程洪杰， 高 蕾， 劉志浩， 胡新峰

(1.火箭軍工程大學(xué) 研究生院， 陜西 西安 710025；2.中國(guó)人民解放軍96782部隊(duì) 保障部， 福建 莆田 351200)

引言

目前，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)N3類車輛均要求必須配備防抱制動(dòng)裝置，其通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)車輛制動(dòng)過(guò)程中的車輪制動(dòng)力來(lái)防止車輪抱死滑拖，達(dá)到提高制動(dòng)效能、增加制動(dòng)穩(wěn)定性的目的。重型多軸特種車輛采用氣壓制動(dòng)防抱死系統(tǒng)，主要由電子控制單元、壓力調(diào)節(jié)器和輪速傳感器組成，控制原理如圖1所示。相比于普通兩軸乘用車輛的液壓系統(tǒng)，其管路布置更為復(fù)雜，且氣體作為傳遞介質(zhì)具有較大的壓縮性，使得壓力傳遞延遲性較大。氣壓延遲對(duì)重型運(yùn)輸車輛制動(dòng)性能的影響較大[1-2]，在ABS控制策略研究中考慮氣壓遲滯性可優(yōu)化系統(tǒng)的制動(dòng)性能。

圖1 氣壓ABS系統(tǒng)控制原理圖

氣壓ABS調(diào)壓閥作為壓力控制關(guān)鍵單元，其調(diào)節(jié)性能很大程度上決定了制動(dòng)壓力控制的精確度，直接影響到車輛制動(dòng)安全性。現(xiàn)有對(duì)ABS調(diào)壓閥的仿真分析多基于液壓系統(tǒng)，通過(guò)AMESim，Simulink仿真平臺(tái)建立液壓ABS物理系統(tǒng)，聯(lián)合仿真分析了ABS調(diào)壓閥在整個(gè)系統(tǒng)中的調(diào)壓特性，或者將ABS調(diào)壓閥簡(jiǎn)化為一電磁閥和積分環(huán)節(jié)，忽略了延遲的影響，沒(méi)有單獨(dú)分析ABS調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工作特性的影響[3-4]。文獻(xiàn)[5]通過(guò)ADAMS平臺(tái)建立了ABS的機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電磁閥階梯增壓的精確控制，需結(jié)合試驗(yàn)匹配參數(shù)詳細(xì)分析電磁閥開(kāi)關(guān)響應(yīng)特性[6]。文獻(xiàn)[7]則基于Fluent流場(chǎng)分析理論研究了溫度、閥口開(kāi)度和閥口壓差對(duì)ABS液壓閥開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響規(guī)律。對(duì)于氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的ABS調(diào)壓特性的研究多基于普通乘用車或商用車，通過(guò)在Simulink中建立商用車氣壓ABS電磁閥數(shù)學(xué)仿真模型，驗(yàn)證壓力響應(yīng)特性，可作為ABS策略開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)，或通過(guò)分析信號(hào)占寬比對(duì)階梯響應(yīng)的影響，為信號(hào)頻率和占寬比的確定提供依據(jù)[8-9]。文獻(xiàn)[10-11]在AMESim中建立了ABS電磁閥仿真模型，經(jīng)靜、動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證后，可簡(jiǎn)單分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)靜態(tài)壓力調(diào)節(jié)特性的影響；文獻(xiàn)[12]搭建了某商用車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試分析了電磁閥的壓力響應(yīng)特性，建立了適用該車輛的ABS調(diào)壓?jiǎn)卧抡婺Ｐ?。此外有研究汽車氣?dòng)伺服系統(tǒng)中的高速開(kāi)關(guān)閥[13]，分析了閥芯的靜動(dòng)態(tài)電磁特性，動(dòng)作頻率和溫度關(guān)系，可以看到閥芯的電磁特性影響了閥的壓力控制特性。

通過(guò)上述對(duì)比分析，適用于重型多軸特種車輛的氣壓調(diào)節(jié)特性精細(xì)化建模分析較少，通過(guò)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型無(wú)法精確體現(xiàn)氣壓傳遞的動(dòng)態(tài)特性。因此需對(duì)重型多軸特種車輛的ABS調(diào)壓閥建立精細(xì)的力學(xué)分析模型，并利用AMESim仿真平臺(tái)搭建包含兩位三通電磁閥、膜片控制閥、氣壓傳遞管路及氣室的精細(xì)化調(diào)壓閥模型，可快速有效的分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)ABS調(diào)壓閥靜、動(dòng)態(tài)工作特性的影響，為后期考慮氣壓延遲的重型特種多軸車輛ABS控制算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及實(shí)車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的匹配提供可靠依據(jù)。

