一種測定空氣懸架高度控制閥耗氣性能的方法
隨著(zhù)國家節能減排要求更加嚴格，人們對車(chē)用氣動(dòng)零部件耗氣性能有著(zhù)更高的要求，空氣懸架高度控制閥由于存在結構多異、工況復雜、與其他用氣系統共用氣源等問(wèn)題，往往難以了解其耗氣性能。通過(guò)模擬其工作過(guò)程，采用壓降監測壓縮空氣消耗量的方法，提出了可用于測定空氣懸架高度控制閥耗氣性能的方法，測定結果與實(shí)車(chē)監測數據對比，有著(zhù)較高的一致性�？捎糜趨f(xié)助開(kāi)發(fā)能耗更低、更加節能環(huán)保的空氣懸架高度控制閥產(chǎn)品。
引言
在國內剛開(kāi)始使用空氣懸架的時(shí)候，人們往往只關(guān)注高度閥的可靠性，但近幾年隨著(zhù)能源問(wèn)題日趨嚴峻，高度閥的耗氣性能也逐漸得到重視。為了了解高度閥的耗氣性能，通常需要對實(shí)車(chē)進(jìn)行對比監測，而且要保證其他用氣系統不能干涉空氣懸架系統，而實(shí)車(chē)不穩定的環(huán)境也會(huì )對監測結果產(chǎn)生一定影響。本文通過(guò)分析車(chē)輛空氣懸架系統的工作過(guò)程，采用電機驅動(dòng)的四連桿機構模擬高度閥擺臂的擺動(dòng)過(guò)程，根據不同的工況，測定多種擺動(dòng)角度和頻率時(shí)的耗氣性能。通過(guò)監測儲氣罐內壓縮空氣的壓力變化，計算出高度閥消耗了的壓縮空氣的量。根據物質(zhì)守恒的原理，該方法只觀(guān)測高度閥進(jìn)氣過(guò)程，而忽略排氣過(guò)程，因為目前車(chē)輛上大量使用的高度閥在有效工作區間內具有進(jìn)、排氣流量對稱(chēng)的特點(diǎn)，這樣極大簡(jiǎn)化了測量設備，以及測量和計算的過(guò)程。如果確有需要，也可以單獨測定排氣過(guò)程。由于整個(gè)測量設備重量輕、尺寸小，可在溫度濕度更加穩定可控的實(shí)驗室環(huán)境進(jìn)行測量，這樣更有利于保證結果的精確性。通過(guò)測定高度閥耗氣性能，可以知道不同結構、技術(shù)原理的高度閥耗氣性能，從而有利于我們設計、開(kāi)發(fā)出更節能環(huán)保的產(chǎn)品，符和國家對節能減排、綠色環(huán)保的倡導。
1、高度閥耗氣性能測定原理
1.1 高度閥工況分析
高度閥是控制空氣懸架氣囊的關(guān)鍵零部件，其旋轉擺臂通常都有進(jìn)氣位、死區位、排氣位這三個(gè)區域，如圖1所示。不同的高度閥，雖然都存在這三個(gè)位置，但由于其設計原理和結構都各不相同，在各個(gè)位置時(shí)閥芯開(kāi)度也不同，因此耗氣量也各不相同。另外，從整個(gè)擺臂工作角度范圍來(lái)看，其流量曲線(xiàn)更是千差萬(wàn)別。而流量曲線(xiàn)也只能給讀者一個(gè)大致的印象，考慮到實(shí)際車(chē)輛工況，無(wú)法直觀(guān)了解到高度閥經(jīng)歷多個(gè)工況之后總體耗氣量。因此，測量其耗氣性能，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為對于空氣懸架車(chē)輛特別是不使用化石燃料的新能源車(chē)輛，意義重大。
圖1 高度閥工位圖
在實(shí)車(chē)空氣懸架系統中，高度閥進(jìn)氣口連接儲氣罐以在進(jìn)氣時(shí)獲得壓縮空氣源，兩個(gè)氣囊口連接到氣囊，排氣口通過(guò)消音器直通大氣。由于空氣懸架往往與其他用氣系統共用儲氣罐，而且儲氣罐壓力下降到一定值后壓縮機又會(huì )給儲氣罐供氣，而高度閥排氣過(guò)程消耗的壓縮空氣直排大氣，很難收集起來(lái)測量，要想相對準確知道高度閥工作一段時(shí)間后總計消耗的壓縮空氣量，在實(shí)車(chē)上測量難度非常大。
1.2 高度閥耗氣性能測量計算方法
