1、 北 京 汽 车 2 0 0 7 . N o . 6北京汽车 一 种 用 于 电 动 汽 车 的 真 空 助 力 制 动 系 统 设 计 文 章 编 号 : 1 0 0 2 - 4 5 8 1 ( 2 0 0 7 ) 0 6 - 0 0 2 7 - 0 3一 种 用 于 电 动 汽 车 的 真 空 助 力 制 动 系 统 设 计张 欣 宇 , 黄 妙 华 , 夏 青 松Z H A N G X i n - y u , H U A N G M i a o - h u a , X I A Q i n g - s o n g( 武 汉 理 工 大 学 汽 车 工 程 学 院 , 湖 北 武 汉 , 4
2、 3 0 0 7 0 )摘 要 : 文 中 给 出 了 某 型 电 动 轿 车 完 整 的 制 动 系 统 的 计 算 参 数 , 并 对 真 空 助 力 制 动 系 统 的 性 能 进 行 了 分 析 计 算 ,并 根 据 计 算 结 果 , 设 计 了 电 动 真 空 助 力 制 动 系 统 。 通 过 整 车 道 路 试 验 验 证 , 所 设 计 的 电 动 真 空 助 力 制 动 系 统 合 理 。关 键 词 : 电 动 汽 车 ; 制 动 系 统 ; 电 动 真 空 泵中 图 分 类 号 : U 4 6 9 . 7 2 : U 4 6 3 . 5 文 献 标 识 码 : A0 前
3、言电 动 汽 车 作 为 一 种 节 能 、 无 污 染 的 理 想 “ 零排 放 ” 车 辆 , 正 日 益 受 到 世 界 各 国 的 普 遍 关 注 与重 视 。 但 由 于 技 术 上 的 制 约 及 现 实 国 情 的 因 素 ,我 国 对 电 动 汽 车 的 各 种 研 究 , 绝 大 多 数 都 只 能 在现 有 内 燃 机 汽 车 的 基 础 上 进 行 改 装 。绝 大 多 数 的 轿 车 多 采 用 真 空 助 力 伺 服 制 动系 统 , 使 人 力 和 动 力 并 用 。 传 统 内 燃 机 轿 车 的 制动 系 统 真 空 助 力 装 置 的 真 空 源 来 自 于
4、发 动 机 进气 歧 管 , 真 空 度 负 压 一 般 可 达 到 0 . 0 5 0 . 0 7 M P a 。对 于 由 传 统 车 型 改 装 成 的 纯 电 动 车 或 燃 料 电 池汽 车 , 发 动 机 总 成 被 拆 除 后 , 制 动 系 统 由 于 没 有真 空 动 力 源 而 丧 失 真 空 助 力 功 能 , 仅 由 人 力 所 产生 的 制 动 力 无 法 满 足 行 车 制 动 的 需 要 , 因 此 需 要对 制 动 系 统 真 空 助 力 装 置 进 行 改 制 , 而 改 制 的 核心 问 题 是 产 生 足 够 压 力 的 真 空 源 。以 基 于 某 车
5、型 研 发 的 纯 电 动 轿 车 为 例 , 对 其真 空 助 力 制 动 系 统 进 行 计 算 分 析 , 在 保 证 制 动 性能 的 前 提 下 , 设 计 了 间 歇 性 工 作 的 电 动 真 空 发 生系 统 , 为 电 动 真 空 助 力 制 动 系 统 的 设 计 提 供 理 论依 据 。1 真 空 助 力 制 动 系 统 性 能 要 求 分 析以 往 研 究 人 员 对 电 动 汽 车 上 的 真 空 助 力 源改 制 的 办 法 主 要 是 凭 借 经 验 选 择 一 个 具 有 足 够排 气 量 的 电 动 真 空 泵 。 但 是 , 考 虑 到 行 车 时 制 动的
