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全动力液压制动系统动态响应特性的研究 中文摘要 工程车辆制动系统是车辆行驶安全的重要保证，改善车辆的制动性能始终是车 辆设计的重要任务。全动力液压制动系统与国内普遍采用的气推液式制动系统相比 较具有优越的制动性能及较高的可靠性等优点。双回路制动阀作为全动力制动系统 的关键液压组件，其性能直接关系到车辆的行驶性能和安全性能。只有准确掌握制 动过程中制动阀与制动系统的动态特性及各种影响因素，才能为车辆制动系统的设 计与匹配、整机制动性能预测与分析提供依据。 目前，国内关于全动力液压制动系统的设计研究有少量综述性文献报道，而未 见有关双回路制动阀的设计研究文献报道。针对这一发展研究现状，采用常规设计 方法，对全动力液压制动系统进行了设计研究，并探索性地对双回路制动阀进行参 数分析研究。 在掌握全动力液压制动系统制动阀芯的工作原理的基础上，将对其工作过程进 行数学建模。在建立数学模型基础上，进一步采用m a t l a b 中的s i m l i n k 对制动阀在 不同阶段的工作过程和整体工作过程进行仿真和分析，从而得出制动系统及双回路 制动阀的制动性能，以及影响制动性能的主要参数和具体的影响关系。 根据仿真结果对制动阀的结构参数进行对比，针对制动阀的前后轮制动力大小 分配、阀芯内力需求、机车惯性力、机车改良特点等影响阀芯结构的因素，对全动 力液压制动系统及关键元件一双回路制动阀的动态特性和制动阀的结构特性做一些 阐述，得出阀芯的设计特点为上回路直径大于下回路直径，制动阀阀芯结构设计特 点对今后双回路全动力液压制动系统及制动阀提供了设计依据。使其为今后研发我 国工程车辆全动力液压制动系统、双回路制动阀提供理论依据与设计方法。 关键词：工程车辆；全动力液压制动系统；双回路制动阀；动态特性 r e s e a r c ho n d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o ft h ef u l lp o w e r h y d r a u l i cb r a k es y s t e m g r a d u a t en a m e ：z h a n gji n d i r e c t e db y ：l i nm u y i s i l lq l n 2 一l u ， a b s t r a c t 1 1 1 eb r a k es y s t e mi st h ev i t a lg u a r a n t e et ot h eo f f - h i g h w a yv e h i c l es a f e t y , i m p r o v i n gb a k ep e r f o r m a n c ei st h ei m p o r t a n tt a s ko ft h ed e p a r t m e n to ft h e o f f - h i g h w a yv e h i c l ed e s i g na n dp r o d u c e t h ef u l lp o w e rh y d r a u l i cb r a k e s y s t e mh a ss e v e r a la d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a lb r a k ea c t u a t i o ns y s t e m s t h e d u a lc i r c u i tb r a k ev a l v ei s k e yh y d r a u l i ce q u i p m e n t ，i t sd y n a m i cd i r e c t l y a f f e c t sb r a k ep e r f o r m a n c eo fb r a k es y s t e m t h e r e f o r e ，m a s t e r i n gw e l la n d t r u l yt h ei m p a c tf a c t o ro fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h eb r a k ev a l v e a n dt h es y s t e m ，w ec a no f f e rs o m ef o r e c a s t 也e o r yf o rv e h i c l ed e s i g na n d m a t c h i n g ，p e r f o r m a n c eo fe n t i r ee n g i n e a tp r e s e n t ，s o m ei n f o r m a t i o na b o u tt h ep r i n c i p l eo ft h ef u l lp o w e r h y d r a