某微型汽车液压感载比例阀布置形式与液压拐点特性分析.pdf

．设 计 开 发 ． 某微型汽车液压感载比例阀 布置形式与液压拐点特性分析 张海 军郝 占武 中国第一汽车股份有限公司技术 中心 【 摘要】 针对某微型汽车布置空间不足的问题， 提出了倾斜布置液压感载比例阀方案。 通过对液压感载比例阀工 作 原理 的分 析 ．建立了倾 斜布置感 载 比例 阀时拐 点与后桥相对位移之间的关系 ，分析 了垂直布置 与倾斜布置 的误 差 ． 从而得 出倾斜布置方案可 以满足 实际需要的结论 。最后对两 种布置方 案进 行了台架试验 ， 试验结果 与计算结果 一 致 。 主题词 微型汽车液压感载 比例 阀布置形式 中图分类号 U 4 6 3 ． 5 文献标识码 A文章编号 1 0 0 0 3 7 0 3 2 0 1 3 0 9 0 0 0 9 0 4 Ch a r a c t e r i s t i c s An a l y s i s o f Hy d r a u l i c Lo a d S e n s i n g P r o p o r t i o n i n g Va l v e Ar r a ng e m e nt a nd Hyd r a ul i c Kn e e Po i nt Z h a n g H a i j u n ， Ha o Z h a n w u C h i n a F AW Co ． ， L t d ． RD Ce n t e r 【 A b s t r a c t ] T o s o l v e t h e p r o b l e m o f i n s u f fi c i e n t s p a c e i n a m i n i c a r ， a t i l t i n g a r r a n g e m e n t p l a n f o r h y d r a u l i c l o a d s e n s i n g p r o p o r t i o n i n g v a l v e i s p r o p o s e d ．B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f wo r k i n g p rin c i p l e o f t h e p r o p o r t i o n i n g v a l v e ，t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n h y d r a u l i c k n e e p o i n t o f l o a d s e n s i n g p r o p o rti o n i n g v a l v e a n d r e l a t i v e d i s p l a c e me n t o f r e a r a x l e i s e s t a b l i s h e d ， t h e e rro r b e t we e n t h e v e r t i c a l a r r a n g e me n t a n d t h e t i l t e d a r r a n g e me n t i s a n a l y z e d ，t h e n ，t h e c o n c l u s i o n t h a t t h e t i l t e d a rra n g e me n t p l a n c a n me e t t h e a c t u a l r e q u i r e me n t i s ma d e ． F i n a l l y ， t h e b e n c h t e s t for t wo l a y o u t s i s c a r r i e d o u t ， wh i c h s h o ws t h e c o n s i s t e n c y b e t we e n the c alc u l a t i o n r e s u l t s a n d t h e e x p e ri me n t r e s u h s ． T h e me t h o d h a s p r a c t i c a l g u i d i n g s i g n i