商用車氣壓駐車制動系統繼動閥壓力特性研究

胡 俊，林家祥，孫乙城，李少偉，周茜琳

（廣西科技大學 機械與汽車工程學院，廣西 柳州 545616）

0 引言

隨著我國商用車需求量的逐年增長，人們對商用車的安全性能提出了更高的要求。制動系統作為汽車的核心安全系統，其性能好壞直接影響汽車的制動可靠性和行駛安全性。氣壓制動系統已廣泛應用于中重型商用車，具有結構簡單、動力源環保、能產生大制動驅動力等顯著優點。繼動閥是組成駐車制動系統的關鍵部件之一，可以縮短充氣和排氣的時間。在解除駐車制動時，彈簧制動氣室氣壓逐漸升高，直至完全松開駐車制動器需要一定的時間。如果氣壓傳輸時間過長就會造成駐車制動解除慢，不僅會大大降低汽車行駛效率，還會影響商用車的制動安全性能。

國內外學者對氣壓制動系統中閥類零件的研究不多，主要以壓力響應特性研究為主。霍皓靈等應用AMESim 仿真軟件對快放閥進行建模仿真，得到對快放閥壓力響應影響較大的變量，并利用正交試驗法對快放閥結構參數進行優化設計；李保平等利用Simulink 平臺建立快放閥仿真模型，通過對比仿真結果和試驗數據，分析不同條件下的壓力響應特性；方桂花等建立繼動閥AMESim動態模型及系統AMESim 模型，研究不同因素下繼動閥的動態響應特性，并通過系統仿真驗證了繼動閥的控制作用。

目前對于繼動閥壓力特性的研究，主要是利用AMESim仿真軟件進行建模仿真，由于其參數不易確定，仿真調參困難。因此，本文以某商用車氣壓駐車制動系統繼動閥為研究對象，分析駐車制動回路繼動閥的工作過程，基于繼動閥的物理結構和氣動知識，建立繼動閥的數學模型和Simulink仿真模型，并通過試驗驗證模型的正確性，研究繼動閥在升壓過程中的壓力響應特性，為繼動閥的結構優化和系統研究提供理論支持。

1 商用車氣壓駐車制動系統及繼動閥

1.1 商用車氣壓駐車制動系統

商用車氣壓駐車制動系統大多采用斷氣剎，這種制動系統平時處于常剎車狀態，當車輛即將行駛時，需松開駐車手剎，此時是一個充氣過程，彈簧制動氣室壓力達到一定值，壓縮強力彈簧，松開駐車制動器。斷氣剎是儲能彈簧氣壓制動方式，不僅用于駐車制動，還可用于緊急制動。商用車氣壓駐車制動系統主要由氣源、駐車手閥、駐車制動回路、駐車制動器等部分組成。圖1為商用車氣壓駐車制動系統原理圖，繼動閥5 安裝在駐車手閥4與后橋彈簧制動氣室6之間，其作用是在解除駐車制動時使彈簧制動氣室快速充氣。

圖1 商用車氣壓駐車制動系統原理圖

1.2 繼動閥的結構與工作原理

1.2.1 繼動閥的結構與工作原理

繼動閥的主要結構有閥體、活塞、閥門總成和復位彈簧，具有4種工作接口，分別是控制口、進氣口、出氣口和排氣口。繼動閥的結構圖如圖2所示，進氣閥門、閥芯、排氣閥門組成閥門總成，進氣口與儲氣筒相連直接供氣，控制口與駐車手閥相通，出氣口連接后橋彈簧制動氣室，排氣口與大氣相通用于排氣。

圖2 繼動閥閥體結構圖

進行駐車制動時，駕駛員拉起手剎，駐車手閥關閉，排氣口打開，繼動閥控制口氣壓通過駐車手閥排出，氣壓力不斷降低，活塞及閥門總成在閥腔氣壓力和復位彈簧力共同作用下，向上移動至臨界位置，進氣閥門關閉，排氣閥門打開，排氣通道開啟，彈簧制動氣室中的壓縮空氣通過排氣閥門和排氣口排向大氣，釋放被壓縮的強力彈簧，實現駐車制動。

解除駐車制動時，駕駛員放下手剎，駐車手閥打開通氣，控制氣壓通過駐車手閥通向繼動閥控制口，活塞向下移動至臨界位置，接著壓著閥門總成一起向下移動，先關閉排氣閥門，再打開進氣閥門，儲氣筒中的壓縮空氣便可直接經進氣口流進繼動閥的閥腔內，再經過出氣口充進彈簧制動氣室，壓縮強力彈簧，松開駐車制動器，實現解除駐車制動。

