全液压制动系统具有制动力矩大、制动灵敏、稳定性强的特点,与气液制动系统相比具有显著的性能优势,已成为工程机械制动系统的主流发展趋势.由于目前国内并未完全掌握全液压制动系统的核心技术,仍依靠国外进口的系统元件,造成系统成本昂贵、升级困难.因此,实现全液压制动系统元件的国产化非常重要.双回路制动阀作为全液压制动系统压力输出的控制元件,其性能的优劣直接影响车辆制动的安全性.目前国内学者只对国外双回路制动阀样品的动、静态特性进行了仿真与实验研究^{[1, 2, 3, 4]},尚未深入开展不同关键结构参数对双回路制动阀性能影响规律的研究.

本文建立了双回路制动阀工作过程的数学模型,分析了阀芯受力平衡以及动态运动过程,并基于AMESim液压/机械多场耦合仿真平台,建立了制动阀的液压仿真模型,通过变参数仿真和实验研究了关键结构参数对制动阀性能的影响规律.研究对于双回路制动阀的国产化开发具有一定的参考价值.

双回路制动阀的液压原理图如图 1所示,其中:A₁、A₂分别为前、后桥输出口;T₁、T₂分别为前、后桥回油口;P₁、P₂分别为前、后桥进油口;F为踏板力,N.双回路制动阀内部结构图如图 2所示,其中:X_u为上阀芯对P₁的遮盖量;X_d为下阀芯对P₂的遮盖量.

图 1

Fig. 1

图 1 双回路制动阀的液压原理图 Fig. 1 Schematic diagram of dual circuit hydraulic braking valve

图 2

Fig. 2

图 2 双回路制动阀内部结构图 Fig. 2 Internal structure of dual circuit braking valve

双回路制动阀具有上、下两个阀芯(近制动踏板端为上阀芯,远制动踏板端为下阀芯),其工作过程可分为三个阶段:制动空行程阶段、比例制动输出阶段、制动撤销阶段.

制动空行程阶段是指上、下阀芯在F作用下左移,制动阀的前、后桥输出口A₁、A₂分别与回油口T₁、T₂由接通到逐渐断开,并与进油口P₁、P₂由断开到临界接通的过程.

比例制动输出阶段是指随着阀芯位移逐渐增大,A₁、A₂分别开始与P₁、P₂接通,双回路制动阀开始输出制动压力,制动输出压力与阀芯位移成比例关系.当阀芯位移达到最大值时,制动输出压力达到最大值并保持不变.

当F撤销时,阀芯在复位弹簧的作用下右移,双回路制动阀A₁、A₂分别与T₁、T₂接通,前、后桥制动器中的液压油回流至油箱,制动过程结束.

根据阀芯在不同工作阶段的受力情况,可得到其受力平衡方程.当制动阀处于空行程阶段时,阀芯受力平衡情况及动态运动方程可表示为

当制动阀处于比例制动输出阶段时,上、下阀芯受力平衡方程分别为

由此可得出,P₁、P₂分别为

综上可得,上、下阀芯分别对进油口P₁、P₂的遮盖量X_u、X_d决定了制动过程中空行程的长短.此外,由式(4)可知,在双回路制动阀其他结构参数不变的情况下,X_u、X_d与双回路制动阀输出压力成比例关系.由于在双回路制动阀加工中主要是通过改变X_u、X_d调节不同的双回路制动阀的输出压力,因此,X_u、X_d是双回路制动阀的关键结构参数.

基于AMESim液压/机械多场耦合仿真平台建立的双回路制动阀仿真模型^{[5, 6]}如图 3所示.为了保证该仿真模型能正确进行运算,在模型中增加了蓄能器及前、后制动器^[7].主要仿真参数如表 1所示.

图 3

Fig. 3

图 3 双回路制动阀仿真模型 Fig. 3 Simulation model of dual circuit braking valve

表 1 (Tab. 1)

表 1 仿真参数 Tab. 1 Simulation parameters 参数名称 数值 Du/mm 20 Dd/mm 21 ku/(N·mm-1) 65 kn/(N·mm-1) 28 蓄能器压力/MPa 13.8

表 1 仿真参数 Tab. 1 Simulation parameters

双回路制动阀仿真模型中阀芯位移输入信号如图 4(a)所示,阀芯位移变化范围为0~9 mm.双回路制动阀前、后桥输出压力仿真结果如图 4(b)所示,双回路制动阀的空行程为2 mm,满足制动输出压力响应速度的要求.此后,经过一个短暂的压力脉动阶段,前、后桥制动输出压力与阀芯位移成正相关,随着阀芯位移的增大其输出压力相应增大.由于上、下阀芯运动存在不同步性,因此在输出压力比例增大阶段,后桥输出压力略小于前桥.当阀芯位移达到最大值时,双回路制动阀前、后桥的制动输出压力也达到最大值(10.4 MPa)并保持不变.

图 4

Fig. 4

图 4 阀芯位移和前、后桥制动输出压力仿真结果 Fig. 4 Spool displacement and simulation results of front and rear axle brake pressure output

利用AMESim仿真平台中的批处理模块对制动阀上、下阀芯的X_u、X_d进行了变参数仿真分析(阀芯位移输入信号同2.1节),以确定X_u、X_d与前、后桥制动输出压力之间的关系.X_u、X_d仿真参数如表 2所示.