6、 可 靠 性 及 能 源 的 节 约 , 有 必 要 对 真 空 助 力 制 动系 统 的 性 能 进 行 合 理 的 分 析 计 算 , 以 此 为 电 动 真空 泵 的 选 择 或 设 计 提 供 理 论 依 据 。原 车 制 动 系 统 采 用 双 管 路 液 压 - 真 空 助 力制 动 系 统 , 前 制 动 器 采 用 双 膜 片 式 真 空 助 力 器 , 4轮 缸 对 称 式 制 动 钳 和 盘 式 制 动 器 。 真 空 助 力 器 安装 于 制 动 踏 板 和 制 动 主 缸 之 间 , 由 踏 板 通 过 推 杆直 接 操 纵 。 助 力 器 与 踏 板 产 生 的 力
7、叠 加 在 一 起 作用 在 制 动 主 缸 推 杆 上 , 以 提 高 制 动 主 缸 的 输 出 压力 。 真 空 助 力 器 的 真 空 伺 服 气 室 由 带 有 橡 胶 膜 片的 活 塞 分 为 常 压 室 与 变 压 室 , 一 般 常 压 室 的 真 空度 为 6 0 8 0 k P a , 即 真 空 泵 可 以 提 供 的 真 空 度 大小 。 真 空 助 力 器 所 能 提 供 助 力 的 大 小 取 决 于 其 常压 室 与 变 压 室 气 压 差 值 的 大 小 。 当 变 压 室 的 真 空度 达 到 外 界 大 气 压 时 , 真 空 助 力 器 可 以 提 供 最
8、 大的 制 动 助 力 。在 保 持 制 动 系 统 其 他 结 构 不 变 的 情 况 下 , 只 2 7 北 京 汽 车 2 0 0 7 . N o . 6北京汽车 一 种 用 于 电 动 汽 车 的 真 空 助 力 制 动 系 统 设 计 用 电 动 真 空 泵 替 代 原 发 动 机 驱 动 的 真 空 泵 , 在 满足 制 动 性 能 要 求 的 前 提 下 , 对 所 需 最 小 真 空 度 数值 进 行 分 析 计 算 。利 用 真 空 助 力 器 的 输 入 、 输 出 特 性 , 可 以 求得 踏 板 力 与 液 压 输 出 特 性 , 如 图 1 所 示 , 继 而 可以
9、求 得 制 动 轮 缸 对 制 动 块 施 加 的 力 及 盘 式 制 动器 的 制 动 力 矩 , 最 后 计 算 得 出 真 空 助 力 制 动 系统 所 需 要 的 最 小 真 空 度 值 。 对 于 不 同 车 型 所 装备 的 不 同 类 型 的 制 动 器 , 需 要 选 择 不 同 的 计 算公 式 。 以 上 计 算 流 程 是 以 车 轮 上 的 盘 式 制 动 器为 例 ; 对 于 鼓 式 制 动 器 , 计 算 流 程 相 同 , 只 是 计算 制 动 轮 缸 对 鼓 式 制 动 器 的 力 的 计 算 公 式 的 选择 不 同 而 已 。图 1 真 空 助 力 器 输
10、入 、 输 出 特 性设 定 最 初 输 入 真 空 度 值 为 8 0 k P a , 步 长 p = - 1 k P a , 当 计 算 出 的 制 动 器 的 制 动 力 小 于 车轮 需 要 的 最 大 制 动 力 8 . 3 1 9 k N 时 , 运 算 停 止 , 输出 上 一 步 的 真 空 度 值 作 为 真 空 助 力 制 动 系 统 所需 要 的 最 小 真 空 度 值 。 计 算 结 果 表 明 : 改 装 后 的电 动 汽 车 需 要 的 最 小 真 空 度 是 3 4 k P a , 此 时 , 在踏 板 力 满 足 设 计 要 求 的 情 况 下 , 计 算 所
11、得 制 动 器的 制 动 力 为 8 . 3 2 3 k N 。 踏 板 力 与 制 动 器 的 制 动 力变 化 关 系 如 图 2 所 示 。图 2 踏 板 力 与 制 动 器 的 制 动 力 变 化 关 系2 电 动 真 空 发 生 系 统 设 计根 据 计 算 结 果 , 选 择 了 B O S C H 公 司 生 产 的1 2 V 电 动 真 空 泵 。 该 真 空 泵 的 基 本 性 能 曲 线 如 图3 所 示 。图 3 真 空 压 力 与 真 空 泵 排 气 量 关 系 曲 线如 果 采 用 真 空 泵 直 接 与 1 2 V 电 源 直 接 相 连的 方 案 , 一 旦 汽
