王家华

摘 要：排气辅助制动器属于汽车辅助制动的一种，对汽车下长坡工况的安全起到关键作用。本论文对实践中遇到的排气辅助制动的故障做深入分析和改进设计，解决了排气排气辅助制动器设计上的误区，降低了排气辅助制动器的故障概率。关键词：运动机构;失效;约束;腐蚀中图分类号：U463.51  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）01-85-05

Abstract： Exhaust Auxiliary Brake belong to Truck Auxiliary Brake， It is a key element of Downhill condition for the heavy duty truck. It is fully discussed the failure and evaluation of Exhaust Auxiliary Brake in this paper. Meanwhile， the wrong design method being corrected for descending the failure rate.Keywords： motion mechanism; failure; restrain; erosionCLC NO.： U463.51  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）01-85-05

1 前言

卡車在下长坡工况时常常需要使用辅助制动，以减少使用行车制动，降低行车制动的热衰退，以保证行车安全。常用的辅助制动包括发动机缸内制动、液力缓速器、电涡流缓速器以及排气辅助制动器。

各类缓速器各有其特点，其工作原理以及优缺点如表1所示，其中排气辅助制动器在排气管路上安装蝶阀，在发动机的压缩和排气冲程都能压缩空气，消耗动能，具有无需改动发动机，结构简单、可靠、成本低的优点，因此得到了广泛的应用。由于排气辅助制动器受到汽车尾气的腐蚀和高温的影响，工作在高温、高腐蚀条件下，容易发生故障，导致辅助制动失效，因此对排气辅助制动器的常见故障进行分析以及对排气辅助制动器的进一步改进对提高排气辅助制动的可靠性，保证下坡制动安全具有较为重要的意义。

2 排辅故障的常见形式和发生机理

根据某整车市场和道路试验反馈的情况进行统计，选择故障最多的排气辅助制动器进行分析，以充分暴露存在的问题。根据图1所示，选定故障数量为61例，概率为56.48%的故障件，对其失效形式和失效机理进行研究。

2.1 故障件拆解分析

如图2和表2所示，经过拆解分析，61例故障件中33例为芯轴严重锈蚀，2例气缸进灰，6例电磁阀故障，其余为拆解无法确定原因。经拆解可知，芯轴锈蚀是发生故障的重要原因。

2.2 排辅结构和动力学分析

排辅蝶阀运动的动力来源是气缸，气缸必须提供足够的推力来克服各种阻力来实现碟片转动，故障件排辅的剖面结构见图3所示。气缸6有杆腔无泄气口，当左侧无杆腔通入高压情况下，活塞带动活塞杆向右侧运动，右侧腔体积缩小，由于右侧无泄气口，仅仅靠活塞杆4与衬套7配合间隙（最大为0.14mm）实现泄气，因此在推动活塞杆时将产生较大阻滞力，容易发生卡滞故障。

2.2.1 推力计算

注：

P1=0.9MPa——左侧无杆腔通入的空气绝对压强

S1=3.14×252/4mm2——左侧活塞有效面积

P0=0.1MPa——大气压

S2=3.14×（252-102）mm2——活塞右侧有效面积

S3=3.14×102 /4mm2——活塞杆截面积

Ft——弹簧力，根据弹簧钢度计算。

k=3.517N/mm——弹簧刚度

F1——活塞左侧受力

F2——活塞右侧受力

F3——活塞杆因大气压产生的力

Fm——活塞与气缸内壁处摩擦力

F0——活塞杆顶端的工作力

Fz——考虑气缸盖两侧的压力差产生的阻力

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活塞左侧受到F1作用力，右侧受到F2、F3作用，以及弹簧力Ft，除此之外还受到与运动方向有关的活塞摩擦阻力Fm、活塞杆顶端的推动阻滞力F0。

根据故障件排气辅助制动器结构，当排辅开始工作时，活塞将带动活塞杆由图5所示位置推动曲柄转动105°到达止动位置（由止动螺栓顶住曲柄）。由图5可知，活塞由最左侧运动到止动位置，弹簧压缩距离为：182.91-221.12=-38.21mm。如图6所示，从三维模型上测量活塞在最左端位置时，弹簧长度为13+51.39=64.39mm，最右端位置时长度为64.39-38.21=28.16mm，同时如图6所示弹簧刚度图，当活塞在最左端时弹簧力为：

Ft=68+（65.5-64.39）×3.517=71.9N

当活塞在到达右侧止动位置时弹簧力Ft为：

Ft=193+（30.5-26.18）×3.517=208.2N

F1=P1×S1=0.9×3.14×252/4=441.6N

F2+F0=P0×S2+P0×S3=P0×S1=0.1×3.14×252/4=196.3N

由此左侧气压产生的推力克服弹簧力后剩余441.6-196.3=37.1N。然而还有活塞摩擦力Fm、阻力Fz，活塞杆顶端工作力F0，这几个力中阻滞力Fz应是最大的力，会造成活塞运动缓慢。缝隙阻滞力计算[2]如下：

假设活塞杆与衬套之间为同心状态，计算公式如左图所示：

Δp=12μ×Q×12/（3.14×10.14×0.073 ）

μ——空气的动力粘度：17.9×10-6Pas

Q——空气流量：

L——缝隙长度：12mm

流量Q与活塞运动速度有关，如果要使排气辅助制动器在1S内关闭蝶阀，则活塞的平均运动速度为：

V=（212.12-182.91）/1=29.21mm/s

则可得气缸流量为Q=29.21×（252-102）×10-9=15.3×10-6m3/s

带入上式得：Δp=3611kPa，由此将产生额外阻滞力

Fz=3611×（252-102）×10-3N=1800N

如果排气辅助制动器动作时间为2s，则产生的额外阻滞力Fz=900N。由以上计算可知，如果在活塞向右运动过程中，空气不发生压缩阻滞力非常大，活塞不可能发生运动，因此下面进行考虑空气压缩的计算：

