商用車(chē)氣壓制動(dòng)回路自動(dòng)調(diào)壓閥的設(shè)計(jì)與分析

陳曉博，李剛炎，胡大偉

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

制動(dòng)系統(tǒng)是保障車(chē)輛行駛安全、實(shí)現(xiàn)車(chē)輛安全駕駛的必要環(huán)節(jié)，商用車(chē)一般采用氣壓制動(dòng)的制動(dòng)方式，調(diào)壓閥作為連接電控單元和氣壓制動(dòng)回路的關(guān)鍵元件，其在制動(dòng)系統(tǒng)中用于調(diào)節(jié)壓力的大小，其性能直接影響氣壓制動(dòng)的性能[1]。隨著對(duì)電子技術(shù)、控制技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的深入研究，氣動(dòng)元件及其控制系統(tǒng)向著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展已成為一個(gè)重要趨勢(shì)。尤其是隨著自動(dòng)駕駛汽車(chē)的興起，急需可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)輸出壓力自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)的壓力調(diào)節(jié)裝置[2]。

目前，在商用車(chē)氣壓制動(dòng)回路中常用的調(diào)壓閥為ABS電磁閥，但ABS電磁閥并不能實(shí)現(xiàn)輸出壓力的精確控制，且時(shí)延較長(zhǎng)[3]。另外，常見(jiàn)的可實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)調(diào)壓的調(diào)壓閥有電氣比例閥、氣動(dòng)伺服閥和壓電閥等。國(guó)內(nèi)外多家氣動(dòng)元器件公司如日本SMC、德國(guó)PESTO以及諸多高校如浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等都對(duì)此進(jìn)了比較充分的研究[4-6]。

但是，電氣比例閥對(duì)負(fù)載變化比較敏感，適用于輸出功率不太高，動(dòng)態(tài)特性要求也不太高的場(chǎng)合；氣動(dòng)伺服閥價(jià)格高昂，且對(duì)氣源純凈度的要求也較高，其使用維護(hù)較為困難；而壓電閥則因壓電陶瓷材料的可調(diào)變形量較小導(dǎo)致其調(diào)壓范圍有限，應(yīng)用范圍較小[7-9]?；谝陨戏治?，目前常見(jiàn)的自動(dòng)調(diào)壓閥都不適合在商用車(chē)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

本文介紹了一種新的自動(dòng)調(diào)壓閥一體化設(shè)計(jì)方案，并在闡述其結(jié)構(gòu)組成和工作原理的基礎(chǔ)上，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)自動(dòng)調(diào)壓閥的壓力響應(yīng)特性和流量特性進(jìn)行分析，以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。

1 自動(dòng)調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)組成和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

本文設(shè)計(jì)了一種具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)、響應(yīng)速度快、穩(wěn)壓精度高，且能融入商用車(chē)CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)壓閥。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主體結(jié)構(gòu)包括：

1) 主閥體：采用先導(dǎo)式減壓閥為主閥體；

2) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；

3) 集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置。

此外，還包括壓力顯示屏和驅(qū)動(dòng)、控制電路等，共同組成一個(gè)完整的自動(dòng)調(diào)壓閥。

1—進(jìn)氣口；2—出氣口；3—主閥芯；4—排氣閥芯；5—膜片1；6—膜片2；7—排氣通道；8—擋板；9—常泄孔；10—膜片3；11—膜片4；12—壓力顯示屏；13—凸輪推桿；14—凸輪；15—步進(jìn)電機(jī)輸出軸；16—步進(jìn)電機(jī)定子；17—定子線圈；18—步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子；19—軸承；20—驅(qū)動(dòng)控制器；21—接線端口圖1 自動(dòng)調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)視圖

1.2 工作原理

本裝置通過(guò)CAN收發(fā)器來(lái)完成與CAN總控制節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞與反饋。而步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為響應(yīng)角位移的一種特殊電動(dòng)機(jī)，其工作方式是每輸入1個(gè)電脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)角度，且角位移和脈沖指令的個(gè)數(shù)成正比。因此，只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率，便可通過(guò)“步進(jìn)電機(jī)—凸輪機(jī)構(gòu)—閥芯”來(lái)控制閥芯的位移及速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出壓力的調(diào)控。

