商用车气压制动系统快放阀优化设计
摘要：针对商用汽车的空气制动器快放阀的排气压力滞后问题，通过对其进行了优化，降低了延迟压力和缩短了时间。采纳通过 AMESim系统仿真，得出了影响排气延时的主要参数，并通过正交试验，研究了膜片厚度、排气口流通面积和排气口宽度对排气延迟的影响。研究发现，最佳快放阀结构具有3 mm的排气口宽、2 mm的膜片厚度和70mm2的下阀口支撑肋区域；通过对快放阀结构参数的优化，可以显著地减少发动机的延时压力和时间，较上年同期减少110 kPa左右，减少0.65 s，提高刹车系统的稳定性。
关键词：快放阀；气压制动系统；优化设计
我国汽车当前已经快速发展起来了，对汽车安全的需求越来越大。刹车对于车辆的安全非常重要，它的主要功能是减速或在最短的时间内停止，它的工作性能将直接关系到车辆的行驶安全性和刹车的可靠性。中、重型汽车前后轴间隔过大，使连接管线拉长，制动传递时产生延迟和波动。中重型汽车为减少排放距离、加速排放，都会在刹车系统中加装快放阀，针对某型号快放阀在解除刹车过程中产生的排气滞后现象进行了分析，并对其结构参数对快放阀排气延迟的影响进行了深入的探讨。目前国内外有关空气制动器阀门元件的研究很少，仅限于动力性能，
对阀门元件的排气响应时间的研究非常少。在此基础上，采用 Simulink平台对快放阀的动态性能进行了模拟，并与实验数据进行了比较，得出了在不同工况下快放阀的压力响应曲线；采用 AMESim软件，建立了液压制动器的动态模型，并对其进行了动力学分析；建立了调压阀 AMESim的模拟模型，对其静、动态特性进行了分析，并对其特性参数的影响规律进行了分析。
一、工作原理
膜片的数学模型，膜片是快放阀中的一个关键部件，它在工作时经常发生弯曲，如果膜片参数的选取不当，将会造成膜片断裂，从而造成快放阀的故障。刹车时，快放阀的膜片是在下阀体上的，只有膜片的边沿向下弯，当压力差小时，膜片会被弯折至与膜片支承板相接触而停止移动。膜片板的作用区域是车辆刹车时，由于压缩空气的作用，使膜片上下变动，就可以实现进气和排气的过程，在这个环节当中，膜片多次反复之后，会发生不同程度的变形，改变其工作区域。膜片在阀体中的移动要进行严谨的分析，可以看出，当膜片移动时，其工作区的有效工作区域会随膜片的移动而发生变化，这与空气间隙的宽度密切相关。
二、快放阀压力响应特性的影响因素分析
AMESim是一种面向机械、液压、气压等多个领域的多个领域的复杂系统建模仿真平台，它可以考虑到摩擦、气体的特性、温度等非常复杂的建模问题。在 AMESim中，利用信号库、机械库和气动库建立了 AMESim模型。
（一）模型建立
目前国内对重型车辆的空气制动压力一般为850 kPa。因此，模拟的时候，一定要设定快速释放阀的压力，也就是将输出的压力提升到850 kPa，维持2秒，然后又从850千 Pa下降。通过对快放阀的分析，发现阀体、阀体质量、膜片厚度、膜片质量、有效进气面积、有效排气面积、接头直径、排气口宽度等，都是快放阀的主要结构参数。通过模拟实验，获得了快放阀的动态压力特性曲线，并对其在不同工况下的排气特性进行了分析，得出了对快放阀排气延迟有重要影响的几个因素。
（二）排气口流通面积的影响
排气孔的实际流动面积和排气孔的尺寸有直接关系，并在一定程度上决定了排气孔的压力特性。由于实验中难以直接测定有关资料，因此采用模拟模拟方法，利用快速放气门间隙的变
化来探讨气体间隙的大小对快放阀的压力特性的影响。根据当前市场上主要的快放阀的气隙宽度，选择2.0、2.5、3.0 mm为模拟实验参数。
（三）膜片厚度的影响
