Моделирование рабочих процессов распределителя потока жидкости системы питания гидроусилителя тормозов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.113

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ГИДРОУСИЛИТЕЛЯ ТОРМОЗОВ

С.Н. Шуклинов, доцент, к.т.н., ХНАДУ

Аннотация. Выполнено математическое моделирование рабочих процессов распределителя потока жидкости, обеспечивающего подзарядку гидроаккумулятора тормозной системы при каждом торможении автомобиля.

Ключевые слова: распределитель потока жидкости, насос, плунжер, гидроаккумулятор, расход, клапан, давление, активная площадь.

Введение

Тормозной привод с гидроусилителем оснащается специальным насосом [1] или включается в центральную гидросистему с усилителем рулевого управления, с гидропневматической подвеской и др. [2]. Питание гидроусилителя тормозного привода обеспечивается жидкостью, хранящейся под давлением в гидроаккумуляторе (ГА). Зарядка ГА - заполнение его жидкостью под давлением выполняется с помощью распределителя потока жидкости. Надежность работы гидросистемы в существенной мере определяется качеством рабочего процесса распределителя потока жидкости.

Анализ публикаций

Авторы работы [1] предложили математическое описание зависимостей функциональных связей тормозного привода с гидроусилителем. В данном приводе гидроаккумулятор включен в замкнутый контур с автономным насосом. В работе [2] описаны конструкция и принцип работы агрегатов централизованной гидросистемы, однако математические зависимости рабочих процессов не приводятся.

Цель и постановка задачи

Целью данной работы является математическое моделирование рабочих процессов распределителя потока жидкости централизованной гидросистемы, обеспечивающего

подзарядку гидроаккумулятора тормозов при каждом торможении автомобиля.

Описание и моделирование рабочего процесса распределителя потока жидкости

Рабочий процесс распределителя потока жидкости состоит из трех режимов: зарядки аккумулятора, подзарядки и разгрузки насоса. После израсходования запаса жидкости из гидроаккумулятора ГА, тормозной системы при неработающем гидронасосе плунжер 1 занимает положение, показанное на рис. 1. При этом к тормозному приводу подсоединяется запасной гидроаккумулятор ГА (зап.) и обеспечивается возможность торможения. После запуска двигателя автомобиля гидравлический насос обеспечивает подачу жидкости QH на вход распределителя.

Акл1 К Р«

ГА(зап)

решит

Рис. 1. Схема распределителя потока жидкости при разряженном ГА

При этом давление жидкости Рн определяется внутренним сопротивлением распределителя. Так как в этом положении плунжера отверстие слива перекрыто, то расход слива бел » 0 . Давление Рн возрастает, обеспечивая подачу жидкости в гидроаккумулятор бакк. По мере заполнения гидроаккумулятора ГА в нем возрастает давление жидкости Ракк и, соответственно, давление с правой стороны плунжера в полости сравнения Рср . При достижении давления Рср, определяемого параметрами клапана 2, происходит перемещение его поршня и открытие клапана уровня нагрузки. Это приводит к падению давления Рср и перемещению плунжера 1, в соответствии с рис. 2, в положение вправо и закрытию клапана 2. При этом обеспечивается расход жидкости на слив бсл1 и через открытый клапан 3 - бсл2. Такое положение элементов распределителя соответствует заряженному гидроаккумулятору ГА тормозного привода. При этом обеспечивается низкое внутреннее сопротивление аппарата и давление Рн снижается до уровня р.л2, разгружая гидронасос (см. рис. 2).

Аы К Рх

Рис. 2. Схема распределителя потока жидкости при заряженном ГА

При каждом торможении из гидроаккумулятора поступает жидкость в гидроусилитель тормозов. Наличие обратной связи с силовой полостью гидроусилителя Р^нол. обеспечивает закрытие клапана 3 и подзарядку ГА при каждом торможении (см. рис. 3).