12、车 接 通 1 2 V 电 源 , 真 空 泵 就 开 始持 续 工 作 , 这 样 的 工 作 情 况 比 较 苛 刻 , 根 据 整 车道 路 试 验 情 况 , 当 汽 车 在 城 市 工 况 下 行 驶6 0 0 0 k m 之 后 , 电 动 真 空 泵 出 现 损 坏 的 情 况 , 根 据真 空 泵 寿 命 试 验 结 果 可 知 , 真 空 泵 持 续 工 作 的 时间 为 2 1 8 h , 制 动 系 统 是 汽 车 安 全 部 件 , 6 0 0 0 k m的 正 常 运 行 里 程 是 不 符 合 要 求 的 。为 保 证 电 动 汽 车 的 易 操 纵 性 和 安 全
13、 性 , 考 虑到 真 空 助 力 制 动 系 统 中 的 真 空 泵 寿 命 和 真 空 系统 能 源 的 消 耗 , 对 真 空 发 生 系 统 的 设 计 提 出 以 下几 点 要 求 :( 1 ) 考 虑 到 行 车 时 制 动 的 可 靠 性 , 根 据 对 电动 汽 车 上 所 需 的 真 空 泵 排 气 量 的 计 算 , 选 择 合 适排 气 量 的 电 动 真 空 泵 ;( 2 ) 考 虑 到 真 空 泵 的 使 用 寿 命 , 应 采 用 合 适的 真 空 泵 控 制 单 元 , 根 据 对 该 真 空 泵 试 验 分 析 和实 际 的 汽 车 操 纵 需 要 , 使 用
14、合 适 的 真 空 压 力 延 时开 关 , 对 真 空 泵 做 出 实 时 关 闭 或 开 启 指 令 ;( 3 ) 增 加 控 制 单 元 后 , 必 须 配 备 真 空 储 能罐 , 以 保 证 汽 车 操 纵 的 需 要 。由 此 , 电 动 真 空 助 力 制 动 系 统 的 基 本 构 成 如图 4 所 示 。真 空 泵 采 用 间 歇 性 工 作 的 模 式 , 给 真 空 泵 配备 一 个 控 制 单 元 , 根 据 实 验 和 计 算 结 果 , 该 控 制单 元 的 控 制 策 略 定 为 : 2 8 北 京 汽 车 2 0 0 7 . N o . 6北京汽车图 4 真 空
15、 助 力 制 动 系 统 基 本 结 构( 1 ) 接 通 汽 车 1 2 V 电 源 , 压 力 延 时 开 关 闭合 , 真 空 泵 大 约 工 作 3 0 s 后 开 关 断 开 , 此 时 真 空罐 内 压 力 大 约 为 - 8 0 k P a ;( 2 ) 当 真 空 罐 内 压 力 增 加 到 - 5 5 k P a 时 , 压力 延 时 开 关 再 次 闭 合 ;( 3 ) 当 真 空 罐 内 压 力 增 加 到 大 约 - 3 4 k P a时 , 压 力 报 警 器 发 出 信 号 。如 果 真 空 泵 控 制 开 关 有 很 明 显 的 短 时 间 开启 和 关 闭 ,
16、说 明 发 生 了 泄 漏 。该 真 空 发 生 系 统 的 基 本 工 作 原 理 为 : 当 驾 驶员 发 动 汽 车 时 , 1 2 V 电 源 接 通 , 压 力 延 时 开 关 和压 力 报 警 器 开 始 压 力 自 检 , 如 果 真 空 罐 内 的 真 空度 小 于 5 5 k P a , 压 力 膜 片 将 会 挤 压 触 点 , 从 而 接通 电 源 , 真 空 泵 开 始 工 作 ; 当 真 空 度 增 加 到5 5 k P a 时 , 压 力 延 时 开 关 断 开 , 然 后 通 过 延 时 继电 器 使 真 空 泵 继 续 工 作 大 约 3 0 s 后 停 止 ;
