電動(dòng)助力制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

王偉

[摘 要]本文設(shè)計(jì)了基于電機(jī)助力的新型制動(dòng)系統(tǒng)，主要對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)助力結(jié)構(gòu)，人力缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以及對(duì)助力電機(jī)的參數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行了說(shuō)明。新型的制動(dòng)系統(tǒng)使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與真空助力制動(dòng)系統(tǒng)相比較，結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，可實(shí)現(xiàn)線控制動(dòng)、主動(dòng)制動(dòng)等多種模式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，制動(dòng)效果達(dá)到預(yù)期，證明了設(shè)計(jì)的合理性。

[關(guān)鍵詞]制動(dòng)系統(tǒng)；電動(dòng)助力；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；電機(jī)選擇

中圖分類號(hào)：TD353.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）08-0116-02

1 前言

隨著化石能源危機(jī)以及傳統(tǒng)汽車排放問(wèn)題逐漸引起人們的關(guān)注，電動(dòng)汽車慢慢進(jìn)入人們的視野。電動(dòng)汽車作為一種“零排放”車輛，可以很好緩解當(dāng)前中國(guó)日益嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題，并且電能的獲取方式多種多樣，人類已經(jīng)可以使用清潔方式獲取電能。電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展是適應(yīng)人類發(fā)展需要的，并且電動(dòng)車技術(shù)已經(jīng)得到各國(guó)政府的大力支持。

我國(guó)的電動(dòng)車發(fā)展勢(shì)頭良好，各個(gè)廠商紛紛推出了自己的電動(dòng)汽車。當(dāng)前電動(dòng)汽車上面的制動(dòng)系統(tǒng)多為真空助力制動(dòng)，真空助力制動(dòng)系統(tǒng)也是目前多數(shù)乘用車的制動(dòng)形式。真空助力制動(dòng)系統(tǒng)也稱真空伺服制動(dòng)系統(tǒng)，兼用人力和機(jī)械力。傳統(tǒng)汽車上的真空伺服制動(dòng)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是真空管路加上真空伺服氣室，真空源來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管[1]；在電動(dòng)汽車上沒(méi)有傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，真空源由真空泵提供，真空泵由自帶獨(dú)立電機(jī)提供能量。這樣就造成制動(dòng)系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜累贅。

本文以基于某款純電動(dòng)轎車的研發(fā)為例，提出一種全新的制動(dòng)系統(tǒng)方案。使用電機(jī)作為直接的助力方式，將踏板位移作為輸入變量來(lái)控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，電機(jī)通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)直接推動(dòng)制動(dòng)主缸。這樣一來(lái)就充分利用了電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，并且使結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。

2 電動(dòng)助力制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電動(dòng)助力制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。

工作原理簡(jiǎn)述：

1、踩下制動(dòng)踏板，推動(dòng)踏板推桿1向前運(yùn)動(dòng)（圖示左向?yàn)榍埃?，力由踏板推桿1傳遞到中心管2，再經(jīng)踏板模擬彈簧3傳遞到后活塞7，使得后活塞7向前運(yùn)動(dòng)克服間隙S1。此時(shí)前腔為密閉狀態(tài)，后活塞7不能繼續(xù)往前移動(dòng)。

2、繼續(xù)踩下制動(dòng)踏板，由于后活塞7不動(dòng)，使得踏板模擬彈簧3發(fā)揮作用，提供踏板腳感。同時(shí)踏板推桿1推著中心管2向前運(yùn)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程為線控制動(dòng)過(guò)程，根據(jù)踏板轉(zhuǎn)角傳感器獲得踏板位移數(shù)據(jù)，控制電機(jī)12工作，電機(jī)12與絲杠13通過(guò)花鍵連接同步轉(zhuǎn)動(dòng)。螺母14與絲杠13配合，將轉(zhuǎn)動(dòng)變成沿螺母14軸線方向上的平動(dòng)。螺母14與套筒推桿15通過(guò)螺栓連接，套筒推桿15推動(dòng)活塞16運(yùn)動(dòng)，從而在電動(dòng)缸缸體內(nèi)建立壓力，經(jīng)管路傳遞到前活塞10，繼而推動(dòng)制動(dòng)主缸（圖示未畫(huà)出），實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

3、當(dāng)中心管2運(yùn)動(dòng)克服距離S2，中心管2與頂桿9接觸，不能繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)距離S3也被消除（S2=S3），如下圖2.2所示，此時(shí)前腔后腔導(dǎo)通。前腔油液可通過(guò)路徑1流至后腔。

4、前后腔導(dǎo)通后，前腔泄壓，線控制動(dòng)階段結(jié)束。繼續(xù)踩下制動(dòng)踏板，頂桿9將與前活塞10接觸，將踏板力傳遞至前活塞，此時(shí)前活塞受到的力由傳遞過(guò)來(lái)的踏板力與電動(dòng)缸產(chǎn)生的壓力疊加而成。實(shí)現(xiàn)助力模式。

