电动真空助力制动系统设计

摘要 与传统内燃机汽车相比，电动汽车缺少真空助力制动系统所需的真空源，需增加一个具有足够排气量的电动真空发生系统。现以某型纯电动轿车为例，给出了完整的制动系统的计算参数，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，设计了间歇性工作的真空发生系统。整车道路试验表明，所设计的电动真空助力制动系统合理。主题词 电动汽车 制动系统电动真空泵前言目前，为了解决能源危机与环境污染问题，发展电动汽车在我国已达成共识，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发动机进气歧管，真空度负压一般可达到0.050.07 MPa。对于由传统车型改装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负压的真空源。本文以基于某车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分析与计算1. 1 性能分析与计算方法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通过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6080kPa，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常压室与变压室气压差值。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大的制动助力。在保持制动系统其他结构不变的情况下，只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，继而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，最后计算出真空助力制动系统所需要的最小真空度值，计算流程如图1所示。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。以下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力的计算公式的选择不同。1. 2 计算过程及结果分析以基于某车型研发的锂电池纯电动轿车为例，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，设计出合理的所需真空度。如果采用真空泵直接与12 V电源直接相连的方案，一旦汽车接通12 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6000 km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218 h，制动系统是汽车安全部件，6000 km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： 考虑到行车时制动的可靠性，根据对电动汽车所需的真空泵排气量的计算，选择适合排气量的电动真空泵； 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，使用合适的真空压力延时开关，对真空泵发出实时关闭或开启指令； 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3所示。真空泵采用间歇性工作模式，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： 接通汽车12 V电源，压力延时开关闭合，真空泵大约工作30 s后开关断开，此时真空罐内压力大约为-80kPa； 当真空罐内压力增加到-55 kPa时，压力延时开关再次闭合； 当真空罐内压力增加到约-34 kPa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，说明发生了泄漏。根据这个控制策略，设计的间歇性真空发生系统结构如图4所示。该间歇性真空发生系统的基本工作原理为：当驾驶员发动汽车时，12 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-55 kPa，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-55 kPa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30 s后停止；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-34 kPa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1.2 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2，据各国汽车法规规定可知，轿车制动的最大踏板力一般为500N，由表2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。通过真空发生系统间歇性工作形式的设计，即使用压力延时开关来控制电动真空泵的工作情况，大大增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6000 km增加到4万km。结语对制动系统而言，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-34kPa，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。