼系數(shù)；k為氣動力彈性系數(shù)。

c) 氣路部分數(shù)學(xué)模型

氣體流過閥芯處的節(jié)流方程為：

(9)

式中：K為空氣的絕熱系數(shù)，其值為1.4。

在氣壓制動過程中，自動調(diào)壓閥輸出的壓力直接進入制動氣室。不考慮氣體的泄漏和局部損失，以及與外界的熱交換，則流過調(diào)壓閥芯的氣體流量即為進入制動氣室的流量，自動調(diào)壓閥出口的壓力即為制動氣室的壓力。易知制動氣室的節(jié)流方程為：

(10)

由以上幾個式子聯(lián)立，考慮氣壓制動過程中閥芯的開度位移對質(zhì)量流量的影響，可以推導(dǎo)出該自動調(diào)壓閥工作過程中的壓力動態(tài)響應(yīng)方程為：

3 自動調(diào)壓閥的仿真分析

根據(jù)閥芯的運動平衡方程，在MATLAB中對其進行建模分析，可得出閥芯的位移與旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 閥芯位移與電機旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線

其中，θ0凸輪的推程運動角，即是閥芯從閉合到完全張開過程中步進電機所旋轉(zhuǎn)過的角度，且θ0<180°。

步進電機的步距角設(shè)定為1.8° ，因此，步進電機最多旋轉(zhuǎn)100步閥芯便可達到最大行程，即脈沖個數(shù)最多為100個。

根據(jù)GB 12676-2014 中的相關(guān)規(guī)定[10]，分析得出不同類型汽車分別在空載和滿載條件下所需滿足的最大響應(yīng)時間如表1所示。

表1 制動系統(tǒng)響應(yīng)時間的要求

在MATLAB/Simulink仿真模型中，信號頻率分別設(shè)置為160 Hz、170 Hz、180 Hz、190 Hz、200 Hz 5個輸入值，壓力響應(yīng)曲線如圖4所示(本刊為黑白印刷，如有疑問請向作者咨詢)。

圖4 不同頻率下自動調(diào)壓閥的壓力響應(yīng)曲線

由圖4可知，頻率越大，壓力響應(yīng)時間越短。而根據(jù)表1可知，為了使該自動調(diào)壓閥能夠滿足國家標準中規(guī)定的各種類型車輛的制動響應(yīng)時間要求，可設(shè)定自動調(diào)壓閥的使用頻率為200 Hz。

此外，在MATLAB/Simulink仿真模型中，保持輸入壓力不變，輸出壓力分別設(shè)定0.6 MPa、0.5 MPa、0.4 MPa，仿真時間設(shè)置為3 min，可得出該閥的壓力—流量特性曲線，如圖5所示。

圖5 自動調(diào)壓閥流量特性曲線

由圖5可知，設(shè)定輸出壓力分別為0.6 MPa、0.5 MPa、0.4 MPa并持續(xù)3 min后壓力的降低值均<0.01 MPa，穩(wěn)壓精度高，其流量特性能滿足客車氣壓制動系統(tǒng)的使用要求。

根據(jù)以上的仿真分析可知，該自動調(diào)壓閥的壓力響應(yīng)特性和流量特性能夠滿足設(shè)計要求，且控制信號頻率最佳值為200Hz。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種以先導(dǎo)式精密調(diào)壓閥為主閥體、以步進電機為驅(qū)動機構(gòu)、以集成CAN總線的驅(qū)動控制器為控制部件，同時集反饋回路、控制電路為一體的商用車氣壓制動回路自動調(diào)壓閥。根據(jù)該閥的工作原理進行了數(shù)學(xué)建模，并對其性能完成了仿真分析。結(jié)果表明該閥結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出壓力的自動、精準控制，且響應(yīng)時間快，能滿足商用車氣壓制動回路的自動調(diào)壓需求。