一種純電動物流車液壓制動系統(tǒng)設(shè)計

摘要：電動物流車市場需求大，一般采用結(jié)構(gòu)簡單、部件少的液壓制動系統(tǒng)。制動系統(tǒng)關(guān)系整車安全，而目前對它的研究一般側(cè)重在某一方面。據(jù)此，以一款純電動物流車為例，根據(jù)制動系統(tǒng)的要求，對制動力、制動減速度、制動距離、制動踏板行程、制動踏板力關(guān)鍵性能參數(shù)計算，研究各個參數(shù)對整車制動系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明各參數(shù)均滿足制動系統(tǒng)的相關(guān)法規(guī)要求，并通過制動試驗進(jìn)行驗證。研究結(jié)論可為相關(guān)的設(shè)計者提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：純電動物流車；液壓制動系統(tǒng)；制動力

中圖分類號：U463.52收稿日期：2024-11-29

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.018

1前言

為了減少傳統(tǒng)能源的依賴，減輕環(huán)境污染，增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展，國家全面推進(jìn)新能源戰(zhàn)略。純電動物流車是新能源汽車推廣應(yīng)用的重點車型，政策要求新增或更新城市物流配送車輛中，新能源汽車比例不低于30%[1]。城市物流配送車輛主要為3T級純電輕型廂式物流車，一般采用結(jié)構(gòu)簡單，部件少的液壓制動系統(tǒng)。目前對此類物流車液壓制動系統(tǒng)研究的文獻(xiàn)一般側(cè)重于某一方面，而本文基于整體詳細(xì)介紹液壓制動系統(tǒng)的設(shè)計。

2整車總體參數(shù)

筆者所在公司開發(fā)了3T級純電動物流車，該車采用雙回路液壓制動系統(tǒng)、H型布置，前制動器為盤式制動器，后制動器為鼓式制動器，主要參數(shù)見表1。

3極限制動力校核

3.1地面附著系數(shù)和整車參數(shù)決定的極限制動力

假設(shè)無ABS控制，路面附著系數(shù)[φ]=0.7，滿載工況下計算極限制動力。此時，前后輪都抱死，地面對前后輪的制動力[2]，按下式計算：

[FZ1=GLb+φhg]""""""""""""（1）

[FZ2=GLa-φhg]""""""""""""（2）

[Fxb1=FZ1φ]"""""""""""""""（3）

[Fxb2=FZ2φ]"""""""""""""""（4）

式中，F(xiàn)Z1為地面對前輪的法向反作用力；FZ2為地面對后輪的法向反作用力；G為汽車重力；Fxb1為前輪制動力；Fxb2為后輪制動力。

根據(jù)整車參數(shù)可得，F(xiàn)xb1=15159N，F(xiàn)xb2=6792N。

3.2法規(guī)要求制動力

按照GB7258—2017《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》[3]，總質(zhì)量小于或等于3500kg的汽車空載平均減速度大于5.6m/s2，根據(jù)整車參數(shù)，整車制動力大于17920N。

因此，地面附著系數(shù)和整車參數(shù)決定的極限制動力遠(yuǎn)大于法規(guī)要求制動力要求。

4駐車制動系統(tǒng)

4.1整車極限坡度

汽車在上坡路上駐車受力如圖1所示[4]。

根據(jù)推導(dǎo)可得，汽車在上坡路停駐時的極限坡度角度θu，汽車在下坡路停駐時的極限θd，公式如下：

[θu=arctan=φaφhg]"""""""""""（5）

[θd=arctanφaL+φhg]""""""""""（6）

根據(jù)整車參數(shù)，[φ]=0.7，空載時，θu=21.5°，θd=15°；滿載時，θu=28°，θd=17.5°，均大于11.3°（20%坡度），滿足法規(guī)要求。

4.2整車駐車制動力

根據(jù)整車參數(shù)，滿載20%坡度，整車駐車制動大于6144N。

5制動器選型

考慮實用性和經(jīng)濟(jì)性，前輪選用制動性能可靠、散熱性能好、直徑297mm的盤式制動器，后輪選用成熟可靠、成本低、直徑270mm的鼓式制動器。真空助力裝置選用10+9[″]雙膜片結(jié)構(gòu)。

