一種測定空氣懸架高度控制閥耗氣性能的方法

張小剛

（克瑞國際商貿(mào)（北京）有限公司，北京 100022）

一種測定空氣懸架高度控制閥耗氣性能的方法

張小剛

（克瑞國際商貿(mào)（北京）有限公司，北京 100022）

隨著國家節(jié)能減排要求更加嚴(yán)格，人們對(duì)車用氣動(dòng)零部件耗氣性能有著更高的要求，空氣懸架高度控制閥由于存在結(jié)構(gòu)多異、工況復(fù)雜、與其他用氣系統(tǒng)共用氣源等問題，往往難以了解其耗氣性能。通過模擬其工作過程，采用壓降監(jiān)測壓縮空氣消耗量的方法，提出了可用于測定空氣懸架高度控制閥耗氣性能的方法，測定結(jié)果與實(shí)車監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比，有著較高的一致性?？捎糜趨f(xié)助開發(fā)能耗更低、更加節(jié)能環(huán)保的空氣懸架高度控制閥產(chǎn)品。

高度控制閥；高度閥；耗氣性能

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.11.032

CLC NO.: U461.9 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2015)11-96-03

引言

在國內(nèi)剛開始使用空氣懸架的時(shí)候，人們往往只關(guān)注高度閥的可靠性，但近幾年隨著能源問題日趨嚴(yán)峻，高度閥的耗氣性能也逐漸得到重視。為了了解高度閥的耗氣性能，通常需要對(duì)實(shí)車進(jìn)行對(duì)比監(jiān)測，而且要保證其他用氣系統(tǒng)不能干涉空氣懸架系統(tǒng)，而實(shí)車不穩(wěn)定的環(huán)境也會(huì)對(duì)監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生一定影響。本文通過分析車輛空氣懸架系統(tǒng)的工作過程，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)模擬高度閥擺臂的擺動(dòng)過程，根據(jù)不同的工況，測定多種擺動(dòng)角度和頻率時(shí)的耗氣性能。通過監(jiān)測儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮空氣的壓力變化，計(jì)算出高度閥消耗了的壓縮空氣的量。根據(jù)物質(zhì)守恒的原理，該方法只觀測高度閥進(jìn)氣過程，而忽略排氣過程，因?yàn)槟壳败囕v上大量使用的高度閥在有效工作區(qū)間內(nèi)具有進(jìn)、排氣流量對(duì)稱的特點(diǎn)，這樣極大簡化了測量設(shè)備，以及測量和計(jì)算的過程。如果確有需要，也可以單獨(dú)測定排氣過程。由于整個(gè)測量設(shè)備重量輕、尺寸小，可在溫度濕度更加穩(wěn)定可控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行測量，這樣更有利于保證結(jié)果的精確性。通過測定高度閥耗氣性能，可以知道不同結(jié)構(gòu)、技術(shù)原理的高度閥耗氣性能，從而有利于我們?cè)O(shè)計(jì)、開發(fā)出更節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)品，符和國家對(duì)節(jié)能減排、綠色環(huán)保的倡導(dǎo)。

1、高度閥耗氣性能測定原理

1.1 高度閥工況分析

高度閥是控制空氣懸架氣囊的關(guān)鍵零部件，其旋轉(zhuǎn)擺臂通常都有進(jìn)氣位、死區(qū)位、排氣位這三個(gè)區(qū)域，如圖1所示。不同的高度閥，雖然都存在這三個(gè)位置，但由于其設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)都各不相同，在各個(gè)位置時(shí)閥芯開度也不同，因此耗氣量也各不相同。另外，從整個(gè)擺臂工作角度范圍來看，其流量曲線更是千差萬別。而流量曲線也只能給讀者一個(gè)大致的印象，考慮到實(shí)際車輛工況，無法直觀了解到高度閥經(jīng)歷多個(gè)工況之后總體耗氣量。因此，測量其耗氣性能，對(duì)于空氣懸架車輛特別是不使用化石燃料的新能源車輛，意義重大。