實(shí)際工作過(guò)程中，壓縮空氣先通過(guò)高度閥進(jìn)氣道進(jìn)入氣囊，需要排氣時(shí)，通過(guò)高度閥排氣道排入大氣。測量時(shí)，可以只考慮進(jìn)氣過(guò)程而忽略排氣過(guò)程，因為不管是否存在氣囊，所有通過(guò)高度閥進(jìn)氣道的壓縮空氣，最終都是被消耗掉的，氣囊的存在與否，對最終結果沒(méi)有影響。因此，測定過(guò)程中，高度閥進(jìn)氣口與儲氣罐相連，其他各接口保持通暢即可。高度閥擺臂從死區旋轉到進(jìn)氣位置時(shí)，壓縮空氣從儲氣罐進(jìn)入高度閥，然后從氣囊口直排大氣；高度閥擺臂從進(jìn)氣位置旋轉到死區，壓縮空氣流量逐漸減小到零；高度閥擺臂從死區旋轉到排氣位置時(shí)，沒(méi)有任何氣流流動(dòng)。
測試中，需要有一個(gè)已知容積的儲氣罐，連接經(jīng)過(guò)校準的壓力表，監測高度閥測試之前的干燥空氣的壓力值，以及完成一個(gè)測試周期之后的壓力值，然后按照氣體熱力學(xué)公式計算儲氣罐內干燥空氣密度，計算公式參見(jiàn)式（1）：
式中：ρ，其他狀態(tài)下干空氣的密度，kg/m3
ρ0，標準狀態(tài)下干空氣的密度，kg/m3
P，其他狀態(tài)下干空氣的絕對壓力，MPa
P0，標準狀態(tài)下干空氣的絕對壓力，MPa
T，其他狀態(tài)下干空氣的溫度，K
T0，標準狀態(tài)下干空氣的溫度，K
標準狀態(tài)下，代入上式，可得空氣密度計算公式，參見(jiàn)式（2）：
求得測試周期開(kāi)始和結束時(shí)儲氣罐內干燥空氣的密度，即可得到測試開(kāi)始和結束時(shí)儲氣罐內干燥空氣質(zhì)量，二者之差即為高度閥消耗的壓縮空氣的量。測試周期可以按需要選擇一定次數的進(jìn)氣循環(huán)，本文采用100個(gè)進(jìn)氣循環(huán)作為一個(gè)測試周期。
2、高度閥耗氣性能測定設備
2.1 測定設備介紹
測定設備包括帶干燥器的空氣壓縮機（儲氣罐），一定精度的壓力表，可調速電機，高度閥固定基座，可調節連桿，外徑6mm塑料導氣管、氣管接頭、鉸鏈若干，詳見(jiàn)圖2所示。
圖2 測定設備示意圖
已知容積的壓縮機，產(chǎn)生干燥的壓縮空氣。壓縮機節流閥通過(guò)塑料導氣管以及三通接頭與壓力表相連，三通接頭另一出口通過(guò)氣管連接高度閥進(jìn)氣口。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為所有塑料導氣管長(cháng)度要求盡可能短，以減少管路容積對最終測定結果的影響。圖3為按此方法制作的高度閥耗氣性能測定臺。
圖3 高度閥耗氣性能測定臺（含無(wú)油空壓機）
2.2 測定過(guò)程介紹
高度閥手柄使用鉸鏈與可調節長(cháng)度的連桿相連，可調節連桿另一端通過(guò)鉸鏈固定在電機飛輪邊緣。調節可調節連桿的長(cháng)度，可以改變高度閥手柄擺動(dòng)的振幅（最大擺動(dòng)角度），以滿(mǎn)足不同工況的要求。調節電機的轉速，以滿(mǎn)足不同擺動(dòng)頻率的要求。
通過(guò)大量車(chē)輛實(shí)際運行數據可知：當車(chē)輛在平直路面勻速行駛時(shí)，高度閥擺臂擺動(dòng)頻率較高，2Hz以上（本文選擇3Hz，過(guò)高的頻率對測量耗氣性能意義不大），擺動(dòng)角度較小，約水平線(xiàn)以?xún)�，耗氣量很小但屬于長(cháng)期工況；當車(chē)輛高度或載荷顯著(zhù)變化時(shí)，高度閥擺臂擺動(dòng)頻率較低，約1Hz，擺動(dòng)角度較大，約水平線(xiàn)左右，此時(shí)高度閥為維持車(chē)身高度不變會(huì )顯著(zhù)地進(jìn)氣或排氣，耗氣量較大且為經(jīng)常性工況；當車(chē)身高度或載荷變化很大，例如車(chē)輪掉進(jìn)坑洞，或停車(chē)后部分車(chē)輪壓著(zhù)較高的障礙物時(shí)，擺臂角度超過(guò)水平線(xiàn)以上，但頻率極低，高度閥為盡量維持車(chē)身高度不變，耗氣量很大，但這種情況很少發(fā)生。因此，重點(diǎn)測量的兩種工況為：