u l i cb r a k es y s t e mh a v eal i t t l ei nd o m e s t i ca n do v e r s e a s i nt h i st h e s i s ， t h ea u t h o rd e s i g n e dt h es y s t e mo ft h ef u l lp o w e rh y d r a u l i cb r a k es y s t e ma n d t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e ro ft h ed u a lc i r c u i tb r a k ev a l v e t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma n dt h eb r a k ev a l v ew e r e s i m u l a t e db ym e a n so ft h es i m u l i n ks o f t w a r ew i t hd i f f e r e n tb r a k em o d e ， b ys y s t e ms i m u l a t i o np o i n t e do u tt h ew a yo fd e s i g n i n gb r a k ev a l v e ，o b t a i n e d l i t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb r a k ev a l v ea n db r a k ep e r f o r m a n c eo f s y s t e m t h ec o n t r a s ta n da n a l y s i si sc o n d u c t e d i n t e g r a t i n gr e q u i r e m e n to ft h e s p o o li n t e r n a lf o r c eb a l a n c ea n df o u r - w h e e lb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o n ，t h e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fb r a k ev a l v ef o rt h ed o u b l e - l o o pf u l lp o w e r h y d r a u l i c b r a k es y s t e mi ss t u d i e d ，a n dt h eo b t a i n e dp a r a m e t e rc h a r a c t e r i s t i c o fs p o o ld i a m e t e ri st h a tt h et o ps p o o ld i a m e t e ri sl a r g e rt h a nt h a to ft h e b o t t o m t h ec h a r a c t e r i s t i cc a np r o v i d et h er e f e r e n c et ot h ed e s i g no fb r a k e v a l v ef o rt h ed o u b l e l o o pf u l lp o w e rh y d r a u l i c b r a k es y s t e mi nt h ef u t u r e t h i st h e s i sp r o b e di n t oa d o p t i n gm e t h o dt os t u d yt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h ef u l lp o w e rh y d r a u l i cb r a k es y s t e ma n dt h ec i r c u i tb r a k ev a l v e ，o b t a i n e d s o m ec o n c l u s i o n si np o s s e s s i o no fr e f e r e n c ev a l u e ，a n dp r o v i d e dt h e o r e t i c a l b a s i sa n dm e t h o di n s t r u c t i o nf o rd e s i g no ft h ef u l lp o w e rh y d r a u l i cb r a k e s y s t e ma n d t h ec i r c u i tb r a k ev a l v e k e yw o r d s ：o f f - h i g h w a yv e h i c l e ；t h e f u l lp o w e rh y d r a u l i cb r a k e s y s t e m ：t h e d u a lc i r c u i tb r a k ev a l v e ；d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s i l l 全动力液压制动系统动态响应特性的研究 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导 下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。 如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关 的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的文献 资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ： 2 0 08 年5 月1 日 第一章绪论 第一章绪论 制动系统是车辆一个重要组成部分。特别对于工程车辆来说，由于经常在各种 场地行使作业，保证行车安全已成为工程车辆设计中一项十分引人关注的重大问题。 所以工程上对车辆制动系统的性能及制动系统的结构提出了愈来愈高的要求。近十 年来工程车辆制动系统正不断出现新结构、新材料、新技术。 1 1 本课题提出的背景 工程车辆经常在各种场地行使作业，要求它们具有较高的行使速度以提高作业 生产率。车辆制动性能的好坏，直接影响到整机的工作效率，同时也关系到人身和 机器的安全。目前国内普遍采用的气顶液式制动系统，各类元件繁杂，而且车辆上 需另外增设结构庞大的气动系统，形成了体积大、重量重、成本较高及排气时会造 成对空气的污染等几大缺点。特别是对于长轴距或多轴车辆及远距离控制车辆，由 于控制管线长、速度慢，易产生制动滞后现象，使自重较大的工程车辆行使安全性 难以保证。随着液压技术和湿式制动器制造技术的不断完善，可靠性更高的全动力 液压制动系统在工业发达国家已普遍采用。 全动力液压制动系统具有以下特点： ( 1 ) 双回路制动系统，各回路既同时工作，又互不影响； ( 2 ) 利用车辆原有的液压系统或动力，无需另设液压源； ( 3 ) 脚踏制动阀根据驾驶员脚踏力的大小调节制动系统的压力； ( 4 ) 操作灵敏，响应时间短，迟滞小； ( 5 ) 液压制动系统已启动即可工作。 这些特点表明全动力液压制动系统将成为工程车辆全动力制动系统的发展方 向。目前国内有关全动力液压制动系统在工程车辆上的应用也有少量文献报道，主 要是综述或介绍类文献，对于全动力液压制动系统的开发仅有少量理论性研究，未 见有关对全动力液压制动阀等关键件产品研究的文献报道。 1 2 本课题的研究意义 随着现代化建设工程的发展，对工程车辆提出了更高的要求。根据我国机械行 业的发展及对国内各大工程车辆生产与使用企业的仔细调查得知，国内各大工程机 全动力液压制动系统动态响应特性的研究 械生产企业在其部分最新型号的轮式机械产品中已开始采用全进口原件的液压制动 系统。而采用进口液压产品进行整机配套一方面增加了产品的成本，另一方面系统 不易匹配，限制了产品的升级、换代。如能利用国内原材料及人力资源价格较低的 优势，生产价低质优的产品，则可替代进口节约大量宝贵的外汇，满足国内对全动 力液压制动系统及关键元件的需求。 本课题针对工程车辆制动系统的发展现状和市场需求，对全动力液压制动系统、 双回路制动阀的设计而展开研究，具有重要的实践意义。对全动力液压制动系统、 双回路制动阀的参数设计为今后工程车辆全动力液压制动系统设计与改进提供重要 参考依据；对全动力液压制动系统、双回路制动阀的动态数学建模、仿真分析，可 以通过方便快捷的改变参数，分析其性能指标，从而可对制动阀结构参数、使用条 件等因素对液压特性的影响进行全面分析，得出其性能主要影响参数并获得最优参 数，进而改进设计；通过台架试验研究可以获得制动系统及关键元件的动静特性关 系，对掌握整机的性能具有十分重要的意义。而且为进一步的理论分析与建模仿真 打下了基础。文中在设计全动力液压制动系统时加入了对关键元件一双回路制动阀 的设计研究，在国内外未见相关报道，问题的提出和研究具有新颖性和挑战性。 1 3 国内外现状及发展趋势 任何制动系一般都由制动器和制动器的操纵装置两部分组成。 按照制动系的功用分类，制动系可分为行车制动系、驻车制动系、第二制动系、 辅助制动系。 按照操纵的能源分类，制动系又可分为人力制动系、伺服制动系( 助力制动系) 和动力制动系三种。 按照制动能量传递方式，制动系又可分为机械式、气压式、液压式、电磁式等。 若同时采用两种以上储能方式的制动系( 机械式除外) 叫做组合式制动系。 按照液压式或气压式制动系的液压回路多少，制动系又可分为单回路、双回路 和多回路制动系三种。单回路制动系中，若有一处发生漏油或漏气故障，所有车轮 制动器均无法制动，安全性差，现已较少应用。