摘 要

汽车中的制动系统是车辆的核心系统之一，其性能的好坏在很大程度上影响了车辆行驶过程中的安全性和稳定性。本文以商用车的气压制动回路以及气压制动自动调压阀为物理研究对象，改进了传统的气压制动回路并设计了一款自动调压阀，主要针对调压阀进行了功能与结构设计、建模分析和参数优化等研究。研究结果表明，本文设计并研究的自动调压阀能够满足功能和性能需求，参数优化后制动响应时间有所减小，自动调压阀能起到改善车辆整体制动性能的作用。

本文根据国家标准分析了气压制动自动调压阀的功能需求，提出了性能指标，并分别设计了调压阀的各部分结构，整合成为调压阀整体结构。采用单因素响应面分析法结合Simulink仿真模型，分析并优化了关键结构参数。

关键词：气压制动回路；自动调压阀；结构设计；参数优化；仿真

Abstract

The braking system of an automobile is one of the core systems of a vehicle, and its performance greatly affects the safety and stability of the vehicle during driving. This article takes the pneumatic brake circuit of commercial vehicles and the pneumatic brake automatic pressure regulating valve as physical research objects, improves the traditional pneumatic brake circuit and designs an automatic pressure regulating valve, which mainly focuses on the function and structure of the pressure regulating valve. Research on design, modeling analysis and parameter optimization. The research results show that the automatic pressure regulator designed and studied in this paper can meet the functional and performance requirements. After the parameters are optimized, the brake response time is reduced. The automatic pressure regulator can improve the overall braking performance of the vehicle.

This article analyzes the functional requirements of the pneumatic brake automatic pressure regulator according to national standards, proposes performance indicators, and designs the structure of each part of the pressure regulator separately, integrated into the overall structure of the pressure regulator. The single response surface analysis method combined with Simulink simulation model was used to analyze and optimize the key structural parameters.

Key Words：Pneumatic brake circuit；Automatic pressure regulator；Structural design；Parameter optimization；Simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 论文的研究背景 1

1.2 论文的研究现状 2

1.3 论文的研究内容 3

第2章 气压制动自动调压阀功能与性能设计 5

2.1 新型电控气压制动回路设计 5

2.1.1 传统气压制动回路 5

2.1.2 新型电控气压制动回路 6

2.2 气压制动自动调压阀的功能需求设计 7

2.3 气压制动自动调压阀的性能需求设计 8

2.4 本章小结 9

第3章 气压制动自动调压阀结构设计 10

3.1 自动调压阀原理设计及介绍 10

3.1.1 自动调压阀结构介绍 10

3.1.2 自动调压阀工作原理 11

3.2 气压制动自动调压阀的结构设计 13

3.2.1 高速进（排）气阀结构 13

3.2.2 单向阀结构 14

3.2.3 主阀结构 14

3.2.4 自动调压阀主阀的三维模型 16

3.3 气压制动自动调压阀活塞和阀芯组件作动分析 16

3.4 本章小结 17

第4章 气压制动自动调压阀参数优化和性能分析 18

4.1 气压制动自动调压阀解析模型 18

4.1.1 自动调压阀控制腔压力变化解析模型 18

4.1.2 活塞运动方程 19

4.1.3 出口压力动态微分方程 20

4.2 气压制动自动调压阀仿真模型建立 21

4.3 气压制动自动调压阀关键参数优化 23

4.4 气压制动自动调压阀性能分析 26

4.5 本章小结 28

第5章 论文全文总结 29

参考文献 30

附录A 32

致 谢 39

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景

随着世界经济全球化的程度越来越高，各经济体间的联系越来越密切，人们进行经济文化交流的需求逐步增加。而无论是在出行代步还是交通运输领域，汽车一直都是最重要的工具之一。汽车在行驶时安全是第一位的，为了保证汽车的行驶安全，有一个稳定可靠的制动系统是极其重要的。汽车中普遍采用的制动方式主要有两种：液压制动和气压制动。液压制动多用于中小型车如轿车等。气压制动多用于客货车等大型商用车，以其工作可靠、易保养、能源清洁、可提供制动力大等优点而得到广泛应用。然而，传统的气压制动回路具有如结构复杂、制动压力响应时间长、气压控制难度大（表现为具有一定的压力波动）等缺陷。

传统回路的不足之处可以从它的结构上进行分析。传统的气压制动回路一般集成了双腔制动阀和继动阀。双腔制动阀受到驾驶员踩踏制动踏板的直接控制，输出的制动压力与踏板力有关；继动阀是由双腔制动阀的输出压力直接控制，此时另一通道的压缩空气可不流过双腔制动阀而直接由继动阀流入制动气室，继动阀的作用是加速制动气室的充气，从而缩短制动压力响应时间。然而，双腔制动阀和继动阀同时使用，由于控制方式不同，会导致输出压力的控制精度低，同时在一定程度上也会延长控制响应时间。传统的气压制动回路的管路较长且接头多，在采用人直接控制和压力控制的复合控制方式时，输出的压力波动比较大、制动效果不够理想。在普遍追求精益求精的今天，人们开始寻求更好的改进或替代传统回路的方式。电控是近年来开始发展的一种新型制动控制方式，电控具有精度高、响应快和带有反馈控制的特点。而且，自第二次工业革命以来，电已经走进了千家万户，人们对电很熟悉并且依赖和信任的程度较高，相对来说电也是一种较为清洁的能源。因此，针对传统的气压制动回路中存在的各种问题，可以考虑通过电控的方式予以解决。

为了弥补传统气压制动回路的缺陷，在传动气压制动回路的基础上增加部分电控元器件以推出一种新型电控气压制动系统，系统中的控制核心是一种电子控制单元ECU（Electronic Control Unit）。ECU可根据当前的制动需求计算出各轮所需要的制动力，并通过调节气压制动回路输送到制动气室的空气压力来达到控制效果。在系统的压力输出端带有压力反馈，通过传感器将系统输出的压力信号转换为电信号反馈到控制器中，从而提高系统的压力控制精度。控制器下游需要有一种能够直接控制的电子单元，通过该电子单元以及相应的机械结构来起到压力的调节作用。为新型电控气压制动系统设计一种核心的执行部件——适用于该系统的气压制动自动调压阀，自动调压阀可以根据调压信号精确调节制动压力，从而加强整车的安全性、稳定性和可靠性。

1.2 论文的研究现状

国内外众多学者对气压制动系统以及系统中的关键执行元件已经有所研究，其研究方向正从原有的系统或元件的建模仿真、分析优化等转变为对传统气压制动系统的升级，以适应新时代对汽车安全性、稳定性的更高需求。本文从气压制动系统的研究现状以及系统的关键执行元件——压力制动阀的研究现状两方面来展开，并将国内外的研究现状做分析对比，总结出现阶段已有研究中的问题和不足，阐述现阶段研究新型电控气压制动系统和配套自动调压阀的必要性。