在實(shí)車空氣懸架系統(tǒng)中，高度閥進(jìn)氣口連接儲(chǔ)氣罐以在進(jìn)氣時(shí)獲得壓縮空氣源，兩個(gè)氣囊口連接到氣囊，排氣口通過消音器直通大氣。由于空氣懸架往往與其他用氣系統(tǒng)共用儲(chǔ)氣罐，而且儲(chǔ)氣罐壓力下降到一定值后壓縮機(jī)又會(huì)給儲(chǔ)氣罐供氣，而高度閥排氣過程消耗的壓縮空氣直排大氣，很難收集起來測量，要想相對(duì)準(zhǔn)確知道高度閥工作一段時(shí)間后總計(jì)消耗的壓縮空氣量，在實(shí)車上測量難度非常大。

1.2 高度閥耗氣性能測量計(jì)算方法

實(shí)際工作過程中，壓縮空氣先通過高度閥進(jìn)氣道進(jìn)入氣囊，需要排氣時(shí)，通過高度閥排氣道排入大氣。測量時(shí)，可以只考慮進(jìn)氣過程而忽略排氣過程，因?yàn)椴还苁欠翊嬖跉饽?，所有通過高度閥進(jìn)氣道的壓縮空氣，最終都是被消耗掉的，氣囊的存在與否，對(duì)最終結(jié)果沒有影響。因此，測定過程中，高度閥進(jìn)氣口與儲(chǔ)氣罐相連，其他各接口保持通暢即可。高度閥擺臂從死區(qū)旋轉(zhuǎn)到進(jìn)氣位置時(shí)，壓縮空氣從儲(chǔ)氣罐進(jìn)入高度閥，然后從氣囊口直排大氣；高度閥擺臂從進(jìn)氣位置旋轉(zhuǎn)到死區(qū)，壓縮空氣流量逐漸減小到零；高度閥擺臂從死區(qū)旋轉(zhuǎn)到排氣位置時(shí)，沒有任何氣流流動(dòng)。

測試中，需要有一個(gè)已知容積的儲(chǔ)氣罐，連接經(jīng)過校準(zhǔn)的壓力表，監(jiān)測高度閥測試之前的干燥空氣的壓力值，以及完成一個(gè)測試周期之后的壓力值，然后按照氣體熱力學(xué)公式計(jì)算儲(chǔ)氣罐內(nèi)干燥空氣密度，計(jì)算公式參見式（1）：

式中：ρ，其他狀態(tài)下干空氣的密度，kg/m3

ρ0，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干空氣的密度，kg/m3

P，其他狀態(tài)下干空氣的絕對(duì)壓力，MPa

P0，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干空氣的絕對(duì)壓力，MPa

T，其他狀態(tài)下干空氣的溫度，K

T0，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干空氣的溫度，K

代入上式，可得空氣密度計(jì)算公式，參見式（2）：

求得測試周期開始和結(jié)束時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)干燥空氣的密度，即可得到測試開始和結(jié)束時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)干燥空氣質(zhì)量，二者之差即為高度閥消耗的壓縮空氣的量。測試周期可以按需要選擇一定次數(shù)的進(jìn)氣循環(huán)，本文采用100個(gè)進(jìn)氣循環(huán)作為一個(gè)測試周期。

2、高度閥耗氣性能測定設(shè)備

2.1 測定設(shè)備介紹

測定設(shè)備包括帶干燥器的空氣壓縮機(jī)（儲(chǔ)氣罐），一定精度的壓力表，可調(diào)速電機(jī)，高度閥固定基座，可調(diào)節(jié)連桿，外徑6mm塑料導(dǎo)氣管、氣管接頭、鉸鏈若干，詳見圖2所示。

