重型特种车气压ABS阀建模与调压性能分析

2020-10-16程洪杰刘志浩胡新峰

液压与气动 2020年10期

程洪杰，高蕾，刘志浩，胡新峰

(1.火箭军工程大学研究生院，陕西西安 710025；2.中国人民解放军96782部队保障部，福建莆田 351200)

引言

目前，国内外标准对N3类车辆均要求必须配备防抱制动装置，其通过自动调节车辆制动过程中的车轮制动力来防止车轮抱死滑拖，达到提高制动效能、增加制动稳定性的目的。重型多轴特种车辆采用气压制动防抱死系统，主要由电子控制单元、压力调节器和轮速传感器组成，控制原理如图1所示。相比于普通两轴乘用车辆的液压系统，其管路布置更为复杂，且气体作为传递介质具有较大的压缩性，使得压力传递延迟性较大。气压延迟对重型运输车辆制动性能的影响较大[1-2]，在ABS控制策略研究中考虑气压迟滞性可优化系统的制动性能。

图1 气压ABS系统控制原理图

气压ABS调压阀作为压力控制关键单元，其调节性能很大程度上决定了制动压力控制的精确度，直接影响到车辆制动安全性。现有对ABS调压阀的仿真分析多基于液压系统，通过AMESim，Simulink仿真平台建立液压ABS物理系统，联合仿真分析了ABS调压阀在整个系统中的调压特性，或者将ABS调压阀简化为一电磁阀和积分环节，忽略了延迟的影响，没有单独分析ABS调压阀结构参数对工作特性的影响[3-4]。文献[5]通过ADAMS平台建立了ABS的机械动力学模型。为进一步实现电磁阀阶梯增压的精确控制，需结合试验匹配参数详细分析电磁阀开关响应特性[6]。文献[7]则基于Fluent流场分析理论研究了温度、阀口开度和阀口压差对ABS液压阀开关动态响应特性的影响规律。对于气压制动系统的ABS调压特性的研究多基于普通乘用车或商用车，通过在Simulink中建立商用车气压ABS电磁阀数学仿真模型，验证压力响应特性，可作为ABS策略开发基础，或通过分析信号占宽比对阶梯响应的影响，为信号频率和占宽比的确定提供依据[8-9]。文献[10-11]在AMESim中建立了ABS电磁阀仿真模型，经静、动态特性验证后，可简单分析结构参数对静态压力调节特性的影响；文献[12]搭建了某商用车气压制动系统试验平台，测试分析了电磁阀的压力响应特性，建立了适用该车辆的ABS调压单元仿真模型。此外有研究汽车气动伺服系统中的高速开关阀[13]，分析了阀芯的静动态电磁特性，动作频率和温度关系，可以看到阀芯的电磁特性影响了阀的压力控制特性。

通过上述对比分析，适用于重型多轴特种车辆的气压调节特性精细化建模分析较少，通过简化的数学模型无法精确体现气压传递的动态特性。因此需对重型多轴特种车辆的ABS调压阀建立精细的力学分析模型，并利用AMESim仿真平台搭建包含两位三通电磁阀、膜片控制阀、气压传递管路及气室的精细化调压阀模型，可快速有效的分析结构参数对ABS调压阀静、动态工作特性的影响，为后期考虑气压延迟的重型特种多轴车辆ABS控制算法的优化设计以及实车气压制动系统的匹配提供可靠依据。

1 气压ABS调压阀的工作特性与建模分析

1.1 工作特性分析

气压ABS调压阀主要由进排气膜片式气压控制阀、进排气先导气室和2个二位三通电磁阀组成，具有1个进气口、1个出气口和1个排气口[8]，其结构原理如图2所示。

a.进气控制气室 b.进气膜片 c.进气阀 d.气体通道 e.排气膜片 f.排气阀 g.排气控制气室 h.减压电磁阀 i.增压电磁阀 1.进气口 2.出气口 3.排气口 A.进气腔 B.出气腔 Ⅰ.增压电磁阀电磁线圈 Ⅱ.减压电磁阀电磁线圈图2 气压ABS调压阀结构图

