基于AMESim的彈簧制動(dòng)氣室影響因素分析

周 俊

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

氣壓制動(dòng)系統(tǒng)成本低、節(jié)能環(huán)保，常用在大中型客貨車上[1]。了解半掛車制動(dòng)氣室的整體構(gòu)造，選擇氣壓元件庫搭建AMESim模塊，研究制動(dòng)氣室在氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中的影響很有意義[2]。周佳瑋等[3]對(duì)彈簧制動(dòng)氣室進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，但未進(jìn)行影響因素分析。邵瑜[4]對(duì)膜片式制動(dòng)氣室進(jìn)行了研究，但未考慮駐車情況。何江李[5]對(duì)彈簧制動(dòng)氣室進(jìn)行建模，但未驗(yàn)證其模型的準(zhǔn)確性及參數(shù)影響。Lu等[6]為了驗(yàn)證系統(tǒng)的精度，建立了多參數(shù)動(dòng)態(tài)仿真模型，并基于AMESim對(duì)制動(dòng)室進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文在AMESim中建立模型，驗(yàn)證模型建立的正確性，分析制動(dòng)氣室的影響因素，為后續(xù)整車的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)提供參考依據(jù)。

1 彈簧制動(dòng)氣室的工作原理及數(shù)學(xué)建模

1.1 工作原理

在CATIA中建立制動(dòng)氣室結(jié)構(gòu)如圖1所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，氣體經(jīng)過ABS調(diào)壓閥從進(jìn)氣口進(jìn)入氣室內(nèi)，快速充滿氣室，壓縮彈簧，帶動(dòng)推桿將力矩傳給盤式制動(dòng)器進(jìn)行行車制動(dòng)。同時(shí)，氣體進(jìn)入左氣室，壓縮儲(chǔ)能活塞，進(jìn)一步壓縮儲(chǔ)能彈簧進(jìn)行能量儲(chǔ)存。當(dāng)卡車停下或進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能彈簧里面的能量，通過儲(chǔ)能活塞釋放，推動(dòng)推桿，完成駐車制動(dòng)。

圖1 制動(dòng)氣室的外部結(jié)構(gòu) 圖2 制動(dòng)氣室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

制動(dòng)氣室的數(shù)學(xué)模型[8]：

式中：m為推桿質(zhì)量；x為推桿位移；P1為進(jìn)氣壓力；P2為前氣腔壓力；SC為膜片承壓面積；k為彈簧剛度；F為反作用力。

2 AMESim模型的建立及參數(shù)選定

2.1 仿真模型建立

在分析制動(dòng)氣室的物理結(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型后，合理選取AMESim軟件中的氣壓元件以及機(jī)械元件建立模型如圖3所示。接著選取子模型，所選擇的子模型如表1所示。

圖3 制動(dòng)氣室仿真模型

表1 子模型的選取

2.2 參數(shù)設(shè)定

主要參數(shù)的設(shè)定如表2所示。

表2 主要參數(shù)設(shè)定

3 仿真結(jié)果與影響因素分析

3.1 仿真結(jié)果分析

仿真總時(shí)間設(shè)置為0.5 s，運(yùn)行間隔為0.01 s。恒定氣源壓力設(shè)置為0.801 3 MPa、0.901 3 MPa、1.001 3 MPa。制動(dòng)氣室壓力仿真曲線如圖4所示。隨著恒定氣源壓力的上升，制動(dòng)氣室的壓力也上升。設(shè)置壓力越高，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間越長，但三者大約在0.15 s左右均達(dá)到目標(biāo)壓力。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，安裝氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的車輛，在0.2 s內(nèi)緊急制動(dòng)，制動(dòng)氣室達(dá)到穩(wěn)態(tài)值75%所需的時(shí)間不得超過0.6 s[9]。由圖4可知，大約在0.05 s時(shí)三者均達(dá)到目標(biāo)壓力的75%，完全符合要求。

圖4 制動(dòng)氣室仿真曲線

3.2 影響因素分析

3.2.1 活塞直徑的影響

活塞質(zhì)量設(shè)定為1 kg，活塞直徑取值為40 mm、80 mm、120 mm、160 mm、200 mm、240 mm、280 mm，仿真時(shí)間設(shè)定為2 s。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同的活塞直徑氣室壓力仿真圖

3.2.2 彈簧剛度的影響

其他條件不變的情況下，活塞直徑設(shè)置為160 mm，彈簧剛度的取值為10 N/mm、35 N/mm、60 N/mm、85 N/mm、110 N/mm，仿真時(shí)間為0.5 s。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同的彈簧剛度氣室壓力仿真圖

從圖5可知，隨著活塞直徑的增加，制動(dòng)氣室的壓力到達(dá)氣源設(shè)定數(shù)值的時(shí)間在逐漸增大，當(dāng)活塞直徑超過240 mm后，制動(dòng)氣室壓力將不能在0.6 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的75%。從圖6可知，隨著彈簧剛度的增加，制動(dòng)氣室達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間在逐漸減小。

4 基于AMESim的整車氣壓制動(dòng)建模

進(jìn)行制動(dòng)氣室的工作原理及仿真分析，并最終建立整車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的AMESim模型如圖7所示。驗(yàn)證牽引車的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)，如圖8所示。從圖7可以看出，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，氣體經(jīng)過腳制動(dòng)閥到達(dá)前輪彈簧制動(dòng)氣室，又通過管路經(jīng)繼動(dòng)閥到達(dá)后輪的彈簧制動(dòng)氣室。因繼動(dòng)閥具有快速充氣、放氣的作用，后輪的氣壓氣室響應(yīng)比前輪的制動(dòng)氣室快。從圖8可以得出，后輪的氣壓制動(dòng)響應(yīng)比前輪的制動(dòng)氣室快，符合實(shí)踐情況。

圖7 牽引車氣壓制動(dòng)AMESim模型

圖8 前后輪的制動(dòng)氣室的壓力變化

5 結(jié) 語

對(duì)卡車的制動(dòng)氣室進(jìn)行CATIA三維建模，依據(jù)仿真曲線變化，說明模塊搭建的正確性。隨著恒定氣壓源壓力的逐步變大，達(dá)到穩(wěn)定目標(biāo)壓力的時(shí)間會(huì)延長。隨著活塞直徑的增加，制動(dòng)氣室的壓力到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間逐漸增大，當(dāng)活塞直徑超過240 mm后，制動(dòng)氣室壓力將不能在0.6 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的75%。隨著彈簧剛度的增加，制動(dòng)氣室達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間在逐漸減小。