全液压制动系统双回路制动阀仿真与实验研究

胡波　张振东　王小燕

摘要：

分析了双回路制动阀的动态工作过程，探讨了双回路制动阀上、下阀芯对其前、后桥输出口的遮盖量对动态工作特性的影响.基于AMESim液压/机械多场耦合仿真平台建立了双回路制动阀的仿真模型，研究了遮盖量变化对制动压力输出特性的影响规律以及单回路制动安全性能.搭建了全液压制动系统的实验台架，对具有不同遮盖量的制动阀样品的制动性能进行了实验对比测试.实测结果表明：遮盖量与制动空行程成正相关，与前、后桥的最大制动压力成负相关；双回路制动阀的前、后回路相互独立，当其中一条回路失效时，另一条回路仍能正常工作.实验结果与仿真结果具有良好的一致性，验证了该仿真模型的有效性.

关键词：

全液压制动系统； 双回路制动阀； 遮盖量； AMESim仿真； 制动压力输出特性

中图分类号： TH 137.52+1文献标志码： A

Abstract：

The dynamic movement process of dual circuit braking valve was analyzed.The influence of the overlapping lengths between the upper core and the rear output port as well as the lower valve core and the front output port on its dynamic characteristics was investigated.According to the simulation model of dual circuit braking valve built by AMESim software，the effects of overlapping length on the braking output pressure characteristics and the safety of single circuit brake valve were studied.The experimental bench with a full hydraulic braking system was established to determine the braking valves output characteristics with different overlapping lengths.The experimental results showed that there were positive correlations between overlapping lengths and the length of braking spare travelling process.And the overlapping lengths were negatively correlated with the maximum output pressure.Each circuit could work independently.Therefore，when one circuit lost efficacy，the other could work well.The experimental results were consistent with the simulation results，which verified the great validity of the simulation model and its simulation method.

Keywords：

full hydraulic braking system； dual circuit hydraulic braking valve； overlapping length； AMESim simulation；brake pressure output characteristics

全液压制动系统具有制动力矩大、制动灵敏、稳定性强的特点，与气液制动系统相比具有显著的性能优势，已成为工程机械制动系统的主流发展趋势.由于目前国内并未完全掌握全液压制动系统的核心技术，仍依靠国外进口的系统元件，造成系统成本昂贵、升级困难.因此，实现全液压制动系统元件的国产化非常重要.双回路制动阀作为全液压制动系统压力输出的控制元件，其性能的优劣直接影响车辆制动的安全性.目前国内学者只对国外双回路制动阀样品的动、静态特性进行了仿真与实验研究[1-4]，尚未深入开展不同关键结构参数对双回路制动阀性能影响规律的研究.

本文建立了双回路制动阀工作过程的数学模型，分析了阀芯受力平衡以及动态运动过程，并基于AMESim液压/机械多场耦合仿真平台，建立了制动阀的液压仿真模型，通过变参数仿真和实验研究了关键结构参数对制动阀性能的影响规律.研究对于双回路制动阀的国产化开发具有一定的参考价值.

1双回路制动阀工作原理

1.1工作过程分析

双回路制动阀的液压原理图如图1所示，其中：A1、A2分别为前、后桥输出口；T1、T2分别为前、后桥回油口；P1、P2分别为前、后桥进油口；F为踏板力，N.双回路制动阀内部结构图如图2所示，其中：Xu为上阀芯对P1的遮盖量；Xd为下阀芯对P2的遮盖量.

双回路制动阀具有上、下两个阀芯（近制动踏板端为上阀芯，远制动踏板端为下阀芯），其工作过程可分为三个阶段：制动空行程阶段、比例制动输出阶段、制动撤销阶段.

制动空行程阶段是指上、下阀芯在F作用下左移，制动阀的前、后桥输出口A1、A2分别与回油口T1、T2由接通到逐渐断开，并与进油口P1、P2由断开到临界接通的过程.

比例制动输出阶段是指随着阀芯位移逐渐增大，A1、A2分别开始与P1、P2接通，双回路制动阀开始输出制动压力，制动输出压力与阀芯位移成比例关系.当阀芯位移达到最大值时，制动输出压力达到最大值并保持不变.

当F撤销时，阀芯在复位弹簧的作用下右移，双回路制动阀A1、A2分别与T1、T2接通，前、后桥制动器中的液压油回流至油箱，制动过程结束.

