基于某轎車的冗余制動(dòng)系統(tǒng)選型計(jì)算方法

【歡迎引用】 孫曙光， 蔣帥， 隋清海， 等. 基于某轎車的冗余制動(dòng)系統(tǒng)選型計(jì)算方法[J]. 汽車文摘，2024（XX）： X-XX.

【Cite this paper】 SUN S G， JIANG S， SUI Q H， et al. Selection Calculation Method Based on the Redundant Braking System of a Car[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（XX）： X-XX.

【摘要】針對(duì)冗余制動(dòng)系統(tǒng)選型方法空缺的現(xiàn)狀，依據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)性能要求，提出了一種冗余制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)零部件包括電機(jī)、柱塞泵和電磁閥的設(shè)計(jì)校核方法。該方法通過(guò)汽車動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算將減速度指標(biāo)轉(zhuǎn)化為制動(dòng)液壓指標(biāo)，并通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)的需液量特性將制動(dòng)液壓指標(biāo)轉(zhuǎn)化為排液量指標(biāo)，基于響應(yīng)時(shí)間要求將排液量指標(biāo)轉(zhuǎn)化為流量指標(biāo)，進(jìn)而確定電磁閥方案是否滿足要求?；陔姍C(jī)和柱塞泵的結(jié)構(gòu)和工作原理搭建冗余制動(dòng)系統(tǒng)AMESim仿真模型，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析確定電機(jī)和柱塞泵方案是否滿足要求。根據(jù)某車型整車參數(shù)和制動(dòng)器參數(shù)，利用該方法進(jìn)行了冗余制動(dòng)系統(tǒng)的方案校核，該方法能夠?yàn)槿哂嘀苿?dòng)系統(tǒng)的方案選型提供支撐。

關(guān)鍵詞：冗余制動(dòng)；電磁閥；電機(jī)；選型計(jì)算

中圖分類號(hào)：U463.55 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20240241

Selection Calculation Method Based on the Redundant Braking System of a Car

Sun Shuguang， Jiang Shuai， Sui Qinghai， Guan Hao， Hao Zhanwu， Li Songzhan

（Global R&D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

【Abstract】 For the vacancy of the redundant braking system selection method， according to the performance requirements of the braking system， a design and verification method for the relevant components of the redundant braking system including motor， piston pump and solenoid valve was proposed. In this method， the deceleration index is transformed into the brake fluid pressure index through the theoretical calculation of vehicle dynamics， and the brake fluid pressure index is transformed into the liquid volume index through the pressure-volume characteristics of the braking system， and the liquid volume index is transformed into the flow index based on the response time requirement， so as to determine whether the solenoid valve scheme meets the requirements. Based on the structure and working principle of the motor and piston pump， the AMESim simulation model of the redundant braking system was established， and the simulation results were analyzed to determine whether the motor and piston pump scheme met the requirements. According to the vehicle parameters and brake parameters of a certain vehicle， the scheme check of the redundant braking system is carried out by using this method， which could provide support for the scheme selection of the redundant braking system.

Key words： Redundant brake， Solenoid valve， Electric motor， Selection calculation

0 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)逐漸進(jìn)入電動(dòng)化和智能化時(shí)代，制動(dòng)系統(tǒng)也在不斷創(chuàng)新，對(duì)于具備L3以上自動(dòng)駕駛級(jí)別的車輛，制動(dòng)系統(tǒng)需要具有冗余主動(dòng)制動(dòng)功能，要求制動(dòng)系統(tǒng)配備冗余制動(dòng)裝備。冗余制動(dòng)系統(tǒng)（Redundant Braking System， RBS）需要滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《乘用車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》GB 21670—2008要求，標(biāo)準(zhǔn)要求行車制動(dòng)系產(chǎn)生的車輛減速度不應(yīng)低于6.43 m/s2，且達(dá)到6.43 m/s2減速度的響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)0.6 s。冗余制動(dòng)系統(tǒng)RBS需要滿足一定的建壓能力，即RBS的建壓響應(yīng)延遲時(shí)間不超過(guò)150 ms、RBS的建壓能力不小于10 MPa，冗余制動(dòng)系統(tǒng)RBS在工作時(shí)需要保證車輪不抱死，即在高附路面輪胎抱死時(shí)間不大于100 ms，在低附路面輪胎抱死時(shí)間不大于500 ms。本文針對(duì)冗余制動(dòng)系統(tǒng)RBS，基于法規(guī)和相關(guān)要求，提出一種選型匹配方法。

