空气制动系统的继动阀模型

继动阀的模型用于一个✩空气制动系统

S.V . Natarajan杨书成Subramanian1,s . Darbha,K.R. Rajagopal∗

机械工程学系, 德克萨斯农工大学、高等学院站,TX 77843,美国

2006年11月10收到; 接受11月13日2006

文摘

控制反应的数学模型的气制动继电器阀门导致不同的混合系统控制方程的适用于不同阶段的反应气刹。本文的演讲, 准确地描述刹车的反应特点, 必须考虑这一混合结构是这方面的问题, 。安全运行车辆在道路上的决定, 除其他事项外, 在适当的操作制动系统。大多数商业车辆如卡车,tractor-trailers 、公共汽车、等, 均配有一个空气制动系统。任何制动系统缺陷能降低其性能并可导致严重的事故。它是可取的, 同样重要的开发系统能够控制和诊断为空气制动系统既要维持和改进系统的性能。一种方法来开发这样的系统是通过获得的一个模型, 然后用空气制动系统相同的设计过程。空气制动系统目前用于商业车辆可以大体上分为气动子系统和机械子系统。一个主要的部件是继动阀气动子系统的运行刹车后轴拖拉机和呈辐射状的悬垂型。一个继动阀有不同的操作方式的和压力响应的继动阀可以自然的描述为一个混合动力系统的响应。在这篇文章中, 我们开发一种混合动力模型, 预测未来的继动阀压力响应。 一个空气制动测试设备已在德州农工大学将证实了该模型与实验得到的数据同一。 c 2007年公布的财务有限公司

关键词:混合系统; 空气制动装置, 继动阀; 踩踏阀、气动系统; 压力瞬变

1. 介绍

术语“混合”使人回忆起许多不同的图像系统的脑海里从事研究, 在不同的地区。一个斜可能意味着数学不同类型的描述方程的响应不同政权的一个系统, 这个问题感兴趣, 它们之间的切换规则组方程。举例来说, 问题就能被一个偏微分方程、常微分方程、积分方程或为那件事一种代数方程的这些不同的政权的运作, 改变发生由于一些套标准。一个以一个实际的弯曲, 显示模式术语不同的反应

作者欣然承认支持美国国家科学基金会的资助下CMMI - 0556343。∗通讯作者。

电子邮件地址:[email protected](S.V. Natarajan),[email protected]。在南卡罗来纳州德瑞克),[email protected](s . Darbha),[email protected](K.R. Rajagopal)。

1现在的地址:美国工程设计、印度理工学院(600036奈, 印度。 1751 - 570 - X /美元c -看前面物质出版社有限公司2007年公布的唯一标识符:10.1016 / j.nahs.2006.11.003

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某些专业设备。当然, 有一个错综复杂的连接这两个图片; 一个是数学描述。混合系统响应的系统特征和组成混合多种元素, 例如模拟和数字设备或不同部位的装置, 可以被连续或离散系统。这是没有必要的多样性是显而易见的。任何问题在不同的反应机制描述由不同的方程(可能的同类) 会是一个合格的混合系统。

突出的范围和达到混合动力系统中, 我们考虑一个榜样, 通常都不被看作一种混合系统。这个例子在进入塑性响应问题是所展现出来的固体。在这个例子中传统金属的塑性, 身体反应作为一个弹性固体至一定应变实现; 超过身体表现应变以一种不同的方式, 也就是说,inelastically 。从一件事情转换为标准的回应方式称为“屈服条件”。你不认为这样的弹性反

应的反应“混合”系统。我们的讨论同样的这是仅仅指出, 事实上, 许多类型的反应系统, 我们在日常生活中普遍遇到的是混合动力系统。

这个例子, 我们感兴趣的是的反应气压刹车。我们应该看到的方程组描述煞车动作由一个系统的常微分方程组, 该组织的成员代表不同的反应方式的制动系统。我们注意到有三个阶段来操作气压刹车。第一个是“应用”阶段当刹车运用, 其次是“保持”阶段当煞车是在原来的地方举行, 三是“释放”阶段的制动时被释放。在每一种阶段, 我们看到, 制动系统是由一系列不同的微分方程。

正确操作制动系统的安全运行是至关重要的汽车在路上。在这篇文章中, 我们将集中讨论空气制动系统广泛应用于商用车辆像卡车,tractor-trailers 、公共汽车、等。事实上, 在美国, 大多数的带拖车移动车辆总车辆的重量等级())超过19000磅, 大多数单亲卡车和一个超过31000磅), 大多数交通和城际巴士和大约一半的学校巴士配备空气制动系统[1]。这些刹车系统使用压缩空气为介质的能量来驱动基金会刹车安装在轴。

目前的空气制动系统中发现的商业车辆是由两个子系统——气动子系统、机械子系统。气动子系统包括压缩机、贮水池, 踩踏阀(或制动应用阀), 刹车线, 继电器阀, 快速释放阀, 制动室等。机械子系统始于制动室和包括推棒、调整臂,S-cams 、刹车片、刹车鼓。其中一个最重要的区别液压制动系统(发现于客运汽车) 和一个空气制动系统在他们的工作方式。在一个液压制动系统、受力的由司机刹车踏板上传输通过制动液轮缸安装于轴。司机得到一个感觉反馈的形式, 压力在他/她的脚。如果有一个漏洞液压刹车系统, 这种压力下降和驱动可以检测到它的运动通过相对容易刹车踏板。在一个空气制动系统的应用情况, 由司机刹车踏板了从米压缩空气供应水库刹车室。受力的由司机刹车踏板上利用某些港口开放踩踏阀和不用于加压空气制动系统。这导致缺乏变化在感觉反馈给司机在案件的泄漏、磨损的刹车片等表面缺陷的制动系统。