1.2.2 繼動閥的壓力特性要求

關于商用車氣壓駐車制動系統繼動閥的壓力響應特性要求，《商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法》（GB 12676—2014）和《機動車運行安全技術條件》（GB 7258—2017）等相關法規提出了明確規定：1）從開始制動到制動氣室壓力達到穩態值75%的響應時間不得超過0.6 s；2）解除駐車制動的壓力響應時間不得超過1.2 s。除此之外，提高制動的可靠性，還要保證系統的穩定性要求，避免在制動的過程中出現壓力波動過大的現象。因此，本文主要從壓力響應特性和系統穩定性2個方面對繼動閥升壓過程中的壓力特性展開研究。

2 繼動閥的數學模型及仿真模型

2.1 繼動閥的數學模型

2.1.1 繼動閥的結構與工作原理

圖3為繼動閥升壓過程中活塞及閥門總成的受力分析。可得到活塞及閥門總成的運動方程如下：

圖3 繼動閥活塞及閥門總成的受力分析

其中：為活塞與閥門總成的質量；為重力加速度；為控制氣壓；為輸入氣壓；為輸出氣壓；為活塞上表面有效承壓面積；為進氣閥門有效承壓面積；為活塞下表面有效承壓面積；為活塞有效位移；為速度阻尼系數；為復位彈簧剛度；為彈簧預緊力。

2.1.2 固定節流孔質量流量數學模型

繼動閥的進氣口和出氣口都可以等效為具有一定開度的固定節流孔，故都可以用固定節流孔質量流量方程來表示其數學模型。國際標準ISO 6358中規定，將音速流導值、臨界壓力比值作為固定節流孔流量特性的主要特征參數。繼動閥進出氣口的氣體質量流量計算如式（2）所示：

其中：為標準大氣密度；為音速流導；為上游氣體壓力；為下游氣體壓力；為臨界壓力比；為上游氣體溫度。

2.1.3 可變節流孔質量流量數學模型

充氣過程中進氣閥門的流通面積為一個變值。根據理想氣體連續性方程和伯努利方程，通過進氣閥口進入繼動閥閥腔的氣體質量流量計算公式為：

其中：為氣體流量系數；為上游氣體壓力；為下游氣體壓力；為進氣口流通面積；為等熵系數；為氣體常數；為上游氣體絕對溫度。

2.1.4 繼動閥各閥腔壓力特性數學模型

在升壓的過程中，繼動閥的進氣腔是一個固定容積，出氣腔與彈簧制動氣室相連，則出氣腔壓力變化就是變容積氣室的壓力變化。分別建立繼動閥升壓過程中繼動閥進氣腔和彈簧制動氣室內腔壓力特性的數學模型。

其中：為氣體比熱比，理想氣體值為1.4；為氣體常數，理想氣體值為287 N·m（/kg·K）。

2.2 繼動閥的仿真模型

繼動閥的升壓過程是一個非線性動態系統，對其進行直接求解非常復雜，本文將運用圖形化仿真建模軟件Matlab/Simulink 對繼動閥進行仿真建模。根據所推導的繼動閥數學模型，在Simulink模塊中搭建繼動閥壓力動態仿真模型，并運用四階龍格-庫塔法進行求解，其仿真模型如圖4所示。

圖4 繼動閥壓力特性仿真模型

3 繼動閥壓力特性的試驗設置

3.1 試驗方案設計

為深入研究繼動閥壓力特性的影響因素，參照《汽車和掛車 氣壓控制裝置技術要求及臺架試驗方法》（QC/T 35—2015），設計了如圖5 所示的試驗回路圖。

圖5 試驗回路圖

3.2 試驗內容

本文以繼動閥控制口和彈簧制動氣室的壓力變化為主要測量值，探究駐車制動系統繼動閥的壓力特性。壓力傳感器9、11 分別用于采集2 個彈簧制動氣室的壓力變化值，壓力傳感器12 用于采集繼動閥控制口的壓力變化值。為了達到試驗測量要求，本次試驗所選的壓力傳感器為SMC 生產的PSE540A-R06，測量壓力范圍為0～1.0 MPa，測量精度為1%FS。

