一種測定空氣懸架高度控制閥耗氣性能的方法
隨著國家節(jié)能減排要求更加嚴格，人們對車用氣動零部件耗氣性能有著更高的要求，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(tǒng)共用氣源等問題，往往難以了解其耗氣性能。通過模擬其工作過程，采用壓降監(jiān)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，測定結果與實車監(jiān)測數據對比，有著較高的一致性�？捎糜趨f(xié)助開發(fā)能耗更低、更加節(jié)能環(huán)保的空氣懸架高度控制閥產品。
引言
在國內剛開始使用空氣懸架的時候，人們往往只關注高度閥的可靠性，但近幾年隨著能源問題日趨嚴峻，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，通常需要對實車進行對比監(jiān)測，而且要保證其他用氣系統(tǒng)不能干涉空氣懸架系統(tǒng)，而實車不穩(wěn)定的環(huán)境也會對監(jiān)測結果產生一定影響。本文通過分析車輛空氣懸架系統(tǒng)的工作過程，采用電機驅動的四連桿機構模擬高度閥擺臂的擺動過程，根據不同的工況，測定多種擺動角度和頻率時的耗氣性能。通過監(jiān)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。根據物質守恒的原理，該方法只觀測高度閥進氣過程，而忽略排氣過程，因為目前車輛上大量使用的高度閥在有效工作區(qū)間內具有進、排氣流量對稱的特點，這樣極大簡化了測量設備，以及測量和計算的過程。如果確有需要，也可以單獨測定排氣過程。由于整個測量設備重量輕、尺寸小，可在溫度濕度更加穩(wěn)定可控的實驗室環(huán)境進行測量，這樣更有利于保證結果的精確性。通過測定高度閥耗氣性能，可以知道不同結構、技術原理的高度閥耗氣性能，從而有利于我們設計、開發(fā)出更節(jié)能環(huán)保的產品，符和國家對節(jié)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鍵零部件，其旋轉擺臂通常都有進氣位、死區(qū)位、排氣位這三個區(qū)域，如圖1所示。不同的高度閥，雖然都存在這三個位置，但由于其設計原理和結構都各不相同，在各個位置時閥芯開度也不同，因此耗氣量也各不相同。另外，從整個擺臂工作角度范圍來看，其流量曲線更是千差萬別。而流量曲線也只能給讀者一個大致的印象，考慮到實際車輛工況，無法直觀了解到高度閥經歷多個工況之后總體耗氣量。因此，測量其耗氣性能，真空技術網(http://genius-power.com/)認為對于空氣懸架車輛特別是不使用化石燃料的新能源車輛，意義重大。
圖1 高度閥工位圖
在實車空氣懸架系統(tǒng)中，高度閥進氣口連接儲氣罐以在進氣時獲得壓縮空氣源，兩個氣囊口連接到氣囊，排氣口通過消音器直通大氣。由于空氣懸架往往與其他用氣系統(tǒng)共用儲氣罐，而且儲氣罐壓力下降到一定值后壓縮機又會給儲氣罐供氣，而高度閥排氣過程消耗的壓縮空氣直排大氣，很難收集起來測量，要想相對準確知道高度閥工作一段時間后總計消耗的壓縮空氣量，在實車上測量難度非常大。
1.2 高度閥耗氣性能測量計算方法
實際工作過程中，壓縮空氣先通過高度閥進氣道進入氣囊，需要排氣時，通過高度閥排氣道排入大氣。測量時，可以只考慮進氣過程而忽略排氣過程，因為不管是否存在氣囊，所有通過高度閥進氣道的壓縮空氣，最終都是被消耗掉的，氣囊的存在與否，對最終結果沒有影響。因此，測定過程中，高度閥進氣口與儲氣罐相連，其他各接口保持通暢即可。高度閥擺臂從死區(qū)旋轉到進氣位置時，壓縮空氣從儲氣罐進入高度閥，然后從氣囊口直排大氣；高度閥擺臂從進氣位置旋轉到死區(qū)，壓縮空氣流量逐漸減小到零；高度閥擺臂從死區(qū)旋轉到排氣位置時，沒有任何氣流流動。
測試中，需要有一個已知容積的儲氣罐，連接經過校準的壓力表，監(jiān)測高度閥測試之前的干燥空氣的壓力值，以及完成一個測試周期之后的壓力值，然后按照氣體熱力學公式計算儲氣罐內干燥空氣密度，計算公式參見式（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，參見式（2）：
求得測試周期開始和結束時儲氣罐內干燥空氣的密度，即可得到測試開始和結束時儲氣罐內干燥空氣質量，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氣循環(huán)，本文采用100個進氣循環(huán)作為一個測試周期。
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(jié)連桿，外徑6mm塑料導氣管、氣管接頭、鉸鏈若干，詳見圖2所示。