空气制动系统可以显著降低使用和需要进行定期检查和维护[2]。作为一个结果, 定期进行维修检查舰队业主和路边执法检查被实现为州和联邦检查队伍。制动器的性能要求在新制造商用车辆和“行在路上”在美国联邦政府规定的机动车安全标准(FMVSS)121[3],联邦运动载体安全条例(FMCSR部分),393年[4],分别。这些规则指定停车距离、减速及制动的力量, 应取得车辆从初始速度下滑20英里。由于执行这些测试困难在路上, 等效的方法已经被发展来检查刹车系统。一个发展的年代学各种商用车辆制动测试程序在美国使用, 可以发现, 在[5]。 目前所使用的检验技术监测空气制动系统可以被广义上分成两类,“目视检查”和“性能化检查”[6]。目视检查的行程包括观察推杆、厚度的刹车瓦, 检查穿在其它成分和检测泄漏在制动系统通过听觉、触觉等手段。他们都是主观的, 浪费时间和困难的交通工具以较低的地面清除自一位监察员去检查在车辆制动系统。事实上, 平均时间要求对一个典型的电流路边检查商用车是30分钟, 大约有一半

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时间花在检查刹车[7]。基于测量中的检查包括刹车力/力矩, 停车距离, 刹车片的温度, 等。一个描述两个性能化制动的测试员——滚轮测功仪等平板制动器的制动测试以及相关的破坏准则——当一个空气制动系统进行测试, 可以发现, 在与他们[8]。适于指出, 未来的需要鉴定的运输业[9],作者呼吁改进方法的发展制动检查。

同时, 近年研究进行了开发“自适应巡航控制系统”(ACC)系统或“自主智能巡航控制系统”(精神) 系统。这些系统的目的是为了保持距离, 主要通过两个连续的车辆控制发动机油门和刹车系统。虽然大部分的ACC 系统的研究主要集中在客车的利益实现这样的系统在重型卡车[10]也是非常重要的。一个典型的ACC 系统控制发动机节气门重型卡车、传递与制动系统, 将与

现有的系统, 如用于防锁死制动系统(ABS)的牵引力控制系统(tc),等。一个典型的卡车ABS 监视器和轮子的速度调节制动系统压力事件日益临近的轮固定[11]。资产支持型证券由电子控制单元(ECU)接收信号从车轮速度传感器和处理此信息通过调节制动系统阀门的压力调节器。应该指出的是,ABS 不控制阀门调节踩踏制动系统的压力。它降低制动系统压力, 是“命令”,它感知司机即将轮固定。它不能提供一个更高的压力比对应于踏板的输入的司机。 值得注意的是, 资产支持型证券调节制动系统压力条件下, 当一个轮子唯一可能就要来临。

ABS 是空闲在“正常”的制动操作。事实上, 它已经指出,ABS[12]“被动在绝大多数的制动操作”。在这样的制动操作的压力、空气制动系统的标准是所吩咐司机通过刹车踏板的运动。因此, 为了实现商用车辆ACC 系统所开展的控制方案, 会自动调节制动系统在整个制动压力操作。

出于上述问题, 我们唯一的目的是发展模式控制与诊断系统空气制动系统。该模型的空气制动系统应该把所有的制动压力瞬变室的空气制动系统阀门柱塞与踩踏位移(即位移的刹车踏板) 和供应压力空气从油气层踩踏, 传递阀。我们已经开发了一种模型[13],以及控制和诊断方案[14、15]在此模型的基础上, 配置的气制动系统中, 主要的电路的踩踏阀门直接连接到其中的两个前制动室。该模型预测压力瞬变在前面刹车制动气室, 在一个特定应用的数据作为输入的踩踏阀柱位移和供应压力对踩踏阀门。为了扩大这些控制和诊断方案, 应开发一个模型来预测所有的刹车反应室空气制动系统。的一个步骤, 以获得一个模型对整个空气制动系统是建立一个模型来预测继动阀的反应, 这是本文的重点。

我们将给在随后的章节, 继动阀有三个阶段(或模式) 的操作压力的变化, 在每一个模式都是不同的。从一个模式过渡到另一个主要取决于制动气室压力, 因为这个原因, 它能自然地转化为一个混合动力系统。

这篇文章是有组织的如下。在第二章, 我们提出了一个简短的描述空气制动系统, 建立了实验装置, 德州农工大学。一种混合动力模型来预测其继动阀压力响应推导出第3节。介绍了运动方程的机械部件在继动阀和流量系统内的空气。该模型与实验数据证实了, 结果被提供在第四节。

2。简单介绍了空气制动系统及实验的建立

布局的空气制动系统发现在一个典型的拖拉机呈现在图1。一个engine-driven 空气压缩机是用来压缩空气和压缩空气被收集在贮水池。压缩空气的压力调节水库的总督。压缩空气被从这些油气层提供踩踏, 传递阀。司机刹车按适用刹车踏板踩踏的阀门。这个动作米压缩空气从供应端口阀门踩踏交货港。然后, 压缩空气在交货的港口踩踏阀门通过空气软管的继动阀(以下简称服务继动阀在图1和快速释放阀, 直到最终制动室安装于轴。

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图1 .一个总体布局的卡车空气制动系统。

图2。S-cam 基础的刹车。

S-cam 基础的刹车, 发现在超过85%的air-braked 车辆在美国[1]的基础上, 阐述在图2。从压缩空气进入计量贮水池制动气室和违反隔膜, 产生的运动力量导致推杆。推杆的运动服务旋转, 通过调整臂,splined 轴, 这样一个凸轮的形状是一个' S ' 安装。两端的两个刹车片依靠的形象和S-cam 的旋转向外推S-cam 刹车片, 刹车垫与旋转的鼓。这一行动的结果在减速转动的鼓。当刹车踏板踩下时释放的司机, 空气是劳累和制动气室推杆中风回制动气室, 从而旋转S-cam 在相反的方向。之间的联系鼓式刹车片, 刹车有了如此释放。

