某電動(dòng)輕卡車真空助力制動(dòng)系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)

李海龍

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 211100）

某電動(dòng)輕卡車真空助力制動(dòng)系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)

李海龍

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 211100）

文章分析了電動(dòng)輕卡車真空助力制動(dòng)系統(tǒng)研究的必要性，對真空助力系統(tǒng)的主要部件真空助力器、真空筒、電動(dòng)真空泵進(jìn)行分析計(jì)算，重點(diǎn)闡述了真空助力器和間歇性控制系統(tǒng)的匹配性能要求，并以躍進(jìn)某電動(dòng)輕卡車為例，給出了完整的匹配計(jì)算流程。整車初步試驗(yàn)表明，所匹配的真空助力系統(tǒng)能夠滿足該電動(dòng)輕卡車的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，其電動(dòng)真空助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

真空助力系統(tǒng)；真空筒；電動(dòng)真空泵；間歇性控制系統(tǒng)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.006

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-16-04

引言

輕卡汽車較多采用真空助力伺服制動(dòng)系統(tǒng)，使人力和動(dòng)力共同作用，而電動(dòng)車由于沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，無法為真空助力系統(tǒng)提供動(dòng)力源，喪失了真空助力功能，而僅用人力又無法滿足行車制動(dòng)性能的需要，因此需要對輕卡電動(dòng)車的真空助力系統(tǒng)進(jìn)行必要的改制，本文以躍進(jìn)某輕卡電動(dòng)車為例，對電動(dòng)真空助力系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)化匹配設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)不僅能夠滿足制動(dòng)系統(tǒng)性能的要求，還能夠?yàn)殡妱?dòng)真空助力系統(tǒng)主要部件選型提供理論依據(jù)。

1、電動(dòng)真空助力系統(tǒng)的組成

電動(dòng)真空助力系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括：制動(dòng)踏板、電動(dòng)真空泵、真空助力器、真空筒和真空管路，如圖1所示。

電動(dòng)真空助力系統(tǒng)的真空源由電動(dòng)真空泵提供給真空助力器，助力器安裝在制動(dòng)踏板和制動(dòng)主缸之間，由踏板和助力器產(chǎn)生的力疊加在一起作用在制動(dòng)主缸的推桿上，以提高制動(dòng)主缸的輸出力。

2、電動(dòng)真空助力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)實(shí)例

W——汽車總重量，25000N

L——軸距， 2.5m

a——汽車質(zhì)心至前軸中心線的距離，1.368m

b——汽車質(zhì)心至后軸中心線的距離，1.132m

φ——地面附著系數(shù)，0.7

H——汽車質(zhì)心高度，0.59m

g——重力加速度

j——汽車制動(dòng)減速度，0.7g

2.2真空助力器的性能參數(shù)的確定

真空助力器的真空伺服氣室由帶有橡膠膜片的活塞分為常壓室與變壓室（ 大氣閥打開時(shí)可與大氣相通）。真空助力器所能提供助力的大小取決于其常壓室與變壓室氣壓差值的大小。當(dāng)變壓室的真空度達(dá)到外界大氣壓時(shí)，真空助力器可以提供最大的制動(dòng)助力。

根據(jù)真空助力器的工作原理[2]，可以近似地求出與真空助力器的最大助力點(diǎn)對應(yīng)的輸入力F1與輸出力F2，最大助力點(diǎn)的輸出力與輸入力之比，即助力比is。設(shè)真空助力器變壓腔的真空度為零，不考慮助力器的機(jī)械效率，且忽略復(fù)位彈簧的反力和制動(dòng)主缸推桿截面積的影響，可列出下列平衡方程式，真空助力器的性能計(jì)算公式如下：

D1--伺服膜片有效直徑 ，0.217m

d1--橡膠反作用盤直徑 ，0.028m

d2--滑柱直徑，0.012m

p --真空助力器常壓腔的真空度 Pa

F1--最大助力點(diǎn)對應(yīng)的輸入力N

F2--最大助力點(diǎn)對應(yīng)的輸出力N

is--助力比，5

從真空助力器的性能計(jì)算公式可以看出，增加伺服膜片的有效直徑D1，可以直接增加真空助力器的輸出力。因此選擇真空助力器伺服膜片時(shí)，可以適當(dāng)選擇略大于匹配要求的伺服膜片，該真空助力器的輸入輸出性能曲線如圖2所示。