已知容積的壓縮機(jī)，產(chǎn)生干燥的壓縮空氣。壓縮機(jī)節(jié)流閥通過塑料導(dǎo)氣管以及三通接頭與壓力表相連，三通接頭另一出口通過氣管連接高度閥進(jìn)氣口。所有塑料導(dǎo)氣管長度要求盡可能短，以減少管路容積對(duì)最終測定結(jié)果的影響。圖3為按此方法制作的高度閥耗氣性能測定臺(tái)。

2.2 測定過程介紹

高度閥手柄使用鉸鏈與可調(diào)節(jié)長度的連桿相連，可調(diào)節(jié)連桿另一端通過鉸鏈固定在電機(jī)飛輪邊緣。調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)連桿的長度，可以改變高度閥手柄擺動(dòng)的振幅（最大擺動(dòng)角度），以滿足不同工況的要求。調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足不同擺動(dòng)頻率的要求。

通過大量車輛實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)可知：當(dāng)車輛在平直路面勻速行駛時(shí)，高度閥擺臂擺動(dòng)頻率較高，2Hz以上（本文選擇3Hz，過高的頻率對(duì)測量耗氣性能意義不大），擺動(dòng)角度較小，約水平線以內(nèi)，耗氣量很小但屬于長期工況；當(dāng)車輛高度或載荷顯著變化時(shí)，高度閥擺臂擺動(dòng)頻率較低，約1Hz，擺動(dòng)角度較大，約水平線左右，此時(shí)高度閥為維持車身高度不變會(huì)顯著地進(jìn)氣或排氣，耗氣量較大且為經(jīng)常性工況；當(dāng)車身高度或載荷變化很大，例如車輪掉進(jìn)坑洞，或停車后部分車輪壓著較高的障礙物時(shí)，擺臂角度超過水平線以上，但頻率極低，高度閥為盡量維持車身高度不變，耗氣量很大，但這種情況很少發(fā)生。因此，重點(diǎn)測量的兩種工況為：

1）高度閥擺臂頻率為3Hz，最大擺動(dòng)為時(shí)的耗氣量；

2）高度閥擺臂頻率為1Hz，最大擺動(dòng)為時(shí)的耗氣量。

當(dāng)高度閥擺臂角度為“-”時(shí)是排氣過程，如前文所述，不予測定，下同。

電機(jī)飛輪以及高度閥擺臂的運(yùn)動(dòng)可以用圖4到圖6所示的機(jī)構(gòu)模擬。

當(dāng)可調(diào)連桿通過電機(jī)飛輪軸心且飛輪軸心位于可調(diào)連桿兩個(gè)端點(diǎn)之間時(shí)，高度閥擺臂到達(dá)下止點(diǎn)，位于水平死區(qū)位置；當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)過下止點(diǎn)，高度閥擺臂開始上擺，即開始進(jìn)氣過程；當(dāng)可調(diào)連桿軸線再次通過電機(jī)飛輪軸心時(shí)，高度閥擺臂到達(dá)上止點(diǎn)，此時(shí)高度閥擺臂與水平軸線的夾角α為高度閥擺臂最大擺動(dòng)角度。調(diào)節(jié)可調(diào)連桿的調(diào)節(jié)螺母，即可調(diào)節(jié)其長度，以此設(shè)定夾角α的大小。

3、實(shí)際耗氣性能測定以及結(jié)果驗(yàn)證

按照上述測定方法，選取兩款市售成品車用高度閥進(jìn)行壓縮空氣消耗量測定，分別對(duì)其編號(hào)為A和B，其中A款高度閥技術(shù)特點(diǎn)為擺臂控制底部凸輪機(jī)構(gòu)，使閥門內(nèi)部進(jìn)、排氣道通、斷，從而形成進(jìn)氣、排氣動(dòng)作，參見圖7；B款高度閥技術(shù)特點(diǎn)為擺臂控制閥芯旋轉(zhuǎn)，使閥門內(nèi)部進(jìn)、排氣道通、斷，從而形成進(jìn)氣、排氣動(dòng)作，參見圖8。