双回路制动系与多回路制动系中， 各车轮制动器的气压或液压管路，分属于两个或多个彼此隔绝的回路。在其中一个 管路失效时，另外的回路还能使车辆制动【l 】。 2 第一章绪论 1 3 1 工程车辆制动系统的发展 为了满足工程车辆安全性的要求，工程车辆制动系统不断完善发展，尤其是制 动系统，正经历着一项革命性的变革。 1 人力制动系统 工程车辆发展初期，制动传动系统完全依靠人力制动，车轮的制动力与驾驶员 的输入踏板力成正比。 2 动力制动系统 动力制动系统中，用以进行制动的能源是空气压缩机提供的气压能，或由油泵 提供的液压能，而空气压缩机或油泵则由车辆发动机驱动。所以，动力制动系是以 车辆发动机为唯一的制动初始能源的。但就制动系范围而言，可认为制动能源是空 气压缩机或油泵。在动力制动系统中，驾驶员的肌体仅作为控制能源，而不是制动 能源。 动力制动系统包括气压制动系、气顶液制动系统和全动力液压制动系统三种。 ( 1 ) 气压制动系统 气压制动系统，即以空气压缩机为制动能源的制动系统，目前已被气推液式、 全液压式制动系统所替代，这里就不再祥述。 ( 2 ) 气顶液制动系统 国内工程车辆大多采用气顶液钳盘式制动系统，经过多年来的改进和发展。大 致形成以下三种系统。 1 ) 停车制动和行车制动单独分开的制动系统 2 ) 具有“二合一”功能的双踏板制动系统 双踏板制动系统如图1 1 所示。制动过程如下：由空气压缩机产生的压缩空气 经多功能卸荷阀分离出气体中的油水后，进入储气罐；当需要制动时，踩下气制动 阀，储气罐中的压缩空气进入前后驱动桥的加力泵，推动加力泵活塞和制动总泵活 塞，使总泵内的刹车油形成高压油进入前后桥钳盘式制动器实现制动。 国内新开发的较高档次的装载机大多选用与此系统相似或相同的制动系统。该 系统的行车制动过程具有以下功能： 停车制动是靠操纵手控制动阀控制制动气缸来完成的，操纵简便、省力。 3 全动力液压制动系统动态响应特性的研究 该系统设有两个气制动阀，在正常情况下可实现行车制动，其中之一可切断 7 1 2u i o ， 1 储气罐2 空压机3 多功能卸荷阀4 气制动阀s 梭阀6 加力泵 7 钳盘式制动器8 制动气缸9 手制动器1 0 切断气缸1 1 截止阀1 2 手控制动阀 图1 1 双踏板制动系统 动力；当遇到紧急情况时，可加强制动效果。 具有切断动力、低气压自动作用及低压启动保护功能。当制动气压低于安全 气压时，气体的压力不足以克服切断气缸和制动气缸的弹簧力，变速器的输出动力 处于切断位置，同时变速器的输出制动鼓制动，使装载机无法起步或停车。 当行车制动系统失效时，拉起手控制动阀手柄，仍可使装载机实现制动。 此处应特别说明的是：当车辆在坡道上行驶或作业时，切不可选择切断动力制 动，以免再起步时产生“溜坡”等不稳定现象。另外，如因制动气压不足而出现停 车现象时，不可将车辆强行拖走，必须将制动气缸脱开，以免烧坏制动鼓。 3 ) 双管路复合制动系统 该系统除具有第二种制动系统的各种功能外，还具有双重保险功能。系统增加 了一个双回路保险阀和一个储气罐，经过双回路保险阀的管路分别属于两个各自独 立的系统，当一个管路系统失效后，另一个系统仍可制动，从而提高了行驶的安全 性。双回路保险阀的作用是当其中一条回路失效时，另一条回路仍可保持一定的气 压【2 1 。 ( 3 ) 全动力液压制动系统 1 ) l c b 制动器液压制动系统 4 第一章绪论 l c b 制动器即液体冷却制动器。是一种液压制动、无压解除制动的制动器，其 原理见图1 2 。 从图1 2 可见，该系 统中有两个特殊阀：充液 阀与脚踏制动阀。前者的 作用主要是维持蓄能器 回路的压力在一定范围 内，使系统能安全制动， 后者的作用主要是控制 前后桥制动器的制动与 图1 2l c b 制动器液压制动系统 解除制动，还可以控制制动力的大小。如图1 2 所示，液压油通过制动液压泵流向充 液阀，当蓄能器的压力低于某一上限时，充液阀向蓄能器充液；当超过这一上限时， 充液阀换向，制动液压泵的全部流量流向二次液压回路( 二次液压回路可以是转向油 路、工作先导油路、冷却油路或回油路) ，蓄能器的上限压力仍然保持不变，直到脚 踏阀被压下为止。图示1 2 位置为制动器的回油油箱。此时制动器是松开的，车辆可 以运行。当脚踏板被压下时，蓄能器的压力通向制动器，制动器与油箱回路断开， 制动器在压力油的作用下实施制动或减速。当制动踏板松开之后，制动器又处于在 解除制动状态。几次制动后，蓄能器压力下降到某一下限压力，略高于制动器的限 定压力时，制动液压泵又恢复向蓄能器供油，直到达到充液阀上限压力为止。 2 ) p o s i s t o p 带i 动器液压制动系统 先罾挖钊瞻e 图1 3p o s i - s t o p 制动器液压制动系统 p o s i s t o p s l 动器即弹簧制动如图1 3 ，应用于液压解锁弹簧制动全封闭多盘湿式 制动器。该制动器是世界上目前最为先进的制动器，集停车制动、紧急制动、工作 制动于一体，改变了以往车辆另配停车制动器的状况，使车辆结构简化。 