1 冗余制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 冗余制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RBS冗余制動(dòng)系統(tǒng)零部件結(jié)構(gòu)如圖1所示。RBS包含電機(jī)、2個(gè)柱塞泵、4個(gè)電磁閥、閥體和電子控制單元（Electronic Control Unit， ECU）等零部件，4個(gè)電磁閥包括2個(gè)常開(kāi)回路控制閥和2個(gè)常閉增壓閥。RBS外部有1個(gè)進(jìn)液口和1個(gè)出液口，通過(guò)油管分別與集成式制動(dòng)控制系統(tǒng)相連接。

1.2 冗余制動(dòng)系統(tǒng)工作原理

冗余制動(dòng)系統(tǒng)收到制動(dòng)請(qǐng)求時(shí)，集成式制動(dòng)控制系統(tǒng)因故障未響應(yīng)時(shí)，RBS響應(yīng)制動(dòng)請(qǐng)求進(jìn)行主動(dòng)建壓制動(dòng)，2個(gè)回路控制閥上電關(guān)閉，同時(shí)2個(gè)增壓閥上電打開(kāi)，電機(jī)上電帶動(dòng)2個(gè)柱塞泵旋轉(zhuǎn)建壓，當(dāng)車輪趨近抱死時(shí)，通過(guò)控制2個(gè)回路控制閥的通斷來(lái)控制輪邊制動(dòng)力矩水平，當(dāng)制動(dòng)請(qǐng)求取消時(shí)，電機(jī)下電停止工作，2個(gè)增壓閥下電關(guān)閉，2個(gè)回路控制閥下電打開(kāi)，輪邊制動(dòng)液通過(guò)2個(gè)回路控制閥回到儲(chǔ)液罐。RBS冗余制動(dòng)系統(tǒng)液壓原理如圖2所示。

2 整車和制動(dòng)器參數(shù)

某轎車整車基本參數(shù)包括整車質(zhì)量、軸荷分配、質(zhì)心高、軸距和輪胎滾動(dòng)半徑，其中空載質(zhì)量表示整備質(zhì)量+150 kg（150 kg加在前排座椅上），見(jiàn)表1。

某轎車制動(dòng)器基本參數(shù)包括制動(dòng)鉗活塞直徑、摩擦片摩擦系數(shù)和有效制動(dòng)半徑，見(jiàn)表2。

進(jìn)某轎車制動(dòng)鉗缸體的制用液需液量與制動(dòng)液壓力關(guān)系圖見(jiàn)圖3。

3 冗余制動(dòng)系統(tǒng)匹配基本思路

3.1 抱死壓力計(jì)算

前、后輪抱死制動(dòng)力計(jì)算公式如下：

Ff=mgz（L-Lf+zh）/L （1）

Fr=mgz（Lf-zh）/L （2）

式中：Ff為前輪制動(dòng)力，F(xiàn)r為后輪制動(dòng)力，m為整車質(zhì)量，L為軸距，Lf為質(zhì)心至前軸距離，h為質(zhì)心高度，g為重力加速度，z為制動(dòng)強(qiáng)度。

前、后輪抱死制動(dòng)力矩計(jì)算公式如下：

Mf=FfRf （3）

Mr=FrRr （4）

式中：Mf為前輪制動(dòng)力矩，Mr為后輪制動(dòng)力，Rf為前輪滾動(dòng)半徑，Rr為后輪滾動(dòng)半徑。

前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)能力計(jì)算公式如下：

Cpf=πdf2μfrf/1 000 （5）

Cpr=πdr2μrrr/1 000 （6）

式中：Cpf為前制動(dòng)器制動(dòng)能力，Cpr為后制動(dòng)器制動(dòng)能力，df為前制動(dòng)鉗活塞直徑，dr為后制動(dòng)鉗活塞直徑，μf為前摩擦片摩擦系數(shù)，μr為后摩擦片摩擦系數(shù)，rf為前制動(dòng)器有效制動(dòng)半徑，rr為后制動(dòng)器有效制動(dòng)半徑。