实验装置原理的德州农工大学提供图3。两个“Type-20“制动室(有一个有效的横截面面积20信号) 安装在拖拉机前桥的和两个“Type-30“制动室(有一个有效的横截面积30信号) 安装在夹具设计的模拟后桥拖拉机上。空气供给系统提供了利用两压缩机及贮水池。储层选择这样体积超过十二次制动室的体积, 他们提供空气, 如有需要由联邦机动车安全标准(FMVSS)121[3]。压力调节器安装在交货港的水库供水压力控制的阀门和火炬接力踩踏阀门。有代表性的观点的踩踏阀实验中使用了图4。这是由两个电路踩踏阀门-主要电路和二次回路。交货港的基本电路连接

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图3。原理的实验设备。

控制端口阀门及交货港传递火炬传递的阀门被连接到两个后刹车室。火炬接力阀门都有一个独立的港口为获得压缩空气供应与储层。交货港连接到二次回路的快速释放阀(QRV)和交货港的QRV 被连接到前面两个制动室。

阀门启动的踩踏藉由气动执行机构和压缩空气被提供给这个驱动器通过从仓库储层压力调节阀。位移量的测量, 踩踏阀柱位移传感器的方法。压力传感器安装在入口处是一年的四个制动室通过一个定制的设计和制造空速管夹具。一个位移传感器安装在每两个前轮制动杆装置进行适当推动制作为衡量推杆中风。所有的传感器, 曼德拉是一个接头块屏蔽电缆通过。连接器连接到一个PCI-MIO-16E-4块数据采集(DAQ)板[16](安装在一个PCI 插槽在桌面电脑) 收集数据并释放制动过程中应用。一个应用程序是用来收集和储存数据在计算机中。

3。建模的响应继动阀

在这部分, 我们将提出一个描述模型的火炬接力阀门。我们采用了集中参数的方法对该模型的发展。在滑动面摩擦在踩踏和继电器阀门被忽视

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图4。组合式观点的踩踏阀门。

因为他们都要好好上油。泉水出现在这些阀门测试实验发现几乎线性范围内的运作(除橡胶弹簧用于毕业踩踏阀门, 见图4) 和弹簧常量已经决定从实验数据。区域等参数, 初始挠度等, 并用于测量模型。

在这篇文章中, 我们的目标是开发一个模型在预测其压力瞬变后刹车室的继动阀驱动在制动的申请程序。继动阀的控制是通过压缩空气的方式交付的主要电路的应用在刹车踩踏阀门。我们将考虑制动系统的配置在交货港的主要电路的连接, 踩踏阀门端口阀门控制继电器。压缩空气提供储存油气层在其供应港口继动阀和一个交货港的继动阀连接到一个后刹车室。我们将测量压力瞬变初级交货端口阀门前后踩踏制动气室确证。压力测量的主要交货港踩踏阀作业指导书。

当司机按制动踏板, 主要的活塞在踩踏阀(见图4) 先关闭主要排气装置(由一个移动的距离等于x pt),然后打开了主要进气道(x页> x pt、x 页被活塞位移的主要从它最初的位置上) 。这一行动的压缩空气为米从水库主要交货港。我们是指这个阶段为“应用阶段”。当压力增加到一定程度基本电路, 它所施加的力平衡的司机, 主要活塞关闭港口的主要入口排气装置还剩下的关闭(= x pt x 页) 。我们将把这种相位“保持阶段”。当司机释放刹车踏板, 主要的活塞春天的回报部队主要活塞到它最初的位置。这个动作打开排气装置(x页

原理的横截面的看法继动阀用于我们的实验装置呈现在图5路车。压缩空气从交货港的主要电路的控制端口阀门进入踩踏火炬传递的阀门。产生的力量推动继动阀活塞和进排气门的火炬传递的阀门关闭时, 阀活塞运动传递一个距离等于鑫刃pt 。一旦pre-loads 在传递阀总成垫圈, 克服了进气道的传递阀打开(鑫刃页>鑫刃pt, 鑫刃页是继动阀活塞位移从它最初的位置上) 。现在从压缩空气供应计量的港口交货港, 继动阀, 随后向后方刹车室。这是有关应用阶段的操作。继动阀当压力的交货港继动阀增大到某一水平, 它可以平衡受力情况

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图5。一个部门的看法继动阀。

火炬传递阀活塞由于压缩空气从踩踏阀、进气道的传递阀关闭其排气装置还剩下的关闭(r = x pt鑫刃页) 。这是这个限制相联系在一起的, 继动阀运行。当刹车踏板踩下时释放的司机, 空气是劳累的主要电路的阀门, 因此踩踏从控制的港口继动阀。由于存在压缩空气的交货港继动阀, 继动阀活塞被推回到初始位置, 这将打开排气端口传递阀(鑫刃页

对运动方程的有关力学的操作活塞和火炬接力阀阀总成垫圈在申请阶段, 给出了举行

先生先生在pp 和v 表示分别继动阀的质量活塞和传递阀总成垫圈, 鑫刃页是继动阀活塞位移从它最初的位置, 鑫刃pt 是传递所经过的距离阀门活塞打烊之前火炬接力阀门排气装置, 基米-雷克南v(弹簧常数的传递阀总成春天的回报,Fkr vi是预紧力一样,Ar 页是净面积的继动阀活塞增压空气暴露在控制的港口继动阀,“增大化现实”技术pp1是净面积的继动阀活塞接触到增压空气在交货的港口继动阀,“增大化现实”技术pp2是净面积的继动阀活塞接触到排气装置的继动阀, 应收帐款v1净额的截面积传递阀总成垫圈暴露在增压空气在供应的港口继动阀,Ar v2净额的截面积传递阀总成垫圈暴露在增压空气在交货的港口继动阀,Ppd 值是压力的空气在交货港的主要电路的踩踏阀门,Prs 是压力的空气被供给到继动阀, 珠三角是压力的空气在交货的港口, 是继动阀Patm 大气压力。

继动阀的质量活塞为大小以及约0.1公斤的弹簧压力, 发现有秩序的102 n .因此, 加速所需的惯性力量相媲美, 弹簧力和压力的计算已经订的102 - 103米/ s2,这是绝对不可能的。因此, 惯性力被忽视, 上述方程减少