快放阀工作时，橡胶膜片经常会发生弯曲，橡胶材料可以对脉冲压缩空气的喷射做出反应，但脉冲过后会出现膜片波动，因此如果选用不合适的膜片，将会造成膜片断裂。采用市场上常用的1,2,3mm3的不同厚度的膜片进行了模拟实验，得出了快速泄流器的排气响应曲线。膜片厚的变化对膜片的影响最大，而膜片的振动时间随膜片厚的增大而增大，表明膜片的振荡频率随膜片厚的增大而增大。振动的增强会使膜片容易断裂，从而缩短使用寿命。因此，选用适当的膜片厚度对排出阀的排出压力性能有很大的影响。
膜片厚度/mm
膜片震动时间/s
1
0.17
2
0.34
3
0.54
表1：膜片振动响应时间表
（四）快放阀下阀体有效排气面积的影响
快放阀下部阀体排气阀口，有支承膜片和相应的凹槽高度，不同类型的快放阀阀座的结构设计都有细微差别。对目前市场上较主流的快速泄压阀的分析结果，可以得出，支承筋面积也就是排气的有效区域，而不同类型的快泄阀，其下阀口的凹陷高度也会有所不同。
三、正交试验
正交法是一种多因子、多层次的实验设计方法。首先分析各项测试指标，选取影响因子的因素，设计正交实验表格，确定实验方案，并进行实验验证和分析。
四、试验设置
试验过程主要为废气反应测试程序：先开启开关阀，关掉关断阀；开启隔离开关，用快速放气阀门对刹车腔进行充气，调节气源，使压力达到850 kPa，维持0.8秒。然后迅速关掉隔离开关，快速排放测试是让快放阀从隔离开关中快速排出，而慢速排放测试是由断开的断口阀缓慢排出。
五、正交试验结果分析
评价指标选择快速放气门进气口和出气孔的排气量和滞流时间，通过9个快速放气阀的结构参数测试，以评估3种结构因素对快放阀的延迟压力和延迟时间的影响，出造成延迟的原因，并对其进行优化。用极差分析法，可以得到不同的参数对测试结果的影响，最大值越大的因素在测试区域中的变化对测试指标的影响就越大。由于上腔内压力急剧降低，巨大的压力差很快就会撞击膜片，使中间部分的膜片迅速脱离阀口，使排出阀口快速打开，使下部阀体的两个端口压力几乎同时降低；在进气道缓慢放气时，由于进气压力的影响，膜片的中央部分不但下沉得更深，而且插入支承筋间的膜片的面积和深度也比较大。因此，有效面积的增加，一方面可以提高单位时间的气流，另一方面，也可以使膜片向内凹进，从而影响排气，使系统的运行延时变长。在综合考虑工程实际的基础上，对各个参数进行了综合分析，最后得出了快速放阀门结构的最佳设计方案。
六、优化设计与试验验证最快的汽车
在松开刹车时，要迅速地开启排气门，一方面要克服膜片与空气间的阻力，另一方面要消除膜片的大变形，必须要有很大的上下压差，这会造成下阀体两孔压力的降低。因此，为了减
小刹车时的排气延迟，应该尽可能地减小膜片在排气口的变形和膜片的变形。据此，对快放阀结构进行了优化，即：下部阀体减小了排气有效面积，同时减小了支撑板与阀口之间的距离。
结语：
通过正交实验对商用汽车空气制动器快放阀的结构进行了优化，通过比较分析，得到了如下结果：一、影响快放阀延迟压力的主要因子是 B> A> C，也就是按膜片厚度 B、排气口宽度 A、下阀口支承加强区域 C；确定快放阀压力延迟的主要因子是： A> B> C，也就是排气口宽度 A，膜片厚度 B，下阀口支承加强区 C；第二，最佳的快速释放阀构造具有3毫米的排气空气间隙、2毫米的膜片厚度和70mm2的下部阀口支撑肋区域；第三，对快速排放阀结构进行了参数优化，可以有效地减少延迟压力和时间，较上年同期减少110 kPa左右，减少0.65 s，大大提高了制动系统的可靠性。
参考文献：
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