2.3不同真空度下踏板力和制動(dòng)液壓輸出特性的確定

根據(jù)真空助力器的工作特性，計(jì)算最大助力點(diǎn)前的踏板力Ff［34］和最大助力點(diǎn)后的踏板力Fr為：

Ff=F/ip/is/μ1

Fr= F/ip-（is-1）F1/ip/μ1

制動(dòng)總泵輸出的壓力P為：

P=4Fμ2/π/D2

D--制動(dòng)總泵直徑，0.022m

μ1—制動(dòng)踏板的機(jī)械效率

μ2--真空助力器及制動(dòng)總泵效率

ip--制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，4

F--真空助力器輸出力

由上述計(jì)算可以得出不同真空度下踏板力和制動(dòng)液壓輸出特性，如圖3所示。

2.4計(jì)算制動(dòng)器的制動(dòng)力矩T和制動(dòng)力Fz

T= PRzBηn/4，F(xiàn)z=T/R

Rz--制動(dòng)有效半徑，0.106/0.125 m

R--車輪滾動(dòng)半徑，0.317 m

B--制動(dòng)效能因數(shù)，0.8/4.8

d--分泵直徑，0.066/0.019 m

η--分泵效率

根據(jù)公式可知車輪在0.7g減速度下，車輪最大制動(dòng)力為17.15 kN，對應(yīng)的制動(dòng)液壓壓力為 6Mp，踏板力根據(jù)試驗(yàn)取400N（根據(jù)國標(biāo)GB 12676［5］要求，N1車最大踏板力小于等于700N），以需要的最大制動(dòng)力作為制動(dòng)器的制動(dòng)力，可以求得液壓管路壓力，可在踏板力與制動(dòng)液壓輸出特性曲線圖上求得對應(yīng)的最小真空度是-40kPa，如圖4所示。

2.5真空系統(tǒng)的間歇性控制模塊

如果采用真空泵直接與電源直接相連的方案， 一旦汽車接通電源， 真空泵就開始持續(xù)工作， 這樣的工作情況比較苛刻，根據(jù)整車道路試驗(yàn)情況，當(dāng)汽車在城市工況下行駛8000多公里之后，電動(dòng)真空泵出現(xiàn)性能嚴(yán)重下降或損壞的情況，制動(dòng)系統(tǒng)是汽車安全部件，8000公里的運(yùn)行里程是不符合要求的。為保證電動(dòng)汽車的易操縱性和安全性，同時(shí)考慮到真空助力制動(dòng)系統(tǒng)中的真空泵壽命和真空系統(tǒng)能源的消耗，需在真空系統(tǒng)中增加間歇性控制模塊，其控制的基本策略為，當(dāng)駕駛員發(fā)動(dòng)汽車時(shí)，控制模塊開始自檢，如果真空筒內(nèi)的真空度小于-80kPa，電動(dòng)真空泵將接通電源，真空泵開始工作，當(dāng)真空度達(dá)到-80kPa時(shí)，真空泵斷開電源，之后每次駕駛員有制動(dòng)動(dòng)作時(shí)，控制模塊都會(huì)檢查真空系統(tǒng)的真空度，當(dāng)真空度降到-40KPa時(shí)，真空助力器不能提供有效的真空助力， 此時(shí)電動(dòng)真空泵的將再次接通電源繼續(xù)工作，直到真空度再次達(dá)到-80kPa 時(shí)停止工作。真空泵由-80KPa到-40KPa時(shí)真空泵不工作，如此循環(huán)，從而降低真空泵的工作頻率，提高真空泵的壽命，真空系統(tǒng)間歇性控制模塊策略如圖5所示。

2.6真空筒容積的確定

真空筒作為一個(gè)儲(chǔ)能裝置，對車輛的真空助力系統(tǒng)內(nèi)的真空起到存儲(chǔ)和穩(wěn)定作用，在制動(dòng)過程中，防止系統(tǒng)中的真空下降過快，造成助力性能下降，引起的踏板發(fā)硬。