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图6。简化可视化的气动子系统在考虑中。

忽略惯性力, 上述方程减少

接下来, 我们将考虑流动的空气制动系统的部分正在研究。火炬接力开启阀门被视为喷嘴。通过对流量限制, 如果比例的横截面积上游段的截面积为4.4或更高的限制, 这制约助跑速度可以忽略不计, 上游性能(如:压力、焓值、温度等) 可以被完全或停滞性质上游[17]。在我们的例子中, 最小截面积之比供应商会阀门火炬接力的截面积阀门开启度(限制) 发现有超过此值的所有网站成员。因此, 我们可以考虑作为一个喷嘴开启阀门, 以供应商会性质的阀性能的停滞在进口段喷嘴。通过喷嘴流量假设是一维等熵和。我们也假定流体性质是均匀的所有部分在患处。空气是假定的理想气体就像恒特定加热。上述的假设下, 一部分气动子系统可以想象在考虑了图6。

能量方程的气流通过喷嘴在上述假设可以写成

[18]

哪里是具体的混合焓的停滞进口截面喷嘴中,h 是具体的焓值在出口截面的喷嘴和u 的大小在出口处空气流速、节的喷嘴。

为一种理想气体等熵流不变的前提下, 特定的温度、压力(P)、密度(ρ)和温度(T)是相关的

在磷的截面积开启阀门。这是空气的速率是积累在软管和制动气室一旦传递阀启动的。既然我们把属性内的空气软管和制动气室, 大众的空气在任何紧急制动气室的时间获得理想气体状态方程

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图7 .组合式制动气室的观点。

在Vb 的体积的空气制动气室的温度和Trd 是制动气室空气在那一瞬间, 时间。

现在让我们考虑的运行机制的制动气室。有代表性的观点的制动气室是显示在图7。当刹车是应用, 制动气室隔膜开始只有当一个最小阈压就达到了。这种压力必须克服pre-loads 在隔膜。当这压力是获得制动气室, 隔膜动作, 推杆拨开制动气室的。一旦接触刹车片制动鼓和稳态时, 体积的空气制动气室将在那个特定的最大制动应用。因此, 体积的空气在任何紧急制动气室的时间在制动过程, 给出了应用

在初始体积张力是空气中制动气室的应用前刹车,Vo2是最大体积的空气制动气室,Ab 是的截面积制动气室,xb 是制动气室位移的隔膜, 即推杆的行程,xbmax 最大中风的推杆。

我们目前的实验装置, 后方刹车室安装在固定和结束时的制动气室推杆外面没有连接到一个调整臂。推杆给休息, 在一个特定的应用对制动时一盘表面安装与垂直于运动的方向推杆。这盘子的位置可以根据不同的推杆中风。因此, 一个合理的模型, 给出了制动气室

在m 的质量膜片制动气室,Kb(弹簧常数的春天的回报和Fkbi 制动气室的预紧力对制动气室隔膜春天的回报。应该指出, 空气的压力在后方在任何紧急制动时间为一样的压力的空气在交货的港口继动阀在那一刻的时间。忽略惯性力的力量相比, 由于压力和春天的力量, 减少上述方程

在案件的一个制动气室装在一个实际轴之间的关系, 推杆中风和制动气室压力被认为是一个不一样的, 通过实验(11)由于额外的存在

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图8。在653 kPa压力瞬变(80 psig)供应压力-应用阶段。

区分Eq 。(8)相对于时间和与情商的结果进行比较。(7),和使用Eqs 。(五) 、(六) 、(九) 、(11),

得出了该方程描述的继动阀压力响应的运用和保持阶段期间

与rr v作为外部radius 火炬传递的阀门进口部分。流量系数(CD)进行赔偿损失在流动。由于参与校准的复杂性决定了阀门流量系数的价值, 我们假定值为0.82的CD 的推荐[17]。在压力瞬变过程中制动气室的运用和举办了Eqs 阶段解决。(2)、(12)随初始条件, 刚开始的时候, 一个给定的制动应用、制动气室压力等于大气压力。

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图9。在722 kPa压力瞬变(90 psig)供应压力-应用阶段。

图10。在584 kPa压力瞬变(70 psig)供应的压力, 运用和排气阶段。

4. 模型的又一证据

在这一节中, 我们确信模型通过比较其预测继动阀与实验得到的数据进行各种测试运行射程超过供应压力。但应该注意的是典型的供应压力空气制动系统通常是介于825.3 kPa(105 psig) 和928.8 kPa(120 psig,这就是压力范围内由压缩机用于我们的实验装置。Eqs 。(2)、(12)数值求解得到压力瞬变后制动气室的运用和保持在一个给定的制动阶段的应用。压力测量的主要交货港电路的阀门的踩踏给出了数值计算的输入数据。预测模型的对比测试运行期间收集的数据和结果, 测试运行提出了不同测试运行在无花果里。8 - 12。在这些数字, 时间(秒) 和制动气室压力(Pa)已经在abscissa 策划和ordinate 分别。在t = 0年代价值相对应的瞬间的计算机程序是为收集数据开始。

它可观察到这些数字所建立的数学模型能够预测开始和结束的每一个刹车应用得相当不错。的稳态制动气室压力也是更好地预测模型

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图11。在653 kPa压力瞬变(80 psig)供应的压力, 运用和排气阶段。

图12。在584 kPa压力瞬变(70 psig)供应的压力, 重复应用。

案件。该模型具有压力瞬变好了排气期的一个完整周期制动应用和释放, 如图10号机和11号机。它也预测了在压力瞬变的情况下应用重复刹车可观察到图12。

5. 结论

在这篇文章中, 我们已开发出一种混合预测模型的响应继动阀用于空气制动系统的商用车辆。继动阀驱动的压缩空气从交货港踩踏的主要电路的阀门。我们的主要控制方程提出了压力瞬变在后方制动交货港连接火炬传递的阀门。我们已经证实了该模型的应用得到的数据进行实验测试运行射程超过供应压力。我们打算把这个型号的火炬接力阀门的整体模型的空气制动系统可以用于控制和诊断的应用。

