全动力液压制动系统制动阀芯结构特性分析.pdf

第 6 期 总 第 1 5 1期 2 0 0 8年 1 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT0MAT1 0N No． 6 De c ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 O 0 8 0 6 0 0 0 9 0 3 全动力液压制动系统制动阀芯结构特性分析 张锦 ，林慕义 ，宋金 宝 1 ．太原科技大学，山西 太原0 3 0 0 2 4 ；2 ．北京信息科技大学，北京 1 0 0 0 8 5 摘要 制动阀作为双回路全动力液压 制动 系统 的关键元件 ， 两阀芯直径的尺寸配合 直接影 响到工程车辆的制动 性能 ， 因此阀芯直径尺寸大小是设计制动阀的关键 。 以双回路全动力液压制动系统中最 常见 的串联调节式液压 制动阀为例， 在掌握其工作原理的基础上 。 采用 MAT L AB ／ S i mu l i n k对全动力液压制动系统进行建模仿 真。 改 变上、 下 阀芯直径大小得 出了不同的制动力 响应 结果 。 并将其进行研究和对 比； 结合阀芯内力 需求 和前 、 后轮 制动力分配要求 ， 对双 回路全动力液 压制动系统 中的制动阀进行结构特性分析 。 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 计特点分析为双 回路全动力液压制动系统及制动阀提供了设 计依 据。 关键 词制动阀芯；结构特性 ；动态特性 ；S i mu l i n k 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 2 文献标识 码A 0 引言 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 种是踏板操纵的反向调节式制动阀，可用于弹簧制动 器 制动 系统 ；另一种 是双 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__ 1 ] 。 研 究双 回路全 动 力液压制动系统中的制动阀结构特性对于研究车辆制 动系统性 能具有 很重要 的意 义 。本文对 全动 力液压 制 动 系统进 行 了动态特性 建模 ，并对 制 动阀进行 结构 特 性 分析 ， 得 出阀 直径 尺寸 的结构 特性及 其设 计要求 。 1 串联调 节式 液压 制动 阀 1 ． 1 原理 及 结构 双回路制动阀及系统结构原理图见图 l 。 其工作过 程如下 当需 要制动时 ．踏板 经 由弹簧推动上 阀芯 1向 下移动 ， 由上 阀芯产生 的液动力推动下 阀芯 2同时 向下 移动，两阀芯首先关闭回油 口A1 、A2 ，而后将蓄能器 压力输入 口 B 1 、B 2与输 出至制动轮缸的压力输 出口 T1 、T2相连 经 由两 阀芯心馈油孔 C1 、C2 作用 在两 阀芯下端 的压力不 断地 升离 难动闷 向上运 动并 切断 蓄能器压 力输 入 口B1 、B 2 输 出至制动轮缸 的压力输 出 口 T1 、 T2问的连接 ． 此时阀 占继续保持 制动压力 ， 踏 板和制动压力的平衡决定 了制动压 力的大小 ； 制 动过程 结束时。 阀芯回位使 A1 、 A2与 T1 、 T2重新接通 ， ㈠ 、 B 2口被重新关闭。阀芯的排列保证了如果其中 一 一 个 *山西省重点科技攻关计划 项 瞄 L 嘶 j i i 收稿 日期 2 ，J o 8 0 3 2 s 修M | j 期 2 ㈤ o 7 2 1 作者简介 张锦 1 9 8 3 ． 女 ． 餐兰州人 ． 硕 士研究生 回路失效，则另一个回路仍能保持有效制动嘲。 1 2 - 一上 、 F闽芯 ；3，5 一 制 动轮缸 ；46 ～ 蓄能器 ；Al、A2 一 回油 口 B l 、B 2 一输人 口；C 1 、C 2 一反馈油孔 ；T1 、T2 ～输 出口 图 1 双 回路 制 动 阀及 系 统 结 构 原 理 图 1 ． 2 阀芯直径 设计 上阀芯的大直径 D 和小直径 ．从强度考虑 1 1≥- 去 I D 。 通 过 阀芯与 阀体 间环形通 道 的流量 计算公 式 为 Q 一{ D 一 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 8年第 6 期 其中 流量 Q以公称流量 Q 代入 ， 环形通道中油液流 速 ≤6 m／ s ，取d 一去D ，则有 -- - D ≥O ． 2 2√Q 。 同理，下阀芯的大直径 J [ 和小直径 d 与流量间 也满 足以上 的关 系 。 2 全 动力 液压 制动 系统 和制 动阀芯 建模 在增压状态下 ，液压油从蓄能器经制动阀流向轮 缸，根据蓄能器、制动阀中液压油的流量连续性方程 可得 F 一 X广 X 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 其中 F为踏板力 ； K。 为踏板弹簧刚度系数 ； L、 L 。 分 别 为踏板力、 阀芯作用力至踏板铰点的距离 ； 为踏 板初始角； M。 为踏板弹簧上部折合质量； X 为上、 下 阀芯联动位移 ； X 为踏板弹簧上部位移。 由蓄能器经制动阀至轮缸 的流量连续性方程可 得 一 c 。 一 A 4 2 P o l -- P 1 ／ P。⋯ ⋯ 2 一 c 。 一 A 4 2 P o z -- P z ／ R。⋯ ⋯ 3 其中 C 。 为蓄能器液容；l 0 为油液密度 ； C 为制动阀 阀 口流量系数； A 和 分别为上、 下阀芯阀口的通流 面积 ， A 一7 c Dl ， A 一7 r D2 ， 为阀开口度 ， Xy ， ， L ， 为阀芯封油长度 ； P 和 P 分别为上、 下回路制 动轮缸压力 ； P P o z 分别为上、下回路蓄能器内瞬时 压力 。 