主要影响调节特性的是电磁阀芯的运动，膜片阀的运动以及气路回路特性，可分为常规增压、常规减压、保压、阶梯增压、阶梯减压5种调节方式。

以常规增压为例详细分析，增压电磁阀i断电，使得进气控制气室a连通大气，进气腔A中高压气体推动进气膜片b向上运动，从而打开进气阀c阀口；减压电磁阀h断电，排气控制气室g连通进气腔A，使排气膜片e下端压力大于上端压力，排气阀f阀口故保持关闭状态，由此实现膜片控制阀控制出气腔B充气、气室压力增加的功能。调压过程中，通电后的电磁阀阀芯周围产生磁场，当阀芯受到的磁场力大于复位弹簧的弹簧力时便会向线圈处移动，电磁阀芯运动方程如式(1)：

(1)

式中，M——阀芯质量总和，kg

x——阀芯位移，m， 0≤x≤xmax

Fm——电磁力，N

k——复位弹簧刚度，N/m

x0——复位弹簧预紧量，m

pc——控制气体压强，MPa

A0——阀芯有效横截面积，m2

c——阀芯运动等效阻尼系数，N·s·m-1

i——控制电流

由麦克斯韦方程可知电磁力计算公式为：

(2)

式中，Fm——电磁力，N

φ——磁通量

μ0——空气导磁率，μ0=0.4π×10-8H/m

A——气隙处的横截面积，m2

膜片式控制阀控制进气口和排气口的启闭时，膜片的动态平衡方程如式(3)，以进气控制为例，先导气室压力作用于膜片上端承压面，下端承压面受进气腔和出气口压力作用。

(3)

式中，M1——进气膜片质量，kg

x1——进气膜片位移，m

p1——进气腔压力，MPa

A——膜片承压面积，m2

A1——出气口承压面积，m2

p0——出气口压力，MPa

pa——进气先导气室压力，MPa

F1——回位弹簧预紧力，N

k1——进气阀回位弹簧刚度，N/m

常规减压过程中，增压电磁阀i断电，进气膜片b向下运动关闭进气阀c阀口；减压电磁阀h通电，排气膜片e下端压力小于上端压力，排气阀f阀口打开，控制出气腔B放气、气室压力得以降低。保压时，增压电磁阀i通电，进气口1关闭；减压电磁阀h断电，排气口3保持关闭状态，B腔气体无变化，制动气室压力故保持不变。阶梯增压则以增压/保压状态的持续变换，阶梯减压以减压/保压状态持续变换。其工作特性汇总如表1所示，作为AMESim模型的搭建、数学子模型的选取以及参数设置的理论依据。

表1 气压ABS调压阀工作特性

1.2 AMESim仿真模型的建立

ABS调压阀综合机械、电磁、气动进行气压控制，AMESim仿真平台常用于解决多学科多领域复杂问题，基于此可对ABS调压阀进行精细化建模仿真分析。结合前述对ABS调压阀调节特性和动力学特性的分析，调用AMESim中的气动库、机械库、电磁库、信号库搭建图形可视化仿真模型，主要分为创建草图、子模型确立、参数设置、运行仿真四大步骤[14]。

对比分析图2物理结构，图3所示仿真模型中，进气阀组件模拟实现膜片式进气阀功能，由带限位的质量块、带复位弹簧的活塞和带环形孔的气动活塞组成；质量块模拟膜片质量、摩擦和惯性，实现进气阀膜片的机械运动[15]；带复位弹簧的活塞模拟进气膜片b，另一个气动活塞则模拟进气阀c。二位三通电磁阀用以模拟增压电磁阀i，通过设置增压控制信号实现对进气阀组件的启闭控制，改变二位三通电磁阀连接方式即可实现减压电磁阀h的调节功能。恒压源模拟进气口1传来的高压气体，通过固定容腔气室模拟制动气室，观察出气口2的压力变化情况。调整节流口面积可改变节流效果，调整模型整体的压力变化。模型设置情况如表2所示。

图3 气压ABS调压阀AMESim仿真模型

表2 ABS调压阀模型说明

2 气压ABS调压阀仿真分析

通过调试AMEsim仿真模型参数，分析ABS调压阀的静态调节特性和动态调节特性，得到符合实际工作特性的响应曲线。

2.1 静态调压特性分析

设置仿真时间3 s，步长0.001 s，气源采用恒温恒压源，压力为0.8 MPa，温度为293.13 K，气室容积为2 L，连接管路直径设为12 mm，调压阀至制动气室管路长度设为0.6 m。充放气过程速度快，可视为绝热，绝热指数K为1.4。修改增压电磁阀、减压电磁阀的控制信号，得到常规增压、减压响应特性曲线，如图4所示。