Изучение рабочего процесса в системе проводилось на математической модели, состоящей из уравнений сохранения объемных расходов, течения жидкости через дроссели, а также уравнений движения звеньев. С помо-

щью этой математической модели можно целенаправленно выбирать параметры распределителя потока жидкости, а также исследовать их влияние на качество зарядки гидроаккумулятора, его подзарядки при торможении и степени разгрузки насоса в различных режимах работы тормозного привода автомобиля. При составлении модели приняты следующие допущения: температура, вязкость жидкости и количество нерастворенного воздуха в течение процесса (зарядки или доза-рядки гидроаккумулятора) не изменяется.

Акл1 \ Р*

ГА1зап1

Рис. 3. Схема распределителя потока жидкости в режиме дозарядки ГА

Давление в гидроаккумуляторе ракк, полости сравнения рср и в сливной магистрали рсл2 определяется режимами работы распределителя потока. Скорость изменения давления на входе распределителя и в полости сравнения описывается выражением (1)

dPвх dPер

dt dt

(бн бакк бкл2 + ,/ )

= ^ АХ Ч '

где бн- производительность насоса; бакк-расход жидкости на зарядку аккумулятора ГА; бкл2- расход жидкости через клапан уровня зарядки 2; бсл1- расход жидкости через клапан подзарядки 3; У0- объем полости сравнения в исходном положении плунжера 1; Е - модуль объемной упругости жидкости.

Подачу насоса определяет частота вращения коленчатого вала. Подача жидкости в гидравлический аккумулятор зависит от перепа-

да давлений на обратном клапане и его пропускной способности. Данная зависимость описывается выражением (2)

бакк _ ^ 1 Ак.

2( Рн

А Ркл)

р

(2)

где - коэффициент расхода обратного клапана; Акл1 - пропускное сечение обратного клапана; А ркл1 - перепад давления, необходимый для открытия обратного клапана; р - плотность жидкости.

Давление жидкости в гидроаккумуляторе определяем по выражению (3)

Р ЧУ

Р _ н.г. н.г.

V - V

н.г. ж

(3)

где Рнг. - начальное давление газа в аккумуляторе; Унг. - начальный объем газа в акку-

t2

муляторе; Уж = т бакк( - объем жидкости,

ч

поступившей в аккумулятор; t1, ¿2 - время начала и окончания зарядки.

Из алгоритма работы распределителя следует, что распределитель потока прекратит зарядку гидроаккумулятора при достижении максимальной величины, определяемой параметрами клапана уровня зарядки (4)

Ракк = С2Ь2 / Ал2 - А Ркл1 ,

(4)

где с2 - жесткость пружины клапана уровня

зарядки;

Ь2 -

поджатие пружины клапана

уровня зарядки; Акл2 - активная площадь клапана зарядки в закрытом состоянии.

Выражение (5) определяет изменение давления в аккумуляторе при перемещении плунжера распределителя

А Ракк = С4к Ч Хл Ч ,

(5)

где сакк — объемная жесткость гидроаккумулятора.

С учетом (5) и объема жидкости Ут , поступающего в рабочую полость гидроусилителя, выражение (3) примет вид

= н п п п

Рн.г. ЧУнг.

Ун.г. _ Уж.

Рн.г. ЧУнг.

Ун.г. _ Уж

Рн.г. ЧУнг.

- Сакк. ЧУХ при 0хи = 2; (6)

(X

_ САк( Хл ЧУ + т) при — > 0;

(Х Л ' (Х

У _ У - Са!к[ Хпл( Х- 1)] пРи < 0

где х2 - полный ход плунжера.

Расход жидкости через клапан уровня зарядки описывает уравнение (7)

% _ т

2 " Р 2 кл2

2(Рср _ АРкл2)

р

(7)

где т 2 - коэффициент расхода клапана уровня зарядки; Акл2- площадь пропускного сечения клапана уровня зарядки; А ркл2 - перепад давления жидкости, необходимый для открытия клапана уровня зарядки.

Клапан уровня зарядки характеризуется величиной А ркл2, принимающей различные значения в зависимости от состояния клапана (8)

А _ п С2Ь2к/АУ присрРр 2 С ь ХАУ Ркл2 _ С2Ь21$ прирС Ь 2 А ¿2 У (8)

где А1 - активная площадь клапана уровня зарядки в открытом состоянии; рсл2 - давление в магистрали слива.