此外，通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)輸出壓力，構(gòu)成反饋閉環(huán)回路，使得輸出壓力的精度較高。為了對(duì)此裝置有較為直觀的認(rèn)識(shí)，其工作原理如圖2所示。

圖2 自動(dòng)調(diào)壓閥工作原理圖

經(jīng)由PC機(jī)或上位控制器發(fā)出的信號(hào)，通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)傳送至該自動(dòng)調(diào)壓閥的CAN收發(fā)器，再通過(guò)CAN控制器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖序列，經(jīng)過(guò)放大后傳遞至步進(jìn)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，每發(fā)出1個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)就前進(jìn)或后退1步。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)凸輪推桿帶動(dòng)閥芯移動(dòng)，電機(jī)動(dòng)作一定的步數(shù)，則閥芯開(kāi)啟相應(yīng)的開(kāi)度，由此可控制輸出的流量或壓力。同時(shí)，壓力傳感器的反饋信號(hào)可與輸入信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，從而完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)壓力的精確調(diào)控。

2 自動(dòng)調(diào)壓閥的數(shù)學(xué)模型

客車(chē)氣壓制動(dòng)回路自動(dòng)調(diào)壓閥從接收到調(diào)壓信號(hào)到輸出穩(wěn)定的壓力這個(gè)過(guò)程可分為電磁、閥芯運(yùn)動(dòng)和氣路3個(gè)部分。 本文通過(guò)對(duì)自動(dòng)調(diào)壓閥各個(gè)系統(tǒng)基本方程的分析，得出其總體的數(shù)學(xué)模型。

建模過(guò)程做以下設(shè)定：

1) 視工作介質(zhì)為理想氣體；

2) 自動(dòng)調(diào)壓閥內(nèi)部的氣體壓力、密度和溫度均呈均勻分布；

3) 不計(jì)其他局部損失。

a) 電磁部分?jǐn)?shù)學(xué)模型

CAN收發(fā)器收到控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)電路，將其轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的電流信號(hào)，根據(jù)基爾霍夫定律可得轉(zhuǎn)子上線圈的方程為：

(1)

式中：U為電壓；I為電流；R為線圈電阻；N為線圈的匝數(shù)；φ為線圈的磁通量；Rm為線圈的磁阻。

線圈通電將電能轉(zhuǎn)化為磁能，其公式為：

(2)

由能量轉(zhuǎn)換原理，可得步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：

(3)

根據(jù)電機(jī)的受力情況，可得出其動(dòng)力學(xué)模型：

(4)

式中：Tf為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與負(fù)載凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和；B為阻尼(包括機(jī)械阻尼和電磁阻尼)系數(shù)。

根據(jù)自動(dòng)調(diào)壓閥的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，采用凸輪機(jī)構(gòu)作為步進(jìn)電機(jī)與閥芯的連接和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析可得：

(5)

式中：r0為凸輪的基圓半徑；d為推桿的直線運(yùn)動(dòng)距離；f為凸輪機(jī)構(gòu)表面的摩擦系數(shù)。

b) 閥芯運(yùn)動(dòng)部分?jǐn)?shù)學(xué)模型

該自動(dòng)調(diào)壓裝置是由CAN總線控制其發(fā)出電脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)換后，帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)由凸輪推桿驅(qū)動(dòng)閥芯的直線運(yùn)動(dòng)，在這一環(huán)節(jié)中步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度為：

(6)

式中：θ為步進(jìn)電機(jī)步距角；θS為步進(jìn)電機(jī)的角位移；n為輸入電脈沖的個(gè)數(shù)；t為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間；fHZ為脈沖信號(hào)的頻率。

為了避免凸輪推桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生沖擊，該推桿采用正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。則步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角位移可以轉(zhuǎn)換為凸輪推桿的直線位移，即是閥芯的位移，其位移方程為：

X=h[(θS/θ0)-sin(2πθS/θ0)/(2π)]

(7)

閥芯的運(yùn)動(dòng)平衡方程：

(8)

式中：θ0為凸輪的推程運(yùn)動(dòng)角；m為閥芯的質(zhì)量；F為凸輪推桿傳遞的壓力；P0為閥芯處的壓力；A0為閥芯的橫截面積；B為閥芯的運(yùn)動(dòng)阻尼系數(shù)；Bx為瞬態(tài)氣動(dòng)力阻尼系數(shù)；k為氣動(dòng)力彈性系數(shù)。

c) 氣路部分?jǐn)?shù)學(xué)模型

氣體流過(guò)閥芯處的節(jié)流方程為：

(9)