fi c a n c e for l o a d s e n s i n g p r o p o rti o n i n g v alv e l a y o u t d e s i g n． Ke y wo r ds M i ni c a r，Hy dr a ul i c l o a d s e ns i ng p r o po r t i o ni ng v a l v e，La y o ut pr o g r am 1 前 言 目前液压感载 比例 阀在微型汽车中的应用 比较 达到上跳极 限行程时 ， 后桥与车身距离较 近 ， 容易 广 ， 常见的布置形式是垂直布置 指感载弹簧与整车 挤 压感载 比例 阀中的弹簧 该弹簧在实际工作 中一 为 材 料 常 数 ，此 种 材 料 C O ． 2 5 4 ； K 为 应 力 集 中 系 数 ，此种材料 K 2 ． O ； p为材料密度 ； 一 为最大应 力 ； i 为最 小 应力 。 采用代人法得 出 n 1 ． 4 9 0 由于均匀材料离散 程度小 ， 所以其安全系数取 1 - 3 。经过 比较 ， 该车架 在工作中可 以满足疲劳强度安全系数要求 5结束语 由分析结果可知 ．该车架在两工况下的最大应 力值都小于高强度钢 3 9 0 MP a的屈服极限 ． 疲劳强 度也符合安全系数要求 ．证明此种拓扑优化设计方 2 0 1 3年第 9期 法可行。此方法具有节约成本 、节省材料等诸多优 点， 为以后设计车架提供了参考。 参考文 献 1 谭继锦． 汽车有限元法． 北京 人 民交通出版社． 2 0 0 5 ． 2 张 胜兰． 基 于 H y p e r Wo r k s的结构优 化设计技 术． 北京 机 械工业 出版社． 2 0 0 7 ． 3 柴新伟 ． 杨世文． 货车车架有 限元模 型的建立及分 析． 机械 管理开发 ， 2 0 1 0 ， 2 5 2 5 1 ～ 5 2 ． 4 古迎 春． D L 4 1 0 0型半 挂牵 引车 车架 强度分析 与优化 『 学 位论文] ． 太原 太原理工大学 ， 2 0 1 1 3 4 ～ 3 5 ． 责任编辑帘青 修改稿收到 日期为 2 0 1 3年 8月 1日 一 9 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．设计开发 ． 直处 于拉伸状态1 ． 当达到弹簧的疲劳极限 ． 就会引 起弹簧断裂 目前 国内、外学者针对感载 比例阀结构及动静 特性进行 了一定程度的研究[ 1 - 3 ] ． 但是对于感载比例 阀布置形式与拐点特性方面的研究 ．目前还没有相 关 报 道 。 针对微型汽车空间不足时感载 比例阀垂直布置 方案会出现感载弹簧断裂的问题 ．本文提出了感载 比例阀倾斜布置方案 ．并详细分析 了倾斜布置形式 与垂直布置形式对液压拐点的影响 建立 了拐点与 后桥相对位移之间的计算公式 ．为倾斜布置提供了 理论依据 2 液压感载 比例 闻工作 原理 2 ． 1 液压感载 比例阀在整车中的作用 液压感载 比例阀安装在连接制动总泵和后制动 分泵的制动管路上 ． 用来按车辆装载状态f 或装载质 量1 控制作用于后制动器上的液压 ． 从而防止汽车行 驶过程 中紧急制动时后轮过早抱死【1 J 液压感载比例阀安装在车体上 ．在顶部 的杠杆 一 端通过感载弹簧和阀支架与后桥相接。当车辆装 载某一质量时 ， 后桥和车体 车身 间的距离 螺旋弹 簧高度 变化 ， 感载弹簧的长度也随之变化 。随着感 载弹簧长度的变化 ．通过杠杆作用在感载比例阀内 柱塞上的作用力也发生变化 ．柱塞的轴 向力大小改 变 ．从而改变阀口达到关闭的输出力 。即调节作用 起始点控制压力值 p s 随汽车实际装载质量而变化 ． 以适合于装载质量 的液压特性 弹簧力通过杠杆作用在柱塞上 图 1 ， 柱塞上 的作用力表示为 L ， ／ z F e o s O L 一 W 1 式中． 为差径活塞上 的回位弹簧力 F为感载弹簧 拉力 ； 为杠杆回位弹簧力 ； 0为感载弹簧与杠杆法 线的夹角 一 1 0 一 图 1 感载 比例阀外形 2 ． 2 感 载 比例 阀的工 作原 理 感载比例阀内部结构如图 2所示 液压感载比 例 阀串联于液压制动管路中． 当前 、 后促动管路压力 P 与P 同步增长到一定值 P 后 ，即 自动对 P 的增 长加以节制 ， 使得 p 的增量小于 P 的增量。 