按照GB7258—2017《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》，行車制動最大踏板力不允許超過500N。真空助力器輸入力Fvi如下：

[Fvi=ipηpFp]=2232.5N

式中，ip為制動踏板杠桿比，取4.7；ηp為制動踏板效率，取0.95；Fp為制動踏板力，取500N。

根據(jù)真空助力器和總泵輸入輸出特性曲線，此值遠(yuǎn)大于真空助力器最大輸入力1600N，如圖2所示，取總泵最大輸出壓力8.5MPa。

假如不考慮ABS控制，系統(tǒng)壓力相等，則制動系統(tǒng)能夠提供的前后最大制動力[5]：

[Ff=2Pfπd2f4BFfrfR]=16117N

[Fr=2Prπd2r4BFrrrR]=6917N

式中，F(xiàn)f為前制動器制動力;Pf為前輪缸制動壓力，取8.5MPa;df為前制動器輪缸直徑，2×45mm；BFf為前制動器效能因數(shù)，0.76；rf為前輪有效制動半徑，取127.5mm。Fr為后制動器制動力；Pr為后輪缸制動壓力，取8.5MPa；dr為后制動器輪缸直徑，23.81mm；BFr為后制動器效能因數(shù)，取2.2；rr為后輪有效制動半徑，取135mm。

經(jīng)計算對比，地面附著系數(shù)為0.7時，制動系統(tǒng)所能提供的制動力大于地面所需的摩擦力，滿足制動要求。

6前后制動器制動力分配

制動系統(tǒng)決定制動力分配系數(shù)β，公式如下：

[β=FfFf+Fr=d2fBFfrfd2fBFfrf+d2rBFrrr]""""""（7）

計算出制動力分配系數(shù)β=0.7。

同步附著系數(shù)[φ0]為：

[φ0=（Lβ-b）/hg]""""""""""""（8）

根據(jù)整車參數(shù)，空載和滿載同步附著系數(shù)分別為：

[φ0空=0.578，φ0滿=0.725]

7制動減速度和制動距離

7.1制動減速度

地面附著系數(shù)和整車參數(shù)決定了制動減速度，假設(shè)路面附著系數(shù)[φ]=0.7。

空載情況下，[φ]＞[φ]0空，制動時，后輪先抱死，后輪剛抱死時，后輪制動力計算如下[2]：

[Fxb2=-φhgL+φhgFxb1+φGaL+φhg]""""""""（9）

[Fxb2=1-ββFxb1]""""""""""""（10）

[Fxb1=-φGaβL+φhg1-β+βφhg]"""""""（11）

根據(jù)整車參數(shù)：

Fxb1=8910N，F(xiàn)xb2=3823N

制動減速度：

[dudt=Fxb1+Fxb2m=6.5m/s2]

滿載情況下，[φ]＞[φ]0空，制動時，前輪先抱死，前輪剛抱死時，后輪制動力計算如下[2]：

[Fxb2=L-φhgφhgFxb1-Gbhg]""""""""（12）

[Fxb2=1-ββFxb1]"""""""""""（13）

得：

[Fxb1=GbφβL-φhgβ+β-1φhg]""""""""（14）

根據(jù)整車參數(shù)：

Fxb1=12910N，F(xiàn)xb2=8910N

制動減速度：

[dudt=Fxb1+Fxb2m=6.85m/s2]

滿足GB7258—2017《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》的空載減速度大于5.6m/s2，滿載減速度大于5.2m/s2的要求。

7.2制動距離

制動距離S的計算公式如下：

[S=13.6τ2+τ22v+v225.92dudt]""""""（15）

式中，[v]為制動初速度；[τ2+τ22]為制動器的作用時間，0.2～0.9s，取0.25s。

[v]取30km/h時，則S空=7.34m，S滿=7m。滿足GB7258—2017《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》，制動初速度30km/h，空載檢驗制動距離要求小于等于8m，滿載檢驗制動距離要求小于等于9m的要求。

[v]取60km/h時，則S空=25m，S滿=24m。滿足GB12676—2014《商用車輛和掛車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗方法》[6]，制動初速度60km/h，空滿載檢驗制動距離要求小于等于37m的要求。

