氣壓制動(dòng)系統(tǒng)控制方案優(yōu)化研究

司小云， 何 纓， 馬文倫， 李崢崢

(一汽商用車(chē)開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130000)

目前國(guó)內(nèi)外中重型車(chē)輛的制動(dòng)系統(tǒng)主要采用氣壓制動(dòng)方式，氣壓制動(dòng)具有制動(dòng)力大、可靠性強(qiáng)、維修保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn).氣壓制動(dòng)系統(tǒng)主要是由氣源、各類(lèi)閥體、制動(dòng)器和管路組成.通過(guò)踩踏制動(dòng)踏板輸出氣壓信號(hào)，經(jīng)管路和各類(lèi)閥體最終作用在制動(dòng)器上，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛減速和駐車(chē)等功能.本研究首先對(duì)某越野載貨汽車(chē)出現(xiàn)的制動(dòng)跑偏問(wèn)題進(jìn)行分析解決，然后繼續(xù)深入研究制動(dòng)系統(tǒng)控制方案對(duì)制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的影響，減少制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間從而提高車(chē)輛的安全性.

1 制動(dòng)跑偏問(wèn)題

1.1 制動(dòng)跑偏問(wèn)題描述

某越野載貨汽車(chē)在汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)制動(dòng)跑偏現(xiàn)象.通過(guò)故障復(fù)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)車(chē)輛行駛路徑向右跑偏，如圖1、圖2所示.因?yàn)榍拜喪寝D(zhuǎn)向輪，初步分析跑偏原因是由于前橋左右輪制動(dòng)力不同導(dǎo)致的.拆解前橋制動(dòng)器并未發(fā)現(xiàn)制動(dòng)器和摩擦片異常，在更換新制動(dòng)器后依然存在制動(dòng)跑偏情況.

圖2 制動(dòng)痕跡對(duì)比

1.2 前橋左右氣室制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間測(cè)定

制動(dòng)器的制動(dòng)力是由制動(dòng)氣室壓力上升推動(dòng)頂桿，通過(guò)制動(dòng)器使摩擦片夾緊制動(dòng)盤(pán)而形成.在排除制動(dòng)器故障后，發(fā)現(xiàn)跑偏問(wèn)題是由于左、右制動(dòng)氣室壓力上升速度不同導(dǎo)致左、右制動(dòng)器在同一時(shí)間制動(dòng)力不同造成的.進(jìn)行整車(chē)道路試驗(yàn)，記錄一個(gè)制動(dòng)循環(huán)內(nèi)左、右制動(dòng)氣室氣壓變化情況，如圖3所示.

圖3 左右氣室壓力曲線

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，左、右制動(dòng)氣室壓力上升曲線差異較大，左氣室壓力P1上升明顯小于右氣室壓力P2.在0.14 s時(shí)，ΔP/P1比值達(dá)到最大值46.57%，此時(shí)左右氣室氣壓差ΔP為65 kPa.

在0.2 s時(shí)，左右氣室壓力差值達(dá)到最大，此時(shí)ΔP為73.89 kPa(211.64-137.75).

在小制動(dòng)(P<300 kPa)工況下，左、右制動(dòng)氣室壓差比較明顯，跑偏現(xiàn)象也比較明顯，符合可靠性試驗(yàn)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象.

1.3 建壓時(shí)間不同原因分析

左、右制動(dòng)氣室是由腳閥下腔出氣直接供氣，其充氣速度不同的原因可能是由于左、右制動(dòng)氣室的進(jìn)氣管路不同.在經(jīng)過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)管路分析計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)左、右制動(dòng)氣室管路容積差距較大.現(xiàn)有前橋左、右制動(dòng)氣室進(jìn)氣原方案，如圖4所示.

圖4 左右氣室進(jìn)氣管路

腳閥出氣至左側(cè)氣室進(jìn)氣管路為：φ12×1.5×1 310+φ8×1×6 410，單位mm.容積為0.264 7 L.

腳閥下腔出氣至右側(cè)氣室進(jìn)氣管路為：φ12×1.5×2 220，單位mm.容積為0.141 2 L.

左、右制動(dòng)氣路容積差值為0.2647-0.1412=0.125 L.

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，由于掛車(chē)閥管路的存在導(dǎo)致左、右制動(dòng)氣室進(jìn)氣管路容積不同，左側(cè)氣室需要更多的進(jìn)氣量才能與右側(cè)氣室壓力相同.

