气压制动系统控制方案优化研究

司小云， 何 缨， 马文伦， 李峥峥

(一汽商用车开发院，长春 130000)

目前国内外中重型车辆的制动系统主要采用气压制动方式，气压制动具有制动力大、可靠性强、维修保养方便等优点.气压制动系统主要是由气源、各类阀体、制动器和管路组成.通过踩踏制动踏板输出气压信号，经管路和各类阀体最终作用在制动器上，从而实现车辆减速和驻车等功能.本研究首先对某越野载货汽车出现的制动跑偏问题进行分析解决，然后继续深入研究制动系统控制方案对制动反应时间的影响，减少制动反应时间从而提高车辆的安全性.

1 制动跑偏问题

1.1 制动跑偏问题描述

某越野载货汽车在汽车试验场可靠性试验过程中，出现制动跑偏现象.通过故障复现发现车辆制动时车辆行驶路径向右跑偏，如图1、图2所示.因为前轮是转向轮，初步分析跑偏原因是由于前桥左右轮制动力不同导致的.拆解前桥制动器并未发现制动器和摩擦片异常，在更换新制动器后依然存在制动跑偏情况.

图2 制动痕迹对比

1.2 前桥左右气室制动反应时间测定

制动器的制动力是由制动气室压力上升推动顶杆，通过制动器使摩擦片夹紧制动盘而形成.在排除制动器故障后，发现跑偏问题是由于左、右制动气室压力上升速度不同导致左、右制动器在同一时间制动力不同造成的.进行整车道路试验，记录一个制动循环内左、右制动气室气压变化情况，如图3所示.

图3 左右气室压力曲线

分析试验数据可知，左、右制动气室压力上升曲线差异较大，左气室压力P1上升明显小于右气室压力P2.在0.14 s时，ΔP/P1比值达到最大值46.57%，此时左右气室气压差ΔP为65 kPa.

在0.2 s时，左右气室压力差值达到最大，此时ΔP为73.89 kPa(211.64-137.75).

在小制动(P<300 kPa)工况下，左、右制动气室压差比较明显，跑偏现象也比较明显，符合可靠性试验出现的故障现象.

1.3 建压时间不同原因分析

左、右制动气室是由脚阀下腔出气直接供气，其充气速度不同的原因可能是由于左、右制动气室的进气管路不同.在经过制动系统管路分析计算后，发现左、右制动气室管路容积差距较大.现有前桥左、右制动气室进气原方案，如图4所示.

图4 左右气室进气管路

脚阀出气至左侧气室进气管路为：φ12×1.5×1 310+φ8×1×6 410，单位mm.容积为0.264 7 L.

脚阀下腔出气至右侧气室进气管路为：φ12×1.5×2 220，单位mm.容积为0.141 2 L.

左、右制动气路容积差值为0.2647-0.1412=0.125 L.

经计算发现，由于挂车阀管路的存在导致左、右制动气室进气管路容积不同，左侧气室需要更多的进气量才能与右侧气室压力相同.

1.4 建压时间不同问题解决

由于挂车阀管路消耗了左气室进气管路内的气压信号，导致脚阀至制动气室充气时间不同.针对这一原因，需重新设计脚阀至左、右制动气室的管路，保证左、右制动气室的升压速度相同.管路优化设计结果如图5所示.

图5 优化后左右气室进气方案

更改后至左侧制动气室管路为：φ12×1.5×1 450，单位mm.容积为0.089 L.

更改后右侧制动气室管路为：φ12×1.5×2 300，单位mm.容积为0.141 2 L.

左、右制动气路容积差为：|0.089-0.1412|=0.052 2 L.

更改管路方案后，左右制动管路的容积差值降低了(0.1235-0.0522)/0.1235=58%.

新的制动管路方案减少了挂车阀管路对左右气室进气的影响.

1.5 试验验证

对优化后的脚阀出气至左、右制动气室进气管路方案进行台架试验，记录一个制动循环内左、右制动气室的气压变化情况并计算左、右制动气室压差，试验结果如图6所示.

图6 管路优化后左右气室压力

分析试验数据可知，左右气室建压速度基本相同.在0.06 s时，ΔP/P1比值达到最大为25.35%，此时ΔP为4.67 kPa.

在0.12 s时，左右气室压力差值达到最大，此时ΔP为16.77 kPa(153.72-136.95).

改进后，左、右制动气室的最大压力差值降低了(73.89-16.77)/73.89=77%，比值ΔP/P1最大值降低了46.57%-25.35%=21.22%.道路试验结果表明，车辆制动时方向盘未发生偏转.因此，新的制动管路方案是合理的.

