電動(dòng)汽車真空助力制動(dòng)系統(tǒng)仿真研究

陳鋒

摘 要：對(duì)電動(dòng)汽車真空助力系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，分析了踏板行程與真空度消耗關(guān)系、不同真空度條件下助力器的輸出性能關(guān)系、真空泵響應(yīng)是否滿足助力器等問題，仿真結(jié)果顯示，助力器輸出力與踏板輸入力相協(xié)調(diào)，符合制動(dòng)要求。真空泵抽速、啟停真空度、罐體大小與真空助力器的需求搭配合理。制動(dòng)主缸液壓壓力滿足制動(dòng)強(qiáng)度需求。在連續(xù)制動(dòng)時(shí)，真空罐內(nèi)真空度變化規(guī)律性好，每次制動(dòng)前真空罐真空度環(huán)境一致。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 真空助力 制動(dòng) 仿真

Simulation Research on Vacuum Assisted Braking System of Electric Vehicle

Chen Feng

Abstract：The article studied the modeling and simulation of the vacuum booster system of electric vehicles， and analyzed the relationship between pedal stroke and vacuum consumption， the relationship between the output performance of the booster under different vacuum conditions， and whether the response of the vacuum pump meets the booster. The simulation results show that the output force is coordinated with the pedal input force and meets the braking requirements. The vacuum pumping speed， start-stop vacuum degree， tank size and vacuum booster requirements are reasonably matched. The hydraulic pressure of the brake master cylinder meets the requirements of braking intensity. During continuous braking， the vacuum degree in the vacuum tank changes regularly， and the vacuum degree environment of the vacuum tank is consistent before each braking.

Key words：electric vehicle， vacuum assist， braking， simulation

1 引言

絕大多數(shù)轎車和微型汽車采用真空助力伺服制動(dòng)系統(tǒng)[1]。國內(nèi)對(duì)汽車真空助力制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了較多研究[1-3]。本文搭建了真空泵+真空罐+助力器系統(tǒng)模型，研究踏板行程對(duì)真空度消耗的關(guān)系，研究不同真空度條件下助力器的輸出性能關(guān)系，仿真制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力輸出曲線，評(píng)價(jià)真空泵抽速、啟停真空度、真空罐大小是否匹配助力器。

2 制動(dòng)系統(tǒng)建模

2.1 建模思路

在汽車制動(dòng)系統(tǒng)中，真空助力器通過三通管與真空助力泵和真空罐相連，為整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)提供負(fù)壓源。真空泵和真空管的大小直接影響制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能。為此，為研究真空泵性能，搭建了制動(dòng)系統(tǒng)模型，如圖1所示。

由于主缸、制動(dòng)管路和卡鉗在制動(dòng)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生主動(dòng)制動(dòng)力，故可以作為負(fù)載，使用彈簧代替而不影響踏板行程。

2.2 建模方法

2.2.1 助力器建模方法

先簡(jiǎn)化真空助力裝置，將真空助力器機(jī)械系統(tǒng)簡(jiǎn)化為推桿總成、內(nèi)彈簧座、皮碗、閥體（活塞盤）、輸出推桿、反饋盤、雙助力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等七個(gè)部件和四個(gè)彈簧部件。然后根據(jù)其相互作用關(guān)系，用數(shù)學(xué)模型（質(zhì)量塊和接觸）進(jìn)行搭建重現(xiàn)。使用閥類數(shù)學(xué)模型構(gòu)建空氣閥座和皮碗之間的空氣閥，閥體和皮碗之間的真空閥。使用容腔類數(shù)學(xué)模型搭建真空室和空氣室。

2.2.2 真空泵建模方法

真空泵ECU主要功能是檢測(cè)真空腔的氣壓，在-50kpa啟動(dòng)真空泵，-70kpa停止真空泵。故使用邏輯運(yùn)算回路進(jìn)行簡(jiǎn)化。真空泵使用理想抽氣泵數(shù)學(xué)模型進(jìn)行替代。電機(jī)部分采用額定恒轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型替代。

3 建模仿真與結(jié)果

3.1 踏板行程與真空度消耗關(guān)系

采用C公司X車型的真空助力器和真空罐進(jìn)行搭建，其中助力器為單膜片單助力比8英寸型號(hào)，真空罐的體積為2L。真空罐和真空腔的初始真空度為-66.7kpa。搭建的仿真模型如圖2所示。

