重型車輛的氣壓制動能量回收的建模及仿真分析

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 北京 100192)

引言

環(huán)境污染和能源消耗問題推動了重型車輛節(jié)能化及再利用問題的發(fā)展。制動能量回收的能量利用率是研究重型車輛的重中之重。當(dāng)重型車輛在制動工況下由于摩擦力的作用，致使車輛的動能轉(zhuǎn)化為熱能，樣于人類的可持續(xù)發(fā)展。因此會帶來以下問題：(1)重型車輛在下坡時能量沒有得到充分利用并且當(dāng)期強(qiáng)制怠速時會造成大量的燃油消耗。(2)重型車輛在制動時會產(chǎn)生較多的廢氣，這些廢氣會對人們的身體健康帶來損害。(3)為了提高重型車輛的安全效能可以勤于換摩擦元件、改善摩擦片之間的間隙，這樣可以降低由于制動器的損害而帶來的給人身帶來的威脅。

本文對重型車輛的氣壓制動能量回收系統(tǒng)在Simulink中對各模塊建立仿真模型及仿真研究，最后對仿真結(jié)果進(jìn)行理論分析。

一、氣壓制動能量回收仿真模型

(一)三大系統(tǒng)簡介

為了研究氣壓制動能量回收系統(tǒng)，首先要建立系統(tǒng)仿真模型。本章首先對車輛動力學(xué)特性和氣動馬達(dá)排量調(diào)節(jié)特性進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，然后基于 MATLAB 搭建整車動力學(xué)模型以及氣壓制動能量回收系統(tǒng)模型。

重型車輛聯(lián)合制動系統(tǒng)可分為三大部分，即氣壓動力制動系統(tǒng)、動力分配系統(tǒng)、再生制動系統(tǒng)[1]。

圖1 聯(lián)合制動系統(tǒng)原理圖

(1)氣壓動力制動系統(tǒng)

氣壓動力制動系統(tǒng)主要由儲氣罐、電子踏板、制動閥以及制動器等組成。在制動工況下，控制器根據(jù)車速和制動強(qiáng)度以及再生儲氣罐SOC計算需求制動力矩，并將需求制動力矩信號發(fā)送給制動閥，控制閥口開口面積進(jìn)而對實際制動力矩進(jìn)行線性控制，對車輛進(jìn)行制動。

(2)制動能量回收系統(tǒng)

制動能量系統(tǒng)由再生制動儲氣罐、二次元件(氣泵/氣動馬達(dá))、單向閥以及扭矩耦合器等。由車輛制動時車輪的慣性力矩帶動空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動，將儲氣罐中的氣壓能充入再生儲氣罐中，實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化過程。

(3)動力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

動力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由電磁換向閥、儲氣罐、再生儲氣罐、空氣壓縮機(jī)組成。重型車輛進(jìn)行制動后，儲氣罐氣壓會下降，再生儲氣罐氣壓會升高，當(dāng)儲氣罐壓力到達(dá)其最低工作壓力時，電磁換向閥會打開，再生儲氣罐會為儲氣罐進(jìn)行充氣；

(二)氣動力制動系統(tǒng)

氣壓動力制動系統(tǒng)主要由電子踏板1、電子控制單元2和3、儲氣罐8、空氣減壓閥4和5、制動氣室6和7等元件組成。

1-電子踏板；2、3-電子控制單元；4、5-前、后輪空氣減壓閥；6、7-前、后輪制動氣室；8-儲氣罐；

工作原理為：駕駛員有制動意圖后踩下電子踏板1，電子踏板上的轉(zhuǎn)角傳感器采集其轉(zhuǎn)角信號，并將此轉(zhuǎn)角信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過電子控制單元2和3轉(zhuǎn)為電流信號，并傳送到空氣減壓閥4和5上，電流通過電磁線圈時，產(chǎn)生電磁力推動閥芯克服彈簧彈力產(chǎn)生位移，從而使得儲氣罐里的氣壓能進(jìn)入制動氣室產(chǎn)生制動壓力，通過制動摩擦片對車輛進(jìn)行制動。

1.氣壓動力制動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

(1)空氣壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型

(4.1)

式中，ωk—運輸車輛的車輪角速度；il—半軸到氣動離合器的傳動比；

ik—氣動離合器到空氣壓縮機(jī)的傳動比；

可以知道，空氣壓縮機(jī)的流量為：

(4.2)

式中，Vm—空氣壓縮機(jī)的排量；nk—空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。

把式(4-1)和式(4-2)代入式(4-3)得：

(4.3)

(4.4)

(2)制動氣室的數(shù)學(xué)模型

(4.7)

(4.8)

式中，P1表示制動氣室左側(cè)腔內(nèi)的壓力，S0表示膜片承壓面積，k表示回位彈簧剛度，x表示推桿的位移。

(4.9)

其中，R1，R2分別為膜片內(nèi)外半徑；μ為摩擦系數(shù)，F(xiàn)為活塞推力；δ為扇形角。

(4.10)

