歐盟拖拉機雙管路氣制動系統(tǒng)研究*

孫德明，朱曉巖，馬忠強，李正宇，李超

(濰柴雷沃重工股份有限公司，山東濰坊，261000)

0 引言

近年來，隨著拖拉機車速的不斷提高[1]，拖拉機參與道路運輸作業(yè)逐年增多[2-3]，對車輛行駛的安全性要求越來越高[4-5]。歐盟法規(guī)EU 167/2013中要求高速農(nóng)林車輛制動系統(tǒng)安全性應達到商用卡車的水平。農(nóng)林車輛制動法規(guī)EU 2015/68在結(jié)構(gòu)和內(nèi)容上與歐盟機動車制動法規(guī)UNECE R13相近，且允許拖拉機與商用卡車互換牽引的掛車，因此歐盟拖拉機雙管路氣制動系統(tǒng)技術(shù)路線更接近商用卡車[6-8]。

歐盟拖拉機雙管路氣制動系統(tǒng)由兩路氣路組成，一路是“供能氣路”用來為掛車儲氣筒供氣，因握手接頭為紅色也稱“紅路”；另一路是“控制氣路”用來控制掛車制動，因握手接頭為黃色也稱“黃路”。氣制動系統(tǒng)普遍采用電控、液壓操縱閥，主要組成元件通常包括卸荷閥、液控氣制動閥、手制動電磁閥和拖車控制閥，其中拖車控制閥是核心元件[9]。

國內(nèi)傳統(tǒng)的拖拉機掛車氣制動系統(tǒng)大部分為單管路氣制動系統(tǒng)，分為充氣剎和斷氣剎[10-11]。充氣剎一般應用在小功率拖拉機上，斷氣剎應用在大功率拖拉機，可以匹配載重量更大的掛車[12-13]。國內(nèi)的雙管路氣制動系統(tǒng)僅是在單管路系統(tǒng)基礎(chǔ)上從儲氣筒增加一路輸出氣路[14]，從而組成供能管路和控制管路[15-16]。上述國內(nèi)傳統(tǒng)氣制動系統(tǒng)通常采用拉桿或拉線機械操縱氣制動閥[17-18]，與主車液壓制動系統(tǒng)兼容協(xié)調(diào)性差[19-20]；系統(tǒng)組成元件缺少手制動閥和掛車控制閥，功能上無法實現(xiàn)主掛同時駐車制動和主掛連接管路破裂時掛車自動制動功能。

本文研究一種新的雙管路氣制動系統(tǒng)，首先對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理進行分析，然后對關(guān)鍵元件根據(jù)系統(tǒng)要求進行選型，最后進行裝機測試該雙管路氣制動系統(tǒng)的響應時間、接頭壓力以及自動制動功能。

1 歐盟拖拉機雙管路氣制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

1.1 雙管路氣制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能特點

歐盟拖拉機雙管路氣制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上必須包含一個“供能氣路”和一個“控制氣路”，氣路末端采用卡車握手接頭，握手接頭執(zhí)行標準ISO 1728。性能上要求響應時間不大于0.4 s；制動時黃握手接頭處壓力不小于650 kPa；功能上要求掛車具有駐車制動功能，并與主車駐車同時工作；“控制氣路”失效破裂時踩下制動踏板2 s內(nèi)“供能氣路”氣壓降到150 kPa(激活掛車自動制動功能)；“供能氣路”斷裂或泄露掛車自動制動。因此歐盟拖拉機雙管路氣制動系統(tǒng)具有互換性高、響應時間短、制動性能好、安全性高等特點。

1.2 系統(tǒng)元件構(gòu)成及工作原理

雙管路氣制動系統(tǒng)由氣泵、卸荷閥、儲氣筒、手制動電磁閥、液控氣制動閥、拖車控制閥和紅黃握手接頭組成，如圖1所示，系統(tǒng)原理如圖2所示。在實際的應用過程中，空壓機往儲氣罐充氣，當氣壓達到800 kPa的時候，卸荷閥開始卸荷并保持系統(tǒng)壓力在規(guī)定范圍內(nèi)。

圖1 雙管路氣制動系統(tǒng)的元件構(gòu)成圖Fig. 1 Component diagram of double-pipe air brake system

圖2 雙管路氣制動系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Schematic diagram of double-pipe air brake system1.液控氣制動閥 2.拖車控制閥 3.控制線 4.供給線 5.儲氣筒 6.卸荷閥 7.空壓機 8.腳剎 9.手制動電磁閥

正常工作狀態(tài)時，拖車控制閥出氣口和進氣口常通，與出氣口相連的供給線經(jīng)過拖車上的繼動閥給拖車儲氣筒供氣，稱為“供能氣路”。

行車制動時，踩下制動踏板制動主泵，制動液進入液控氣制動閥并使其進氣口和出氣口相通，液控氣制動閥出氣口氣壓升高，使拖車控制閥閥芯有氣壓交互，使其出氣口和進氣口相通，控制線有氣壓輸出，此時掛車制動系統(tǒng)立即做出制動反應，且響應時間短，稱為“控制氣路”。

