孫乙城 林家祥 胡俊 李少偉 周茜琳

摘 要：針對(duì)商用車(chē)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)解除過(guò)程的響應(yīng)特性問(wèn)題，為降低排氣響應(yīng)時(shí)間和殘余壓力，對(duì)其影響因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)快放閥的工作原理建立數(shù)學(xué)模型，使用Matlab/Simulink軟件搭建快放閥的仿真模型。利用正交試驗(yàn)研究快放閥接口直徑大小、管路長(zhǎng)度、氣室氣壓值大小對(duì)排氣響應(yīng)特性的影響，并進(jìn)行組合分析。考慮實(shí)際工況并結(jié)合正交試驗(yàn)表的結(jié)果，研究表明：最優(yōu)的組合是快放閥接口直徑大小為10 mm，管路長(zhǎng)度為1 m，氣室氣壓值為700 kPa。通過(guò)優(yōu)化影響因素的方式，可以有效地降低排氣響應(yīng)時(shí)間和殘余壓力，提升制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)系統(tǒng)；響應(yīng)特性；快放閥；殘余壓力；正交試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.5 ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.02.003

0 引言

車(chē)輛在上坡、下坡和平路行駛時(shí)都會(huì)遇到不同路況，其制動(dòng)系統(tǒng)可使車(chē)輛安全、迅速地停車(chē)[1]。除了使車(chē)輛能夠快速停車(chē)之外，快速解除制動(dòng)在制動(dòng)系統(tǒng)中也非常重要。為了在解除制動(dòng)過(guò)程中降低其響應(yīng)時(shí)間，加快排氣速度，大部分商用車(chē)的制動(dòng)回路系統(tǒng)中會(huì)加入快放閥來(lái)增加解除制動(dòng)的穩(wěn)定性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于商用車(chē)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的研究多數(shù)都涉及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及壓力響應(yīng)特性。其中，霍皓靈等[2]使用AMESim軟件建立了快放閥的仿真模型，利用正交試驗(yàn)法對(duì)快放閥性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析；王明亮等[3]建立差動(dòng)繼動(dòng)閥的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用AMESim軟件對(duì)差動(dòng)繼動(dòng)閥建立仿真模型，研究輸入氣壓和控制氣壓，分析其壓力特性和響應(yīng)特性等動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；亓旺等[4]對(duì)制動(dòng)氣室的充氣過(guò)程中壓力響應(yīng)特性進(jìn)行了分析與研究，通過(guò)改變制動(dòng)氣室不同氣體入口直徑，并從壓力響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)節(jié)能、系統(tǒng)穩(wěn)定性這3個(gè)方面與仿真數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較分析。

上述研究大多數(shù)都是利用AMESim軟件對(duì)閥類(lèi)零部件進(jìn)行研究，且都是對(duì)制動(dòng)時(shí)的充氣過(guò)程進(jìn)行研究與分析。本文對(duì)快放閥解除制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的排氣響應(yīng)特性問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)解除制動(dòng)時(shí)排氣響應(yīng)時(shí)間和殘余壓力做進(jìn)一步研究。排氣響應(yīng)時(shí)間指具有一定容積的容器通過(guò)氣動(dòng)元件向外排氣，容器內(nèi)的壓力從峰值降到規(guī)定氣壓值時(shí)所需的時(shí)間。通過(guò)分析正交試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步提出優(yōu)化方案，更好地提高車(chē)輛制動(dòng)能力。

1 氣壓制動(dòng)系統(tǒng)以及快放閥工作原理

1.1 氣壓制動(dòng)回路系統(tǒng)

氣壓制動(dòng)通常用于商用車(chē)，其制動(dòng)力較大，環(huán)保節(jié)能，且與液壓系統(tǒng)相比更耐高溫。商用車(chē)氣壓制動(dòng)回路系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)、貯氣筒、四回路保護(hù)閥、腳制動(dòng)閥、繼動(dòng)閥、快放閥、制動(dòng)氣室和連接管路等部件[5]。圖1為商用車(chē)行車(chē)氣壓制動(dòng)回路系統(tǒng)工作原理圖。制動(dòng)系統(tǒng)主要通過(guò)空壓機(jī)將產(chǎn)生的氣體進(jìn)行降溫、干燥水分和過(guò)濾雜質(zhì)等處理后，將空氣貯存，再通過(guò)開(kāi)閉閥門(mén)，使得空氣經(jīng)過(guò)管道到達(dá)制動(dòng)氣室，使其產(chǎn)生機(jī)械推力致使車(chē)輛停車(chē)。