气缸运动过程中既非等温过程也非绝热过程，考虑到气缸与外界大气充分热交换，气缸温升有限，近似认为是等温过程，则有：

P0×V2=P3×V3

P0——气缸右侧初始压强

V2——气缸右侧初始容积

P3——气缸右侧终了压强

V3——气缸右侧终了容积

计算所需参数见图7所示，可得：

0.1×21066.97=P3×（21066.97-18746.78）

P3=0.65MPa

由此计算出额外阻滞力为： F0=0.65×3.14×（252-102）=1071N。

综上所述，按现有状态，气缸右侧无泄气口，因气体压缩或缝隙泄气产生压力降而产生的额外阻滞力均超过了气缸左侧推理所能承受范围，因此必然造成活塞动作缓慢。

2.2.2 回位力计算

停止工作时，气缸左侧接入大气压，因此气缸两侧压强平衡，在弹簧力作用下回位。

a）初始回位力（活塞在最右侧止动位置时的回位力）

Ft=193+（30.5-26.18）×3.517=208.2N

同样还有活塞摩擦力Fm、阻滞力Fz，活塞杆顶端阻滞力F0，一起阻止活塞向左侧运动。

b）终了位置附近的回位力（活塞在最左侧的止动位置）

Ft=68+（65.5-64.39）×3.517=71.9N

同样还有活塞摩擦力Fm阻滞力Fz塞杆顶端阻滞力F0起阻止活塞向左侧运动。

通过以上校核在活塞向右侧运动时，如果Fm+F0+Fz<37.1N，可以实现活塞行程到位，然而由于气缸右侧没有泄气口，仅靠0.14mm间隙进行泄气，必然造成气缸靠近右侧止动位置时，速度缓慢甚至卡滞。同理在活塞向右侧运动时，如果Fm+F0+Fz<71.9 N可以实现活塞向右运动到位，然而由于气缸右侧没有泄气口，必然造成抽真空效应，造成活塞阻滞。阻滞力计算方法同推力校核，不再进行计算。

2.2.3 气缸防尘结构分析

由于只能通过4与衬套7配合间隙（最大为0.14mm）实现与外界连通，可能会导致灰尘进入气缸，导致气缸偏磨损等问题，从而增加阻滞力。

2.3 机构学分析

气管5固定连接了电磁阀接气口和气缸接气口，而电磁阀相对固定，气缸在工作时发生摆动，从而发生管路接頭发生旋转摩擦，增加阻力，并且磨损管路接头。排气辅助制动器的支架、气缸总成、曲柄共同构成了曲柄摇块机构，如图8所示：

该机构由于增加了接气管，导致产生冗余的运动约束，增加了气缸运动的阻力。经以上拆解分析和理论分析，导致排辅产生卡滞留的主要原因有：

1）气缸推力和回位力不足，导致排辅卡滞;

2）无防尘结构，灰尘进入气缸导致气缸磨损且内部零件锈蚀，导致排辅卡滞;

3）运动机构不合理，导致运动冗余约束，进而排辅卡滞;

4）零部件防腐能力不足，导致部分运动零件锈蚀，产生排辅卡滞。

3 排气辅助制动器改进措施

根据以上分析，为降低排气辅助制动器的故障概率，结构改进措施如下：

1）提高排辅零部件的耐腐蚀能力，特别是运动零件的耐腐蚀能力;

2）更改排辅的机构设计，取消电磁阀与气缸之间的气缸，消除冗余约束;

3）适当增大气缸直径和弹簧直径，以提高气缸推力和回位力;

4）气缸增加进行防尘设计。

3.1 提高耐腐蚀性

针对零部件发生锈蚀的情况，采取提高零部件耐腐蚀性措施，如表3所示对于运动零部件采取不锈钢材料，对于非运动零件采取涂层处理，以提高耐腐蚀性。

3.2 优化排气辅助制动器结构

优化排气辅助制动器的运动机构，并增加防尘过滤结构。如图9所示，原电磁阀与气缸之间的连接钢管，改为将电磁阀安装在气缸后端的法兰座上，以消除刚性气管对气缸摆动时产生的约束。在气缸前端靠近气缸盖处增加过滤结构，以减少灰尘进入气缸内部。

4 排气辅助制动器改进后试验验证

4.1 运动零部件材料的耐腐蚀性测试

改进后的运动零部件采用了不锈钢材料，耐腐蚀采取240h中性盐雾试验验证如图10和图11所示。

经测试，改用高SUS304不锈钢的零部件满足240h中性盐雾试验不出现红锈，耐腐蚀性明显高于原40Cr材料。

4.2 整体耐腐蚀性、密封性、耐粉尘性、耐久性等测试

如图12所示经测试改进后排气辅助制动器各项性能指标满足设计要求，同时与卡滞故障相关的耐粉尘和耐腐蚀测试满足设计要求。

5 结论

通过对排气辅助制动器故障件分析，找出产生故障的原因以及发生机理，有针对性的进行运动机构和材料以及结构优化，提升了排辅可靠性和耐腐蚀性能，降低了发生故障的概率。同时，理论分析为排气辅助制动器在运动机构的设计提供了理论依据和参考。对排气辅助制动器零部件的耐腐蚀性试验具有借鉴意义，同时为提高排气辅助制动器零件耐腐蚀性的材料选择提供实践依据。