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2006年11月10收到; 接受11月13日2006

文摘

控制反应的数学模型的气制动继电器阀门导致不同的混合系统控制方程的适用于不同阶段的反应气刹。本文的演讲, 准确地描述刹车的反应特点, 必须考虑这一混合结构是这方面的问题, 。安全运行车辆在道路上的决定, 除其他事项外, 在适当的操作制动系统。大多数商业车辆如卡车,tractor-trailers 、公共汽车、等, 均配有一个空气制动系统。任何制动系统缺陷能降低其性能并可导致严重的事故。它是可取的, 同样重要的开发系统能够控制和诊断为空气制动系统既要维持和改进系统的性能。一种方法来开发这样的系统是通过获得的一个模型, 然后用空气制动系统相同的设计过程。空气制动系统目前用于商业车辆可以大体上分为气动子系统和机械子系统。一个主要的部件是继动阀气动子系统的运行刹车后轴拖拉机和呈辐射状的悬垂型。一个继动阀有不同的操作方式的和压力响应的继动阀可以自然的描述为一个混合动力系统的响应。在这篇文章中, 我们开发一种混合动力模型, 预测未来的继动阀压力响应。 一个空气制动测试设备已在德州农工大学将证实了该模型与实验得到的数据同一。 c 2007年公布的财务有限公司

关键词:混合系统; 空气制动装置, 继动阀; 踩踏阀、气动系统; 压力瞬变

1. 介绍

术语“混合”使人回忆起许多不同的图像系统的脑海里从事研究, 在不同的地区。一个斜可能意味着数学不同类型的描述方程的响应不同政权的一个系统, 这个问题感兴趣, 它们之间的切换规则组方程。举例来说, 问题就能被一个偏微分方程、常微分方程、积分方程或为那件事一种代数方程的这些不同的政权的运作, 改变发生由于一些套标准。一个以一个实际的弯曲, 显示模式术语不同的反应

作者欣然承认支持美国国家科学基金会的资助下CMMI - 0556343。∗通讯作者。

电子邮件地址:[email protected](S.V. Natarajan),[email protected]。在南卡罗来纳州德瑞克),[email protected](s . Darbha),[email protected](K.R. Rajagopal)。

1现在的地址:美国工程设计、印度理工学院(600036奈, 印度。 1751 - 570 - X /美元c -看前面物质出版社有限公司2007年公布的唯一标识符:10.1016 / j.nahs.2006.11.003

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某些专业设备。当然, 有一个错综复杂的连接这两个图片; 一个是数学描述。混合系统响应的系统特征和组成混合多种元素, 例如模拟和数字设备或不同部位的装置, 可以被连续或离散系统。这是没有必要的多样性是显而易见的。任何问题在不同的反应机制描述由不同的方程(可能的同类) 会是一个合格的混合系统。

突出的范围和达到混合动力系统中, 我们考虑一个榜样, 通常都不被看作一种混合系统。这个例子在进入塑性响应问题是所展现出来的固体。在这个例子中传统金属的塑性, 身体反应作为一个弹性固体至一定应变实现; 超过身体表现应变以一种不同的方式, 也就是说,inelastically 。从一件事情转换为标准的回应方式称为“屈服条件”。你不认为这样的弹性反

应的反应“混合”系统。我们的讨论同样的这是仅仅指出, 事实上, 许多类型的反应系统, 我们在日常生活中普遍遇到的是混合动力系统。

这个例子, 我们感兴趣的是的反应气压刹车。我们应该看到的方程组描述煞车动作由一个系统的常微分方程组, 该组织的成员代表不同的反应方式的制动系统。我们注意到有三个阶段来操作气压刹车。第一个是“应用”阶段当刹车运用, 其次是“保持”阶段当煞车是在原来的地方举行, 三是“释放”阶段的制动时被释放。在每一种阶段, 我们看到, 制动系统是由一系列不同的微分方程。

正确操作制动系统的安全运行是至关重要的汽车在路上。在这篇文章中, 我们将集中讨论空气制动系统广泛应用于商用车辆像卡车,tractor-trailers 、公共汽车、等。事实上, 在美国, 大多数的带拖车移动车辆总车辆的重量等级())超过19000磅, 大多数单亲卡车和一个超过31000磅), 大多数交通和城际巴士和大约一半的学校巴士配备空气制动系统[1]。这些刹车系统使用压缩空气为介质的能量来驱动基金会刹车安装在轴。

目前的空气制动系统中发现的商业车辆是由两个子系统——气动子系统、机械子系统。气动子系统包括压缩机、贮水池, 踩踏阀(或制动应用阀), 刹车线, 继电器阀, 快速释放阀, 制动室等。机械子系统始于制动室和包括推棒、调整臂,S-cams 、刹车片、刹车鼓。其中一个最重要的区别液压制动系统(发现于客运汽车) 和一个空气制动系统在他们的工作方式。在一个液压制动系统、受力的由司机刹车踏板上传输通过制动液轮缸安装于轴。司机得到一个感觉反馈的形式, 压力在他/她的脚。如果有一个漏洞液压刹车系统, 这种压力下降和驱动可以检测到它的运动通过相对容易刹车踏板。在一个空气制动系统的应用情况, 由司机刹车踏板了从米压缩空气供应水库刹车室。受力的由司机刹车踏板上利用某些港口开放踩踏阀和不用于加压空气制动系统。这导致缺乏变化在感觉反馈给司机在案件的泄漏、磨损的刹车片等表面缺陷的制动系统。