当踩下制动踏板时 ， 制动管路液压 P 与 P 将同 步增长 ， 当增长至活塞左 、 右两端面液压差大于推力 ．厂 时 ， 活塞即下移一定距离。即p 5 6 p 。 S o f S 。 为输 人油压作用于差径活塞上的有效 面积 ， ．s 为输出油 压作用于差径活塞上的有效面积 时．活塞向下移 动 ． 柱塞与密封皮碗结合 ， 将上下两腔隔绝 。此时的 液压为限压点液压 P ， 相当于特性 曲线拐点的液压 ， 活塞处于平衡状态。若进一步提高 P ，则活塞将上 移 ， 油液继续流人出油腔 ， 使 P 也升高 。但 由于 S S 。 ， P 尚未及时升高到 P ， 时 ，差径活塞又向下移动 ， 将油道切断 ． 活塞又处于平衡状态 。这样 ． 自动调节 过程将随踏板力的变化反复不断进行 。 在 P 超过 P 以后 ， P 虽随 p l 按比例增长 ， 但总是小于 P ， 其特性 曲线如 图 3所示 。其 中， P 为满载时限压点的液压 ， p 为空载时限压点液压 。 1 ． 阀座2 阀体3 差径活塞4 密封皮碗5 调压弹簧6 密封圈 图 2 双腔液压感载 比例阀内部结构 p p s ’ 满载 空载 图 3液压感载 比例阀特性 曲线 从上述过程得知 ， 在任一平衡状态下 ， 差径活塞 和弹簧的推力 厂 使 P 和P 总维持如下关系 p z S b p 1 S a f 2 p 2 p l Js 3 根据平衡式得知 ， p 与／成正 比， 因而 P 的大小 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．设 计开 发 也取决于 厂 的大小 ，只要使弹簧预紧力能随实际轴 载荷变化 ． 便能实现感载调节。 感载比例阀的静特性方程为 lP 1 P 1 ≤p 1 。 q p 1 p _4 其 中 ，g 亩[ - F c o s 0 一 ／ z 一 ] 2 ． 3 感 载 比例 阀液 压拐 点 特性 汽车利用轴载变化时车身和车桥间距离的变化 来改变弹簧预紧力 ． 调节作用起始点液压 P 随轴载 荷而变化 空载时．当传感 弹簧 以相 当弱 的作用 力拉伸 时 ． 作用 于柱 塞上的力很小 ， 液压特性 曲线拐点较 低 图 3 。 满载时， 当传感弹簧以相 当强的作用力拉 伸 时 ． 作用在柱塞上 的力很 大 ， 液压特性 曲线 拐点 较高 拐点 P 和斜度 t a n 0可用下列公式求得 5 t a n 6 3 感载 比例 阀方案布置对 比分 析计算 感载 比例阀安装位置是从空载到中间位置再到 满 载 位置 ． 因此在 设计 弹簧 时 以空载 状态 、 满 载状 态 两个位置来确定弹簧的设计要素 图 4 。 液压感载 比例 阀倾斜布 置时弹簧拉力 变化与 液 压拐点存在非线性关 系 。而垂 直布置 时为线性 关 系 。 垂 直 布 置 l 1 MP 5 ．5MP 图 4感载 比例 阀倾斜 布置、 垂直布置方案对 比 3 ． 1 倾 斜布 置 与垂 直布 置 方 案对 比分 析 a ． 垂直 布 置方 案 设后桥上感载比例阀支架与感载 比例 阀本体垂 直距离为 ， 则垂直布置方案感载弹簧受力为 2 01 3年第 9期 F z k z ,4 X z 7 其中， k 为弹簧弹性系数 ； ／ t X 一 L ， L 为垂直布 置时弹簧初始长度 b ． 倾斜布置方案 设感载 比例 阀感 载拉臂 的法 线与水平夹角为 O 1 ． 感载比例阀弹簧与支架安装点水平距离为 a ， 倾斜 布置方案时感载弹簧受力分析如图 5所示。 满载 图 5倾 斜 布 置 方 案 时 感 载 比例 阀 弹 簧受 力 分 析 倾斜布置方案感载弹簧受力为 F x k 8 将力分解 到垂直拉臂方向． 即有效拉力为 F r F x c o s o r - ／ 3 9 ／ 3 a r c t a n a 1 O 可以得出任意位置的弹簧受力 F r F x c o s c - ／ 3 △ c o s 1 1 △ - L C O S ／5。 1 2 A u 由制动性能计算可以确定感载 比例阀空载 、 满 载拐点压力 ，反推出空、满载处的有效弹簧拉力相 等 ， 故 k x △ c o s - ／ 3 z △ 1 3 由此 可求 出倾 斜布置方案时感载 弹簧 的 自由 长 度 由于感载比例阀内部结构已经确定 ．两种方案 的不同之处仅在于感载弹簧的调整 ．