3.3 試驗結果

按照試驗回路圖連接繼動閥壓力特性測試回路，利用LabⅤIEW 軟件編寫壓力測試程序，對試驗過程中壓力傳感器的測試數據進行采集和處理。

3.4 試驗與仿真結果對比

輸入氣壓為800 kPa，控制氣壓為800 kPa，繼動閥進氣口、出氣口直徑均為10 mm，控制口直徑5 mm，通過圖4 仿真模型進行仿真運算，利用圖5 試驗回路進行壓力測試，得到了如圖6 所示的仿真與試驗結果對比圖。由圖可知，兩者數據的整體一致性比較好，證明仿真模型的準確性比較高，試驗回路設計比較合理。在升壓起始階段存在一定誤差，這是由于在充氣過程的初期，進氣閥門的流通面積為一個變值，變量較為復雜，因此，仿真結果與試驗結果存在一定誤差。在升壓的中后期，整個充氣過程趨于穩定，試驗結果與仿真結果誤差比較小。

圖6 仿真與試驗結果對比

4 繼動閥壓力特性的影響因素分析

通過對仿真結果和試驗數據的分析對比可知，繼動閥數學模型和仿真模型的準確度比較高，可以通過仿真對繼動閥壓力特性的影響因素進行研究分析。根據繼動閥的實際拆解，其結構參數包括活塞質量、活塞直徑、進氣閥門直徑、進氣口直徑、排氣間隙寬度等，測量所得的相關數據作為仿真參數；依據繼動閥的工作原理，其性能參數包括輸入氣壓、控制氣壓、控制口進氣速率、相通氣室初始容積等，選取相關數據作為仿真參數。通過仿真試驗可得到繼動閥的動態壓力響應曲線，分析不同條件下繼動閥的充氣升壓曲線，得到對繼動閥充氣延遲影響比較大的因素。

4.1 繼動閥進氣口直徑對壓力特性的影響

圖7 為5 種進氣口直徑情況下的升壓過程氣室壓力變化曲線圖。由圖7可看出，繼動閥進氣口直徑對壓力特性的影響比較明顯，當進氣口直徑增大時，氣壓上升速度加快，升壓過程氣室壓力響應時間縮短。當進氣口直徑超過10 mm時，對縮短壓力響應時間的影響大大降低。

圖7 （網絡版彩圖）繼動閥進氣口直徑對壓力特性的影響

4.2 繼動閥進氣閥門直徑對壓力特性的影響

圖8為5種進氣閥門直徑情況下的升壓過程氣室壓力變化曲線圖。由圖8可知，繼動閥進氣閥門直徑對壓力特性有一定影響，當進氣閥門直徑減小時，氣壓上升速度加快，升壓過程氣室壓力響應時間縮短。

圖8 （網絡版彩圖）繼動閥進氣閥門直徑對壓力特性的影響

4.3 繼動閥控制口進氣速率對壓力特性的影響

圖9 為5 種控制口進氣速率情況下的升壓過程氣室壓力變化曲線圖。由圖9可看出，控制口進氣速率越快，進氣時間越短，氣室升壓速度就越快，壓力響應時間縮短。當控制口進氣時間變長時，升壓過程壓力波動越來越明顯，因此，繼動閥控制口進氣速率對壓力特性影響很明顯。

圖9 （網絡版彩圖）繼動閥控制口進氣速率對壓力特性的影響

4.4 繼動閥相通氣室初始容積對壓力特性的影響

圖10為5種氣室初始容積情況下的升壓過程氣室壓力變化曲線圖。由圖10 可知，繼動閥相通氣室初始容積對壓力特性的影響非常明顯，氣室初始容積越小，氣室壓力上升速度就越快，壓力響應時間縮短。

圖10 （網絡版彩圖）繼動閥相通氣室初始容積對壓力特性的影響

5 結論

本文對繼動閥進行了數學建模和仿真模型搭建，并設計了繼動閥壓力特性的測試試驗，對比分析了仿真和試驗結果，證明了數學模型和仿真模型的準確性比較高。通過仿真研究，分析了繼動閥進氣口直徑、進氣閥門直徑、控制口進氣速率、相通氣室初始容積對升壓過程壓力特性的影響。分析結果表明：1）繼動閥進氣口直徑越大，壓力響應時間越短，當進氣口直徑超過10 mm 時，對壓力響應時間的影響不明顯，出于節能考慮，繼動閥進氣口直徑為10 mm最為合理；2）繼動閥進氣閥門直徑越小，壓力響應速度越快；3）繼動閥控制口進氣速率越快，壓力響應時間越短，當控制口進氣時間變長時，壓力波動越來越明顯；4）繼動閥相通氣室初始容積越小，壓力響應速度越快。因此，在對繼動閥進行結構參數優化和系統選型匹配時，要充分考慮升壓過程中壓力響應時間、系統穩定性等因素。本文所建模型可對繼動閥的優化設計和系統仿真研究提供理論支持。