偏心扭桿式排氣輔助制動器在商用車上的應(yīng)用

王月成，戴關(guān)林，徐晴朗，田宇

(浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司， 浙江杭州 311200)

0 引言

目前，商用車用氣壓式排氣輔助制動器結(jié)構(gòu)多為通過蝶閥上的常通孔和蝶閥與閥體的間隙來調(diào)節(jié)排氣背壓，常通孔直徑和蝶閥與閥體的間隙通過計算和試驗(yàn)得出。但是對于不同發(fā)動機(jī)來說，同樣的排氣輔助制動器在使用中會出現(xiàn)排氣背壓大或者排氣背壓小的問題，若要解決這個問題，每種不同發(fā)動機(jī)車型必須重新匹配不同的排氣輔助制動器，給開發(fā)帶來了不便，同時也不利于模塊化設(shè)計。為此開發(fā)了一種新型排氣輔助制動器——偏心扭桿式排氣輔助制動器。這種排氣輔助制動器能夠適用于不同發(fā)動機(jī)。

本文作者首先闡述了排氣制動的原理，結(jié)合樣車出現(xiàn)的問題，對排氣輔助制動器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出了偏心扭桿式排氣輔助制動器。通過對比試驗(yàn)，闡述這種新式排氣輔助制動器的優(yōu)點(diǎn)。

1 排氣制動的原理及特性

1.1 排氣制動原理

排氣制動的原理是通過關(guān)閉排氣歧管和消聲器間的排氣制動閥門而起作用的，在制動時，排氣制動閥門將發(fā)動機(jī)排氣管路關(guān)閉，排氣管內(nèi)的氣體壓力不斷升高，發(fā)動機(jī)活塞在發(fā)動機(jī)排氣行程時，活塞受氣體的反壓力，經(jīng)過曲軸和傳動系傳至車輪，增加了車輪的轉(zhuǎn)動阻力，降低了車速，起到一定的制動效果。

1.2 排氣制動特性

排氣制動特性是指汽車在排氣制動過程中，發(fā)動機(jī)飛輪上制動力矩和制動功率隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。

發(fā)動機(jī)排氣制動力矩：

MZ=i(pm·Vh+Wp)/π·τ

式中：MZ為排氣制動力矩，N·m；pm為平均機(jī)械損失壓力，Pa(隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速由低而高，開始時不斷降低，至發(fā)動機(jī)最大扭矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時達(dá)到最小值，之后隨發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速提高而提高)；i為氣缸數(shù)；τ為沖程數(shù)；Wp為排氣消耗功，J；Vh為發(fā)動機(jī)工作容積，m3。

發(fā)動機(jī)排氣制動功率：

Pz=πneMZ/500

式中：Pz為排氣制動功率，kW；ne為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s。

車輪排氣制動力矩：

F=MZρ/Rη

式中：ρ為發(fā)動機(jī)至車輪間的傳動比；R為車輪的有效半徑，m；η為傳動效率。

2 發(fā)動機(jī)排氣制動效果及影響因素

在使用排氣制動時，制動功率可以達(dá)到發(fā)動機(jī)功率的50%。

從以上的分析可以看出，在排氣制動閥完全關(guān)閉的情況下，影響發(fā)動機(jī)排氣制動效果的因素主要有以下幾個方面：

(1)發(fā)動機(jī)的排氣制動特性；

(2)汽車整車和總成的技術(shù)參數(shù)；

(3)排氣制動特征壓力(即排氣管內(nèi)的壓力，與排氣門正背面承壓面積、排氣門彈簧剛度、氣門升程有關(guān))。

目前使用排氣輔助制動器是在與特定發(fā)動機(jī)進(jìn)行裝車試驗(yàn)時，依據(jù)發(fā)動機(jī)允許的最大背壓值，進(jìn)行相應(yīng)的匹配實(shí)驗(yàn)，測量排氣管內(nèi)氣壓值而確定閥門間隙或固定孔徑，以此來確定產(chǎn)品狀態(tài)。如發(fā)動機(jī)、排氣管以及具體的安裝位置等發(fā)生變化，均能引起排氣管內(nèi)背壓變化。而實(shí)際情況是同一排氣輔助制動器使用在不同車型上，而因不同車型的發(fā)動機(jī)、排氣管的差異性，導(dǎo)致排氣輔助制動器很難適應(yīng)，結(jié)果是不同車型排氣管中的背壓差異大，出現(xiàn)阻力大或小現(xiàn)象。