由 2 ． 2节分析 可知 ． 感载 比例阀拐点与感载弹簧拉力为线性关系 ． 故可列 出以下方程 P k F b 1 4 式 中． k为拐点与拉力的线性关系系数 ． 与内部 回位 弹簧有关 ； b为常数 。 因此 P k k 一 L 姗 c 。 s ] 8 6 1 5 式中， 加为倾斜布置时弹簧初始长度。 一 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．设计 开发 ． 3 ． 2 实 例 求解 以某微 型汽车参数为例 ， 代入公式进行求解。 垂直布置时 弹簧 的弹性系数 k为 0 ． 4 8 N ／ m m． 而倾斜布置方案时 ．由于需要 弹簧的一个垂直于 杠杆 的分力 ．因此 通过设计校 核其弹性系数 k为 0 ． 7 6 N／ ram。 倾 斜 布置 时参数 为 5 0 o ． c -- - 5 5 mm． a 1 3 2 ． 2 mm， 满载时 ， L 7 0 ． 4mm， fl a r c t a n 7 0 ． 4 ／ 1 3 2 ． 2 2 8 。 ； 空载 时 L 1 2 5 ． 4 m m， 3 a r c t a n 1 2 5 ． 4 ／ 1 3 2 ． 2 4 3 ． 5 。。 设计时 ， 满载 对应拐点压力 为 l 1 MP a 空载对 应 拐 点压力 为 5 ． 5 MP a 由式 1 3 可知 O - 7 6 x ⋯ 1 3 ～ 2 ． 2 _L x 。 c o s 6 0 。 _ 4 3 ．5 。 0 ．4 8 1 2 5 ． 4 - - - L z0 0 ． 7 6 1 3 2 ． 2 一 L 。 C O S 6 0 。 一 2 8 。 0 ． 4 8 7 0 ． 4 _ L 厕 解 得 L 0 1 11 ． 8 mm LZ 0 1 4 ． 63 mm 由式 1 4 可 得 ， ．j} 一 0 ． 2 0 8 MP a ／ N， b 1 6 ． 5 8 MP a 。 垂直布置方案和倾斜布置方案的液压拐点压力 与弹簧有效长度变化关系曲线如图 6所示。 善 星 丑 馋 图 6 感载比例阀两种布置方案与感载弹簧有效长度的关系曲线 。 已知 比例 阀空 载 拐 点 为 5 ． 5 0 ． 5 MP a ， 满载拐 点为 l 1 MP a ， 弹簧倾斜布置的拐点偏差远远小于 设计 公差 。 在上、 下跳极限时两种方案的误差会增大 ， 由图 6曲线可 以计算 出最大误差达到 2 ． 4 MP a 。 但该种工 况在实际中属于制动不稳定工况 ．因此认为倾斜布 置方案时动态液压变化 曲线分布在设计公差范围之 内． 对整车制动影响很小。 4 试验 验证 将两种布置方 案的感载 比例 阀装 夹到试验 台 一 1 2 一 上 ， 测得输人、 输 出特性曲线如图 7所示 。由图 7可 知 ， 空、 满载时拐点液压一致 ， 试验结果与计算结果 一 致 。 图 7 感载 比例阀输入 、 输 出特性曲线 5 结束语 本文 提 出 了感 载 比例 阀倾斜 布置方 案 ， 从 理 论 上 系统 分析 了感 载 比例 阀倾 斜 布置 对 拐点 的 影响 ． 并与 试验 进行 了对 比 。 理 论分 析 与试 验结 果 一 致 通过倾斜布置和垂直布置两种方案对 比发现 ， 虽然倾斜布置方案拐点值随感载弹簧拉力不再是线 性关系， 但在空 、 满载拉力范围内与垂直布置方案变化 较小． 对制动性能的影响不大 。 参考文 献 1 赵振兴． 汽车液压感载比例阀． 汽车工程师 ， 2 0 1 0 1 4 7 ～ 5 0 ． 2 杨柳． 安凯客车制动 系优 化设 计及 性能仿真 [ 学位论 文] ． 合肥 合肥工业大学 ， 2 0 0 7 ． 3 王 宣锋 ． 应 国增 ， 黄朝 胜． 某微型 客车制 动力分 配优化设 计 ． 汽车技 术 ， 2 0 0 9 9 l 一 5 ． 4 鲁 道夫 编 ． 张蔚林 ， 陈名智 译 ． 汽车 制动系统的分析与 设计． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 5 ， 1 2 ． 责任编辑帘青 修改稿 收到 日期为 2 0 1 3年 8 月 1日。 汽车技术 加 M 他 8 6 4 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m