設(shè)定真空助力器總體積為Vz（L），真空筒體積為Vt（L），真空助力器工作腔體積 Vg（L），P0為大氣壓（KPa），P為原系統(tǒng)的壓力（KPa），P剩1制動(dòng)后剩余的系統(tǒng)壓力（KPa），由于制動(dòng)踏板釋放時(shí)間較短，可認(rèn)為空氣閥關(guān)閉時(shí)間也很短，因此可忽略過程中的空氣進(jìn)入量，故認(rèn)為一次有效制動(dòng)的空氣進(jìn)入量為真空助力器的有效體積。

第一次制動(dòng)后真空筒的真空度計(jì)算公式如下：

第n次制動(dòng)后真空筒的真空度計(jì)算公式如下：

真空筒的容積大小還需與真空泵抽真空能力相匹配，若真空泵抽真空能力強(qiáng)或抽真空速率平穩(wěn)，則真空筒的容積可以取小值甚至可以取消真空筒裝置；若真空泵抽真空能力弱，則真空筒的容積可以取大值。該電動(dòng)車的真空筒的容積取3L。

2.7電動(dòng)真空泵抽氣能力的確定

電動(dòng)真空泵為電動(dòng)真空助力系統(tǒng)的動(dòng)力源，其抽真空的能力直接影響著車輛連續(xù)制動(dòng)和車輛起步的制動(dòng)性能。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)真空助力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：

1）車輛起動(dòng)，電動(dòng)真空泵工作6S，制動(dòng)1次（時(shí)間為4S），其制動(dòng)時(shí)的管路壓力為50bar，其制動(dòng)踏板力不大于400N。

2）車輛起動(dòng)，電動(dòng)真空泵工作35S，連續(xù)制動(dòng)5次，（制動(dòng)時(shí)間為4S，間隔6S），每次制動(dòng)時(shí)的管路壓力為100bar，首次制動(dòng)時(shí)，其制動(dòng)力不超過 300N，后續(xù)四次的制動(dòng)踏板力不大于500N。

根據(jù)電動(dòng)真空助力系統(tǒng)性能要求，初步選擇了Hella-UP28電動(dòng)真空泵，其性能曲線如圖6所示。

3、整車道路試驗(yàn)

通過在試驗(yàn)場模擬的整車在城市工況循環(huán)的試驗(yàn)，制動(dòng)專項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表 1， 所設(shè)計(jì)的電動(dòng)真空助力系統(tǒng)可以為該電動(dòng)車車提供足夠的制動(dòng)助力，且制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度在法規(guī)規(guī)定范圍之內(nèi)，同時(shí)，在整車道路試驗(yàn)中電動(dòng)真空泵的抽氣能力能滿足連續(xù)多次制動(dòng)的要求。

表1 制動(dòng)專項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果

4、結(jié)論

電動(dòng)制動(dòng)真空助力系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該將真空助力器性能參數(shù)、真空筒的容積及真空泵抽真空能力確定，在電動(dòng)真空泵的設(shè)計(jì)或選擇上，應(yīng)盡量使真空度滿足制動(dòng)性能的要求，通過對電動(dòng)真空系統(tǒng)的間歇性控制模塊的設(shè)計(jì)，提高了真空泵的使用壽命，由原來的8000Km提高到了45000Km。根據(jù)整車道路試驗(yàn)效果可知，此套設(shè)計(jì)方案符合電動(dòng)真空助力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)目的。

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1989.

[2] 方泳龍.汽車制動(dòng)理論與設(shè)計(jì)[M].北京: 國防工業(yè)出版社,2005.

[3] 劉惟信.汽車制動(dòng)系的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[4] 汽車工程手冊編委會(huì).汽車工程手冊[M].北京:人民交通出版社，2001.

[5] GB12676-2014.商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.

The design on the vacuum assistbrake system of the electric light truck

Li Hailong
( Nanjing Iveco Automobile Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 211100 )

The necessity of the vacuum assist brake system of the electric light truck is analyzed.It explains calculating method of components of booster,vacuum tank and electric vacuum pump individually,especially for booster and the vacuum pump designing.It takes the YUE JIN light truck as the example and shows the complete calculation process. According to the result of test,the designed system can meet the requirements of correlative standard,The electric vacuum system parameters is reasonable.

vacuum assist brake system; vacuum tank; vacuum pump; intermittent control module

U469.7

A

1671-7988（2015）09-16-04

李海龍，底盤設(shè)計(jì)工程師，就職于南京依維柯汽車有限公司，主要從事制動(dòng)性能匹配方面的研究工作。