由制动阀、制动轮缸及阀芯反馈阻尼孔中液压油 的流量 连续性 方程得 Ca A --P1 丁 dps 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 1 ． o 、 ．士 ， c √ 知 一 d p 4 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 d t 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯L 其 中 A。 和 A 分别为上、 下阀芯端面积 ， A。 一_ ．1 2 ， A 1砒 。 2； V 和 分别为上、 下阀芯下腔初始容积； 和 分别为前、 后桥制动轮缸容积； K 为油液体积 弹性模量 ； KⅣ 和 K 分别为前、 后桥制动轮缸等效体 积弹性模量；P 。 和 户 分别 为上、下阀芯下腔反馈压 力 。 由阀芯阻 尼孔处 流量 连续性 方程得 [ 号 十V l d p 3 。 ⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 [ 吾 V z d p 4 。 ⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7 其中 z 和z 。 分别为上、 下阀芯阻尼孔长度 ； g为重力 加速度；u为油液运动黏度 ； d 和 。 分别为上、下阀 芯阻尼孔直径 ；a 和 a 为上、下阀芯阻尼孑 L 截面积。 根据阀芯的受力平衡可得 K。 1 一 xI ， 一 P A 4 一 P3 A4 一 A3 一M B U - _ 丁．,d X _V K ， Xy 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 8 其中B为阀芯运动阻尼系数 ；M 为阀芯及阀腔油液 质量 ；K， 为稳态液动力刚度 。 式 1 ～式 8 组成全动力液压制动系统制动阀工 作过程的数学模型。 根据全动力液压制动系统制动阀工作过程的数学 模型 ，在确定数学模型 的参数后 ，应用 MAT I AB ／ S i mu l i n k进行 仿 真。图 2为全 动力 液 压制 动系 统 S i mu l i n k仿真模型。 图 2全 动 力 液 压 制 动 系统 S i mu l i n k模 型 3 制动阀芯工作过程仿真结果分析 3 ． 1 阀芯 内力分析 假设制动阀芯工作过程中上、下两阀芯内力分别 为 F 1 、F 2 。 上、下阀芯直径相同时，两 阀芯间的内力变化较 小 ，但如果 由于加工误差造成上阀芯直径小于下阀芯 直径时， 会造成两阀芯的内力不平衡， 产生分离现象。 图 3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 。可以看出在制动增压时 ，上制动 阀 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8年 第 6 期 张锦 ，等 全动 力液压制动 系统制动阀芯结构特性 分析 1 1 芯 内力在 一5 0 N～ 1 0 N 之 间，下 制 动 阀芯 内力 在 5 0 N 8 0 N 之间 ，两阀芯的内力不平衡，即内力不为 零 。 Z ＼ n 芒 _ ＼尼 R、 ＼厂 { D 1 9 ． 0 m m ． 9 ． 5m m t ／ s 图 3 上 阀芯直径小于下 阀芯直径的 内力变化 图 4显示 了下阀芯直径小于上阀芯直径时两阀芯 的内力变化趋势。可以看出，两阀芯的内力始终保持 平衡， 上制动阀芯内力在一3 O N～一5 0 N之间， 下制动 阀芯内力在3 0 N5 0 N 之间， 其大小相等方 向相反 ， 始 终保持平衡 ，说明此时两 阀芯相互作用保持连接。 6 O 4 O 2 0 蚕 o 一 2 0 4O 一 6 0 、 、 8 ． 5 m m ＼ ＼ F 2 1’ ’ ’ 1 - _ 、 ＼ D I 0 5 m m _ _一 图 4下 阀 芯 直 径 小 于 上 阀 芯直 径 时 的 内力 变 化 3 ． 2制动 力分 配分析 车辆的制动力受地面附着条件限制 ，制动过程可 能会出现前轮和后轮抱死滑拖、 车辆丧失转 向能力、 后 轮产生侧滑甩尾、失去稳定性等情况 。为了避免这些 情况的发生，分别在空载、满载状况下，利用附着系 数和制动强度的关系描述前后轮制动器制动力分配比 例的大小 。 为了改善车辆的制动性能，在制动系统加装 比例 阀，对前、后轮的制动力分配进行优化改进。前、后轮 制动力大小分配见图 5 [ 5 ] 。由前、后轮液压制动力分配 得出， 前轮制动力大于后轮制动力。 为了满足上阀芯控 制的前桥制动回路压力略高于下阀芯控制的后桥制动 回路压力，要求设计的上阀芯直径比下阀芯直径大。 图 6 为常规制动情况下改变上阀芯直径对上、下 回路制动压力影响的仿真结果 ，其制动阀上阀芯直径 D 分别为 9 ． O mm 和 9 ． 5 ram。由结果可知 ， 在下阀芯 直径不变的情形下 ，上阀芯直径的变化对制动压力影 响较大。随着直径减小 ，回路制动压力反而增大。但 是 阀芯直 径太 小 ，又会影 响 到其 制动 性能 。所 以设计 时， 应在保证制动阀制动性能和工艺条件的基础上， 尽 可能地减小阀芯的直径。 4结论 双回路制动系统中，上回路制动阀阀芯直径大于 下回路制动阀阀芯直径 ，两阀芯保持联动 ；上回路制 动阀阀芯直径小于下回路制动阀阀芯直径 ，两阀芯随 着液压力 的增大导致分离 。 为了满足制动力分配需求 ， 上 回路制动阀阀芯直径应大于下 回路 制动阀阀芯直 径 ； 随着阀芯直径的减小， 回路制动压力反而增大， 阀 芯直径太小，又会影响到其制动性能 。设计时应在保 证制动阀制动性能和工艺条件的基础上，尽可能地减 小 阀芯 的直径 。 分析结果表明双 回路全动力液压制动系统中的制 动阎的设计应该具有上阀芯直径大于下阀芯直径的结 构特性。这对以后双 回路制动系统制动阀芯的设计具 有指导作用。 