1.4 建壓時(shí)間不同問(wèn)題解決

由于掛車(chē)閥管路消耗了左氣室進(jìn)氣管路內(nèi)的氣壓信號(hào)，導(dǎo)致腳閥至制動(dòng)氣室充氣時(shí)間不同.針對(duì)這一原因，需重新設(shè)計(jì)腳閥至左、右制動(dòng)氣室的管路，保證左、右制動(dòng)氣室的升壓速度相同.管路優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5所示.

圖5 優(yōu)化后左右氣室進(jìn)氣方案

更改后至左側(cè)制動(dòng)氣室管路為：φ12×1.5×1 450，單位mm.容積為0.089 L.

更改后右側(cè)制動(dòng)氣室管路為：φ12×1.5×2 300，單位mm.容積為0.141 2 L.

左、右制動(dòng)氣路容積差為：|0.089-0.1412|=0.052 2 L.

更改管路方案后，左右制動(dòng)管路的容積差值降低了(0.1235-0.0522)/0.1235=58%.

新的制動(dòng)管路方案減少了掛車(chē)閥管路對(duì)左右氣室進(jìn)氣的影響.

1.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化后的腳閥出氣至左、右制動(dòng)氣室進(jìn)氣管路方案進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，記錄一個(gè)制動(dòng)循環(huán)內(nèi)左、右制動(dòng)氣室的氣壓變化情況并計(jì)算左、右制動(dòng)氣室壓差，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 管路優(yōu)化后左右氣室壓力

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，左右氣室建壓速度基本相同.在0.06 s時(shí)，ΔP/P1比值達(dá)到最大為25.35%，此時(shí)ΔP為4.67 kPa.

在0.12 s時(shí)，左右氣室壓力差值達(dá)到最大，此時(shí)ΔP為16.77 kPa(153.72-136.95).

改進(jìn)后，左、右制動(dòng)氣室的最大壓力差值降低了(73.89-16.77)/73.89=77%，比值ΔP/P1最大值降低了46.57%-25.35%=21.22%.道路試驗(yàn)結(jié)果表明，車(chē)輛制動(dòng)時(shí)方向盤(pán)未發(fā)生偏轉(zhuǎn).因此，新的制動(dòng)管路方案是合理的.

2 制動(dòng)系統(tǒng)控制方案優(yōu)化研究

氣壓制動(dòng)相比于液壓制動(dòng)的缺點(diǎn)，就是制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng).前文研究證實(shí)，氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)制動(dòng)效能產(chǎn)生影響.為了提升車(chē)輛的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)管路方案進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化.根據(jù)文獻(xiàn)[5]氣壓制動(dòng)系統(tǒng)車(chē)輛響應(yīng)時(shí)間測(cè)量方法，從開(kāi)始觸動(dòng)制動(dòng)控制裝置至制動(dòng)氣室的壓力達(dá)到穩(wěn)定最大壓力值75%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間為制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間.參照文獻(xiàn)[1]～[4]，設(shè)計(jì)了不同的制動(dòng)系統(tǒng)管路方案，并依據(jù)此套標(biāo)準(zhǔn)依次進(jìn)行制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的測(cè)量，選擇最優(yōu)的氣壓制動(dòng)方案，以提高制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間、縮短制動(dòng)距離，從而提高車(chē)輛的安全性能.

2.1 前橋制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化

管徑大的尼龍管進(jìn)氣量大、充氣速度快，但是大管徑尼龍管相比于小管徑尼龍管成本高并且不易安裝.為了探究進(jìn)氣管路直徑對(duì)制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的影響，設(shè)計(jì)不同進(jìn)氣管路直徑進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn).目前車(chē)輛所采用的管路直徑如圖7所示，對(duì)比方案的管路直徑如圖8所示.

按照文獻(xiàn)[5]的試驗(yàn)方法，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)得出兩種管路直徑的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間對(duì)比如圖9所示.

圖7 原方案管徑

圖8 對(duì)比方案管徑

圖9 制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)對(duì)比

優(yōu)化后制動(dòng)氣室到達(dá)穩(wěn)定最大壓力值75%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間為300 ms，管路優(yōu)化前到達(dá)穩(wěn)定最大壓力值75%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間為310 ms.制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間提升較小，另外由于φ14 mm的尼龍管成本較高且相比φ12 mm的尼龍管不易安裝，所以繼續(xù)采用原管路設(shè)計(jì)方案.

2.2 后橋制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化

由于后橋制動(dòng)氣室至腳閥距離較長(zhǎng)，目前中重型車(chē)輛采用繼動(dòng)閥來(lái)提高后橋制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間.繼動(dòng)閥進(jìn)氣口由儲(chǔ)氣筒供氣，控制口由腳閥控制.當(dāng)制動(dòng)踏板輸出制動(dòng)信號(hào)后，貯氣筒氣體進(jìn)入腳閥，通過(guò)腳閥打開(kāi)繼動(dòng)閥出氣閥門(mén)從而實(shí)現(xiàn)氣壓制動(dòng).