5 全动力液压制动系统动态响应特性的研究 弹簧制动器的工作机理是弹簧制动、液压解锁，如果制动系统的任何部位失效 使液压力损失，制动器都会立即制动，安全可靠。弹簧制动器液压系统回路与普通 全动力制动系统有所不同，所应用的元件有液压泵、安全阀、蓄能器、低压报警开 关、脚踏制动阀、充液阀、制动器。当车辆起动时，电磁阀换向，来自液压泵的液 压油经充液阀、蓄能器、电磁阀、脚踏制动阀驱动桥的制动器，顶开制动器弹簧， 制动解除，车辆运行。当需要制动时，踩下脚踏制动阀，制动阀接通回油箱回路， 制动器内的油液经制动阀返回油箱，制动器在弹簧力的作用下压紧动静盘，使车辆 制动不能行走。当车辆的动力源( 如发动机) 有故障或液压系统有泄漏，油压不足，车 辆被弹簧制动。为了使车辆能够运行，必须使用手动泵或弹簧制动松闸器为制动器 输油，才能重新顶开制动弹簧，解除制动。 由于弹簧制动器制动系统对系统及弹簧制动器的精度要求较高，尤其是在车辆 工作状态下系统内长时间保持高压，对密封要求较高，制动器弹簧常处于压缩状态 易产生疲劳破坏，因此应用并不广泛，目前主要用于停车制动系统。 l c b 制动器主要采用双回路液压制动回路，车辆制动更安全。当一个制动回路 出了故障，另一回路仍能照常工作。安全可靠的p o s i s t o p 制动器，一般采用单回路 液压制动系统。另外，双回路所采用的充液阀与脚制动阀原理与结构有差别，且二 者不能互换，在使用中要特别注意【3 】。 i k ep 刚：s s il 睢 f l u ul l： 一 | r a( e；旺s s u乇 、 ，n 。， ， 代表模块 的一个输出端口) 。 2 ) 按下鼠标左键，这时鼠标指针变成十字型。 3 ) 然后拖动鼠标到另一个模块的输入端口( 从模块外部指向模块本身的标记符 号“ 代表模块的一个输入端口) ，这时鼠标指针仍保持为十字型，并有一条连线 把两个模块连接起来。 4 ) 释放鼠标左键，这时两个模块就连接好了。 ( 5 ) 模块对应参数的改变 当把所有模块之间的连线连接完毕以后，就可以根据实际条件对各个模块所对 应的参数进行修正，其操作步骤为：在模型窗口内，用鼠标左键分别双击各模块的 图形符号，屏幕弹出各模块的对话框，用户可以利用这些对话框对其参数或初始条 件进行修改或设置【4 3 删。 本文的仿真研究就是在m a t l a b 6 5 s i m u l i n k 6 0 基础上进行研究的。 4 2 全动力液压制动系统的静、态仿真 4 2 1 制动系统的静态仿真 根据第三章所建立的全动力液压制动系统动态数学模型，可以比较方便地得到 系统s i m u l i n k 仿真模型，由于仿真模型中使用的模块繁多，本仿真对仿真初始模 型进行了封装处理，使得整个系统模型图显得简洁、创建了一个良好的用户界面， 使其它使用者能够直观的了解模块。这对许多参数显然也是不方便的。本仿真模型 利用s i m u l i n k 软件提供的封装技术，封装技术可以帮助用户为子系统定制对话框和 图标，使模型层次清晰，调试方便，运行可靠【4 5 “6 “7 1 。s i m u l i n k 软件提供的封装技 术，可以完成以下任务： ( 1 ) 将子系统中的多个模块对话框简化为一个对话框。用户不需要打开每个模 块的对话框来设置参数值，这些参数值可以在一个封装对话框中输入，并自动传递 给封装子系统内的模块【4 8 、4 9 1 。 4 3 垒动力液压制动系统动志响虎特性的研究 。一 圈4 1 制动阿静特性仿真模型 图4 2 a 封装后的参敦输入对话框 图4 2 b 制动一静杏特性模型 ( 2 ) 提供良好的用户界面。用户可以在对话框中定义自己模块的描述、参数栏 标签，以及帮助文本。 ( 3 ) 定义计算变量的命令。该变量的值依赖于模块参数。 ( 4 ) 创建描述子系统用途的图标。 ( 5 ) 将子系统的内容隐藏于用户定制的界面之后。以防不经意间修改。 ( 6 ) 创建动态对话框。 第四章全动力 瘦压制动系统仿真 4 22 制动系统空行程阶段的仿真 如图43 为系统空行程模型，蓄能器的仿真模型如图4 4 示，模块阀芯受力的 仿真模型如图45 示，轮缸的仿真模型如图46 示。各自对应其封装后的参数输入 对话框见附图b 。具体如下： 圈 l ：，1 | i - 州x 1 葡r 岬 【厂 二邀一_ _ 一一m “hr 面丽_ 丽一 4 3 系统空行程模型 皿口匝墨墨曩霹矗匠强i m ” 一k 一 日r 一 m i i 一 i 一 c i f i i 一 兰_ j 型_ j 里一盐一 b 封装后蓄能器的参数输入对话框 墨日啦四日e 口口豁， r j - # “- “p 一一 n - - n f f 一 * b l o 】 i i 一 l f i r 一 ! _ j ：一! ! _ j 划 图45 a 制动阀的仿真模型图4 5b 封装后制动阀的参敛输入对话框 全动力液压制动系统动态响应特性的研究 圈4 6a 轮缸的仿真模型 4 23 制动系统增压阶段的仿真 n 一 i i 一 目一 日 f i 一 l f i _ i 一 ! _ j ! = = 一! 