圖2 測定設備示意圖
已知容積的壓縮機，產生干燥的壓縮空氣。壓縮機節(jié)流閥通過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氣管連接高度閥進氣口。真空技術網(http://genius-power.com/)認為所有塑料導氣管長度要求盡可能短，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（含無油空壓機）
2.2 測定過程介紹
高度閥手柄使用鉸鏈與可調節(jié)長度的連桿相連，可調節(jié)連桿另一端通過鉸鏈固定在電機飛輪邊緣。調節(jié)可調節(jié)連桿的長度，可以改變高度閥手柄擺動的振幅（最大擺動角度），以滿足不同工況的要求。調節(jié)電機的轉速，以滿足不同擺動頻率的要求。
通過大量車輛實際運行數據可知：當車輛在平直路面勻速行駛時，高度閥擺臂擺動頻率較高，2Hz以上（本文選擇3Hz，過高的頻率對測量耗氣性能意義不大），擺動角度較小，約水平線以內，耗氣量很小但屬于長期工況；當車輛高度或載荷顯著變化時，高度閥擺臂擺動頻率較低，約1Hz，擺動角度較大，約水平線左右，此時高度閥為維持車身高度不變會顯著地進氣或排氣，耗氣量較大且為經常性工況；當車身高度或載荷變化很大，例如車輪掉進坑洞，或停車后部分車輪壓著較高的障礙物時，擺臂角度超過水平線以上，但頻率極低，高度閥為盡量維持車身高度不變，耗氣量很大，但這種情況很少發(fā)生。因此，重點測量的兩種工況為：
1）高度閥擺臂頻率為3Hz，最大擺動為時的耗氣量；
2）高度閥擺臂頻率為1Hz，最大擺動為時的耗氣量。
當高度閥擺臂角度為“-”時是排氣過程，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(qū)位
圖5 擺臂上擺，位于進氣位
圖6 擺臂上擺至上止點，位于進氣位上止點
當可調連桿通過電機飛輪軸心且飛輪軸心位于可調連桿兩個端點之間時，高度閥擺臂到達下止點，位于水平死區(qū)位置；當飛輪轉過下止點，高度閥擺臂開始上擺，即開始進氣過程；當可調連桿軸線再次通過電機飛輪軸心時，高度閥擺臂到達上止點，此時高度閥擺臂與水平軸線的夾角α為高度閥擺臂最大擺動角度。調節(jié)可調連桿的調節(jié)螺母，即可調節(jié)其長度，以此設定夾角α的大小。
3、實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用高度閥進行壓縮空氣消耗量測定，分別對其編號為A和B，其中A款高度閥技術特點為擺臂控制底部凸輪機構，使閥門內部進、排氣道通、斷，從而形成進氣、排氣動作，參見圖7；B款高度閥技術特點為擺臂控制閥芯旋轉，使閥門內部進、排氣道通、斷，從而形成進氣、排氣動作，參見圖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的耗氣量，然后調節(jié)可調連桿長度，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；
2）調節(jié)可調連桿長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，然后記錄此時壓力值P1（MPa），同時計算儲氣罐內空氣密度ρ1（kg/m3）以及質量m1（kg），并記錄；
4）開啟電機電源，設定頻率后開啟儲氣罐閥門，經歷100個進氣循環(huán)后稍等片刻，記錄此時壓力值P2（MPa），計算儲氣罐內空氣密度ρ2（kg/m3）以及質量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。
考慮到實際工作中，擺臂的工況耗氣量很少，工況為主要耗氣區(qū)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。也可以不進行加權處理，在每個測試角度下單獨比較。經過最終計算，可以看出，B款高度閥相對A款高度閥耗氣量減少約24.4%。從整車范圍來看，雖然空氣懸架系統(tǒng)不是消耗壓縮空氣最多的系統(tǒng)，但是單就高度閥來講，壓縮空氣消耗量減少24.4%左右，其節(jié)能減排的意義依然十分可觀。
幾年前，國內部分空氣懸架部件廠做過粗略的實車測試，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 國內實車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繁多，性能各異，應用場合多種多樣，通過以上原理分析與實際測定，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，有利于我們的產品設計和產品應用朝著更加環(huán)保和低能耗的方向發(fā)展。
