基于AMESim的弹簧制动气室影响因素分析

周 俊

(安徽理工大学 机械工程学院， 安徽 淮南 232001)

气压制动系统成本低、节能环保，常用在大中型客货车上[1]。了解半挂车制动气室的整体构造，选择气压元件库搭建AMESim模块，研究制动气室在气压制动系统中的影响很有意义[2]。周佳玮等[3]对弹簧制动气室进行了动态分析，但未进行影响因素分析。邵瑜[4]对膜片式制动气室进行了研究，但未考虑驻车情况。何江李[5]对弹簧制动气室进行建模，但未验证其模型的准确性及参数影响。Lu等[6]为了验证系统的精度，建立了多参数动态仿真模型，并基于AMESim对制动室进行了设计。本文在AMESim中建立模型，验证模型建立的正确性，分析制动气室的影响因素，为后续整车的气压制动系统提供参考依据。

1 弹簧制动气室的工作原理及数学建模

1.1 工作原理

在CATIA中建立制动气室结构如图1所示，其内部结构如图2所示。当驾驶员踩下制动踏板时，气体经过ABS调压阀从进气口进入气室内，快速充满气室，压缩弹簧，带动推杆将力矩传给盘式制动器进行行车制动。同时，气体进入左气室，压缩储能活塞，进一步压缩储能弹簧进行能量储存。当卡车停下或进行紧急制动时，储能弹簧里面的能量，通过储能活塞释放，推动推杆，完成驻车制动。

图1 制动气室的外部结构 图2 制动气室的内部结构

1.2 数学模型的建立

制动气室的数学模型[8]：

式中：m为推杆质量；x为推杆位移；P1为进气压力；P2为前气腔压力；SC为膜片承压面积；k为弹簧刚度；F为反作用力。

2 AMESim模型的建立及参数选定

2.1 仿真模型建立

在分析制动气室的物理结构以及数学模型后，合理选取AMESim软件中的气压元件以及机械元件建立模型如图3所示。接着选取子模型，所选择的子模型如表1所示。

图3 制动气室仿真模型

表1 子模型的选取

2.2 参数设定

主要参数的设定如表2所示。

表2 主要参数设定

3 仿真结果与影响因素分析

3.1 仿真结果分析

仿真总时间设置为0.5 s，运行间隔为0.01 s。恒定气源压力设置为0.801 3 MPa、0.901 3 MPa、1.001 3 MPa。制动气室压力仿真曲线如图4所示。随着恒定气源压力的上升，制动气室的压力也上升。设置压力越高，达到稳态所需的时间越长，但三者大约在0.15 s左右均达到目标压力。根据国家标准，安装气压制动系统的车辆，在0.2 s内紧急制动，制动气室达到稳态值75%所需的时间不得超过0.6 s[9]。由图4可知，大约在0.05 s时三者均达到目标压力的75%，完全符合要求。

图4 制动气室仿真曲线

3.2 影响因素分析

3.2.1 活塞直径的影响

活塞质量设定为1 kg，活塞直径取值为40 mm、80 mm、120 mm、160 mm、200 mm、240 mm、280 mm，仿真时间设定为2 s。仿真结果如图5所示。

图5 不同的活塞直径气室压力仿真图

3.2.2 弹簧刚度的影响

其他条件不变的情况下，活塞直径设置为160 mm，弹簧刚度的取值为10 N/mm、35 N/mm、60 N/mm、85 N/mm、110 N/mm，仿真时间为0.5 s。仿真结果如图6所示。

图6 不同的弹簧刚度气室压力仿真图

从图5可知，随着活塞直径的增加，制动气室的压力到达气源设定数值的时间在逐渐增大，当活塞直径超过240 mm后，制动气室压力将不能在0.6 s达到稳态值的75%。从图6可知，随着弹簧刚度的增加，制动气室达到稳态值的时间在逐渐减小。

4 基于AMESim的整车气压制动建模

进行制动气室的工作原理及仿真分析，并最终建立整车气压制动系统的AMESim模型如图7所示。验证牵引车的气压制动系统，如图8所示。从图7可以看出，驾驶员踩下制动踏板，气体经过脚制动阀到达前轮弹簧制动气室，又通过管路经继动阀到达后轮的弹簧制动气室。因继动阀具有快速充气、放气的作用，后轮的气压气室响应比前轮的制动气室快。从图8可以得出，后轮的气压制动响应比前轮的制动气室快，符合实践情况。

图7 牵引车气压制动AMESim模型

图8 前后轮的制动气室的压力变化

5 结 语

对卡车的制动气室进行CATIA三维建模，依据仿真曲线变化，说明模块搭建的正确性。随着恒定气压源压力的逐步变大，达到稳定目标压力的时间会延长。随着活塞直径的增加，制动气室的压力到达稳态的时间逐渐增大，当活塞直径超过240 mm后，制动气室压力将不能在0.6 s内达到稳态值的75%。随着弹簧刚度的增加，制动气室达到稳态值的时间在逐渐减小。