駐車制動時，駕駛員拉起手制動主車實現(xiàn)駐車制動，同時手剎開關(guān)信號控制手制動電磁閥動作，使其出氣口與排氣口導通，使拖車控制閥閥芯有氣壓交互，拖車控制閥出氣口和進氣口相通，控制線有氣壓輸出，此時掛車制動系統(tǒng)立即做出制動反應，從而實現(xiàn)主掛同時駐車制動。

控制線與掛車連接的管路失效破裂時(此時駕駛員可能并未發(fā)現(xiàn))，當駕駛員進行制動操作時，拖車控制閥閥芯有氣壓交互，拖車制動閥進出氣口、供給線出氣口、控制線出氣口同時貫通，但由于控制線與掛車連接的管路失效破裂，使得拖車控制閥閥芯交互氣壓發(fā)生變化而再次動作，從而關(guān)閉進氣口與出氣口連接通道，使得與供給線出氣口連接的“供能氣路”氣壓在2 s內(nèi)降到150 kPa(通過管路破裂處)，因此會觸發(fā)掛車制動系統(tǒng)的緊急制動，通過“供能氣路”的壓力下降將掛車剎住。

1.3 系統(tǒng)重要元件選型及工作原理介紹

系統(tǒng)中卸荷閥的主要作用是限定并保持系統(tǒng)壓力在800 kPa左右，同時滿足紅黃兩路握手接頭處輸出壓力不小于650 kPa的要求。本文選擇型號為FKA-02的卸荷閥，其開啟壓力(cut-off)為810 kPa，關(guān)閉壓力(cut-in)為750 kPa。

系統(tǒng)中液控氣制動閥的作用是實現(xiàn)主車液壓制動和掛車氣制動的協(xié)調(diào)兼容。當踩下制動踏板時，制動主缸產(chǎn)生一定的液壓，通過梭閥分別傳遞到氣制動系統(tǒng)液控氣制動閥和拖拉機制動器。本文選擇型號為FBV-131的液控氣制動閥，根據(jù)液控氣制動閥的性能曲線(圖3)可以看出，液壓制動壓力越高輸出的氣壓越高，拖車制動力越大。對于拖拉機而言，液壓制動壓力越高拖拉機制動力也越大，因此能夠?qū)崿F(xiàn)主車和掛車制動力同時逐漸增大。

圖3 液控氣制動閥的性能曲線圖Fig. 3 Performance curve of hydraulically controlled air foot brake valve

系統(tǒng)中手制動電磁閥為兩位三通結(jié)構(gòu)，由手剎開關(guān)信號控制，形成電控氣功能。駐車狀態(tài)拉起手剎后電磁閥斷電，此時電磁閥出氣口控制拖車控制閥，從而在“控制氣路”產(chǎn)生規(guī)定的氣壓，驅(qū)動掛車制動系統(tǒng)，形成掛車駐車制動。本文手制動電磁閥選用型號為EV-281的開關(guān)閥，其與拖拉機電氣連接圖如圖4所示。

圖4 手制動電磁閥電氣接線原理圖Fig. 4 Electrical wiring schematic diagram of hand brake solenoid valve

系統(tǒng)中拖車控制閥型號為TCV-470，由液控氣制動閥、手制動電磁閥(電控氣)出氣口和拖車控制閥控制口分別相連共同控制，從而將行車和駐車制動集成到黃握手接頭進行輸出。該閥采用氣控氣原理，從而能夠?qū)崿F(xiàn)控制管路發(fā)生破裂時，踩下制動踏板后掛車自動制動功能，具體如圖5所示。原理如下：在事故中掛車“控制氣路”破裂連通大氣(接口22)，踩下制動踏板后，B腔和E腔沒有建立壓力，空氣通過打開的進氣口f和接口22在破裂處排入大氣，在F腔壓力作用下，活塞k迅速下移，阻止接口11到接口22的壓縮空氣供應，同時通過打開的進氣口f在斷裂處掛車供應回路(接口12)的壓力被降低，引起掛車的自動制動。

圖5 拖車控制閥結(jié)構(gòu)剖面圖Fig. 5 Trailer control valve structural section

2 雙管路氣制動系統(tǒng)的功能測試

2.1 測試設備器材準備

測試設備及器材包括BBOX制動評判系統(tǒng)、紅黃握手接頭、氣制動軟管(長2.5 m、內(nèi)徑13 mm)、儲氣罐(385 mL)、拉線位移傳感器、氣壓傳感器。

