基于AMESim 的差动继动阀的动态性能仿真研究

王明亮， 叶 敏， 史亚宁

（长安大学工程机械学院，陕西 西安 710061）

0 引言

汽车在人们的生活中越来越扮演重要角色，行车安全一直是人们关注的焦点。 在行车安全中，制动系统非常重要。按照动力源来划分制动系统有3 种：全液压制动，气顶液制动和气压制动[1-2]。 在使用车型方面，液压制动多使用于小型或轻型汽车，气压制动系统多使用于大中型客货车[3]。 与液压制动系统相比， 气压制动系统的优点是结构简单、动力源节能环保、可产生较大的驱动制动力等。

在气压制动系统的使用过程中， 随着制动需求以及制动安全的考量，制动形式在不断地完善[4]。 普通气压继动阀在具有驻车制动功能的制动系统在动作过程中，只能起到减少制动气压传输时间的作用， 而差动继动阀作为气压制动系统和驻车制动回路的重要元件， 不仅可以降低气压传输时间， 还能有效避免行车制动与驻车制动的共同作用，延长制动器的寿命，可防止行车制动及停车制动同时施加时产生制动重叠。

本文以无轨电车所使用的差动继动阀为研究对象，在了解其物理结构以及结构参数和气压基础知识，建立差动继动阀的仿真模型[5-7]，为进一步对气压制动系统研究提供模型支持，同时为差动继动阀的优化设计打下基础。

1 差动继动阀的结构和工作原理

差动继动阀的结构和普通继动阀的结构相似，其外形三维图如图1 所示。 图2 是内部结构的简单示意图。 在具有缩短制动响应时间的功能时兼具防止驻车制动与行车制动共同作用，加速制动器的损坏，减少使用寿命。 差动继动阀的工作原理如下：

1） 在正常行驶时，没有踩下制动踏板，驻车制动阀经过端口42 不断向A 腔供气， 此时活塞a 和b 受压向下，先关闭排气阀，继续向下运动将打开排气阀；通过1 口从储气筒来的压缩空气经2 口输出，2 口来的压缩空气使得弹簧制动被解除。

2） 在踩下制动踏板时，驻车制动阀经端口42 持续向A 腔提供空气， 同时制动分流压力经41 口向B 腔供气，A、B 腔压力共同使活塞a 和b 继续向下推动，进气阀门d开口继续增大，弹簧制动气室中制动弹簧被压缩至最底。

3） 抬起制动踏板时，41 口的制动分流压力逐渐降低为零，B 腔压力降低为零，仅剩A 腔压力，此时C 腔压力大于A 腔，C 腔压力推动活塞b 上升，活塞C 被下侧复位弹簧推动下跟随上升，此时进气阀门d 关闭，排气口e 打开，弹簧制动气室被逐渐排气，当C 腔压力等于A 腔压力时，活塞a 和b 下移，排气阀门e 关闭。 车辆停止，拉起手刹开启驻车制动时，驻车制动阀压力排空，A 腔压力经42口排空，C 腔压力大于A 腔，活塞a 和b 上移，排气口e 打开，弹簧制动气室压力排空，弹簧复位，实现弹簧驻车制动。

4） 当行车制动和驻车制动同时动作时，A 腔气压经42 口从驻车制动阀排空，制动分流压力经41 口向B 腔供气，作用于活塞a，由于C 腔排空，活塞a 活塞b 向下移动， 通过阀杆c 关闭排气阀门e 同时打开进气阀门d，来自1 口的压缩空气经C 腔到达2 口，并进入弹簧制动室，随着行车制动压力上升的程度加深，弹簧制动解除，这样就防止了两种制动的重叠作用。

图1 差动继动阀外部结构

图2 差动继动阀内部结构

2 差动继动阀的建模与仿真

2.1 差动继动阀的控制方程

阀类元件的控制方程一般是围绕活塞的运动建立起来的。 在差动继动阀中，将围绕活塞a 和b 作为一个整体运动的活塞进行控制方程的建立。首先，压缩空气从41 和42 口进入差动继动阀，先充满活塞上部，建立压力。 然后，当气体进一步增加，会推动活塞向下移动，继续运动的过程中先将关闭排气阀口， 继续增加气体会使活塞继续向下，打开进气阀门，进而使得来自储气罐中的控制气压由进气口1 进入阀体内部，由出气口2 传递给制动气室。 在整个动作过程中，由41 和42 口进入的控制气体先建立气压，活塞将要被推动还没推动前，此时的控制方程为：