8制動踏板行程

制動總泵行程包含自由行程、工作行程和制動軟管膨脹制動總泵增加的行程。

制動總泵空行程（1.8±0.2）mm，取δ1=2mm[7]。

制動總泵第一腔行程17.5mm，第二腔行程16mm。

制動總泵工作行程：

[δ2=2nfd2fδf+2nrd2rδrd2m]=7.7mm

式中，nf為前制動器輪缸數(shù)，取2；δf為前制動器摩擦片間隙0.3～0.4mm，根據(jù)試驗[8]，液壓8.5MPa，輪缸行程0.8mm左右，取0.8mm；nr為后制動器輪缸數(shù)，取1；δr為后制動器摩擦片間隙0.5～0.7，根據(jù)試驗，液壓8.5MPa，輪缸行程1.2mm左右，取1.2mm；dm為制動主缸直徑，取32mm。

前制動軟管膨脹量：

V1=2kM1=1056mm3

式中，k為軟管變形系數(shù)，取1.1mL/m[9]；M1為前制動軟管長度，0.48m。

后制動軟管膨脹量：

V2=2kM2=1056mm3

式中，M2為后制動軟管長度，0.48m。

制動主缸增加排量：

V=V1+V2=2102mm3

制動主缸增加行程：

[δ3=4Vπd2m=2.6mm]

制動踏板總行程：

δ=δ1+δ2+δ3=12.3mm

制動踏板行程：

S3=δip/ηp=60mm

式中，ip為制動踏板杠桿比-4.7，踏板全行程St，取150mm。

由上可知，制動踏板行距S3占踏板全行程St的比例S3/St=40%。

因此，滿足GB7258—2017《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》制動踏板行程小于150mm，小于全行程的4/5。

對于單腔失效踏板行程，取踏板行程最大情況來計算。

前輪缸數(shù)量多，輪缸直徑大，對應(yīng)總泵行程大，假設(shè)后輪缸失效，整個踏板行程最大，前腔失效行程δ4=17.5mm。

后腔失效時，制動主缸行程：

[δ5=2nfd2fδfd2m]=6.3mm

前制動軟管膨脹排量：

[δ6=4V1πd2m]=1.3mm

制動主缸總行程：

δ失=δ1+δ4+δ5+δ6=26.3mm

制動踏板行程：

S失=δ失ip/ηp=130mm

單個輪缸失效時，踏板行程小于踏板的全行程，滿足制動要求，制動踏板行程與踩踏板的快慢及管路中是否還有殘留的空氣有關(guān)[10]。

9制動踏板力

車輛滿載在附著系數(shù)[φ]=0.7的路面制動時，[φ]lt;[φ]0，前輪先抱死，前輪制動力與前制動器制動力相等。則：

Fxb1=Ff=12910N

[Ff=2Pfπd2f4BFfrfR]

Pf=6.8MPA

根據(jù)真空助力器和總泵輸入輸出特性曲線，制動總泵輸入力FP=800N，則：

[F=Fpipηp=165N]

因此，滿足GB7258—2017《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》制動踏板行程小于500N的要求。

10駐車制動計算

駐車制動力滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，可參考文獻(xiàn)[11]。

11試驗測試

試驗設(shè)備：筆記本電腦/壓力傳感器/采集設(shè)備/V-BOX/陀螺儀。場地：襄陽東風(fēng)汽車試驗場。滿載，初速度60km/h，制動距離23m，實驗結(jié)果略小于理論計算，原因是試驗場路面附著系數(shù)大于0.7。

12結(jié)語

通過上述計算，筆者所在單位開發(fā)的3T級純電動物流車制動系統(tǒng)滿足法規(guī)相關(guān)要求。隨著純電動物流車市場需求增大，更多的廠家將投入開發(fā)此類車型。本文結(jié)合純電動物流車制動系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，全面介紹了液壓制動系統(tǒng)各個方面，為相關(guān)的設(shè)計者提供參考與借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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[8]潘仕喜.關(guān)于液壓制動系統(tǒng)設(shè)計之研討[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018（1）：122-124.

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作者簡介：

何國華，男，1977年生，高級工程師，研究方向為新能源商用車及專用車。