英语原文共 9 页
基于双管道的重型汽车全功率液压制动系统
龚明德*和魏海龙
吉林大学机械科学与工程学院，长春130025
2010年6月30日收到;2010年11月12日修订;2011年7月21日接受;2011年9月20日以电子方式发布
摘要：
目前，重型车辆广泛采用带油气的液压卡钳盘式制动系统，利用气压系统推动液压系统作用于摩擦片分段组合制动。气动元件故障，灰尘污染以及液压卡钳盘式制动系统产生大量热量等缺点。此外，考虑到重型车辆的高速，重载，重载和快速制动的需求，本文设计并分析了基于双管道的重型车辆全功率液压制动系统。制动系统采用全功率液压制动系统的方案，其中三刀形气缸由双制动阀控制。全功率液压制动系统可以完成重型车辆的转向制动，驻车制动和紧急制动。此外，为不同的速度制动器开发了负责协调液压减速器和液压制动系统工作的电子控制系统。在分析组合单元和连接管道对制动性能的影响的基础上，建立了全功率液压制动系统的非线性数学模型。通过基于Matlab / Simulink的仿真实验，讨论了双管道转向制动器和驻车制动器制动完成时间和制动压力，仿真结果表明转向制动器和驻车制动器的制动性能符合要求。设计全功率液压制动系统的要求。此外，还进行了重型车辆制动系统的试验台试验。实验数据证明，制动性能达到了设计目标，基于双管道的全功率液压制动系统可有效提高制动性能，确保重型车辆的制动可靠性和安全性。
关键词：重型车辆，全功率液压制动系统，双管道制动器，三叶轮缸，制动性能
1 介绍
目前，重型车辆广泛采用带油气的液压卡钳盘式制动系统。制动系统的气动元件容易被空气中的大量水分腐蚀，然后导致组件死锁和整个制动系统故障。此外，制动系统的制动盘暴露在外面，因此在一些严重灰尘污染的工作场所，例如煤场和采石场，灰尘会进入制动液，导致往复运动制动活塞死锁和失效制动。最后，重型车辆产生大量热量，导致密封部件失效，以便在工作中重复制动。全动力液压制动系统因其可靠性和安全性而得到了广泛的研究。采用全功率后液压制动系统取消空气回路，制动执行器封闭，摩擦盘浸入油中，这些问题得以有效解决。
此外，重型车辆已经发展到高速，重载并且经常携带精密仪器。重型车辆的制动系统在可靠性，稳定性和可操作性方面越来越重要。传统上使用的盘式制动系统采用摩擦片作为分配和组合用于制动的致动器，不能满足重型车辆快速制动的需求。因此，使用液压缸作为制动执行器的全功率液压制动系统是为重型制动而开发的车辆改善制动系统的性能。为了降低制动器的响应，本文讨论了双管道制动系统，使重型车辆能够满足这种性能要求。这意味着制动液压由双管路液压油产生，产生更多的制动流量和制动压力。
当高速车辆和液压缸制动器低速使用时，液压减速器提供制动扭矩。它的一个优点是可以保证低速制动扭矩，因为液压减速器的制动扭矩会随着车速的降低而减弱，制动磨损会相对较小。液压缸采用气缸制动，不仅可以保证低速制动力矩，还可以避免制动盘高速磨损，从而提高制动器的使用寿命。液压缸采用气缸制动，不仅可以保证低速制动力矩，还可以避免制动盘高速磨损，从而提高制动器的使用寿命。
而且，微控制器的可靠性提高了控制精度高，易于模块化，数字化和信息化的优点，开发出的电液伺服控制系统可以提高重型车辆的制动性能具有实用性。
研究电液伺服系统控制的重型车辆双管道全功率液压系统。
本文采用重型汽车设计的全动力液压制动系统采用电液伺服系统控制的双管制动技术。制动液压缸有三个工作腔。双管道制动阀的腔体同时向多个腔室供油。它可以加快制动响应速度，满足行车制动器的快速要求。可编程逻辑控制器用于协调液压减速器和液压制动缸的任务。仿真和实验将重型车辆进行，以证明该方案的设计合理性。
论文的结构如下：第一节，对重型车辆液压制动系统的现状进行了调查，提出了基于双管道的全功率液压制动系统。在第2节中，描述了全功率液压制动系统的组成。第3节阐述了全功率水力制动系统的数学模型，包括制动阀，阀控制动缸和连接管道等模型。在第4节和第5节中，进行了一些模拟和试验台试验。出来证明制动性能可以达到设计要求。最后，得出了一些结论。
2全功率液压制动系统
2.1全功率液压制动系统组成