生_ j ：二j 圈4 6 b 封装后轮缸的参救输 对话框 图4 7 镧动系统增压阶殷的仿真模型 _ _ ! 扩曰 l 粤 j l _ j ! ! ! _ j ! j 旦二二- j 图4 8 a 一芯受力的仿宴模型圈4 叻 阉苍受力教输入对话框 4 6 一一一一 第四章全动力液压制动系统仿真 田口田墨呀臣础出舾l - 盱；j s t n e l ， l t - i 一一 矗雨f 葡一 n 丽币百r 一 l 丽而一 h i i i 一 旦j ! 叫些_ j 兰_ 一 图4 9 a 上阀芯阻尼孔的仿真模型图4 9 b 上储芯阻尼孔的参教输入对话框 e i 一 f ；i i 一 目r 一 h ；i 自一 南r 一 1 震= 二二二 e i w 。a f 一 i i i 一 ! i j ! ：j t - j = 一 图4 1 0 a 上回路制动阀一轮缸的仿真模型图4 1 0 b 上回路制动阀一轮缸的参致输入对话框 熙黑紫! 型酬要 h 一 h 鬲i 再r 一 k i a ；一 t ! 目一 t i i 一 兰j 型_ j 些j _ - j 圈4 1 l a 下问芯阻尼孔的的仿真模型图4 1 l b 下一芯阻尼孔的参教输 对话框 全动力液压制动系统动态响应特性的研究 即靼佛! 忪叩 ：酬。f 匕型i 引 一 6 j f 一 i i i i t z 。一 r i 一 ；i 一 r 1 i f ；i i 一 k 1 i i i 一 ! 一二= 一! 一j 2 一 图41 2 a 下回路制动阔轮缸的仿真模型 图4 1 2 b 下回路制动阔一轮缸的参数输入对话框 424 制动系统回位阶段的仿真 图41 3 制动系统回位阶段的模型 二= = = 二二二二：_ _ 二二= 围4 1 4 a 阀甚受力的模型 图4 1 4 b 阔芯受力参数输入对话框 第四章全动力液压制动系统仿真 血口面墨瞄衄 ，一一 目i 一 f i 一 i i 一 m r i n i 一 ! j ! 兰j ! ! j 二二一 n 一1 _ g 叫，h 闰。 小剧刚 诊r 回唧 圉4 1 5 a 、b 上回路制动阉一轮缸参数输入对话框及其模型 o ：o 、 目 、- - 3 k 】 ：二：二二：二二 b n i 一 m n i 一 n i i ；一 一厂 牡：卜陟川h + 吁t 岬 l j “”一 j 一兰叫上叫叫l 争一 圈4 1 6 a 、b 轮缸话塞的参数输入对话框及其模型 4 25 制动系统整体的仿真 我们将空行程，增压阶段及回位至卸载过程进行整体建模，仿真模型如下： 根据第二章、第三章的空行程，增压阶段及回位至卸载过程的数学特性及建模 仿真，对不同阶段的数学参数进行分析，考虑到阶段的连续性其一些数学参数具 有相互的承接关系。以下即为部分参数说明：具备这种主要参数有阀芯联动位移x v 和制动轮缸活塞位移x 。具体的来说就是当阀芯在空行程阶段终止状态的x v 为增压 阶段的阀芯联动的位移初始值，而阀芯在增压阶段的阀芯联动位移终止状态的x v 为 最后回位至卸载过程的位移初始值。同样，制动轮缸活塞位移x 也具备以上的衔接 关系，即当制动轮缸活塞位移在空行程阶段终止状态的x 为增压阶段的轮缸活塞位 移的初始值，而制动轮缸活塞位移在增压阶段的联动终止状态的x 为最后回位至卸 载过程的活塞位移初始值。 全动力液压制动系统动态响应特性的研究 图4 1 7 灌压制动系统整体仿真模型 43 仿真结果分析 431 全动力液压制动系统静态仿真结果分析 图41 8 为仿真结果，通过改变封油长度矩形弹簧刚度及回位弹簧刚度得出仿 真结果，从而获得影响其静态特性的主要不同因素。当踏板力小于4 0n 时，不足以 使套筒连同矩形弹簧、弹簧座、阀芯一起向下移动，移动超过封油长度时，供油口p 口与b 【b 2 口仍处于断开状态，即此时制动压力为零，如图4 1 8 所示，在0 点到m 点之间；当踏板力增大至m 点时，制动阀芯处于l 临界可以下移至突破封油长度，距 离时，使制动阀入口制动油口b 1 ，b 2 口与系统回油口t 口、供油口p 口与b 1 b 2 口 均处于临界位置此时制动压力仍然保持在0 p a 。 尬= 1 4 0 ，= l 3 x 1 0 4 k ，= 72 8 5 0 第四章全动力液压制动系统仿真 “k z 一= 1 3 0 n ，。l 。= 1 3 、，x 1 0 - 3 ，m k s = 7 2 8 n 缸= 1 4 0 ，乩3 x 1 0 4 mk r = 62 8 当踏板力继续增大，在m 点到n 点之间时，制动压力与踏板力成正比增长。n 全动力液压制动系统动态响应特性的研究 点为阀芯在最大开口量的位置，此时制动压力与系统压力相等。当踏板力继续加大， 制动压力维持在与系统压力相等。 通过对制动阀的静态特性进行分析可知，l ，是制动阀的空行程，它占阀芯整个 行程的很小的一部分；回位弹簧主要用来以克服阀芯与阀体和套筒和阀体直接的摩 擦力，因而它的剐度鼻比矩形弹簧的刚度k ：小得多。所以在阀芯的直径d 、d 2 已 经确定的情况下，影响制动阀静态特性的主要参数足矩形弹簧的刚度k 。