根据阀芯在不同工作阶段的受力情况，可得到其受力平衡方程.当制动阀处于空行程阶段时，阀芯受力平衡情况及动态运动方程可表示为

综上可得，上、下阀芯分别对进油口P1、P2的遮盖量Xu、Xd决定了制动过程中空行程的长短.此外，由式（4）可知，在双回路制动阀其他结构参数不变的情况下，Xu、Xd与双回路制动阀输出压力成比例关系.由于在双回路制动阀加工中主要是通过改变Xu、Xd调节不同的双回路制动阀的输出压力，因此，Xu、Xd是双回路制动阀的关键结构参数.

2双回路制动阀性能仿真

基于AMESim液压/机械多场耦合仿真平台建立的双回路制动阀仿真模型[5-6]如图3所示.为了保证该仿真模型能正确进行运算，在模型中增加了蓄能器及前、后制动器[7].主要仿真参数如表1所示.

2.1制动压力输出特性

双回路制动阀仿真模型中阀芯位移输入信号如图4（a）所示，阀芯位移变化范围为0～9 mm.双回路制动阀前、后桥输出压力仿真结果如图4（b）所示，双回路制动阀的空行程为2 mm，满足制动输出压力响应速度的要求.此后，经过一个短暂的压力脉动阶段，前、后桥制动输出压力与阀芯位移成正相关，随着阀芯位移的增大其输出压力相应增大.由于上、下阀芯运动存在不同步性，因此在输出压力比例增大阶段，后桥输出压力略小于前桥.当阀芯位移达到最大值时，双回路制动阀前、后桥的制动输出压力也达到最大值（10.4 MPa）并保持不变.

2.2制动阀特性变参数仿真

利用AMESim仿真平台中的批处理模块对制动阀上、下阀芯的Xu、Xd进行了变参数仿真分析（阀芯位移输入信号同2.1节），以确定Xu、Xd与前、后桥制动输出压力之间的关系.Xu、Xd仿真参数如表2所示.

图5为不同Xu、Xd时的仿真结果.随着Xu不断减小，双回路制动阀前桥输出口A1的最大输出压力逐渐增大；随着Xd不断减小，双回路制动阀后桥输出口A2的最大输出压力也逐渐增大.随着Xu、Xd逐渐减小，双回路制动阀前、后桥的制动空行程变小.因此，可通过改变Xu、Xd的大小改变双回路制动阀的空行程长短和前、后桥的最大输出压力.

2.3单回路安全性仿真

将双回路制动阀仿真模型的其中一条回路断开，对另一条回路的输出压力特性进行了仿真.仿真结果如图6所示.当一条回路失效时，另一条回路的制动空行程以及前、后桥最大输出压力与未失效时基本一致，即能正常实施制动，两条回路相互独立，从而提高了制动安全性.

3实验结果分析

为了对双回路制动阀的工作特性进行分析，搭建了全液压制动系统的实验台架，如图7所示.实验台架主要元件参数如表3所示.

3.1制动压力输出特性

利用由舵机、摇臂及连杆等组成的制动踏板控制机构对踏板进行匀速控制.制动踏板控制机构如图8所示.双回路制动阀的前、后桥制动输出压力的实验结果如图9所示，制动空行程约为2 mm.由图9

4结论

（1） 通过对双回路制动阀阀芯的动态运动方程进行分析，得出双回路制动阀上、下阀芯对其前、后桥输出口的遮盖量为其关键结构参数.

（2） 对双回路制动阀上、下阀芯对其前、后桥输出口的遮盖量进行了变参数仿真，发现该参数与双回路制动阀的空行程成正相关，与最大输出压力成负相关；此外，对双回路制动阀的单回路安全性进行了仿真，结果显示，双回路制动阀在其中一条回路失效的情况下，另一条回路仍能正常输出压力，表明双回路制动阀具有较高的安全性.

（3） 通过搭建全液压制动系统的实验台架，对双回路制动阀的输出压力特性、单回路安全性进行了实验，并对比了不同遮盖量时的制动输出压力特性.

实验结果与仿真结果具有较好的一致性，说明建立的仿真模型能对双回路制动阀的制动特性进行较准确的模拟计算.研究为双回路制动阀的产品开发尤其是结构优化提供了一定的理论参考.

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