2 制动系统控制方案优化研究

气压制动相比于液压制动的缺点，就是制动反应时间较长.前文研究证实，气压制动系统的管路设计会对制动效能产生影响.为了提升车辆的制动反应时间，对制动系统管路方案进行进一步的优化.根据文献[5]气压制动系统车辆响应时间测量方法，从开始触动制动控制装置至制动气室的压力达到稳定最大压力值75%时所经历的时间为制动反应时间.参照文献[1]～[4]，设计了不同的制动系统管路方案，并依据此套标准依次进行制动反应时间的测量，选择最优的气压制动方案，以提高制动反应时间、缩短制动距离，从而提高车辆的安全性能.

2.1 前桥制动系统优化

管径大的尼龙管进气量大、充气速度快，但是大管径尼龙管相比于小管径尼龙管成本高并且不易安装.为了探究进气管路直径对制动反应时间的影响，设计不同进气管路直径进行对比试验.目前车辆所采用的管路直径如图7所示，对比方案的管路直径如图8所示.

按照文献[5]的试验方法，通过台架试验得出两种管路直径的制动反应时间对比如图9所示.

图7 原方案管径

图8 对比方案管径

图9 制动反应时间试验对比

优化后制动气室到达稳定最大压力值75%时所经历的时间为300 ms，管路优化前到达稳定最大压力值75%时所经历的时间为310 ms.制动反应时间提升较小，另外由于φ14 mm的尼龙管成本较高且相比φ12 mm的尼龙管不易安装，所以继续采用原管路设计方案.

2.2 后桥制动系统优化

由于后桥制动气室至脚阀距离较长，目前中重型车辆采用继动阀来提高后桥制动反应时间.继动阀进气口由储气筒供气，控制口由脚阀控制.当制动踏板输出制动信号后，贮气筒气体进入脚阀，通过脚阀打开继动阀出气阀门从而实现气压制动.

1)继动阀进气优化.

目前后桥制动系统采用的进气方案(图10)是由贮气筒的一根出气管(供气管路①、φ14)通过三通分别给继动阀(供气管路③、φ14)和脚阀上腔(供气管路②、φ8)供气.三通结构可能会导致脚阀和继动阀抢气现象.现优化设计贮气筒出气管路(见图11)，由两根出气管分别给脚阀和继动阀供气，并且设计不同的贮气筒出气管路直径(④、⑤)进行台架对比试验测量制动反应时间，选择最优后桥管路设计方案.

图10 原有连接方式

图11 优化后连接方式

贮气筒出气口到继动阀进气口为供气管路，贮气筒出气口到脚阀进气口为控制管路，供气管路所需管径要大于控制管路.依据这种设计思路设计4组新方案进行制动反应时间试验，与原有方案作对比.如图12所示.

图12 5组不同管径试验方案

依照文献[5]试验方法每组进行10次制动试验，制动开始时贮气筒压力控制在(810±5) kPa.试验结束后计算数据平均值进行对比，制动反应时间结果如表1所示.

表1 各方案制动反应时间 ms

试验发现在管径相同的情况下，方案3要比原方案制动反应时间提升10%.继动阀和脚阀单独供气的方案要比使用三通的制动系统方案反应时间更快.通过对比方案1和方案2，说明贮气筒至继动阀的进气管路直径对试验影响较大.通过对比方案2和方案3，说明贮气筒至脚阀的控制管路直径对试验结果影响较小.综合考虑成本和安装问题，采用方案3为首选设计方案.

2)脚阀出气管路优化.

在采用最优的继动阀进气方案后，对图11的脚阀出气到继动阀控制的管路(管路⑥)进行管径优化，更换不同的控制管路管径进行3组反应时间试验.如图13所示.

图13 3种不同管径对比试验

依照GB12676-2014试验方法每组进行10次制动试验，制动开始时贮气筒压力控制在(810±5) kPa.试验结束后计算数据平均值进行对比，制动反应时间结果如表2所示.

表2 各方案制动反应时间 ms

经过对比试验发现，继动阀控制口进气管路的管径对制动反应时间没有影响，因此，选择采用成本更低、安装方便的方案1作为制动系统最优设计方案.

3 结 论

针对某越野载货车可靠性试验中出现的制动跑偏问题，对制动系统的管路设计问题进行理论分析，并对制动过程中左右气室的压力数据进行采集，明确了制动跑偏问题的原因是由于前桥管路设计不合理.通过对前桥制动管路的优化设计，解决了制动跑偏问题.同时，深入研究制动系统各管路连接方式和管径对制动反应时间的影响.台架对比试验结果表明，气压制动最优控制系统的方案为：通过改变前桥三通管接头的位置和左右供气管路的长度，均衡左、右制动气室进气管容积，以保证左右制动反应速度的同步；继动阀进气管路直径增大到φ14mm以提高制动相应速度，而保持继动阀控制口的管路直径φ8mm、脚制动阀进气口直径φ12mm不变，以便于安装和降低成本.