减小矩形 弹簧的刚度k ，因刚开始踩下脚踏板时则n 点右移，从而使线段m n 斜率减小； 减小封油长度l ，线段m n 平行左移，封油长度工，影响制动阀的响应时间。 圈4 1 9 制动阀的静特性试验曲线( 脚踏力与倒动力之间的关系1 x 踏板力y 制动压力 制动压力与踏板力关系仿真曲线与静态试验获得的制动压力与踏板力关系曲线 f 如图41 9 ) 进行比较，可知所建仿真模型正确。制动压力与踏板力呈正比关系。 4 32 全动力液压制动系统动态仿真结果分析 将第三章表一中各参数值输入s i m u l i n k 仿真模型的参数对话框，并对整个制 动过程进行仿真，可得到制动过程中制动压力的动态特性。 雹e 墨卫卫口互工z 互要珏一d 型 晷固p p p 岛品日 i 圉4 2 0 制动压力响应特性 第四章全动力液压制动系统仿真 如图42 0 示为前桥、后桥制动压力动态晌应特性。这里假定驾驶员于发现危险 后的05s 作出踏下制动踏板的动作，制动阀阀芯经过0 0 7s ，位移封油长度，此 时制动油口与供油油口处于临界位置，尚未开启，因此在这段时间内制动压力为0 ； 踏板力继续增大，制动阀被打开，在05 7s 05 8s 时间段里，制动轮缸活塞在压力 的作用下，开始运动，当活塞运动至极限位置，活塞停止运动：此时，管路制动压 力迅速升高，由于系统压力变化引起管路的膨胀，使制动压力产生波动：经阻尼孔 流入阀芯底部的压力不断升高，制动阀阀芯在反馈油压的作用下回到临界位置( 如图 42 1 示1 ：制动系统进入制动稳定状态。 x x ￥ a 蕃使穆与前桥制动压力变化r 阀芯位移与前桥制动压力变化 图4 2 1 制动压力与嘲甚位移之间动态特性( 警位移( m m ) y _ 压力( m ，一) ) 图42 1 为制动压力与闯芯位移之间动态特性曲线。通过4 2 1 a 圈与42 1b 图对 比可知，由于所设计的阀芯封油长度相同，上阀芯与下阀芯的节流口同步打开制 动压力同时升高。如第二章对制动阀芯结构特点所介绍，在制动工况下由于车辆重 心的前移，前轮地面提供的有效制动力将大于后轮。要想获得一定负荷下的理想的 制动力分配曲线前桥制动器的制动压力需火于后桥。通过仿真结果可以看出实 现了车辆制动时的晟佳制动力分配关系，即前桥制动压力大于后桥。当阎芯在反馈 油压的作用下运动至临界位置( 压力油口关闭) ，两阀芯进入平衡状态，静止不动。 为了获知所选参数对系统的影响最大，本仿真对系统中主要参数选取不同的数 值进行了仿真加以比较。图42 2 列出了仿真模型中需要的主要参数对制动系统的影 响程度。 国42 2 a 是研究改变阀芯封油长度，对前后桥制动压力影响的仿真结果。通过 仿真结果可知，改变阀芯封油长度，影响了制动压力对踏板力的响应时间。由此可 见，封油长度是制动压力响应特性的主要影响参数，封油长度的正确选取是制动阀 全动力液压制动系统动态响应特性的研究 参数设计的一个重点。 口重蕾墨曩玉墨置互强 国臣p i p p 强匾日 母目p p p 晶园曙臼 a 改变阀芯封油长度& 改变阀口鼍大开口量 匪琶霍里霉匠莲墼 凸目p p p 曙国日舀目p p p 疆国9 c 改变轮缸活塞面积d 改变管路长度 第四章全动力液压制动系统仿真 鼍焉器需； 罾目p p 户 曙暄i e e 改变阀口流量系数e 改变阀芯阻尼孔 图42 2b 是研究改变阀口最大开口量，对前后桥制动压力影响的仿真结果。通 过仿真结果可知，改变阀口晟大开口量，在0 6s 时间点上压力为1 0m p a ，通过 与改变参数前压力对比，得出制动压力响应迟滞，而且制动压力变小( 最高压力为1 3 m p a ) 。由此可见，阀口最大开几量对制动压力响应特性影响很大，阀口晟大开口量 的正确设计是制动阀参数设计的一个重点。 瞳雪霉霉鼍鬻二 9 田盆盆互互叵= = 三 _ ! 望竺丝竺苎里里! ! ：!吕目p 芦p 圜目b = 唯 g 改变制动闷芯直径h 改变制动阀矩形弹簧刚度 图4 2 2 仿真模型各参数对系统的影响 孵 全动力液压制动系统动态响应特性的研究 图42 2c 是研究改变轮缸活塞面积，对前后桥制动压力影响的仿真结果。通过 仿真结果可知，压力响应时间只有很小的变化，可见轮缸活塞面积对制动压力珥旬应 影响很小。 图42 2 d 是研究改变管路长度，对前后桥制动压力影响的仿真结果。通过仿真 结果可知，压力响应时间也只有很小变化，由此得出管路的长度，对制动压力响应 影响很小。 图42 2 e 是研究改变阀口流量系数对前后挢制动压力影响的仿真结果。通过仿 真结果可知改变阀口流量系数在0 6s 时间点卜，压力达到最大制动压力1 5 m p a ， 通过与改变参数前压力( 1 4 m p a ) 对比，得出制动压力响应快速。由此可见阀口最大 开口量对制动压力响应特性影响较大阀口流量系数的正确选取是制动阀参数设计 的又一个重点。 图42 2 f 是研究改变阀芯阻尼孔，对前后桥制动压力影响的仿真结果。通过仿真 结果可知，改变阀芯阻尼孔，对最大制动压力有一定的影响。由此可见，阀芯阻尼 孔的j 下确设计是制动阀参数设计的叉一个重点。 