空气制动系统可以显著降低使用和需要进行定期检查和维护[2]。作为一个结果, 定期进行维修检查舰队业主和路边执法检查被实现为州和联邦检查队伍。制动器的性能要求在新制造商用车辆和“行在路上”在美国联邦政府规定的机动车安全标准(FMVSS)121[3],联邦运动载体安全条例(FMCSR部分),393年[4],分别。这些规则指定停车距离、减速及制动的力量, 应取得车辆从初始速度下滑20英里。由于执行这些测试困难在路上, 等效的方法已经被发展来检查刹车系统。一个发展的年代学各种商用车辆制动测试程序在美国使用, 可以发现, 在[5]。 目前所使用的检验技术监测空气制动系统可以被广义上分成两类,“目视检查”和“性能化检查”[6]。目视检查的行程包括观察推杆、厚度的刹车瓦, 检查穿在其它成分和检测泄漏在制动系统通过听觉、触觉等手段。他们都是主观的, 浪费时间和困难的交通工具以较低的地面清除自一位监察员去检查在车辆制动系统。事实上, 平均时间要求对一个典型的电流路边检查商用车是30分钟, 大约有一半

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时间花在检查刹车[7]。基于测量中的检查包括刹车力/力矩, 停车距离, 刹车片的温度, 等。一个描述两个性能化制动的测试员——滚轮测功仪等平板制动器的制动测试以及相关的破坏准则——当一个空气制动系统进行测试, 可以发现, 在与他们[8]。适于指出, 未来的需要鉴定的运输业[9],作者呼吁改进方法的发展制动检查。

同时, 近年研究进行了开发“自适应巡航控制系统”(ACC)系统或“自主智能巡航控制系统”(精神) 系统。这些系统的目的是为了保持距离, 主要通过两个连续的车辆控制发动机油门和刹车系统。虽然大部分的ACC 系统的研究主要集中在客车的利益实现这样的系统在重型卡车[10]也是非常重要的。一个典型的ACC 系统控制发动机节气门重型卡车、传递与制动系统, 将与

现有的系统, 如用于防锁死制动系统(ABS)的牵引力控制系统(tc),等。一个典型的卡车ABS 监视器和轮子的速度调节制动系统压力事件日益临近的轮固定[11]。资产支持型证券由电子控制单元(ECU)接收信号从车轮速度传感器和处理此信息通过调节制动系统阀门的压力调节器。应该指出的是,ABS 不控制阀门调节踩踏制动系统的压力。它降低制动系统压力, 是“命令”,它感知司机即将轮固定。它不能提供一个更高的压力比对应于踏板的输入的司机。 值得注意的是, 资产支持型证券调节制动系统压力条件下, 当一个轮子唯一可能就要来临。

ABS 是空闲在“正常”的制动操作。事实上, 它已经指出,ABS[12]“被动在绝大多数的制动操作”。在这样的制动操作的压力、空气制动系统的标准是所吩咐司机通过刹车踏板的运动。因此, 为了实现商用车辆ACC 系统所开展的控制方案, 会自动调节制动系统在整个制动压力操作。

出于上述问题, 我们唯一的目的是发展模式控制与诊断系统空气制动系统。该模型的空气制动系统应该把所有的制动压力瞬变室的空气制动系统阀门柱塞与踩踏位移(即位移的刹车踏板) 和供应压力空气从油气层踩踏, 传递阀。我们已经开发了一种模型[13],以及控制和诊断方案[14、15]在此模型的基础上, 配置的气制动系统中, 主要的电路的踩踏阀门直接连接到其中的两个前制动室。该模型预测压力瞬变在前面刹车制动气室, 在一个特定应用的数据作为输入的踩踏阀柱位移和供应压力对踩踏阀门。为了扩大这些控制和诊断方案, 应开发一个模型来预测所有的刹车反应室空气制动系统。的一个步骤, 以获得一个模型对整个空气制动系统是建立一个模型来预测继动阀的反应, 这是本文的重点。

我们将给在随后的章节, 继动阀有三个阶段(或模式) 的操作压力的变化, 在每一个模式都是不同的。从一个模式过渡到另一个主要取决于制动气室压力, 因为这个原因, 它能自然地转化为一个混合动力系统。

这篇文章是有组织的如下。在第二章, 我们提出了一个简短的描述空气制动系统, 建立了实验装置, 德州农工大学。一种混合动力模型来预测其继动阀压力响应推导出第3节。介绍了运动方程的机械部件在继动阀和流量系统内的空气。该模型与实验数据证实了, 结果被提供在第四节。

2。简单介绍了空气制动系统及实验的建立

布局的空气制动系统发现在一个典型的拖拉机呈现在图1。一个engine-driven 空气压缩机是用来压缩空气和压缩空气被收集在贮水池。压缩空气的压力调节水库的总督。压缩空气被从这些油气层提供踩踏, 传递阀。司机刹车按适用刹车踏板踩踏的阀门。这个动作米压缩空气从供应端口阀门踩踏交货港。然后, 压缩空气在交货的港口踩踏阀门通过空气软管的继动阀(以下简称服务继动阀在图1和快速释放阀, 直到最终制动室安装于轴。

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图1 .一个总体布局的卡车空气制动系统。

图2。S-cam 基础的刹车。

S-cam 基础的刹车, 发现在超过85%的air-braked 车辆在美国[1]的基础上, 阐述在图2。从压缩空气进入计量贮水池制动气室和违反隔膜, 产生的运动力量导致推杆。推杆的运动服务旋转, 通过调整臂,splined 轴, 这样一个凸轮的形状是一个' S ' 安装。两端的两个刹车片依靠的形象和S-cam 的旋转向外推S-cam 刹车片, 刹车垫与旋转的鼓。这一行动的结果在减速转动的鼓。当刹车踏板踩下时释放的司机, 空气是劳累和制动气室推杆中风回制动气室, 从而旋转S-cam 在相反的方向。之间的联系鼓式刹车片, 刹车有了如此释放。

实验装置原理的德州农工大学提供图3。两个“Type-20“制动室(有一个有效的横截面面积20信号) 安装在拖拉机前桥的和两个“Type-30“制动室(有一个有效的横截面积30信号) 安装在夹具设计的模拟后桥拖拉机上。空气供给系统提供了利用两压缩机及贮水池。储层选择这样体积超过十二次制动室的体积, 他们提供空气, 如有需要由联邦机动车安全标准(FMVSS)121[3]。压力调节器安装在交货港的水库供水压力控制的阀门和火炬接力踩踏阀门。有代表性的观点的踩踏阀实验中使用了图4。这是由两个电路踩踏阀门-主要电路和二次回路。交货港的基本电路连接