可以采用以下3種解決方法：

(1)不同車型與排氣輔助制動器進(jìn)行匹配，以確定閥門間隙或固定孔徑；

(2)不同車型與排氣輔助制動器不進(jìn)行匹配，實(shí)際裝車時通過調(diào)節(jié)螺栓對排氣輔助制動器進(jìn)行微調(diào)，以確定閥門間隙；

(3)通過發(fā)動機(jī)允許的最大背壓，考慮在排氣管中裝配的具體位置，確定排氣輔助制動器調(diào)節(jié)背壓范圍，采用偏心扭桿式排氣輔助制動器，實(shí)現(xiàn)排氣管中背壓的相對穩(wěn)定，提高與整車的匹配適應(yīng)性。此種排氣輔助制動器既能防止過壓，又可維持背壓恒定，從而可以保證穩(wěn)定的制動功率。

3 目前排氣輔助制動器的使用情況

目前整車上使用的排氣輔助制動器狀態(tài)大多是直接借用基本型原配，因拓展、變型車產(chǎn)品使用的發(fā)動機(jī)或排氣管較基本型都有一定改變，且沒有做相應(yīng)匹配試驗(yàn)，導(dǎo)致整車調(diào)試過程中可能出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。根據(jù)生產(chǎn)線總裝調(diào)試人員反饋，整車在怠速情況下使用排氣輔助制動器時，發(fā)現(xiàn)有些車型出現(xiàn)排氣阻力偏大現(xiàn)象，有些車型存在阻力小現(xiàn)象。例如，依據(jù)現(xiàn)場某月統(tǒng)計情況：某款排氣輔助制動器1203120G1510有7輛出現(xiàn)阻力大，2輛出現(xiàn)阻力小現(xiàn)象。

對于同一排氣輔助制動器與不同發(fā)動機(jī)裝車后的輔助制動差異，主要受發(fā)動機(jī)額定功率、排量、配氣相位、氣門大小、排氣輔助制動器的安裝位置等影響。排氣輔助制動器的作用就是盡力將發(fā)動機(jī)自身的制動效果發(fā)揮出來，同時又要防止排氣管背壓過高而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)“氣門浮動”現(xiàn)象。要做到這一點(diǎn)，排氣輔助制動器工作時關(guān)閉后的蝶閥與閥體之間的縫隙越小越好，以便能夠及時建立背壓，同時當(dāng)背壓超過規(guī)定值時，應(yīng)能夠可靠的卸壓，以便保持壓力的相對穩(wěn)定。對于排氣輔助制動器蝶閥與閥體之間的縫隙在考慮保證轉(zhuǎn)動性能后盡量做到較小值；對于發(fā)動機(jī)功率較小的，出現(xiàn)排氣管背壓過高現(xiàn)象較少，對于大功率發(fā)動機(jī)匹配不好易出現(xiàn)排氣管背壓過高現(xiàn)象。