1）高度閥擺臂頻率為3Hz，最大擺動(dòng)為時(shí)的耗氣量；
2）高度閥擺臂頻率為1Hz，最大擺動(dòng)為時(shí)的耗氣量。
當高度閥擺臂角度為“-”時(shí)是排氣過(guò)程，如前文所述，不予測定，下同。
電機飛輪以及高度閥擺臂的運動(dòng)可以用圖4到圖6所示的機構模擬。
圖4 擺臂水平，位于死區位
圖5 擺臂上擺，位于進(jìn)氣位
圖6 擺臂上擺至上止點(diǎn)，位于進(jìn)氣位上止點(diǎn)
當可調連桿通過(guò)電機飛輪軸心且飛輪軸心位于可調連桿兩個(gè)端點(diǎn)之間時(shí)，高度閥擺臂到達下止點(diǎn)，位于水平死區位置；當飛輪轉過(guò)下止點(diǎn)，高度閥擺臂開(kāi)始上擺，即開(kāi)始進(jìn)氣過(guò)程；當可調連桿軸線(xiàn)再次通過(guò)電機飛輪軸心時(shí)，高度閥擺臂到達上止點(diǎn)，此時(shí)高度閥擺臂與水平軸線(xiàn)的夾角α為高度閥擺臂最大擺動(dòng)角度。調節可調連桿的調節螺母，即可調節其長(cháng)度，以此設定夾角α的大小。
3、實(shí)際耗氣性能測定以及結果驗證
按照上述測定方法，選取兩款市售成品車(chē)用高度閥進(jìn)行壓縮空氣消耗量測定，分別對其編號為A和B，其中A款高度閥技術(shù)特點(diǎn)為擺臂控制底部凸輪機構，使閥門(mén)內部進(jìn)、排氣道通、斷，從而形成進(jìn)氣、排氣動(dòng)作，參見(jiàn)圖7；B款高度閥技術(shù)特點(diǎn)為擺臂控制閥芯旋轉，使閥門(mén)內部進(jìn)、排氣道通、斷，從而形成進(jìn)氣、排氣動(dòng)作，參見(jiàn)圖8。
圖7 高度閥A
圖8 高度閥B
先分別測試AB兩款高度閥在擺臂最大角度為時(shí)的耗氣量，然后調節可調連桿長(cháng)度，使擺臂最大角度為，再依次測量AB兩款高度閥耗氣量。具體步驟如下：
1）組裝高度閥及鉸鏈，連接氣管管路及電線(xiàn)；
2）調節可調連桿長(cháng)度使高度閥擺臂最大角度達到要求值；
3）將壓縮機打壓到要求值后稍等片刻，然后記錄此時(shí)壓力值P1（MPa），同時(shí)計算儲氣罐內空氣密度ρ1（kg/m3）以及質(zhì)量m1（kg），并記錄；
4）開(kāi)啟電機電源，設定頻率后開(kāi)啟儲氣罐閥門(mén)，經(jīng)歷100個(gè)進(jìn)氣循環(huán)后稍等片刻，記錄此時(shí)壓力值P2（MPa），計算儲氣罐內空氣密度ρ2（kg/m3）以及質(zhì)量m2（kg），并記錄；
測試完成后，結果如表1所示。
表1 AB兩款高度閥耗氣量測試數據
其中，壓縮機儲氣罐容積為13L，室溫為27°，即300K。
考慮到實(shí)際工作中，擺臂的工況耗氣量很少，工況為主要耗氣區域，可適當加權處理（例如按“二八定律”），得到高度閥總體耗氣量。也可以不進(jìn)行加權處理，在每個(gè)測試角度下單獨比較。經(jīng)過(guò)最終計算，可以看出，B款高度閥相對A款高度閥耗氣量減少約24.4%。從整車(chē)范圍來(lái)看，雖然空氣懸架系統不是消耗壓縮空氣最多的系統，但是單就高度閥來(lái)講，壓縮空氣消耗量減少24.4%左右，其節能減排的意義依然十分可觀(guān)。
幾年前，國內部分空氣懸架部件廠(chǎng)做過(guò)粗略的實(shí)車(chē)測試，其數據顯示B款高度閥相對A款高度閥，平均能減少壓縮空氣消耗約20%左右，參見(jiàn)圖9。按照本文所述方法測試得到的結果，與該數據具有較高的一致性。
圖9 國內實(shí)車(chē)測試高度閥耗氣性能結果
4、結論
空氣懸架高度控制閥種類(lèi)繁多，性能各異，應用場(chǎng)合多種多樣，通過(guò)以上原理分析與實(shí)際測定，本文所述方法可以用于測定不同原理和結構的空氣懸架高度控制閥的耗氣性能，有利于我們的產(chǎn)品設計和產(chǎn)品應用朝著(zhù)更加環(huán)保和低能耗的方向發(fā)展。