前、后輪抱死壓力計(jì)算公式如下：

Pf=Mf/Cpf （7）

Pr=Mr/Cpr （8）

式中：Pf為前輪抱死壓力，Pr為后輪抱死壓力。

3.2 回路控制閥流量校核

RBS工作時(shí)要求高附路面車輪抱死時(shí)間小于100 ms，低附路面車輪抱死時(shí)間小于500 ms，如果車輪出現(xiàn)抱死，會(huì)開(kāi)啟回路控制閥進(jìn)行泄壓。

高附路面附著系數(shù)一般為0.7～1.0，這里取最小值0.7，根據(jù)式（1）～式（8），代入整車基本參數(shù)和制動(dòng)器基本參數(shù)，計(jì)算的空載高附路面前、后輪抱死壓力分別為5.79 MPa、6.14 MPa，計(jì)算的滿載高附路面前、后輪抱死壓力分別為6.56 MPa、7.78 MPa，取前后輪抱死壓力的最小值5.79 MPa，對(duì)圖3中的制動(dòng)鉗需液量進(jìn)行插值，得出對(duì)應(yīng)的需液量為3.28 mL，RBS的最大建壓能力為10 MPa，對(duì)圖3中的制動(dòng)鉗需液量進(jìn)行插值，得出10 MPa壓力對(duì)應(yīng)的需液量為4.39 mL，為避免抱死，單個(gè)回路控制閥釋放的制動(dòng)液體積為1.11 mL，單個(gè)回路控制閥要求的最小流量為11.1 mL/s。

低附路面附著系數(shù)一般為0.1～0.3，這里取最小值0.1，根據(jù)式（1）～式（8），代入整車基本參數(shù)和制動(dòng)器基本參數(shù)，計(jì)算的空載低附路面前、后輪抱死壓力分別為0.69 MPa、1.07 MPa，滿載前、后輪抱死壓力分別為0.77 MPa、1.35 MPa。取前后輪抱死壓力的最小值0.69 MPa，對(duì)圖3中的制動(dòng)器需液量進(jìn)行插值，得出對(duì)應(yīng)的需液量為1.43 mL，RBS的最大建壓能力為10 MPa，對(duì)圖3中的制動(dòng)器需液量進(jìn)行插值，得出10 MPa壓力對(duì)應(yīng)的需液量為4.39 mL，為避免抱死，單個(gè)回路控制閥釋放的制動(dòng)液體積為2.96 mL，單個(gè)回路控制閥要求的最小流量為5.92 mL/s。

回路控制閥的設(shè)計(jì)流量為24.33 mL/s，滿足以上要求。

3.3 電機(jī)和柱塞泵參數(shù)校核

RBS建壓能力要求≥10 MPa，RBS工作時(shí)的響應(yīng)延遲時(shí)間要求≤150 ms，RBS工作時(shí)達(dá)到6.43 m/s2減速度的時(shí)間要求≤600 ms。電機(jī)相關(guān)參數(shù)，如表3所示。

電機(jī)MAP圖如圖4所示，其扭矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系為：

n=6 800-3 578.947×T （9）

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，T為電機(jī)扭矩。

柱塞泵簡(jiǎn)圖如圖5所示，2個(gè)柱塞泵在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下交替抽液和泵液，其相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。

柱塞泵抽液時(shí)，柱塞泵對(duì)電機(jī)無(wú)作用力，柱塞泵泵液時(shí)，柱塞泵作用在電機(jī)上的力為：

F=πd2p/（4η1） （10）

式中：F為作用在柱塞上的力；d為柱塞泵活塞直徑，p為系統(tǒng)液壓力，η1為柱塞泵機(jī)械效率。

柱塞泵泵液時(shí)，柱塞泵和電機(jī)軸接觸點(diǎn)距離電機(jī)旋轉(zhuǎn)中心的垂直距離為：

y=d0cosθ （11）

式中：y為柱塞泵和電機(jī)軸接觸點(diǎn)距離電機(jī)旋轉(zhuǎn)中心的垂直距離，d0為電機(jī)軸偏心距。

柱塞泵泵液時(shí)，柱塞泵作用在電機(jī)上的力矩為：

M=Fy （12）

式中：M為柱塞泵作用在電機(jī)上的力矩。

根據(jù)式（10）～式（12），代入電機(jī)最大扭矩參數(shù)和柱塞泵參數(shù)，同時(shí)取θ=0，計(jì)算的系統(tǒng)最大建壓能力為27 MPa。