其中，Vz為制動氣室容積；Ez為制動氣室的等效體積彈性模量。

(3)儲氣罐的數(shù)學(xué)模型

儲氣罐充放氣過程，可認(rèn)為是絕熱過程，可知儲氣罐排氣的流量方程為

(2.10)

式中，p0是儲氣罐的充氣壓力；V0是儲氣罐的有效容積；pA是儲氣罐的最高工作壓力；n為熱力學(xué)常數(shù)，取n=1.4；p1是儲氣罐的出口壓力。

(三)制動能量回收系統(tǒng)

1.柱塞式氣泵/氣動馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型

氣泵/氣動馬達(dá)的排量表達(dá)式為[3]

(4.15)

再生制動力矩表達(dá)式為

(4.16)

氣泵/氣功馬達(dá)的流量表達(dá)式為

(4.17)

式中，V是氣泵/氣動馬達(dá)的排量(ml/r)；d是柱塞直徑(m)；Z是柱塞數(shù)量；y是活塞位移(m)，λ是斜盤傾角與活塞位移增益(rad/m)；Δ P —氣泵/氣動馬達(dá)進(jìn)出口壓力差，(MPa)；n—氣泵/氣動馬達(dá)轉(zhuǎn)速，(r/min)。

2.再生儲氣罐的數(shù)學(xué)模型

(4.18)

式中，p0是再生儲氣罐的充氣壓力；V0為再生儲氣罐的有效容積；n為氣體的多變過程指數(shù)，取n=1；p為再生儲氣罐的出口壓力；

(三)動力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

動力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括儲氣罐、再生儲氣罐及電磁換向閥。儲氣罐和再生制動儲氣罐數(shù)學(xué)模型前面已介紹，下面主要建立電磁換向閥的數(shù)學(xué)模型。

電磁換向閥的數(shù)學(xué)模型：

(1)電磁換向閥的受力分析

根據(jù)牛頓運動定理，當(dāng)電磁換向閥通電時閥芯的運動方程為：

(4.31)

式中，m—閥芯質(zhì)量；x—閥芯位移；

c—閥芯運動時的等效粘性阻尼(N·s/m)；

xp—恢復(fù)彈簧預(yù)緊量(m)；Fe—電磁吸力(N)；

p—閥芯所受的氣體壓強(qiáng)(Pa)；A0—閥芯的橫截面積(m2)；

K—彈簧剛度。

氣壓電磁閥的動態(tài)特性能 夠通過制動氣室的壓力變化來反映，因此研究電磁閥和制動氣室之間的壓力動態(tài)特性十分重要。

氣壓的制動過程包括兩個階段：電磁閥的開關(guān)動作和制動氣室的充放氣。所以本文采用物理方法來建立制動氣室充放氣過程的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上重點研究電磁閥的動態(tài)特性的壓力動特性的影響。

對于充氣過程，根據(jù)氣體連續(xù)性方程，氣體通過制動氣室入口小孔的瞬時流量可表達(dá)為：

(4.32)

A1—氣室入口截面積，A1=1.26×10-5m2；

R0—氣體常數(shù)，空氣：R0=287.1J/kg·K；

K—絕熱指數(shù)，K=4.1；

T1—氣室中氣體的絕對溫度，T1=313K；

P1、P2—分別為氣室入口上、下游的壓力(pa)。

理想氣體狀態(tài)方程符合下述關(guān)系：

(4.33)

式中：p—壓力(pa)；Qm—氣體流量(m3/s)；

V—氣室容積，V= 1×10-3m3。

二、氣壓制動能量回收仿真分析

(一)氣壓動力制動系統(tǒng)仿真分析

圖3 儲氣罐的壓力變化曲線

說明儲氣罐的壓力1s時不變，當(dāng)1s之后增加至1.4MPa，然后1s之后趨于穩(wěn)定。

(二)制動能量回收系統(tǒng)仿真分析

圖4 再生儲氣罐的壓力變化曲線

說明再生儲氣罐壓力從初始0.6MPa逐漸升高至1.35MPa，直到70s之后，壓力不變。

(三)動力調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真分析

圖5 儲氣罐壓力仿真曲線

說明儲氣罐壓力從初始1.4MPa逐漸降低至0.5MPa，直到60s之后，壓力保持不變。

三、結(jié)束語

本論文對氣壓制動能量回收系統(tǒng)進(jìn)行了選型及參數(shù)匹配、控制策略的相關(guān)研究以及對重型車輛的氣壓制動能量回收的數(shù)學(xué)建模及simulink仿真分析。本論文主要進(jìn)行了以下研究：

(1)對傳統(tǒng)氣壓制動系統(tǒng)的介紹和分析，逐步了解其優(yōu)勢和弊端。并且對重型車輛的氣壓制動能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

(2)對氣壓制動能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵元件進(jìn)行選型與參數(shù)匹配，根據(jù)關(guān)鍵元件的主要性能參數(shù)，可大致確定關(guān)鍵元件的參數(shù)范圍及其型號。

(3)對重型車輛的氣壓制動能量回收系統(tǒng)在Simulink中對各模塊建立仿真模型及仿真研究，最后對仿真結(jié)果進(jìn)行理論分析。