Z ＼ 蒋 啦 黎 前轮制动 力／ N 图 5 空 、满载制动力分配 曲线 t ／S 图 6 上 阀芯直径 变化 时的制动压力变化 参考 文献 [ 1 ] Ke y s e r D E ，Ho g a n K ．Hy d r a u l i c b r a k e s y s t e m a n d c o mp o n e n t s f o r o f f h i g h wa y v e h i c l e s a n d e q u i p me n t [ M ] ．Mi l w a u k e e Na t i o n a l F l u i d P o we r As s o c i a t i o n ， 1 9 92 ． [ 2 ] 石景林． MI C O 全动力 液压制 动系统 [ J ] ． 工程机 械 ， 1 9 9 7 1 6 - 7 ． [ 3 ] 林慕义 ， 张文 明． 全动力液压 制动系统的动态模型与试验 I- J ] ． 北京科技大学学报 ， 2 0 0 7 1 7 0 7 5 ． [ 4 3 黄宗益 ， 李兴 华， 孙 蛟． 前后 车 轮制动器 制动力矩 的分配 [ J ] ． 路面机械与施工技术化， 2 0 0 6 1 2 4 2 6 ． E s ] 刘景辉 ， 张建武 ， 鲁 统利． 轿车改 型后制 动力分配合 理性 分析与改进措施 [ J ] ． 技术纵横 ， 2 0 0 6 1 O 2 3 2 5 ． 英文摘要转第 1 4页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 8 年 第 6期 服务 B OM 。 4 拄 制 P D M 系统与 E R P系统之间的数据冗余 为了进行 P DM 系统和 E R P系统的集成，有控制 系统的数据冗余是必要的。通过这些数据冗余 ，可以 建立不同系统中各种数据的联系。图 4为一些重要数 据的联系。 P DM 中 的 E B OM 对 应 于 E RP 中 的 M ～ B 0M， 对于 P DM 系统而言， E B OM 是非常重要的， 其表示 了产品各个层次的零部件结构。借助于联系对 象， EB O M 将零件和部件的元数据以及原材料和半 成 品的元数据 在逻辑上 联系起来 。E R P 中的 M B 0 M 与 EB 0M 对应 ， EB 0 M 通 过 C AP P和 E R P 转化成 M ～B 0M，EB OM 中的零部件 以及 M B O M 中的物料有所变化时，通过相应 的接 口处理程 序进行处理 。 5 结束 语 E R P与 P DM 集成是当前企业信息化过程中遇到 的最大难题。 以往 EB 0M 集成工艺过程信息和工艺 卡片信息后传入 E R P， 实践证明这种方式无法使 E R P 较 好地 开展生产管理 。通过 以装配为主的 C AP P将 E--B OM 转化成工艺 B 0M，E R P再将工艺 B 0M 转 化成 MB OM。这种 以装配工艺为基础 、 C AP P为桥 梁的 P DM／ E R P集成方式， 在实践中取得了较好的效 果 。 图 4 一些重要数据的联系 参考 文献 [ 1 ] 祁国宁， J萧塔纳， 顾新建． 等． 图解产品数据管理[ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 范文慧 ， 李涛 ， 熊光楞． 产 品数 据管理 P D M 的原理与实 施[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 ． S t u dy o n I nt e g r a t i o n o f PDM a n d ERP wi t h t he Br i d g e o f CAPP HU Ch an g gu o GUO Ga ng， LI N Xi n h ai Co l l e g e o f Me c h a n i c a l E ng i n e e r i n g， Ch o n g q i n g Un i v e r s i t y． Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 0， Ch i n a Ab s t r ac t Thi s pa pe r i n t r o duc e d t he me t ho d of i nt e gr a t i on o f PDM a nd ERP wi t h t he b r i d ge o f CAPP， t he n ga v e t h e who l e mo de a n d f r a me wo r k o f C AP P s y s t e m b a s e d o n a s s e mb l y p r o c e s s ． Th e p a p e r d e s c r i b e d t h e p r o c e s s c h a i n a n d d a t a s t r e a m o f P DM／ ERP． p r e s e n t e d t h e c o n t r o l o f r e d u n d a n t d a t a i n t h e p r o c e s s o f i n t e g r a t i o n ． Ke y wo r d s PDM ； ERP； CAPP； i nt e g r a t i o n； B0M Ill -．-I I i , ，’，， ，●l● ，I-ll lIl- ●I-， l ibl，Ill ，，’ll ’，，，’ ●l i b●， II Il， -l，’． 1l ●I-’IIl ●Il- l●●．