1.2 快放閥工作原理

由上閥體、下閥體、橡膠密封圈和橡膠膜片組成了快放閥，上腔體與下腔體通過(guò)螺栓連接使其固定[6]。當(dāng)快放閥開(kāi)始充氣時(shí)，如圖2所示，氣體會(huì)從口1進(jìn)來(lái)，使得膜片堵住口3，氣體從口2流出，到達(dá)制動(dòng)氣室。當(dāng)快放閥開(kāi)始放氣時(shí)，如圖3所示，口1停止輸送氣體，此時(shí)由于上腔壓力與下腔壓力不同，導(dǎo)致膜片被氣壓推至向上，從而堵住口1，此時(shí)制動(dòng)氣室、管道的氣體就會(huì)通過(guò)快放閥的口3排向大氣，使車(chē)輛解除制動(dòng)。

2 快放閥數(shù)學(xué)建模

2.1 質(zhì)量流量氣路模型

當(dāng)氣體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，以管道內(nèi)壁為界。氣體流速處于高速或低速時(shí)，可分別視為可壓縮的流體和不可壓縮的流體。臨界壓力比是分析管道內(nèi)流動(dòng)的重要參數(shù)，在理想條件下，流體臨界狀態(tài)的壓力計(jì)算公式如下[7]：

[PxPs=2κ+1κ/（κ+1）]. （1）

式中：[Px]為下腔氣體的壓力；[Ps]為上腔氣體的壓力；[κ]為氣體比熱比，其值為1.4。

氣體流經(jīng)小孔的過(guò)程可視為氣體流經(jīng)快放閥閥口的過(guò)程，此變化為等熵過(guò)程。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程以及氣體連續(xù)方程可得出壓力方程和流量方程如下：

[P=QuAR0T0]， （2）

[Q＝CuAPs2κκ-1R0T0PxPs2/κ-PxPs（κ+1）/κ，0≤PxPs≤0.528，CuAPs2κ+1κ/（κ-1）2κκ+1R0T0，0.528

式中：[P]為氣體的絕對(duì)壓力；[Q]為氣體的流量質(zhì)量；[u]為氣體平均流速；[A]為流通面積；[R0]為摩爾氣體常數(shù)；[T0]為氣體的絕對(duì)溫度；[Cu]為氣體的流量系數(shù)。

2.2 膜片形變數(shù)學(xué)模型

在車(chē)輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，氣體會(huì)進(jìn)入快放閥上腔進(jìn)而來(lái)到下腔，這時(shí)膜片在壓力的影響下會(huì)將排氣口堵住，且在這瞬態(tài)變化的過(guò)程中，膜片周邊會(huì)隨著壓力的變大而向下彎曲，并產(chǎn)生一定的形變。當(dāng)快放閥排氣時(shí)，上腔壓力減少，下腔壓力大于上腔壓力，膜片就會(huì)向上運(yùn)動(dòng)與上閥體內(nèi)腔貼合，由于上閥體內(nèi)腔是不規(guī)則的，因此膜片也會(huì)產(chǎn)生彎曲形變。

彈性薄板小撓度彎曲問(wèn)題的基本微分方程[8]：

[D?4ω?x4+2?4ω?x2?y2+?4ω?y4=q]. （4）

其膜片的彎曲剛度方程為：

[D=Eδ312（1-v2）]. （5）

式中：[D]為膜片的彎曲剛度；[ω]為撓度系數(shù)；x、y分別為x軸、y軸方向上的邊界范圍曲率；[q]為橫截載荷；[δ]為膜片的厚度；[E]為膜片的彈性模量；[v]為泊松比。

2.3 膜片運(yùn)動(dòng)模型

由于快放閥的充氣以及放氣過(guò)程都離不開(kāi)膜片的控制，所以需要對(duì)膜片進(jìn)行深入分析。通過(guò)放氣過(guò)程中的膜片受力情況進(jìn)一步推導(dǎo)出膜片運(yùn)動(dòng)方程式[6]：