17、 每 次 驾驶 员 有 制 动 动 作 时 , 压 力 延 时 开 关 都 会 自 检 , 从而 判 断 电 动 真 空 泵 是 否 应 该 工 作 ; 如 果 真 空 罐 内的 真 空 度 低 于 3 4 k P a 时 , 真 空 助 力 器 不 能 提 供 有效 的 真 空 助 力 , 此 时 压 力 报 警 器 将 会 发 出 信 号 ,提 醒 驾 驶 员 注 意 行 车 速 度 。3 整 车 道 路 试 验初 选 真 空 罐 的 容 积 为 1 . 5 L , 通 过 装 车 试 验 ,在 城 市 工 况 循 环 下 运 行 , 制 动 效 果 数 据 见 表 1 ,据 各 国 汽
18、车 法 规 规 定 可 知 , 轿 车 制 动 的 最 大 踏 板力 一 般 为 5 0 0 N , 由 表 1 可 知 , 所 设 计 的 电 动 真 空发 生 系 统 可 以 为 该 车 提 供 足 够 的 制 动 助 力 , 且 制动 距 离 也 在 法 规 规 定 范 围 之 内 , 同 时 , 在 整 车 道路 试 验 中 能 满 足 连 续 多 次 制 动 的 要 求 。表 1 整 车 道 路 试 验 结 果通 过 真 空 发 生 系 统 间 歇 性 工 作 形 式 的 设 计 ,使 用 压 力 延 时 开 关 来 控 制 电 动 真 空 泵 的 工 作 情况 , 大 大 地 增
19、加 了 电 动 真 空 泵 的 正 常 使 用 里 程 。整 车 道 路 试 验 结 果 显 示 , 电 动 真 空 泵 正 常 使 用 里程 由 以 前 的 6 0 0 0 k m 增 加 到 6 0 0 0 0 k m 。4 结 论对 制 动 系 统 而 言 , 真 空 泵 产 生 的 真 空 度 越大 , 驾 驶 员 踩 踏 板 也 越 省 力 , 越 能 保 证 汽 车 制 动系 统 的 易 操 纵 性 。 因 此 , 在 对 真 空 助 力 制 动 系 统中 电 动 真 空 泵 的 设 计 或 选 择 上 , 应 尽 量 使 真 空 度满 足 制 动 性 能 的 要 求 。 计 算
20、分 析 表 明 , 所 改 装 的纯 电 动 汽 车 的 真 空 助 力 制 动 系 统 所 需 最 小 真 空度 为 3 4 k P a , 此 真 空 度 能 为 改 制 的 真 空 助 力 制 动系 统 提 供 足 够 的 制 动 助 力 , 并 且 , 设 计 的 间 歇 性真 空 发 生 系 统 有 效 地 提 高 了 电 动 真 空 泵 的 正 常使 用 里 程 。 根 据 整 车 道 路 试 验 结 果 可 知 , 所 设 计的 电 动 真 空 助 力 制 动 系 统 是 合 理 的 。参 考 文 献 1 刘 惟 信 . 汽 车 设 计 M . 北 京 : 清 华 大 学 出 版
21、 社 , 2 0 0 1 . 2 方 泳 龙 . 汽 车 制 动 理 论 与 设 计 M . 北 京 : 国 防 工 业 出版 社 , 2 0 0 5 . 3 余 志 生 . 汽 车 理 论 M . 北 京 : 机 械 出 版 社 , 1 9 8 9 . 4 汽 车 工 程 手 册 编 委 会 . 汽 车 工 程 手 册 M . 北 京 : 人 民交 通 出 版 社 , 2 0 0 1 .收 稿 日 期 : 2 0 0 7 - 0 7 - 1 7电 机 转 速 ( r / m i n ) 制 动 初 速 度 ( k m / h ) 制 动 距 离 ( m )1 6 6 8 3 2 6 . 71 4 2 0 2 6 5 . 21 2 2 3 2 3 4 . 1 一 种 用 于 电 动 汽 车 的 真 空 助 力 制 动 系 统 设 计 2 9