式中：P41、P42分别为来自制动阀和驻车制动阀的控制气压；P1为入口气压；P2为出口气压；ApuB、ApuA分别为控制活塞上表面B 腔和A 腔承压面的面积；Apd为控制活塞下表面承压面；Apd为阀门总成下表面承压面；k1为阀门回位弹簧弹性系数；x1为阀门位移；Fss为回位弹簧预紧力。

然后，活塞在气压的进一步推动下，将关闭排气阀，打开进气阀。 能够使排气阀关闭且打开进气阀的气压为差动继动阀能工作的最低气压，此时的方程为：

在差动继动阀工作之前，为了能够使整个内部活塞连接紧凑， 需要使用预紧弹簧对系统出现的间隙进行补偿，设置的预紧弹簧方程为：

式中：k 为弹簧刚度；x 为弹簧压缩量；G 为材料剪切模量；d 为材料直径；D 为弹簧中径；n 为弹簧有效圈数。

差动继动阀的质量流量方程为：

其中：qm为继动阀出口流量；A 为出气口面积；Cq为流量系数，k 为等熵系数，R 为气体常数。

2.2 建立差动继动阀的AMESim 仿真模型

根据差动继动阀的工作过程以及结构，利用AMESim软件对差动继动阀进行建模仿真。首先建立模型。在草图模式下选取建立模型所需的基本元件，连接完成。 然后对基本元件进行选型，这一步可以采用软件自带的最优化按钮进行完成。 在完成建模后，对参数根据差动继动阀设计图纸尺寸进行设置。 建立的仿真模型如图3 所示。

图3 差动继动阀AMESim 模型

2.3 参数设置

根据差动继动阀的设计图纸得到参数，此差动继动阀应用于某型号无轨电车对各部分参数设置如表1 所示。

3 仿真分析

差动继动阀受到来自制动阀的气压在0.2s 内从1barA（即大气压力）上升到8barA，保持3s，再从8barA 降到1barA 用时0.2s，然后持续2.6s,仿真总时间设计为6s[8]。当驻车制动阀压力为9barA，进气口气压为8barA，来自制动阀的气压如上所述时，输出气压如图4 所示。 在两个压力的共同作用下实现了对驻车制动的解除。

表1 差动继动阀各部分参数

图4 来自制动阀和驻车制动阀的气压共同作用输出气压情况

当驻车制动阀压力为1barA 时，其他条件不变，此时的情况就相当于行车制动与驻车制动共同作用于制动器上，输出气压如图5 所示，可以看出在0～3.2s 两个制动同时作用时， 来自行车制动的压力经过差动继动阀给弹簧制动气室一个解除驻车制动的压力， 实现了差动继动阀避免两种制动共同作用的情况。

图5 当行车制动与驻车制动共同作用时输出气压情况

在不改变其他参数仅改变输入气压时， 差动继动阀的响应速度有所不同，通过仿真得到如图6 所示的结果能看出，随着输入气压的上升，响应速度有一定的加快，但是对响应速度的影响较小。

图6 差动继动阀输入气压对响应速度的图像

图7 是阀口流量变化情况，在行车制动开始和解除时，流量发生突变， 这是因为在阀口打开和关闭时会有流量发生变化，在很短的时间就会建立起一定的压力，达到稳定状态，当阀口再次发生变化时流量才会再次发生变化。

图7 差动继动阀阀口流量变化

4 结论

综上所述， 文章对气压差动继动阀进行了仿真建模，差动继动阀的功能得到了验证，分析了输入气压对差动继动阀的响应速率的影响。 结果表明：通过差动继动阀控制气压与驻车制动阀的气压设置，得到的仿真结果可以表明该模型能正确实现差动继动阀的功能；输入气压对差动继动阀的响应速率影响较小。 所建模型对于分析差动继动阀性能影响和优化有着指导作用，为以后整车气压制动系统模型建立提供必要支持。