式中：K為空氣的絕熱系數(shù)，其值為1.4。

在氣壓制動(dòng)過(guò)程中，自動(dòng)調(diào)壓閥輸出的壓力直接進(jìn)入制動(dòng)氣室。不考慮氣體的泄漏和局部損失，以及與外界的熱交換，則流過(guò)調(diào)壓閥芯的氣體流量即為進(jìn)入制動(dòng)氣室的流量，自動(dòng)調(diào)壓閥出口的壓力即為制動(dòng)氣室的壓力。易知制動(dòng)氣室的節(jié)流方程為：

(10)

由以上幾個(gè)式子聯(lián)立，考慮氣壓制動(dòng)過(guò)程中閥芯的開(kāi)度位移對(duì)質(zhì)量流量的影響，可以推導(dǎo)出該自動(dòng)調(diào)壓閥工作過(guò)程中的壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)方程為：

3 自動(dòng)調(diào)壓閥的仿真分析

根據(jù)閥芯的運(yùn)動(dòng)平衡方程，在MATLAB中對(duì)其進(jìn)行建模分析，可得出閥芯的位移與旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 閥芯位移與電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線

其中，θ0凸輪的推程運(yùn)動(dòng)角，即是閥芯從閉合到完全張開(kāi)過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)所旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度，且θ0<180°。

步進(jìn)電機(jī)的步距角設(shè)定為1.8° ，因此，步進(jìn)電機(jī)最多旋轉(zhuǎn)100步閥芯便可達(dá)到最大行程，即脈沖個(gè)數(shù)最多為100個(gè)。

根據(jù)GB 12676-2014 中的相關(guān)規(guī)定[10]，分析得出不同類型汽車(chē)分別在空載和滿載條件下所需滿足的最大響應(yīng)時(shí)間如表1所示。

表1 制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的要求

在MATLAB/Simulink仿真模型中，信號(hào)頻率分別設(shè)置為160 Hz、170 Hz、180 Hz、190 Hz、200 Hz 5個(gè)輸入值，壓力響應(yīng)曲線如圖4所示(本刊為黑白印刷，如有疑問(wèn)請(qǐng)向作者咨詢)。

圖4 不同頻率下自動(dòng)調(diào)壓閥的壓力響應(yīng)曲線

由圖4可知，頻率越大，壓力響應(yīng)時(shí)間越短。而根據(jù)表1可知，為了使該自動(dòng)調(diào)壓閥能夠滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各種類型車(chē)輛的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間要求，可設(shè)定自動(dòng)調(diào)壓閥的使用頻率為200 Hz。

此外，在MATLAB/Simulink仿真模型中，保持輸入壓力不變，輸出壓力分別設(shè)定0.6 MPa、0.5 MPa、0.4 MPa，仿真時(shí)間設(shè)置為3 min，可得出該閥的壓力—流量特性曲線，如圖5所示。

圖5 自動(dòng)調(diào)壓閥流量特性曲線

由圖5可知，設(shè)定輸出壓力分別為0.6 MPa、0.5 MPa、0.4 MPa并持續(xù)3 min后壓力的降低值均<0.01 MPa，穩(wěn)壓精度高，其流量特性能滿足客車(chē)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的使用要求。

根據(jù)以上的仿真分析可知，該自動(dòng)調(diào)壓閥的壓力響應(yīng)特性和流量特性能夠滿足設(shè)計(jì)要求，且控制信號(hào)頻率最佳值為200Hz。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種以先導(dǎo)式精密調(diào)壓閥為主閥體、以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、以集成CAN總線的驅(qū)動(dòng)控制器為控制部件，同時(shí)集反饋回路、控制電路為一體的商用車(chē)氣壓制動(dòng)回路自動(dòng)調(diào)壓閥。根據(jù)該閥的工作原理進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，并對(duì)其性能完成了仿真分析。結(jié)果表明該閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸出壓力的自動(dòng)、精準(zhǔn)控制，且響應(yīng)時(shí)間快，能滿足商用車(chē)氣壓制動(dòng)回路的自動(dòng)調(diào)壓需求。