基于双管道的全功率液压制动系统由液压制动系统，液压减速器和电子控制系统组成。该液压制动系统参与全速制动，停车制动器和转向制动器。液压减速器通过电磁阀参与控制高速制动。电子控制系统是负责协调液压减速器和液压制动系统的工作。液压制动系统作为双管道制动系统的核心，由液压踏板指令系统，液压站和制动缸组成。驾驶员操作的液压踏板系统由踏板和主缸组成。液压站主要有电动泵装置，制动阀，压力传感器，止回阀，蓄能器和机油滤清器等。制动执行机构系统由制动缸和制动盘组成。基于双管道的液压制动系统全功率的原理图如图1所示。
图1 全功率液压制动系统示意图
电子控制系统由可编程逻辑控制器（PLC），指令发送器，电磁阀，速度传感器，压力传感器和压力开关组成。PLC根据车速和主缸压力的逻辑关系控制电磁阀的动作。电子控制系统的输入信号来自指令发送器，速度传感器和压力开关。指挥官发送器传递来自驾驶员踏板的制动力。如果从指令发送器到PLC的力信号超过400 N，则此信号为紧急制动信号。速度传感器提供车速，压力开关提供指令压力信号。电子控制系统的原理示意图如图2所示。实线是电信号，点线是液压信号。
图2 电控系统示意图
当主缸制动压力大于设定压力值，如果信号为紧急制动信号，PLC将信号传递给电磁阀打开，主缸向制动阀发出油压，控制制动缸制动。否则，主指令油缸的信号不是紧急制动，然后在PLC中读取来自速度传感器的车辆速度。当速度大于速度设定值时，电磁阀关闭，主缸不能向制动阀和制动缸发送油压动作。另一方面，当速度小于速度设定值时，电磁阀打开，主缸将油压送到制动阀和制动缸进行动作。来自传感器的所有信号都是数字数据车速与电磁阀的逻辑关系
表一 车速与电磁阀的逻辑关系
制动阀应用于转向制动器，并通过制动系统中的液压进行远程控制。制动阀有两个输入端口，两个输出端口，一个回油入口和一个远程控制端口。制动阀的阀芯是连杆。两个相同的结构制动缸用作驱动轮的两侧作为致动器，其由制动阀控制以完成行车制动。每个气缸具有三个工作室，其中腔室A用于驻车制动器，腔室B和C用于转向制动器。采用主缸作为控制双管道制动阀遥控端口的信号源。为了使油路的控制压力和控制性能完全相同，两个控制油路分别连接到制动缸的腔室B和腔室C，如图1所示。两个回路的输出不干涉。制动阀控制多室同时供油的方案可以加快制动响应速度，满足快速制动的相应要求。作为关键部件，选用电磁阀作为HSV系列高速开关阀，电磁阀参数为开启延迟时间为3 ms，关断时间为2 ms，最大控制压力为20MPa和受控流量为2-9L / min。
2.2 液压制动系统的工作原理
基于双管道的液压制动系统采用间歇供油方案，即工作油压力控制在13-18MPa范围内。当工作油压低于13MPa时，油泵启动，向蓄能器供油;当工作油压力高于18 MPa，油泵立即停机。该工作模式可以提高摩托车的使用寿命和工作效率。
在制动系统中使用两个三叶筒，其具有三个工作室，分别为腔室A，腔室B和腔室C.腔室A是用于驻车制动器的工作腔室，腔室B和腔室C是用于转向制动器的工作腔室。在车辆启动之前，制动系统向腔室A供应压力油以释放驻车制动器。当车辆需要驻车制动时，压力油将返回油箱，主弹簧用于驻车制动。
当车辆需要制动时，压力油将同时供给腔室B和腔室C.PLC收集指令发送器发送的车速信号和制动力信号，然后协调液压减速器的逻辑控制和制动缸完成制动。制动缸的控制系统采用力反馈双管道制动阀制动。当主缸制动压力低于3.5MPa时，压力开关向PLC发出“关闭”信号，液压减速器工作，压力油供给制动缸，消除间隙，准备行车制动。主缸制动压力高于3.5 MPa，压力开关向PLC发出“接通”信号，双管路制动阀反转，两条管路同时向三叶形压缩机供油，使其响应迅速，平衡两个制动回路中的蓄能器压力，并减少制动阀的开启时间。
3.制动系统的数学模型
3.1制动阀的数学模型
制动阀的阀芯由踏板指令器连接并由驾驶操作远程控制。
用于制动阀的数学模型也与前一个中的相同。制动阀的运动方程由方程式（1）给出：
(1)
其中x是阀芯的位移，t;阻尼比，a，8是阀芯的自然角频率，ka是制动阀放大器的增益，kv是制动阀的增益，u是指令信号压力。
3.2阀控制动缸的数学模型
该系统中的双管道制动阀可以简化为两个三位三通阀，其中间位置靠近，以保持系统压力。制动缸是单杆气缸。根据气缸的流动方程，负荷流连续性方程和负荷力平衡方程为