BBOX制動評判系統(tǒng)是一種基于GPS的數(shù)據(jù)采集測試儀器。它可以用于測量車輛的車速、制動距離、橫縱向加速度值、減速度和MFDD等制動相關(guān)參數(shù)。設備外接各種模塊和傳感器，可以采集制動踏板力、制動踏板位移和接頭壓力等數(shù)據(jù)。該設備可以同步記錄壓力曲線、車速曲線、踏板位移曲線等多種車輛測試數(shù)據(jù)，并在以時間為橫坐標軸的坐標系內(nèi)同步顯示。測試者可以根據(jù)測試的數(shù)據(jù)來分析車輛的制動響應時間、握手接頭壓力、自動制動功能等。2.5 m長氣制動軟管和385 mL儲氣罐模擬主掛連接管路，氣壓傳感器需要連接到軟管末端。拉線位移傳感器安裝到腳踏板上，另一端固定到方向盤上，用于記錄制動操縱過程和時間。

2.2 響應時間及接頭壓力測試

在主車紅握手接頭處連接385 mL儲氣罐，黃握手接頭處連接2.5 m長、內(nèi)徑13 mm制動軟管，軟管末端接上氣壓傳感器，在制動踏板處裝上制動踏板開關(guān)。在額定氣壓下，迅速踩下制動踏板，保持2～3 s后快速松開。氣壓再次達到額定值后，拉起主車手制動，保持2～3 s后快速松開。

拖拉機的制動響應時間是指從制動踏板開始動作至最不利的制動氣室內(nèi)壓力達到其穩(wěn)態(tài)值的75%所經(jīng)歷的時間，法規(guī)要求不超過0.4 s。接頭壓力測試指踩下制動踏板或拉起手制動，黃路接頭管路末端接頭處壓力值，法規(guī)要求不小于650 kPa。踏板行程曲線、黃路末端氣壓曲線見圖6、圖7。

從圖6、圖7可以看出響應時間0.25 s，行車制動黃路接頭管路末端壓力達到680 kPa，駐車制動黃路接頭管路末端壓力達到650 kPa。響應時間、制動時接頭壓力以及主掛同時駐車制動功能，滿足法規(guī)要求。

圖6 響應時間及行車制動黃接頭壓力測試曲線圖Fig. 6 Response time and service brake yellow joint pressure test curve

圖7 駐車制動黃接頭壓力測試曲線圖Fig. 7 Parking brake yellow connector pressure test curve

2.3 自動制動(Brake-Away)功能測試

在主車紅握手處連接2.5 m長、內(nèi)徑13 mm制動軟管，軟管末端接上氣壓傳感器，黃握手處連接2.5 m長、內(nèi)徑13 mm制動軟管，軟管末端與大氣相通，模擬管路破裂，在制動踏板處裝上制動踏板開關(guān)。在額定氣壓下，迅速踩下制動踏板，保持2～3 s后快速松開，間隔數(shù)秒后，再次進行制動操作，連續(xù)測試5次。

法規(guī)要求踩下制動踏板，2 s內(nèi)“供能氣路”里的壓力降到150 kPa，觸發(fā)拖車的緊急制動，通過“供能氣路”里的壓力下降將拖車剎住。踏板行程曲線、紅路末端氣壓曲線見圖8。從圖8中測試曲線可以看出，從左到右顯示連續(xù)5次測試情況。第一條曲線，驅(qū)動時間為0.13 s(藍色曲線縱坐標值從“0”上升到紅色曲線交點所經(jīng)歷的時間)；壓力降低時間為0.94 s(藍色曲線縱坐標值“0”位置到紅色曲線縱坐標值下降到150 kPa，所經(jīng)歷時間)。測試結(jié)果見表1。

圖8 Brake-Away功能測試曲線圖Fig. 8 Brake-Away functional test curve

表1 Brake-Away功能的5次測試記錄Tab. 1 5 test records of Brake-Away function

從表1可以看出，通過連續(xù)5次測試試驗，系統(tǒng)均能夠在2 s內(nèi)將壓力降到150 kPa，滿足法規(guī)要求。

3 結(jié)論

1) 針對歐盟法規(guī)要求，本文設計的雙管路氣制動系統(tǒng)將電控氣、液控氣和氣控氣技術(shù)原理進行結(jié)合，系統(tǒng)選用型號為FKA-02的卸荷閥、FBV-131的液控氣制動閥、EV-281的手制動電磁閥和TCV-470的拖車控制閥等。

2) 經(jīng)過裝機測試，制動響應時間0.25 s、握手接頭處壓力達到680 kPa，能夠?qū)崿F(xiàn)自動制動、主掛同時駐車制動等功能，滿足歐盟法規(guī)要求。該套雙管路氣制動系統(tǒng)達到國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先、全球技術(shù)先進的水平。投入到拖拉機掛車的運輸生產(chǎn)活動中，極大地提高了拖拉機掛車制動的效果和安全性，因此具有極佳的技術(shù)經(jīng)濟效益。