1 氣壓ABS調(diào)壓閥的工作特性與建模分析

1.1 工作特性分析

氣壓ABS調(diào)壓閥主要由進(jìn)排氣膜片式氣壓控制閥、進(jìn)排氣先導(dǎo)氣室和2個(gè)二位三通電磁閥組成，具有1個(gè)進(jìn)氣口、1個(gè)出氣口和1個(gè)排氣口[8]，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

a.進(jìn)氣控制氣室 b.進(jìn)氣膜片 c.進(jìn)氣閥 d.氣體通道 e.排氣膜片 f.排氣閥 g.排氣控制氣室 h.減壓電磁閥 i.增壓電磁閥 1.進(jìn)氣口 2.出氣口 3.排氣口 A.進(jìn)氣腔 B.出氣腔 Ⅰ.增壓電磁閥電磁線圈 Ⅱ.減壓電磁閥電磁線圈 圖2 氣壓ABS調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)圖

主要影響調(diào)節(jié)特性的是電磁閥芯的運(yùn)動(dòng)，膜片閥的運(yùn)動(dòng)以及氣路回路特性，可分為常規(guī)增壓、常規(guī)減壓、保壓、階梯增壓、階梯減壓5種調(diào)節(jié)方式。

以常規(guī)增壓為例詳細(xì)分析，增壓電磁閥i斷電，使得進(jìn)氣控制氣室a連通大氣，進(jìn)氣腔A中高壓氣體推動(dòng)進(jìn)氣膜片b向上運(yùn)動(dòng)，從而打開(kāi)進(jìn)氣閥c閥口；減壓電磁閥h斷電，排氣控制氣室g連通進(jìn)氣腔A，使排氣膜片e下端壓力大于上端壓力，排氣閥f閥口故保持關(guān)閉狀態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)膜片控制閥控制出氣腔B充氣、氣室壓力增加的功能。調(diào)壓過(guò)程中，通電后的電磁閥閥芯周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)閥芯受到的磁場(chǎng)力大于復(fù)位彈簧的彈簧力時(shí)便會(huì)向線圈處移動(dòng)，電磁閥芯運(yùn)動(dòng)方程如式(1)：

(1)

式中，M——閥芯質(zhì)量總和，kg

x——閥芯位移，m， 0≤x≤xmax

Fm——電磁力，N

k——復(fù)位彈簧剛度，N/m

x0——復(fù)位彈簧預(yù)緊量，m

pc——控制氣體壓強(qiáng)，MPa

A0——閥芯有效橫截面積，m2

c——閥芯運(yùn)動(dòng)等效阻尼系數(shù)，N·s·m-1

i——控制電流

由麥克斯韋方程可知電磁力計(jì)算公式為：

(2)

式中，F(xiàn)m——電磁力，N

φ——磁通量

μ0——空氣導(dǎo)磁率，μ0=0.4π×10-8H/m

A——?dú)庀短幍臋M截面積，m2

膜片式控制閥控制進(jìn)氣口和排氣口的啟閉時(shí)，膜片的動(dòng)態(tài)平衡方程如式(3)，以進(jìn)氣控制為例，先導(dǎo)氣室壓力作用于膜片上端承壓面，下端承壓面受進(jìn)氣腔和出氣口壓力作用。

(3)

式中，M1——進(jìn)氣膜片質(zhì)量，kg

x1——進(jìn)氣膜片位移，m

p1——進(jìn)氣腔壓力，MPa

A——膜片承壓面積，m2

A1——出氣口承壓面積，m2

p0——出氣口壓力，MPa

pa——進(jìn)氣先導(dǎo)氣室壓力，MPa

F1——回位彈簧預(yù)緊力，N

k1——進(jìn)氣閥回位彈簧剛度，N/m

常規(guī)減壓過(guò)程中，增壓電磁閥i斷電，進(jìn)氣膜片b向下運(yùn)動(dòng)關(guān)閉進(jìn)氣閥c閥口；減壓電磁閥h通電，排氣膜片e下端壓力小于上端壓力，排氣閥f閥口打開(kāi)，控制出氣腔B放氣、氣室壓力得以降低。保壓時(shí)，增壓電磁閥i通電，進(jìn)氣口1關(guān)閉；減壓電磁閥h斷電，排氣口3保持關(guān)閉狀態(tài)，B腔氣體無(wú)變化，制動(dòng)氣室壓力故保持不變。階梯增壓則以增壓/保壓狀態(tài)的持續(xù)變換，階梯減壓以減壓/保壓狀態(tài)持續(xù)變換。其工作特性匯總?cè)绫?所示，作為AMESim模型的搭建、數(shù)學(xué)子模型的選取以及參數(shù)設(shè)置的理論依據(jù)。