4 新式排氣輔助制動器的開發(fā)驗(yàn)證

通過對實(shí)際情況的分析，結(jié)合當(dāng)前重汽、陜汽等使用排氣輔助制動器的情況，開發(fā)了一種偏心扭桿式排氣輔助制動器，碟閥能夠在排氣管中背壓超過規(guī)定值時自動開啟調(diào)節(jié)，能有效防止阻力大等故障。為實(shí)現(xiàn)排氣制動過程中，排氣背壓保持在允許的范圍內(nèi)，閥片安裝軸線相對于閥體中心有偏移，安裝閥片的扭桿軸為扭桿彈簧，其扭轉(zhuǎn)剛度在(130±15) (N·m)/rad范圍內(nèi)。通過扭轉(zhuǎn)角度來控制排氣管背壓值，較好地解決了排氣管內(nèi)背壓超高現(xiàn)象，同時可以適應(yīng)匹配不同發(fā)動機(jī)和排氣管，能夠很好適應(yīng)當(dāng)前的現(xiàn)狀。

該排氣輔助制動器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，蝶閥中心線和扭桿彈簧中心線不重合，有一定偏距，蝶閥和扭桿彈簧在一端用定位銷固定在一起。排氣輔助制動器工作(即蝶閥關(guān)閉)后， 排氣管內(nèi)建立了一定的背壓，同時扭桿彈簧也受到一個來自蝶閥的扭矩，如果背壓過大，超過設(shè)定的限值時，蝶閥會帶動扭桿彈簧旋轉(zhuǎn)一定角度，使氣體通過蝶閥，排氣背壓能夠穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，有效地解決了排氣背壓過大導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火的現(xiàn)象。

圖1 偏心扭桿式排氣輔助制動器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證此排氣輔助制動器的適應(yīng)性，同時檢查不同車型和發(fā)動機(jī)匹配此排氣輔助制動器后性能差異，探詢現(xiàn)場檢查判定方案，準(zhǔn)備了一臺偏心扭桿式排氣輔助制動器進(jìn)行排氣背壓測試(見圖2)。

圖2 測試用偏心扭桿式排氣輔助制動器

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)對下線車輛在怠速情況下，開啟排氣輔助制動器后轉(zhuǎn)速表變化進(jìn)行測量；

(2)換裝背壓測試用排氣輔助制動器后，測量發(fā)動機(jī)在怠速情況下開啟排氣輔助制動器后排氣背壓值及穩(wěn)定后怠速轉(zhuǎn)速(見圖3)。

圖3 測試用氣壓表

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過對下線車輛隨機(jī)抽取進(jìn)行對比測試，測試結(jié)果如表1所示。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論:

(1)發(fā)動機(jī)型號、排氣管等對排氣制動效果影響很大。同一排氣輔助制動器裝在5臺不同車上，怠速情況下排氣輔助制動器工作時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化不一致，排氣管背壓有差別。如試驗(yàn)中底盤號為98007401和98007404的兩臺車，車型和發(fā)動機(jī)型號都一樣，試驗(yàn)中測量出的排氣管中背壓差別卻很大，說明發(fā)動機(jī)自身對排氣制動的效果影響很大，并非由排氣輔助制動器單方面決定的。

(2)偏心扭桿式排氣輔助制動器能有效防止阻力大、發(fā)動機(jī)怠速熄火的現(xiàn)象。目前整車上使用的排氣輔助制動器很難適應(yīng)發(fā)動機(jī)和排氣管的變化，現(xiàn)場易出現(xiàn)怠速時使用排氣輔助制動器后發(fā)動機(jī)熄火現(xiàn)象。測試用的排氣輔助制動器較好地處理了不同規(guī)格型號發(fā)動機(jī)和排氣管導(dǎo)致的熄火現(xiàn)象，能防止出現(xiàn)排氣管中背壓超出設(shè)計許可范圍，有利于保護(hù)發(fā)動機(jī)。

表1 排氣輔助制動器工作時背壓、車輛怠速轉(zhuǎn)速

5 結(jié)論

通過試驗(yàn)分析和目前部分重型卡車的使用情況，這種偏心扭桿式排氣輔助制動器能夠很好地解決在排氣輔助制動器工作時的排氣背壓過大或過小的問題。同時，這種新型排氣輔助制動器能夠適應(yīng)不同發(fā)動機(jī)，提高了零部件的通用性，便于模塊化設(shè)計的運(yùn)用。