其中QL是负载流量，PL是负载压力，Kq是流量增益，Kc是流量 - 压力系数，Xv是阀芯位移，C;是每个阀口的流量系数，Ve是流室的总体积，/ Je是有效的体积弹性系统模数，Ame是有效截面积，Y是制动缸活塞的位移，Mt是等效的质量，B是负载阻尼系数，K是负载弹簧刚度，F是摩擦力
根据等式（2）-（4），在阀芯输入位移和外部摩擦的作用下，气缸的总收缩输出位移是
其中是总液压系数，是阻尼比，是活塞固有频率
F是摩擦并且被认为是干涉值，令u1= xv，112 = FL，Y = X1，x1 = X2，X2 = X3。因此，液压制动系统的状态方程如下：
3.3连接管道的数学模型
金属连接管道广泛应用于制动系统，因此管道影响制动。制动时不能忽略完成时间和制动性能。在大多数过去的研究中，连接管的压力和流量损失完全被忽略。相当于制动阀直接连接到制动缸，但显然与在制动阀和驱动轮制动缸之间有近10米的事实上有差异。因此研究制动系统的性能对于建立制动系统具有重要意义。
由于液压油的冷凝性，连接管道两端的压力和流量不相等。制动液压油流动得越快，压力就越大。特别是在小流量情况下，连接主制动缸和制动阀以及制动阀和制动缸的管路几何尺寸具有较大的影响。以制动阀与制动缸之间的管路为研究对象，可以将无腔室的流动方程表示为
其中qa是管道出口的流量，a。是管道的截面积，p是液压油的密度，la是管道的长度，Pav和Pa是管道的入口和出口压力，ra是管道半径，v是油粘度。
考虑到液压油的冷凝性，连接管道的流动方程为
其中qav是管道的输入流量。
3.4蓄能器的数学模型
三个蓄能器分别为驻车制动器和转向制动器提供压力。其中蓄电池-I连接到室A用于停车
制动， 和 蓄能器 - II和 累加器-III 是
连接到腔室C和腔室B用于转向制动器。
泵为最高18 MPa的蓄能器提供油压。但每次刹车都会使压力下降，使蓄能器的压力低于13 MPa。
然后油泵将开始向蓄能器供油。当工作油压高于18 MPa时，油泵将立即停机。
蓄能器的运动方程如下：
其中Pac是蓄能器的出口压力，q1 是制动阀的流量，Ke是蓄能器的弹性系数，l是蓄能器中活塞的位移，ma是蓄能器的固有频率，蓄能器的阻尼比，R是连接管道的液体阻力，
Ka是气体的压缩系数，A1 是连接管道的有效截面积。
3.5制动时间的数学模型
蓄能器的有效容积由蓄能器的有效排量决定。蓄能器的有效容积方程是：
因此，每个制动器的蓄压器压力的降低为：
蓄能器的出口简化为孔口和蓄能器启动的制动时间是：
其中V0是蓄能器的有效容积，△ V是蓄能器的有效排量，p0 是蓄能器的充气压力，P1是蓄压器的压力下降，P2是蓄能器中的最大压力，Cq是流量系数，Ao是蓄能器出口面积。
4.制动系统的性能仿真
转向制动器的驻车制动器的制动完成时间应控制在0.3秒以内。
全动力液压制动系统的设计要求，为了验证双管道制动方案的合理性，本文建立了基于Matlab / Simulink的全功率液压制动系统用于转向制动和驻车制动的仿真模型，如图3和图4所示。模拟参数如表2所示。
图3 压力制动系统简化模型
图4 驻车制动系统简化模型
转向制动器的模拟结果如下所示图5。
从模拟结果来看，制动完成转向制动时，制动缸到达时最大位移的时间为0.25s。停车制动器的模拟结果如图6所示。从模拟结果可以看出当制动缸达到最大位移时，驻车制动起的制动完成时间为0.28s。与液压卡钳盘式制动系统相比，基于双管道的全动力液压制动系统缩短了制动完成时间。
此外，制动压力波动和流量变化很平稳。这些模拟制动性能的结果可以实现制动可靠性并满足设计要求。它证明了双重制动系统方案是合理的。
图5 转向制动器性能的仿真曲线
图6 驻车制动性能仿真曲线
5.制动性能试验台试验
基于双管道的全功率制动系统，如图1所示，采用高性能PC实现全数字压力，速度闭环采样，闭环算法和保护功能。试验台的参数是系统油压18.0 MPa，主制动缸输出指令压力为2.5 MPa，蓄能器充气压力为11.0 MPa，采样周期为1ms。基于双管道的转向制
资料编号：[3497]
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