表1 氣壓ABS調(diào)壓閥工作特性

1.2 AMESim仿真模型的建立

ABS調(diào)壓閥綜合機(jī)械、電磁、氣動(dòng)進(jìn)行氣壓控制，AMESim仿真平臺(tái)常用于解決多學(xué)科多領(lǐng)域復(fù)雜問(wèn)題，基于此可對(duì)ABS調(diào)壓閥進(jìn)行精細(xì)化建模仿真分析。結(jié)合前述對(duì)ABS調(diào)壓閥調(diào)節(jié)特性和動(dòng)力學(xué)特性的分析，調(diào)用AMESim中的氣動(dòng)庫(kù)、機(jī)械庫(kù)、電磁庫(kù)、信號(hào)庫(kù)搭建圖形可視化仿真模型，主要分為創(chuàng)建草圖、子模型確立、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行仿真四大步驟[14]。

對(duì)比分析圖2物理結(jié)構(gòu)，圖3所示仿真模型中，進(jìn)氣閥組件模擬實(shí)現(xiàn)膜片式進(jìn)氣閥功能，由帶限位的質(zhì)量塊、帶復(fù)位彈簧的活塞和帶環(huán)形孔的氣動(dòng)活塞組成；質(zhì)量塊模擬膜片質(zhì)量、摩擦和慣性，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣閥膜片的機(jī)械運(yùn)動(dòng)[15]；帶復(fù)位彈簧的活塞模擬進(jìn)氣膜片b，另一個(gè)氣動(dòng)活塞則模擬進(jìn)氣閥c。二位三通電磁閥用以模擬增壓電磁閥i，通過(guò)設(shè)置增壓控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣閥組件的啟閉控制，改變二位三通電磁閥連接方式即可實(shí)現(xiàn)減壓電磁閥h的調(diào)節(jié)功能。恒壓源模擬進(jìn)氣口1傳來(lái)的高壓氣體，通過(guò)固定容腔氣室模擬制動(dòng)氣室，觀察出氣口2的壓力變化情況。調(diào)整節(jié)流口面積可改變節(jié)流效果，調(diào)整模型整體的壓力變化。模型設(shè)置情況如表2所示。

圖3 氣壓ABS調(diào)壓閥AMESim仿真模型

表2 ABS調(diào)壓閥模型說(shuō)明

2 氣壓ABS調(diào)壓閥仿真分析

通過(guò)調(diào)試AMEsim仿真模型參數(shù)，分析ABS調(diào)壓閥的靜態(tài)調(diào)節(jié)特性和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性，得到符合實(shí)際工作特性的響應(yīng)曲線。

2.1 靜態(tài)調(diào)壓特性分析

設(shè)置仿真時(shí)間3 s，步長(zhǎng)0.001 s，氣源采用恒溫恒壓源，壓力為0.8 MPa，溫度為293.13 K，氣室容積為2 L，連接管路直徑設(shè)為12 mm，調(diào)壓閥至制動(dòng)氣室管路長(zhǎng)度設(shè)為0.6 m。充放氣過(guò)程速度快，可視為絕熱，絕熱指數(shù)K為1.4。修改增壓電磁閥、減壓電磁閥的控制信號(hào)，得到常規(guī)增壓、減壓響應(yīng)特性曲線，如圖4所示。

常規(guī)增壓時(shí)，兩電磁閥電流輸入均為0 ；常規(guī)減壓時(shí)，兩電磁閥電流輸入均為40 mA。由圖4可知，制動(dòng)氣室壓力從0～0.8 MPa用時(shí)約為0.437 s；制動(dòng)氣室壓力從0.8 MPa～0用時(shí)約為0.606 s，很好的模擬了制動(dòng)氣室靜態(tài)壓力變化情況。

圖4 制動(dòng)氣室靜態(tài)壓力曲線

2.2 動(dòng)態(tài)調(diào)壓特性分析

改變?cè)?、減壓電磁閥控制信號(hào)為脈沖信號(hào)，仿真分析ABS調(diào)壓閥階梯增壓和階梯減壓的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性。