[md2ydt2=Px×Ax-Ps×As-Cdydt-F，0

式中：[m]為膜片質(zhì)量；t為時(shí)間；[Ax]為膜片下有效工作面積；[As]為膜片上有效工作面積；[C]為速度阻尼；[y]為膜片有效位移；F為變形力。

2.4 仿真模型

通過(guò)拆解、測(cè)量快放閥，取相關(guān)數(shù)據(jù)作為仿真參數(shù)，主要包括閥體質(zhì)量、膜片厚度、膜片質(zhì)量、接口直徑、排氣口直徑等，并在 Matlab/Simulink中搭建快放閥仿真模型，如圖4所示。快放閥仿真模型由5個(gè)模塊組成：快放閥上腔壓力模塊、快放閥下腔壓力模塊、快放閥膜片運(yùn)動(dòng)模塊、膜片的變形力模塊以及快放閥流量變化模塊。上腔壓力模塊以氣壓為輸入量，上腔壓力變化為輸出量。下腔壓力模塊以流量為輸入量，下腔壓力變化為輸出量。膜片運(yùn)動(dòng)模塊以上腔壓力、下腔壓力和變形力為主要輸入量，輸出量則為位移變化。膜片變形力模塊輸入量是位移，輸出量為膜片變形力。流量變化模塊以位移為主要輸入量，輸出量則為流量變化。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了深入探究快放閥不同接口直徑、不同管路長(zhǎng)度、不同氣室氣壓值對(duì)排氣響應(yīng)特性的影響，依照汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《汽車(chē)和掛車(chē) 氣壓控制裝置技術(shù)要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》（QC/T 35—2015）和《商用車(chē)輛和掛車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》（GB 12676—2014）[9-10]，搭建相關(guān)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)，如圖5所示。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

本文的主要測(cè)量對(duì)象為排氣響應(yīng)特性，探究在排氣過(guò)程中氣體的壓力變換特性以及響應(yīng)特性。選用快放閥的型號(hào)為3533N-020K，其接口直徑為10 mm。選取壓力傳感器4來(lái)采集貯氣筒壓力，壓力傳感器8采集快放閥接口的壓力變化，壓力傳感器10、11分別用來(lái)采集2個(gè)制動(dòng)氣室的壓力變化。為了更好地進(jìn)行本次試驗(yàn)，選用型號(hào)為GPTBG3YX250BSCHX的壓力傳感器，響應(yīng)時(shí)間小于2 ms，采集精度為±0.5%FS，測(cè)壓范圍為0～1 MPa。

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

打開(kāi)開(kāi)關(guān)閥，將貯氣筒充滿(mǎn)氣后，打開(kāi)控制閥，利用快放閥給制動(dòng)氣室充氣，直到氣壓保持穩(wěn)定后，迅速關(guān)閉控制閥，使得氣體快速?gòu)目旆砰y排出，并用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄氣室內(nèi)的氣壓以及排氣響應(yīng)時(shí)間。

4 排氣響應(yīng)特性的因素分析

4.1 接口直徑的影響

快放閥接口直徑會(huì)直接影響通過(guò)管道截面的流體流量，對(duì)排氣過(guò)程中的排氣響應(yīng)特性起到關(guān)鍵作用[11-12]。本次試驗(yàn)選用快放閥的型號(hào)為3533N-020K，經(jīng)測(cè)量其接口直徑為10 mm，并分別選取直徑為6 mm和14 mm的接口進(jìn)行試驗(yàn)。不同接口直徑對(duì)氣室排氣響應(yīng)特性的影響見(jiàn)圖6。

由圖6可以看出，快放閥接口直徑會(huì)對(duì)排氣響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生一定的影響，并且其影響程度會(huì)隨著接口直徑增大而衰弱；相反，隨著接口直徑的減小，排氣響應(yīng)過(guò)程中的排氣響應(yīng)時(shí)間會(huì)有明顯的增加。但制動(dòng)管路接口直徑過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致后續(xù)制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)壓力不足的情況，所以要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