1， ●■’，I l●’ ● ’，●，●I l， ，，’ 上接第 1 1页 Ana l y s i s o f S t r u c t u r e Ch a r a c t e r i s t i c o n Fu l l Po we r Hy dr a u l i c r a k e S y s t e m Br a ke Va l v e Z HANG J i n ， LI N Ma y i ， S ONG J i n b a o 1 ． T a i y u a n Un i v e r s it y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a ； 2 ． B e i j in g I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Un i v e r s i t y ． B e i j i n g 1 0 0 0 8 5 Ch i n a Ab s t r a c t B r a k e v a l v e a s a n i mp o r t a n t c o mp o n e n t o f d o u b l e l o o p f u l l p o we r h y d r a u l i c b r a k e s y s t e m ， wh o s e t wo s p o o l d i a me t e r ’ s d i me n s i o n f i t d i r e c t l y i mp a c t o n t h e v e h i c l e b r a k i n g p e r f o r ma n c e ． t h e r e f o r e， t h e s p o o l s i z e i s k e y t o t h e d e s i g n o f b r a k e v a l v e ． Ta k i n g t h e t a n d e m a d j u s t a b l e h y d r a u l i c b r a k e v a l v e u s e d u s u a l l y i n t h e d o u b l e ～ l o o p f u l l p o we r h y d r a u l i c b r a k e s y s t e m a s a n e x a mp l e 。 o n t h e b a s i s o f ma s t e r i n g t h e o p e r a t i o n a l p r i n c i p l e a n d u s i n g MATLAB／ S i mu l i n k s o f t wa r e ， t h e mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n f o r t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c i s c a r r i e d o u t ． Th r o u g h c h a n g i n g t h e d i me n s i o n o f t h e t o p a n d b o t t o m s p o o l s ， t h e d i f f e r e n t r e s p o n s e r e s u l t s o f b r a k e f o r c e a r e o b t a i n e d ． Th e c o n t r a s t a n d a n a l y s i s i s c o n d u c t e d ． I n t e g r a t i n g t h e r e q u i r e me n t o f s p o o l i n t e r n a l f o r c e b a l a n c e a n d f o u r wh e e l b r a k i n g f o r c e d i s t r i b u t i o n， t h e s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c o f b r a k e v a l v e f o r t h e d o u b l e l o o p f u l l p o we r h y d r a u l i c b r a k e s y s t e m i s s t u d i e d， a n d t h e o b t a i n e d p a r a me t e r c h a r a c t e r i s t i c o f s p o o l d i a me t e r i s t h a t t h e t o p s p o o l d i a me t e r i s l a r g e r t h a n t h a t o f t h e b o t t o m ． Th e c h a r a c t e r i s t i c c a n p r o v i d e t h e r e f e r e n c e t o t h e d e s i g n o f b r a k e v a l v e f o r t h e d o u b l e l o o p f u l l p o we r h y d r a u l i c br a k e s ys t e m i n t h e f ut ur e． Ke y wo r d s b r a k e v a l v e s p o o l ； s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c ； d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c； S i mu l i n k 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m