常规增压时，两电磁阀电流输入均为0 ；常规减压时，两电磁阀电流输入均为40 mA。由图4可知，制动气室压力从0～0.8 MPa用时约为0.437 s；制动气室压力从0.8 MPa～0用时约为0.606 s，很好的模拟了制动气室静态压力变化情况。

图4 制动气室静态压力曲线

2.2 动态调压特性分析

改变增、减压电磁阀控制信号为脉冲信号，仿真分析ABS调压阀阶梯增压和阶梯减压的动态调节特性。

阶梯增压时，增、减压电磁阀控制信号如图5所示，增压电磁阀0.1 s周期内通电保压时间为65 ms，断电增压时间为35 ms，电流为40 mA，减压电磁阀输入电流为0。仿真得到阶梯增压动态调节特性曲线如图6所示。

图5 ABS调压阀阶梯增压调节控制信号

图6 ABS调压阀阶梯增压动态调节特性曲线

从图6中数据分析可知：

(1) 制动气室压力经约10次增压，在1.027 s达到0.8 MPa，增压幅度均匀，稳定性好，平均每次增压约0.08 MPa；

(2) 由于电磁阀打开关闭需要一定时间，增压响应延时约2 ms，符合实际，可见压力响应与电磁阀动作跟随性良好。

阶梯减压与阶梯增压动态调节类似，其动态调节特性曲线如图7所示。

图7 ABS调压阀阶梯减压动态调节特性曲线

从图7中数据分析可知：

(1) 制动气室压力经14次减压，在1.374 s降至0，降压幅度在整个压力降低过程中随之减小；

(2) 由于电磁阀启闭动作需要一定时间，减压响应延时约为4 ms，符合实际，可见压力响应与电磁阀动作跟随性良好。

3 压力响应特性参数影响分析

结合式(1)～式(3)对电磁阀阀芯、膜片控制阀的动力学分析和气压传动理论可知，压力传递过程中的管径决定气体流量的大小；膜片直径决定了膜片控制阀的承压面积；脉冲信号的占宽比和周期可决定电磁阀芯的启闭频率和时间。现通过调整仿真模型结构参数，分析其对ABS调压阀压力调节特性的影响规律，可为后期管路布置、模型设计的优化提供基础，以提高ABS调压阀压力调节的协调性。

3.1 制动管路的影响分析

设置不同的管路直径，即气源到进气口的管径和出气口到制动气室的管径，观察其对静态压力调节特性的影响。如图8所示为其中3组数据的静态增压、减压曲线，对应的响应时间见表3。

图8 不同管径下的压力响应曲线

表3 不同管径下的压力响应时间

图9给出了管径与增压、减压响应时间的关系，研究结果表明：当管路直径增大时会降低增压响应速度，直径每增加2 mm，增压响应时间的增加幅度逐步变大，从60 ms逐渐增加至100 ms，减压响应速度会反之提升，减压响应时间在8 mm到12 mm范围内下降幅度大，约为17 ms；在12 mm到14 mm范围内减压时间最少，但继续增加管径对减压响应时间的减少作用不明显，仅约1 ms，且会出现小范围的波动。所以后续模型优化应结合拟合关系曲线并根据实际需求在增压响应时间控制和减压响应时间控制之间做好权衡。

图9 管径-静态压力响应时间拟合曲线

3.2 阀膜片有效直径的影响分析

设置阀膜片不同有效直径，同时保持进气阀和排气阀膜片直径一致，观察其对静态压力调节特性的影响。如图10所示为其中3组数据的静态增压、减压曲线，对应的响应时间见表4。

图10 不同膜片直径下的压力响应曲线

表4 不同膜片直径下的压力响应时间

仿真结果表明：当膜片直径增大时会提高增压响应速度，但是影响效果不明显，膜片直径每增加约7 mm，增压响应时间减少约1 ms。由于膜片直径对增压响应时间影响较小，对降压响应速度影响相比较大，在此只对减压响应时间做关系曲线拟合，如图11所示，膜片直径从10 mm增加至17 mm，降压时间减少的幅度大，约为130 ms，虽整体呈下降趋势，但直径持续增大对降压时间并不能起到很好优化作用，后续可基于此分析进、出气口膜片直径设置不同时对静态压力响应的优化效果。