表 2 (Tab. 2)

表 2 Xu、Xd仿真参数 Tab. 2 Simulation parameters of Xu and Xd 组号 Xu/mm Xd/mm 1 15.5 15.1 2 15.0 14.6 3 14.5 14.1 4 14.0 13.6 5 13.5 13.1

表 2 Xu、Xd仿真参数 Tab. 2 Simulation parameters of Xu and Xd

图 5为不同X_u、X_d时的仿真结果.随着X_u不断减小,双回路制动阀前桥输出口A₁的最大输出压力逐渐增大;随着X_d不断减小,双回路制动阀后桥输出口A₂的最大输出压力也逐渐增大.随着X_u、X_d逐渐减小,双回路制动阀前、后桥的制动空行程变小.因此,可通过改变X_u、X_d的大小改变双回路制动阀的空行程长短和前、后桥的最大输出压力.

图 5

Fig. 5

图 5 不同Xu、Xd时的仿真结果 Fig. 5 Simulation results with different Xu and Xd

将双回路制动阀仿真模型的其中一条回路断开,对另一条回路的输出压力特性进行了仿真.仿真结果如图 6所示.当一条回路失效时,另一条回路的制动空行程以及前、后桥最大输出压力与未失效时基本一致,即能正常实施制动,两条回路相互独立,从而提高了制动安全性.

图 6

Fig. 6

图 6 单回路失效仿真结果 Fig. 6 Simulation results of single circuit failure

为了对双回路制动阀的工作特性进行分析,搭建了全液压制动系统的实验台架,如图 7所示.实验台架主要元件参数如表 3所示.

图 7

Fig. 7

图 7 实验台架示意图 Fig. 7 Schematic diagram of the experimental bench

表 3 (Tab. 3)

表 3 实验台架元件参数 Tab. 3 Parameters of the experimental bench components 参数名称 数值 液压泵流量/(mL·r-1) 32 液压泵额定供油压力/MPa 20 电机功率/kW 18.5 充液阀充液压力上限/MPa 13.8±0.5 充液阀充液压力下限/MPa 11.4±0.5 温度传感器精度/℃ 0.1 压力传感器精度/% 0.5

表 3 实验台架元件参数 Tab. 3 Parameters of the experimental bench components

利用由舵机、摇臂及连杆等组成的制动踏板控制机构对踏板进行匀速控制.制动踏板控制机构如图 8所示.双回路制动阀的前、后桥制动输出压力的实验结果如图 9所示,制动空行程约为2 mm.由图 9可见:在比例制动输出阶段,由于油液波动和上、下阀芯的运动不同步等原因^{[8, 9]},使前、后桥的输出压力存在一定的波动,但前、后桥输出压力均大致上与阀芯位移成线性关系.实验结果与仿真结果基本一致,说明所建立的仿真模型具有较高的准确性.

图 8

Fig. 8

图 8 制动踏板控制机构 Fig. 8 Control mechanism of the brake pedal

图 9

Fig. 9

图 9 前、后桥制动输出压力的实验结果 Fig. 9 Experimental results of front and rear axle brake pressure output

为了将X_u、X_d对制动阀工作特性的影响进行更好的对比,取表 2中第1组和第5组情况下的X_u、X_d,其他结构参数保持不变,对双回路制动阀样品进行了加工试制.利用全液压制动系统的实验台架,对制动阀前、后桥输出压力特性进行了分析.

图 10为X_u、X_d变参数实验结果.随着X_u、X_d减小,双回路制动阀的制动空行程也随之减少,即两者成正相关,但双回路制动阀的前、后桥最大输出压力与X_u、X_d的大小成负相关.实验结果与仿真结果保持一致.

图 10

Fig. 10

图 10 Xu、Xd变参数的实验结果 Fig. 10 Experimental results with different Xu and Xd

将实验台上双回路制动阀中的一条回路断开,对另一条回路的输出压力特性进行实验分析.单回路失效实验结果如图 11所示,前、后回路中其中一条回路失效的情况下,另一条仍能正常输出制动压力,且响应速度和最大输出压力基本上与未失效时保持一致,这说明双回路制动阀具有较高的安全性,实验结果与仿真结果能较好地吻合.

图 11

Fig. 11

图 11 单回路失效时的实验结果 Fig. 11 Experimental results of single circuit failure

(1) 通过对双回路制动阀阀芯的动态运动方程进行分析,得出双回路制动阀上、下阀芯对其前、后桥输出口的遮盖量为其关键结构参数.

(2) 对双回路制动阀上、下阀芯对其前、后桥输出口的遮盖量进行了变参数仿真,发现该参数与双回路制动阀的空行程成正相关,与最大输出压力成负相关;此外,对双回路制动阀的单回路安全性进行了仿真,结果显示,双回路制动阀在其中一条回路失效的情况下,另一条回路仍能正常输出压力,表明双回路制动阀具有较高的安全性.

(3) 通过搭建全液压制动系统的实验台架,对双回路制动阀的输出压力特性、单回路安全性进行了实验,并对比了不同遮盖量时的制动输出压力特性. 实验结果与仿真结果具有较好的一致性,说明建立的仿真模型能对双回路制动阀的制动特性进行较准确的模拟计算.研究为双回路制动阀的产品开发尤其是结构优化提供了一定的理论参考.