3.電動(dòng)助力制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

以市面上某款純電動(dòng)汽車（原車采用真空助力制動(dòng)方式）的制動(dòng)系統(tǒng)為例，要求設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)性能不低于原車制動(dòng)性能。在滿足制動(dòng)性能的條件下要求助力電機(jī)扭矩功率最小來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算。

根據(jù)制動(dòng)要求，便可以得出所需要的輪缸壓力，繼而可以求出主缸壓力和主缸推桿力。通過(guò)選取一定的助力比，最后可以計(jì)算出要求的電機(jī)參數(shù)。計(jì)算流程如下圖所示。此車型的制動(dòng)器類型為前盤后鼓，盤式制動(dòng)器跟鼓式制動(dòng)器的的計(jì)算公式不同。以下的計(jì)算流程是以車輪上的盤式制動(dòng)器為例，對(duì)于鼓式制動(dòng)器，計(jì)算流程相同，只是計(jì)算制動(dòng)輪缸對(duì)鼓式制動(dòng)器力的計(jì)算公式的選擇不同[2]。

現(xiàn)在對(duì)此車型的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，在保證制動(dòng)性能的前提下，選取出適合的電機(jī)。

計(jì)算出汽車前輪最大制動(dòng)力FXmax1和后輪最大制動(dòng)力FXmax2；

，

.

式中，G為汽車重力，16268N；L為軸距2675mm；L1為汽車質(zhì)心至前軸中心線的距離1204mm；L2為汽車質(zhì)心至后軸中心線的距離1471mm；f為地面附著系數(shù)取0.9；hg為汽車質(zhì)心高度490mm；g為重力加速度9.8m·s-2；du/dt為汽車制動(dòng)減速度[3]。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，該車型滿載時(shí)，F(xiàn)Xmax1=10741N，F(xiàn)Xmax2=3900N。則單個(gè)前/后車輪最大制動(dòng)力分別為：Fxb1=5370N，F(xiàn)xb2=1950N.

對(duì)于雙側(cè)制動(dòng)塊盤式制動(dòng)器，作用在制動(dòng)盤上的最大夾緊力為：

計(jì)算得到前車輪制動(dòng)盤的最大夾緊力分別為：

對(duì)于前輪缸

得出前車輪輪缸最大壓力為。

對(duì)于后輪缸

得出后車輪輪缸最大壓力為P2=945MP.

下一步是求出主缸的活塞桿推力。

前盤后鼓PV特性表達(dá)式：

其中，P表示輪缸的壓力（MPa）；V表示主缸制動(dòng)液的容積變化量（ml，不包括主缸活塞空行程引起的制動(dòng)液的容積變化量）。由此可以計(jì)算出主缸的容積變化量為4.249ml。

主缸活塞的推力Fm為電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠輸出至活塞推桿的推桿力Fb和低壓腔壓力F1對(duì)活塞的推力之和。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料，踏板機(jī)構(gòu)及液壓主缸的機(jī)械效率約為0.82～0.86，取踏板機(jī)構(gòu)效率為0.95，則液壓主缸機(jī)械效率為0.86～0.91，此處取機(jī)械效率，則車輛制動(dòng)強(qiáng)度最大時(shí)，對(duì)應(yīng)的主缸活塞推力：

取Pmax=p2，計(jì)算得最大活塞推力Fm max=4295N。

通過(guò)選取一定的助力比，就可以選擇相應(yīng)的電機(jī)。此處我們將助力比選為5。

電機(jī)扭矩與推桿力存在下列關(guān)系式：，

絲杠螺母移動(dòng)速度：，

電機(jī)平均轉(zhuǎn)速：，

為滾珠絲杠機(jī)械效率，這里取0.9，Ph為絲杠導(dǎo)程，初始?jí)毫r(shí)間取0.4s，則不同絲杠導(dǎo)程對(duì)應(yīng)的電機(jī)參數(shù)如下表所示：

4 結(jié)束語(yǔ)

在新型制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要合理選擇各個(gè)部分的參數(shù)，并且根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，選取的電機(jī)扭矩越大，助力功能越明顯，駕駛員越省力。但是要考慮到駕駛員最佳踏板感覺(jué)，不能讓駕駛員的駕駛感覺(jué)有很大的變化，因此在選擇助力比和電機(jī)參數(shù)的時(shí)候要考慮這些因素。經(jīng)過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試本系統(tǒng)的輪缸壓力，前后車輪輪缸的最大壓力可以達(dá)870MP到以及9.45mp，滿足制動(dòng)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張欣宇，黃妙華，夏青松，一種用于電動(dòng)汽車的真空助力制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].北京汽車，2007，9（10）：4[期刊]

[2] 林逸，賀麗娟，何洪文，陳瀟凱，電動(dòng)汽車真空助力制動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算研究[J].汽車技術(shù)，2006，（10）：19[期刊]

[3] 余志生.汽車?yán)碚揫M].第五版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009[書(shū)籍]