階梯增壓時(shí)，增、減壓電磁閥控制信號(hào)如圖5所示，增壓電磁閥0.1 s周期內(nèi)通電保壓時(shí)間為65 ms，斷電增壓時(shí)間為35 ms，電流為40 mA，減壓電磁閥輸入電流為0。仿真得到階梯增壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性曲線如圖6所示。

圖5 ABS調(diào)壓閥階梯增壓調(diào)節(jié)控制信號(hào)

圖6 ABS調(diào)壓閥階梯增壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性曲線

從圖6中數(shù)據(jù)分析可知：

(1) 制動(dòng)氣室壓力經(jīng)約10次增壓，在1.027 s達(dá)到0.8 MPa，增壓幅度均勻，穩(wěn)定性好，平均每次增壓約0.08 MPa；

(2) 由于電磁閥打開(kāi)關(guān)閉需要一定時(shí)間，增壓響應(yīng)延時(shí)約2 ms，符合實(shí)際，可見(jiàn)壓力響應(yīng)與電磁閥動(dòng)作跟隨性良好。

階梯減壓與階梯增壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)類似，其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性曲線如圖7所示。

圖7 ABS調(diào)壓閥階梯減壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性曲線

從圖7中數(shù)據(jù)分析可知：

(1) 制動(dòng)氣室壓力經(jīng)14次減壓，在1.374 s降至0，降壓幅度在整個(gè)壓力降低過(guò)程中隨之減??；

(2) 由于電磁閥啟閉動(dòng)作需要一定時(shí)間，減壓響應(yīng)延時(shí)約為4 ms，符合實(shí)際，可見(jiàn)壓力響應(yīng)與電磁閥動(dòng)作跟隨性良好。

3 壓力響應(yīng)特性參數(shù)影響分析

結(jié)合式(1)～式(3)對(duì)電磁閥閥芯、膜片控制閥的動(dòng)力學(xué)分析和氣壓傳動(dòng)理論可知，壓力傳遞過(guò)程中的管徑?jīng)Q定氣體流量的大?。荒て睆?jīng)Q定了膜片控制閥的承壓面積；脈沖信號(hào)的占寬比和周期可決定電磁閥芯的啟閉頻率和時(shí)間?，F(xiàn)通過(guò)調(diào)整仿真模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析其對(duì)ABS調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)特性的影響規(guī)律，可為后期管路布置、模型設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供基礎(chǔ)，以提高ABS調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)性。

3.1 制動(dòng)管路的影響分析

設(shè)置不同的管路直徑，即氣源到進(jìn)氣口的管徑和出氣口到制動(dòng)氣室的管徑，觀察其對(duì)靜態(tài)壓力調(diào)節(jié)特性的影響。如圖8所示為其中3組數(shù)據(jù)的靜態(tài)增壓、減壓曲線，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間見(jiàn)表3。

圖8 不同管徑下的壓力響應(yīng)曲線

表3 不同管徑下的壓力響應(yīng)時(shí)間

圖9給出了管徑與增壓、減壓響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系，研究結(jié)果表明：當(dāng)管路直徑增大時(shí)會(huì)降低增壓響應(yīng)速度，直徑每增加2 mm，增壓響應(yīng)時(shí)間的增加幅度逐步變大，從60 ms逐漸增加至100 ms，減壓響應(yīng)速度會(huì)反之提升，減壓響應(yīng)時(shí)間在8 mm到12 mm范圍內(nèi)下降幅度大，約為17 ms；在12 mm到14 mm范圍內(nèi)減壓時(shí)間最少，但繼續(xù)增加管徑對(duì)減壓響應(yīng)時(shí)間的減少作用不明顯，僅約1 ms，且會(huì)出現(xiàn)小范圍的波動(dòng)。所以后續(xù)模型優(yōu)化應(yīng)結(jié)合擬合關(guān)系曲線并根據(jù)實(shí)際需求在增壓響應(yīng)時(shí)間控制和減壓響應(yīng)時(shí)間控制之間做好權(quán)衡。

圖9 管徑-靜態(tài)壓力響應(yīng)時(shí)間擬合曲線

3.2 閥膜片有效直徑的影響分析

設(shè)置閥膜片不同有效直徑，同時(shí)保持進(jìn)氣閥和排氣閥膜片直徑一致，觀察其對(duì)靜態(tài)壓力調(diào)節(jié)特性的影響。如圖10所示為其中3組數(shù)據(jù)的靜態(tài)增壓、減壓曲線，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間見(jiàn)表4。