先分別測試AB兩款高度閥在擺臂最大角度為時(shí)的耗氣量，然后調(diào)節(jié)可調(diào)連桿長度，使擺臂最大角度為，再依次測量AB兩款高度閥耗氣量。具體步驟如下：

1）組裝高度閥及鉸鏈，連接氣管管路及電線；

2）調(diào)節(jié)可調(diào)連桿長度使高度閥擺臂最大角度達(dá)到要求值；

3）將壓縮機(jī)打壓到要求值后稍等片刻，然后記錄此時(shí)壓力值P1（MPa），同時(shí)計(jì)算儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣密度以及質(zhì)量m1（kg），并記錄；

4）開啟電機(jī)電源，設(shè)定頻率后開啟儲(chǔ)氣罐閥門，經(jīng)歷100個(gè)進(jìn)氣循環(huán)后稍等片刻，記錄此時(shí)壓力值P2（MPa），計(jì)算儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣密度以及質(zhì)量m2（kg），并記錄；

測試完成后，結(jié)果如表1所示。

表1 AB兩款高度閥耗氣量測試數(shù)據(jù)

其中，壓縮機(jī)儲(chǔ)氣罐容積為13L，室溫為27°，即300K。

考慮到實(shí)際工作中，擺臂的工況耗氣量很少，工況為主要耗氣區(qū)域，可適當(dāng)加權(quán)處理（例如按“二八定律”），得到高度閥總體耗氣量。也可以不進(jìn)行加權(quán)處理，在每個(gè)測試角度下單獨(dú)比較。經(jīng)過最終計(jì)算，可以看出，B款高度閥相對(duì)A款高度閥耗氣量減少約24.4%。從整車范圍來看，雖然空氣懸架系統(tǒng)不是消耗壓縮空氣最多的系統(tǒng)，但是單就高度閥來講，壓縮空氣消耗量減少24.4%左右，其節(jié)能減排的意義依然十分可觀。

幾年前，國內(nèi)部分空氣懸架部件廠做過粗略的實(shí)車測試，其數(shù)據(jù)顯示B款高度閥相對(duì)A款高度閥，平均能減少壓縮空氣消耗約20%左右，參見圖9。按照本文所述方法測試得到的結(jié)果，與該數(shù)據(jù)具有較高的一致性。

4、結(jié)論

空氣懸架高度控制閥種類繁多，性能各異，應(yīng)用場合多種多樣，通過以上原理分析與實(shí)際測定，本文所述方法可以用于測定不同原理和結(jié)構(gòu)的空氣懸架高度控制閥的耗氣性能，有利于我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品應(yīng)用朝著更加環(huán)保和低能耗的方向發(fā)展。

[1] 秦曾煌.電工學(xué)(第5版)[M].北京:高等教育出版社,1999.

[2] 周長城.汽車平順性與懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011(09).

[3] 黃志昌,黃鵬.液壓與氣動(dòng)技術(shù)(第2版)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2010(07).

A Way to Measure the Air Suspension Valve Consumption of Compressed Air

Zhang Xiaogang
( Crane International Trade (Beijing) Co., Ltd., Beijing 100022 )

As the global energy problem is getting worse, people have higher requirements on vehicle pneumatic components consumption of compressed air. Air suspension control valve is a key component and consumes all the compressed air of an air suspension. Due to the complex working process it is difficult to know how much air a valve consumes in a certain period. Based on the simulation of a valve working process in lab, a way to measure the valve consumption of compressed air is developed. It can be used to figure out a low-energy-consumption solution in vehicle design.

Height Control Valve; Leveling Valve; Air Consumption

U461.9

B

1671-7988(2015)11-96-03

張小剛，就職于克瑞國際商貿(mào)（北京）有限公司。