4.2 管路長(zhǎng)度的影響

管路是氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是連接制動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件以及傳輸氣體。因?yàn)楦鱾€(gè)零部件之間的距離不一樣，所以需要匹配不同長(zhǎng)度的管路才能使零部件之間能夠更好地配合。氣體在管路內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)也會(huì)隨著管路參數(shù)的變化而發(fā)生改變，因此，氣動(dòng)管路的排氣響應(yīng)時(shí)間是解除氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的重要影響指標(biāo)[13]。不同的管路長(zhǎng)度會(huì)對(duì)解除制動(dòng)時(shí)的排氣響應(yīng)特性產(chǎn)生不同程度的影響。本次試驗(yàn)分別選取長(zhǎng)度為1 m、3 m和6 m的管路，來(lái)比較分析不同管路長(zhǎng)度下的排氣響應(yīng)特性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7可以看出，管路長(zhǎng)度對(duì)商用車(chē)排氣響應(yīng)時(shí)間的影響非常顯著。在氣室氣壓均為800 kPa時(shí)，排氣響應(yīng)時(shí)間會(huì)隨著管道長(zhǎng)度的縮短而降低；且管道越長(zhǎng)，其排氣響應(yīng)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。所以在保證管路與零部件之間可以有效裝配的前提下，選擇越短的管道，解除制動(dòng)性能的能力會(huì)越好。

4.3 氣室氣壓的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變氣室氣壓值，其排氣響應(yīng)特性也有所不同[14]。大部分商用車(chē)的制動(dòng)壓力處于600～800 kPa。隨著商用車(chē)不斷地制動(dòng)，貯氣筒內(nèi)的流量會(huì)隨之減少，其氣壓也會(huì)不斷降低。在進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，壓力過(guò)低會(huì)降低制動(dòng)力，從而影響制動(dòng)效果；壓力過(guò)高，使得制動(dòng)力過(guò)猛，存在管路爆裂、車(chē)輛側(cè)滑等隱患。因此，本次試驗(yàn)分別選取700 kPa和600 kPa來(lái)比較分析在不同氣壓下的排氣響應(yīng)變化，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出，不同的氣室氣壓對(duì)排氣響應(yīng)時(shí)間有著較為重要的影響，當(dāng)氣室氣壓降低時(shí)，其排氣響應(yīng)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)地減少；當(dāng)氣室氣壓增加時(shí)，排氣響應(yīng)時(shí)間會(huì)隨著壓力的增大而增加。但是氣室氣壓越低，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)滯后、制動(dòng)力不足，對(duì)整車(chē)制動(dòng)的安全性非常不利。且在遇到緊急情況時(shí)，容易發(fā)生因氣壓不足而導(dǎo)致無(wú)法提供足夠制動(dòng)力的情況。

5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

5.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)法是一種研究多因素、多水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。首先通過(guò)影響因素進(jìn)行分析，然后依據(jù)不同因素和不同水平來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，最后進(jìn)行試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析[15]。通過(guò)上文不同因素對(duì)排氣響應(yīng)特性的影響分析，選定以下因素作為仿真試驗(yàn)因素：接口直徑大?。ˋ）、管路長(zhǎng)度（B）、氣室氣壓值大小（C）。結(jié)合實(shí)際情況，利用三因素三水平的方法，選取不同的數(shù)值，如表1所示。

5.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

選擇L9（34）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，如表2所示。選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)為商用車(chē)在解除制動(dòng)時(shí)所需要的排氣響應(yīng)時(shí)間和殘余壓力。通過(guò)對(duì)比分析可知，最佳試驗(yàn)組合為A3B1C3，其排氣響應(yīng)時(shí)間為63 ms，殘余壓力為7 kPa。

5.3 極差結(jié)果與分析

為了進(jìn)一步研究不同因素對(duì)排氣響應(yīng)特性的影響，分析排氣響應(yīng)時(shí)間延遲的原因，將正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行極差分析，極差結(jié)果如表3、表4所示。不同的水平因素影響其指標(biāo)變化，通過(guò)極差R值來(lái)表示。極差R值越大，其水平因素對(duì)指標(biāo)的影響程度也越大[16]。

通過(guò)分析排氣響應(yīng)時(shí)間和殘余壓力的平均值K值可知，最佳組合均為A3B1C3。由極差的變化可以看出，在解除制動(dòng)過(guò)程中，排氣響應(yīng)時(shí)間快慢的影響因子主次順序?yàn)锽→A→C，即管路長(zhǎng)度→接口直徑大小→氣室氣壓值大??；影響殘余壓力的因素主次順序?yàn)锽→C→A，即管路長(zhǎng)度→氣室氣壓值大小→接口直徑大小。