Расход жидкости через выходное отверстие зарядного устройства определяется по формуле (9)

QАl

|2(Рн р Рсл1)

(9)

где т 3 - коэффициент расхода выходного отверстия; А3 - пропускное сечение выходного отверстия; Рсл1 - давление в магистрали между выходным отверстием и клапаном подзарядки.

Расход жидкости через клапан подзарядки определяется по формуле (10)

QcА2 _т тр т^2(Рсл1р_Рсл2), (10)

где т тр 5 Атр - коэффициент расхода и пропускное сечение сливного трубопровода.

Давление слива рсл2 на выходе распределителя можно определить по выражению (12) при условии суммирования расходов Q(ш1 и Qкл2 (11)

бол: + Q42 = m

2 p

тр тр ^

(11)

площадь торца поршня; Рсил.пол. - давление в силовой полости усилителя; Ь3 - поджатие возвратной пружины поршня; с3 - жесткость возвратной пружины.

Уравнение (15) описывает динамическое поведение поршня клапана уровня зарядки 2

d2xy ж d1 хуц dxy жdxf ц тп2~7Т sign з —т-ч + fn2— sign 3 — ч + dt и dt ш dt и dt ш

+ 4л2 ЧРср - ^2 ( Ь2 + хУ)=

(15)

рсл2 "

Р.Ж бол! +бкл2 Ц 2 И m тр А

(12)

тр тр ш

Положение плунжера определяет его динамическое поведение в соответствии с уравнением (13)

d2 х

ж d2 х ц

m,

пл JX Sign 3

dt2

+

3 dt 2 иш

„ dx . ж dx ц

+ /пл- sign з^ч + dt и dt ш

(13)

+ Ал ( Ракк - Рср С ( Ъ+ X)=

dx d2 х

где тпл - масса плунжера; х,—;—— -

dt dt

перемещение, скорость и ускорение плунжера; /пл , Апл - коэффициент демпфирования плунжера и площадь его торца; рср, Ракк -давление в полости сравнения и в гидроаккумуляторе; Ъ , С - жесткость, предварительное поджатие возвратной пружины.

Динамическое поведение поршня клапана подзарядки описывает уравнение (14)

m

d2 x) ^ sign 3

жd2хуц dx) . жdx^

и dt ш

ч + fn— siSn з — ч +

И dt ш (14)

+ Ал3 Ч Рс

c3 (b3 + xy) = 0,

- сХУу d2 ху

где тп - масса поршня; ху,—;—2--пере-

dt dt

мещение, скорость и ускорение поршня; /п - коэффициент демпфирования; Ап -

где тп2 - масса поршня клапана 2;

перемещение, скорость и

~dx f d2 xf

x7 ; 7 2 " dt dt

ускорение поршня клапана 2; /п2, Акл2 - коэффициент демпфирования и площадь торца поршня клапана 2; b2 , c2 - предварительное поджатие и жесткость возвратной пружины.

Выводы

Предложенное математическое описание динамического поведения элементов распределителя потока жидкости и соответствующего им изменения давления жидкости позволяет дать оценку гидравлических и динамических качеств режимов работы при зарядке гидроаккумулятора, его подзарядке при каждом торможении автомобиля и разгрузке гидронасоса.

Литература

1. Шуклинов С.Н., Скляров В.Н.. Тормозной гидропривод с гидроусилителем // Автомобильный транспорт: Сб. научн. тр. - Харьков: Изд-во ХГАДТУ. - 1999. -Вып. 3.

2. Strien Hans-Christof Klein/Hans. Hydraulische Bremskraft-Vertärker als Teil einer KFZ-Zentralhydraulik. „Automobil-Industrie" -1975. - №4. - Р. 105 - 108.

Рецензент: В.П. Волков, профессор, ХНАДУ.

д.т.н.,

Статья поступила в редакцию 20 мая 2008 г.

Р