1)繼動(dòng)閥進(jìn)氣優(yōu)化.

目前后橋制動(dòng)系統(tǒng)采用的進(jìn)氣方案(圖10)是由貯氣筒的一根出氣管(供氣管路①、φ14)通過(guò)三通分別給繼動(dòng)閥(供氣管路③、φ14)和腳閥上腔(供氣管路②、φ8)供氣.三通結(jié)構(gòu)可能會(huì)導(dǎo)致腳閥和繼動(dòng)閥搶氣現(xiàn)象.現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)貯氣筒出氣管路(見(jiàn)圖11)，由兩根出氣管分別給腳閥和繼動(dòng)閥供氣，并且設(shè)計(jì)不同的貯氣筒出氣管路直徑(④、⑤)進(jìn)行臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)測(cè)量制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，選擇最優(yōu)后橋管路設(shè)計(jì)方案.

圖10 原有連接方式

圖11 優(yōu)化后連接方式

貯氣筒出氣口到繼動(dòng)閥進(jìn)氣口為供氣管路，貯氣筒出氣口到腳閥進(jìn)氣口為控制管路，供氣管路所需管徑要大于控制管路.依據(jù)這種設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)4組新方案進(jìn)行制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)，與原有方案作對(duì)比.如圖12所示.

圖12 5組不同管徑試驗(yàn)方案

依照文獻(xiàn)[5]試驗(yàn)方法每組進(jìn)行10次制動(dòng)試驗(yàn)，制動(dòng)開(kāi)始時(shí)貯氣筒壓力控制在(810±5) kPa.試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行對(duì)比，制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間結(jié)果如表1所示.

表1 各方案制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間 ms

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在管徑相同的情況下，方案3要比原方案制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間提升10%.繼動(dòng)閥和腳閥單獨(dú)供氣的方案要比使用三通的制動(dòng)系統(tǒng)方案反應(yīng)時(shí)間更快.通過(guò)對(duì)比方案1和方案2，說(shuō)明貯氣筒至繼動(dòng)閥的進(jìn)氣管路直徑對(duì)試驗(yàn)影響較大.通過(guò)對(duì)比方案2和方案3，說(shuō)明貯氣筒至腳閥的控制管路直徑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小.綜合考慮成本和安裝問(wèn)題，采用方案3為首選設(shè)計(jì)方案.

2)腳閥出氣管路優(yōu)化.

在采用最優(yōu)的繼動(dòng)閥進(jìn)氣方案后，對(duì)圖11的腳閥出氣到繼動(dòng)閥控制的管路(管路⑥)進(jìn)行管徑優(yōu)化，更換不同的控制管路管徑進(jìn)行3組反應(yīng)時(shí)間試驗(yàn).如圖13所示.

圖13 3種不同管徑對(duì)比試驗(yàn)

依照GB12676-2014試驗(yàn)方法每組進(jìn)行10次制動(dòng)試驗(yàn)，制動(dòng)開(kāi)始時(shí)貯氣筒壓力控制在(810±5) kPa.試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行對(duì)比，制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間結(jié)果如表2所示.

表2 各方案制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間 ms

經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，繼動(dòng)閥控制口進(jìn)氣管路的管徑對(duì)制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間沒(méi)有影響，因此，選擇采用成本更低、安裝方便的方案1作為制動(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案.

3 結(jié) 論

針對(duì)某越野載貨車(chē)可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)的制動(dòng)跑偏問(wèn)題，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行理論分析，并對(duì)制動(dòng)過(guò)程中左右氣室的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，明確了制動(dòng)跑偏問(wèn)題的原因是由于前橋管路設(shè)計(jì)不合理.通過(guò)對(duì)前橋制動(dòng)管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了制動(dòng)跑偏問(wèn)題.同時(shí)，深入研究制動(dòng)系統(tǒng)各管路連接方式和管徑對(duì)制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的影響.臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，氣壓制動(dòng)最優(yōu)控制系統(tǒng)的方案為：通過(guò)改變前橋三通管接頭的位置和左右供氣管路的長(zhǎng)度，均衡左、右制動(dòng)氣室進(jìn)氣管容積，以保證左右制動(dòng)反應(yīng)速度的同步；繼動(dòng)閥進(jìn)氣管路直徑增大到φ14mm以提高制動(dòng)相應(yīng)速度，而保持繼動(dòng)閥控制口的管路直徑φ8mm、腳制動(dòng)閥進(jìn)氣口直徑φ12mm不變，以便于安裝和降低成本.