圖9、圖10分別為各因素的極差值對(duì)排氣響應(yīng)時(shí)間影響和殘余壓力影響的趨勢(shì)變化圖。從圖9可以看出，因素B的影響最大，即管道長(zhǎng)度為影響排氣響應(yīng)時(shí)間的主要因素，其極差值達(dá)到了30 ms；其次是因素A，為接口直徑；最后是因素C，為氣室氣壓值。由圖10可知，管道長(zhǎng)度對(duì)殘余壓力的影響也極為明顯，極差達(dá)到了72 kPa，其次是因素C氣室氣壓值大小和因素A接口直徑大小。

通過(guò)正交試驗(yàn)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，存在個(gè)別排氣響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)且殘余壓力值過(guò)大的情況，都是由管路長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致。因此，管路長(zhǎng)度的選擇對(duì)提高商用車(chē)制動(dòng)解除的時(shí)間和性能非常重要?？紤]實(shí)際工況，并且結(jié)合正交試驗(yàn)表的結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)選擇接口直徑為10 mm時(shí)對(duì)商用車(chē)的制動(dòng)解除影響不大且能增大經(jīng)濟(jì)效益；此外在制動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)漏氣的現(xiàn)象，且氣室氣壓值過(guò)小會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)力不夠，氣室氣壓值過(guò)大會(huì)使制動(dòng)力過(guò)猛，從而出現(xiàn)管路爆裂、車(chē)輛側(cè)滑等隱患，故氣室氣壓值為700 kPa。從而確定優(yōu)化方案為：A2B1C2。

6 結(jié)論

本文通過(guò)仿真與試驗(yàn)研究了不同因素對(duì)商用車(chē)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中排氣響應(yīng)特性的影響，并采用正交試驗(yàn)法，通過(guò)分析快放閥接口直徑大小、管路長(zhǎng)度和氣室氣壓值大小對(duì)排氣響應(yīng)時(shí)間以及殘余壓力的影響，得出如下結(jié)論：

1）決定排氣響應(yīng)時(shí)間的因素主次順序?yàn)锽→A→C，即管路長(zhǎng)度、接口直徑大小、氣室氣壓值大??；影響殘余壓力值的因素主次順序?yàn)锽→C→A，即管路長(zhǎng)度、氣室氣壓值大小、接口直徑大小。因此，管路長(zhǎng)度對(duì)排氣響應(yīng)時(shí)間和殘余壓力值的影響最為明顯。

2）考慮實(shí)際工況并結(jié)合正交試驗(yàn)表的結(jié)果，選取最優(yōu)組合是：A2B1C2，即快放閥接口直徑大小為10 mm，管路長(zhǎng)度為1 m，氣室氣壓值為700 kPa。

3）通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，可以有效地降低排氣響應(yīng)時(shí)間以及殘余壓力值，使得制動(dòng)系統(tǒng)安全性能增加。但在設(shè)計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，除了考慮經(jīng)濟(jì)效益，也要充分考慮制動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程中的實(shí)際工況。

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Study on exhaust response characteristics of commercial vehicle

braking system based on orthogonal test

SUN Yicheng， LIN Jiaxiang*， HU Jun， LI Shaowei， ZHOU Xilin

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545616， China）

Abstract：Aimed at the response characteristics of the brake release process in the air braking system of commercial vehicles， the influencing factors were optimized to reduce the exhaust response time and residual pressure. A mathematical model was established according to the working principle of the quick release valve， and the simulation model of the quick release valve was built by using Matlab/Simulink software. The effects of the diameter of the quick release valve interface， the length of the pipeline， and the air pressure value of the air chamber on the exhaust response characteristics were studied by orthogonal experimental design， and a combined analysis was carried out. Considering the actual working conditions and the results of the orthogonal test table， the research shows that the optimal combination is that the diameter of the quick release valve interface is 10 mm， the length of the pipeline is 1 m， and the air pressure value is 700 kPa; by optimizing the influencing factors， the exhaust response time and residual pressure can be effectively reduced， thus improving the reliability of the braking system.

Key words：braking system; response characteristics; quick release valve; residual pressure; orthogonal test

（責(zé)任編輯：黎 婭）