图42 2g 是研究改变阀芯直径，对前后桥制动压力影响的仿真结果。通过仿真 结果可知，改变阀芯直径，在06s 时间点上，前桥压力达到最大制动压力1 3 邮a ， 改变参数前压力1 45m p a ：后桥压力达到最大制动压力1 35m p a ，改变参数前压力 1 5m p a 。由此可见，两阀芯直径尺寸的配台直接影响到制动阀的制动性能。要想获 得最佳制动性能，对阀芯直径尺寸的设计是关键。 口盂臣叵巨蟊= 罩互西善：- 旦| 型墨卫囤重互互互蓝美：l 旦| 型 鲁自p p p 晶圆固9i 晷曾p p p 园弱日i a 断开后桥制动回路b 断开前桥制动回路 圈4 2 3 制动一独立性能仿真 s 6 第四章全动力液压制动系统仿真 图4 2 2 h 是研究矩形弹簧刚度，对前后桥制动压力影响的仿真结果。通过仿真 结果可知，改变矩形弹簧刚度，对最终最大制动压力所能达到的值有一定的影响。 在制动阀的设计中相对于回位弹簧的设计，对矩形弹簧的设计要引起重视。 由仿真结果可知，封油长度、制动阀的阀口最大开度、阀芯阻尼孔、阀芯直径、 矩形弹簧刚度几个参数对系统的影响较大，其中阀口最大开度和阀芯直径影响最大。 其中e 阀口流量系数对系统有一定的影响。而轮缸活塞面积、管路长度对系统的影 响很小。这些仿真结果说明，在本文对制动阀的设计，封油长度、制动阀的阀口最 大开度、阀芯阻尼孔、阀芯直径、矩形弹簧刚度等几个参数的设计选取设计关键。 如图4 2 3 示，a 为断开后桥制动回路，前桥制动压力正常；b 为断开前桥制动 回路，后桥制动压力正常，满足双回路制动阀各回路可同时工作，又互不影响的性 能要求。 含 山 羔 = 山 r j | ，一 一 ， ， ， k i 、 u 、 图4 2 4 制动工况后桥制动压力 ，- j ， ，一 o f ， ， hj 、 、 j 0 123 45678 图4 2 5 制动工况前桥制动压力相应特性 从图4 2 4 所示的制动压力、踏板力关系曲线观察到，刚开始实施踏板力时，制 动压力没有响应，这是由于制动阀芯的封油长度和回位弹簧引起的。 从图4 2 4 、图4 2 5 所示的压力响应曲线观察到，制动开始时，压力有波动。这 5 7 全动力液压制动系统动态响应特性的研究 是由于制动轮缸的空行程所引起，活塞需克服密封摩擦力、回位弹簧力开始移动， 从而引起压力暂时下降的现象。 4 4 小结 本章利用s i m u l i n k 软件，对工程车辆制动系统建立系统仿真模型，模拟输入 按一定斜率增长的制动踏板力和供油压力初始条件，通过改变设计参数，对系统进 行仿真分析，获得影响制动性能的主要参数为封油长度、制动阀的阀口最大开度、 阀芯阻尼孔、阀芯直径、矩形弹簧刚度，通过不断改变参数，以求得最佳的制动性 能。作了以下工作： 1 由于s i m u l i n k 软件具有建模快捷、优越的仿真性能及良好的仿真界面，从 而决定利用此仿真软件进行仿真。 2 对全动力液压制动系统进行了静态特性分析。 3 对全动力液压制动系统进行了动态特性分析。 4 通过改变参数，反复仿真对比，获得制动阀设计参数中的主要影响因素，和 影响规律。 第五章制动阀阀芯结构特性分析 第五章制动阀阀芯结构特性分析 通过第三章的全动力液压制动系统静、动态数学特性计算和第四章全动力液压 制动系s i m u l i n k 建模与仿真，本章的主要内容为：通过对全动力液压制动系统动态 特性响应进行整体仿真和分析，结合第四章分析得出的影响制动力的关键参数，针 对制动阀阀芯结构设计，从阀芯内力需求、前后轮制动里大小分配、机车惯性力等 方面考虑进行了研究，提出了阀芯结构设计特性的一些理论。 5 1关于阀芯工作原理及结构特性分析 影响工程车辆制动系统性能的主要元件为制动阀，蓄能器及制动轮缸等，其中 最为关键的元件是制动阀。轮式工程车辆常用的液压制动阀主要有两种，一种是踏 板操纵一反向调节式制动阀，可用于弹簧制动器制动系统；另一种双回路全动力 液压制动系统中最常用的串联调节式液压制动阀【5 0 1 。研究双回路全动力液压制动系 统中的制动阀结构特性是非常有意义的。 5 1 1 串联调节式液压制动阀芯工作原理 串联调节式液压制动阀原理上下阀芯结构直径设计见图5 1 ( 具体见第二章) 1 、2 上下阀芯3 、4 回油口5 、6 匿力输入口7 、8 。匿力输出口9 、1 0 反馈油孔i i 蓄能器 1 2 制动轮缸 图5 1 串联调节式液压制动阀 5 1 2 从阀芯内力分析 图5 2 显示了上阀芯直径小于下阀芯直径时，两阀芯的内力变化趋势。可以看出 5 9 全动力液压制动系统动态响应特性的研究 上下阀芯的内力在制动增压开始时，上制动阀芯内力在5 0 n 左右，下制动阀芯内力 5 0 n 左右，其大小相等方向相反，可以保持平衡，说明此时两阀芯相互作用可以保 持连接。但随着压力的增大，上制动阀芯内力在5 0 n 8 0 n 之间，下制动阀芯内力 2 0 n 1 0 n ，两阀芯的内力渐渐不平衡，直至分离，即内力f 为零。 宝 砭 r t 埔 墨 卜 叫 图5 2 上阀芯小于下阀芯直径的内力变化