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图3。原理的实验设备。

控制端口阀门及交货港传递火炬传递的阀门被连接到两个后刹车室。火炬接力阀门都有一个独立的港口为获得压缩空气供应与储层。交货港连接到二次回路的快速释放阀(QRV)和交货港的QRV 被连接到前面两个制动室。

阀门启动的踩踏藉由气动执行机构和压缩空气被提供给这个驱动器通过从仓库储层压力调节阀。位移量的测量, 踩踏阀柱位移传感器的方法。压力传感器安装在入口处是一年的四个制动室通过一个定制的设计和制造空速管夹具。一个位移传感器安装在每两个前轮制动杆装置进行适当推动制作为衡量推杆中风。所有的传感器, 曼德拉是一个接头块屏蔽电缆通过。连接器连接到一个PCI-MIO-16E-4块数据采集(DAQ)板[16](安装在一个PCI 插槽在桌面电脑) 收集数据并释放制动过程中应用。一个应用程序是用来收集和储存数据在计算机中。

3。建模的响应继动阀

在这部分, 我们将提出一个描述模型的火炬接力阀门。我们采用了集中参数的方法对该模型的发展。在滑动面摩擦在踩踏和继电器阀门被忽视

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图4。组合式观点的踩踏阀门。

因为他们都要好好上油。泉水出现在这些阀门测试实验发现几乎线性范围内的运作(除橡胶弹簧用于毕业踩踏阀门, 见图4) 和弹簧常量已经决定从实验数据。区域等参数, 初始挠度等, 并用于测量模型。

在这篇文章中, 我们的目标是开发一个模型在预测其压力瞬变后刹车室的继动阀驱动在制动的申请程序。继动阀的控制是通过压缩空气的方式交付的主要电路的应用在刹车踩踏阀门。我们将考虑制动系统的配置在交货港的主要电路的连接, 踩踏阀门端口阀门控制继电器。压缩空气提供储存油气层在其供应港口继动阀和一个交货港的继动阀连接到一个后刹车室。我们将测量压力瞬变初级交货端口阀门前后踩踏制动气室确证。压力测量的主要交货港踩踏阀作业指导书。

当司机按制动踏板, 主要的活塞在踩踏阀(见图4) 先关闭主要排气装置(由一个移动的距离等于x pt),然后打开了主要进气道(x页> x pt、x 页被活塞位移的主要从它最初的位置上) 。这一行动的压缩空气为米从水库主要交货港。我们是指这个阶段为“应用阶段”。当压力增加到一定程度基本电路, 它所施加的力平衡的司机, 主要活塞关闭港口的主要入口排气装置还剩下的关闭(= x pt x 页) 。我们将把这种相位“保持阶段”。当司机释放刹车踏板, 主要的活塞春天的回报部队主要活塞到它最初的位置。这个动作打开排气装置(x页

原理的横截面的看法继动阀用于我们的实验装置呈现在图5路车。压缩空气从交货港的主要电路的控制端口阀门进入踩踏火炬传递的阀门。产生的力量推动继动阀活塞和进排气门的火炬传递的阀门关闭时, 阀活塞运动传递一个距离等于鑫刃pt 。一旦pre-loads 在传递阀总成垫圈, 克服了进气道的传递阀打开(鑫刃页>鑫刃pt, 鑫刃页是继动阀活塞位移从它最初的位置上) 。现在从压缩空气供应计量的港口交货港, 继动阀, 随后向后方刹车室。这是有关应用阶段的操作。继动阀当压力的交货港继动阀增大到某一水平, 它可以平衡受力情况

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图5。一个部门的看法继动阀。

火炬传递阀活塞由于压缩空气从踩踏阀、进气道的传递阀关闭其排气装置还剩下的关闭(r = x pt鑫刃页) 。这是这个限制相联系在一起的, 继动阀运行。当刹车踏板踩下时释放的司机, 空气是劳累的主要电路的阀门, 因此踩踏从控制的港口继动阀。由于存在压缩空气的交货港继动阀, 继动阀活塞被推回到初始位置, 这将打开排气端口传递阀(鑫刃页

对运动方程的有关力学的操作活塞和火炬接力阀阀总成垫圈在申请阶段, 给出了举行

先生先生在pp 和v 表示分别继动阀的质量活塞和传递阀总成垫圈, 鑫刃页是继动阀活塞位移从它最初的位置, 鑫刃pt 是传递所经过的距离阀门活塞打烊之前火炬接力阀门排气装置, 基米-雷克南v(弹簧常数的传递阀总成春天的回报,Fkr vi是预紧力一样,Ar 页是净面积的继动阀活塞增压空气暴露在控制的港口继动阀,“增大化现实”技术pp1是净面积的继动阀活塞接触到增压空气在交货的港口继动阀,“增大化现实”技术pp2是净面积的继动阀活塞接触到排气装置的继动阀, 应收帐款v1净额的截面积传递阀总成垫圈暴露在增压空气在供应的港口继动阀,Ar v2净额的截面积传递阀总成垫圈暴露在增压空气在交货的港口继动阀,Ppd 值是压力的空气在交货港的主要电路的踩踏阀门,Prs 是压力的空气被供给到继动阀, 珠三角是压力的空气在交货的港口, 是继动阀Patm 大气压力。

继动阀的质量活塞为大小以及约0.1公斤的弹簧压力, 发现有秩序的102 n .因此, 加速所需的惯性力量相媲美, 弹簧力和压力的计算已经订的102 - 103米/ s2,这是绝对不可能的。因此, 惯性力被忽视, 上述方程减少