圖10 不同膜片直徑下的壓力響應(yīng)曲線

表4 不同膜片直徑下的壓力響應(yīng)時(shí)間

仿真結(jié)果表明：當(dāng)膜片直徑增大時(shí)會(huì)提高增壓響應(yīng)速度，但是影響效果不明顯，膜片直徑每增加約7 mm，增壓響應(yīng)時(shí)間減少約1 ms。由于膜片直徑對(duì)增壓響應(yīng)時(shí)間影響較小，對(duì)降壓響應(yīng)速度影響相比較大，在此只對(duì)減壓響應(yīng)時(shí)間做關(guān)系曲線擬合，如圖11所示，膜片直徑從10 mm增加至17 mm，降壓時(shí)間減少的幅度大，約為130 ms，雖整體呈下降趨勢(shì)，但直徑持續(xù)增大對(duì)降壓時(shí)間并不能起到很好優(yōu)化作用，后續(xù)可基于此分析進(jìn)、出氣口膜片直徑設(shè)置不同時(shí)對(duì)靜態(tài)壓力響應(yīng)的優(yōu)化效果 。

圖11 膜片直徑-減壓響應(yīng)時(shí)間擬合曲線

3.3 調(diào)壓信號(hào)占寬比的影響分析

設(shè)置調(diào)壓即通電時(shí)間占寬比分別為0.2， 0.4， 0.6， 0.8，周期為0.1 s，得到不同占寬比下的動(dòng)態(tài)壓力調(diào)節(jié)特性曲線如圖12、圖13所示。

圖12 不同占寬比下的階梯增壓曲線

圖13 不同占寬比下的階梯降壓曲線

由圖12分析可知，對(duì)于階梯增壓調(diào)節(jié)，占寬比越大增壓速率越快，階梯增壓次數(shù)越少，平均每次增壓幅度越大，反之則增壓次數(shù)越多，達(dá)到額定壓力耗時(shí)越長(zhǎng)，當(dāng)占寬比大于0.8時(shí)已無(wú)法實(shí)現(xiàn)階梯增壓調(diào)節(jié)功能。圖13中階梯降壓的調(diào)節(jié)特性與階梯增壓類似。

由于電磁閥芯啟閉動(dòng)作需要一定時(shí)間，占寬比的設(shè)定需考慮這一點(diǎn)，過(guò)大或過(guò)小均無(wú)法實(shí)現(xiàn)壓力的精細(xì)調(diào)控，依據(jù)此模型可有效分析占寬比對(duì)ABS調(diào)壓閥動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能的影響程度，優(yōu)化控制信號(hào)的占寬比以適配整車的ABS控制算法，達(dá)到降低車輪抱死滑拖概率的目的。

4 結(jié)論

本研究建立了某重型多軸特種車輛氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中ABS調(diào)壓閥的AMESim仿真模型，較為準(zhǔn)確的模擬了原部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理。在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上高效分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)以及控制信號(hào)對(duì)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)特性的影響，仿真得到了不同參數(shù)與靜態(tài)、動(dòng)態(tài)調(diào)壓特性的關(guān)系曲線。

(1) 在結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析中，管路直徑對(duì)增壓響應(yīng)時(shí)間影響程度大于降壓響應(yīng)時(shí)間，但并不是越大越好，需結(jié)合實(shí)際情況對(duì)增壓響應(yīng)時(shí)間和減壓響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化；膜片直徑對(duì)降壓時(shí)間的影響程度較增壓時(shí)間大。通過(guò)參數(shù)數(shù)據(jù)擬合，得到參數(shù)-壓力響應(yīng)時(shí)間關(guān)系曲線，為優(yōu)化整車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間提供了依據(jù)；

(2) 控制方式中的脈沖信號(hào)占寬比對(duì)壓力動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性影響較大，關(guān)系到電磁閥增壓、減壓、保壓時(shí)間的協(xié)調(diào)控制，可基于此研究ABS控制算法的優(yōu)化問(wèn)題；

(3) 在此模型基礎(chǔ)上可建立AMESim氣壓制動(dòng)仿真系統(tǒng)，分析制動(dòng)系統(tǒng)控制效果以及與特種車輛的適應(yīng)性，為整車制動(dòng)系統(tǒng)匹配提供數(shù)據(jù)支持。