電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，作用在電機(jī)上的平均力矩為：

[M=1π-π2π2M] （13）

式中：[M]為作用在電機(jī)上的平均力矩。

根據(jù)式（10）～式（13），代入電機(jī)額定扭矩參數(shù)和柱塞泵參數(shù)，計(jì)算的系統(tǒng)最大建壓能力為21.2 MPa。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，RBS最大建壓能力滿足≥10 MPa的要求。

根據(jù)圖5柱塞泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，單個(gè)旋轉(zhuǎn)周期單個(gè)柱塞泵的流量為：

q0=πd2d0η2/2 000 （14）

式中：q0為單個(gè)旋轉(zhuǎn)周期柱塞泵的流量，η2為柱塞泵容積效率。

根據(jù)式（14），代入柱塞泵參數(shù)，計(jì)算的單個(gè)旋轉(zhuǎn)周期單個(gè)柱塞泵的排量為0.106 7 mL/r?min-1。

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下單個(gè)柱塞泵的流量為：

q額定=q0n額定/60 （15）

式中：q額定為單個(gè)旋轉(zhuǎn)周期柱塞泵的流量，n額定為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，η2為柱塞泵容積效率。

根據(jù)式（15），代入電機(jī)額定轉(zhuǎn)速參數(shù)，計(jì)算的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下單個(gè)柱塞泵的流量為6 mL/s。

根據(jù)柱塞泵的流量數(shù)據(jù)、電機(jī)MAP圖數(shù)據(jù)和制動(dòng)鉗需液量數(shù)據(jù)，在AMESim中建立動(dòng)態(tài)仿真模型如圖6所示，仿真模型輸出建壓仿真曲線如圖7所示。

從圖7曲線上看出RBS達(dá)到0.1 MPa的時(shí)間為50 ms，RBS故障響應(yīng)時(shí)間為20 ms，則RBS工作時(shí)的響應(yīng)延遲時(shí)間為70 ms，滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)式（1）～式（8），代入整車基本參數(shù)和制動(dòng)器基本參數(shù)，計(jì)算的滿載達(dá)到6.43 m/s2減速度的壓力為6.63 MPa，從圖7曲線上看出RBS達(dá)到6.63 MPa的時(shí)間為390 ms，RBS故障響應(yīng)時(shí)間為20 ms，則RBS工作時(shí)達(dá)到6.43 m/s2減速度的時(shí)間為410 ms，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 增壓閥流量校核

用圖7所示壓力的時(shí)域曲線對(duì)圖3中的制動(dòng)鉗需液量曲線進(jìn)行插值，得出如圖8所示的排液量的時(shí)域仿真曲線，對(duì)圖8所示的曲線進(jìn)行求導(dǎo)，得出如圖9所示的流量的時(shí)域仿真曲線。

從圖9曲線上看出，整個(gè)仿真時(shí)間段內(nèi)，流量仿真值不超過(guò)10.3 mL/s，增壓閥的設(shè)計(jì)流量為35 mL/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以某轎車為基礎(chǔ)，從冗余制動(dòng)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)和工作原理出發(fā)，依據(jù)制動(dòng)性能要求，并基于冗余制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，進(jìn)行了冗余制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)零部件的方案設(shè)計(jì)校核，校核結(jié)果表明冗余制動(dòng)系統(tǒng)硬件方案滿足某轎車的冗余制動(dòng)性能要求，該方法可用于指導(dǎo)冗余制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。制動(dòng)器能力、需液量、柱塞泵排量和電機(jī)扭矩等參數(shù)會(huì)影響冗余制動(dòng)性能的校核結(jié)果，后續(xù)可根據(jù)冗余制動(dòng)性能目標(biāo)進(jìn)行正向分解，從而保證在滿足冗余制動(dòng)性能要求的前提下獲得更優(yōu)的冗余制動(dòng)系統(tǒng)方案。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯 明慧）