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图6。简化可视化的气动子系统在考虑中。

忽略惯性力, 上述方程减少

接下来, 我们将考虑流动的空气制动系统的部分正在研究。火炬接力开启阀门被视为喷嘴。通过对流量限制, 如果比例的横截面积上游段的截面积为4.4或更高的限制, 这制约助跑速度可以忽略不计, 上游性能(如:压力、焓值、温度等) 可以被完全或停滞性质上游[17]。在我们的例子中, 最小截面积之比供应商会阀门火炬接力的截面积阀门开启度(限制) 发现有超过此值的所有网站成员。因此, 我们可以考虑作为一个喷嘴开启阀门, 以供应商会性质的阀性能的停滞在进口段喷嘴。通过喷嘴流量假设是一维等熵和。我们也假定流体性质是均匀的所有部分在患处。空气是假定的理想气体就像恒特定加热。上述的假设下, 一部分气动子系统可以想象在考虑了图6。

能量方程的气流通过喷嘴在上述假设可以写成

[18]

哪里是具体的混合焓的停滞进口截面喷嘴中,h 是具体的焓值在出口截面的喷嘴和u 的大小在出口处空气流速、节的喷嘴。

为一种理想气体等熵流不变的前提下, 特定的温度、压力(P)、密度(ρ)和温度(T)是相关的

在磷的截面积开启阀门。这是空气的速率是积累在软管和制动气室一旦传递阀启动的。既然我们把属性内的空气软管和制动气室, 大众的空气在任何紧急制动气室的时间获得理想气体状态方程

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图7 .组合式制动气室的观点。

在Vb 的体积的空气制动气室的温度和Trd 是制动气室空气在那一瞬间, 时间。

现在让我们考虑的运行机制的制动气室。有代表性的观点的制动气室是显示在图7。当刹车是应用, 制动气室隔膜开始只有当一个最小阈压就达到了。这种压力必须克服pre-loads 在隔膜。当这压力是获得制动气室, 隔膜动作, 推杆拨开制动气室的。一旦接触刹车片制动鼓和稳态时, 体积的空气制动气室将在那个特定的最大制动应用。因此, 体积的空气在任何紧急制动气室的时间在制动过程, 给出了应用

在初始体积张力是空气中制动气室的应用前刹车,Vo2是最大体积的空气制动气室,Ab 是的截面积制动气室,xb 是制动气室位移的隔膜, 即推杆的行程,xbmax 最大中风的推杆。

我们目前的实验装置, 后方刹车室安装在固定和结束时的制动气室推杆外面没有连接到一个调整臂。推杆给休息, 在一个特定的应用对制动时一盘表面安装与垂直于运动的方向推杆。这盘子的位置可以根据不同的推杆中风。因此, 一个合理的模型, 给出了制动气室

在m 的质量膜片制动气室,Kb(弹簧常数的春天的回报和Fkbi 制动气室的预紧力对制动气室隔膜春天的回报。应该指出, 空气的压力在后方在任何紧急制动时间为一样的压力的空气在交货的港口继动阀在那一刻的时间。忽略惯性力的力量相比, 由于压力和春天的力量, 减少上述方程

在案件的一个制动气室装在一个实际轴之间的关系, 推杆中风和制动气室压力被认为是一个不一样的, 通过实验(11)由于额外的存在

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图8。在653 kPa压力瞬变(80 psig)供应压力-应用阶段。

区分Eq 。(8)相对于时间和与情商的结果进行比较。(7),和使用Eqs 。(五) 、(六) 、(九) 、(11),

得出了该方程描述的继动阀压力响应的运用和保持阶段期间

与rr v作为外部radius 火炬传递的阀门进口部分。流量系数(CD)进行赔偿损失在流动。由于参与校准的复杂性决定了阀门流量系数的价值, 我们假定值为0.82的CD 的推荐[17]。在压力瞬变过程中制动气室的运用和举办了Eqs 阶段解决。(2)、(12)随初始条件, 刚开始的时候, 一个给定的制动应用、制动气室压力等于大气压力。

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图9。在722 kPa压力瞬变(90 psig)供应压力-应用阶段。

图10。在584 kPa压力瞬变(70 psig)供应的压力, 运用和排气阶段。

4. 模型的又一证据

在这一节中, 我们确信模型通过比较其预测继动阀与实验得到的数据进行各种测试运行射程超过供应压力。但应该注意的是典型的供应压力空气制动系统通常是介于825.3 kPa(105 psig) 和928.8 kPa(120 psig,这就是压力范围内由压缩机用于我们的实验装置。Eqs 。(2)、(12)数值求解得到压力瞬变后制动气室的运用和保持在一个给定的制动阶段的应用。压力测量的主要交货港电路的阀门的踩踏给出了数值计算的输入数据。预测模型的对比测试运行期间收集的数据和结果, 测试运行提出了不同测试运行在无花果里。8 - 12。在这些数字, 时间(秒) 和制动气室压力(Pa)已经在abscissa 策划和ordinate 分别。在t = 0年代价值相对应的瞬间的计算机程序是为收集数据开始。

它可观察到这些数字所建立的数学模型能够预测开始和结束的每一个刹车应用得相当不错。的稳态制动气室压力也是更好地预测模型

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图11。在653 kPa压力瞬变(80 psig)供应的压力, 运用和排气阶段。

图12。在584 kPa压力瞬变(70 psig)供应的压力, 重复应用。

案件。该模型具有压力瞬变好了排气期的一个完整周期制动应用和释放, 如图10号机和11号机。它也预测了在压力瞬变的情况下应用重复刹车可观察到图12。

5. 结论

在这篇文章中, 我们已开发出一种混合预测模型的响应继动阀用于空气制动系统的商用车辆。继动阀驱动的压缩空气从交货港踩踏的主要电路的阀门。我们的主要控制方程提出了压力瞬变在后方制动交货港连接火炬传递的阀门。我们已经证实了该模型的应用得到的数据进行实验测试运行射程超过供应压力。我们打算把这个型号的火炬接力阀门的整体模型的空气制动系统可以用于控制和诊断的应用。

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