在30s內(nèi)從0-300N勻速踩踏板，獲得踏板行程與真空罐真空度損失的關(guān)系曲線如圖3、圖4所示。

3.2 真空度與助力器輸出性能的關(guān)系

在3.1模型的基礎(chǔ)上，通過對(duì)真空罐加上恒壓源，即可標(biāo)定真空罐和真空腔的真空度。運(yùn)用變量工具，通過對(duì)恒壓源設(shè)置不同的氣壓，即可獲得不同真空與助力器輸出性能曲線。搭建仿真模型模型如圖5所示。

分別采用-70kpa，-66.7kpa，-60kpa，-50kpa，-40kpa，-30kpa，-20kpa，-13.7kpa的真空度進(jìn)行仿真，獲得真空助力器在不同真空度條件下的輸出性能曲線，如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著真空度的增大，真空助力器制動(dòng)力輸出越大，最大助力點(diǎn)出現(xiàn)的越遲，可以獲得更多的大氣伺服助力;同時(shí)始動(dòng)力不斷減小。真空助力比不受影響。

3.3 真空泵響應(yīng)滿足制動(dòng)需求驗(yàn)證

研究真空泵的響應(yīng)主要是關(guān)注真空泵的抽速，啟停真空度，罐體大小是否滿足搭配的助力器。典型的問題包括抽速不足，啟停真空度范圍過大、過小，罐體大小不合適等。一般來說，抽速不足會(huì)導(dǎo)致真空度達(dá)不到規(guī)定要求，導(dǎo)致制動(dòng)力輸出不足。啟停真空度主要影響踏板感和真空泵的使用壽命，范圍過寬，影響連續(xù)制動(dòng)踏板感不一致，范圍過小，導(dǎo)致真空泵頻繁啟動(dòng)停止，影響使用壽命。真空罐大小不合適通常也會(huì)導(dǎo)致連續(xù)制動(dòng)踏板感不一致。為此建立真空泵+真空助力器+輸出的動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖7所示。

定義制動(dòng)工況：車輛啟動(dòng)后30s，連續(xù)制動(dòng)5次（制動(dòng)時(shí)間4s，間隔6s），要求每次制動(dòng)的管路壓力大于10MPa，踏板力不大于 500N。計(jì)算獲得相關(guān)響應(yīng)曲線如下。

由圖8可知，助力器輸出力與踏板輸入力相協(xié)調(diào)，符合制動(dòng)要求。說明真空泵抽速，啟停真空度，罐體大小與真空助力器的需求搭配合理。

由圖9可知，在踏板力不大于500N的條件下，制動(dòng)主缸液壓可達(dá)到10.5MPa，滿足制動(dòng)強(qiáng)度需求。

由圖10可知，在連續(xù)制動(dòng)時(shí)，真空罐內(nèi)真空度變化規(guī)律性好，每次制動(dòng)前真空罐真空度環(huán)境一致。

4 結(jié)語

（a）搭建了真空泵+真空罐+助力器系統(tǒng)模型，研究了踏板行程對(duì)真空度消耗的關(guān)系;（b）研究了不同真空度條件下助力器的輸出性能關(guān)系。仿真結(jié)果顯示，隨著真空度的增大，真空助力器制動(dòng)力輸出越大，最大助力點(diǎn)出現(xiàn)的越遲，可以獲得更多的大氣伺服助力;同時(shí)始動(dòng)力不斷減小。真空助力比不受影響;（c）研究了真空泵響應(yīng)是否滿足搭配的助力器。仿真結(jié)果顯示，助力器輸出力與踏板輸入力相協(xié)調(diào)，符合制動(dòng)要求。真空泵抽速、啟停真空度、罐體大小與真空助力器的需求搭配合理。制動(dòng)主缸液壓壓力滿足制動(dòng)強(qiáng)度需求。在連續(xù)制動(dòng)時(shí)，真空罐內(nèi)真空度變化規(guī)律性好，每次制動(dòng)前真空罐真空度環(huán)境一致。

參考文獻(xiàn)：

[1]張海軍，郝占武，金敘龍，李保權(quán).電動(dòng)汽車真空助力制動(dòng)系統(tǒng)的匹配計(jì)算與研究.汽車技術(shù)，2012，4：36～38，43.

[2]林逸，賀麗娟，何洪文，陳瀟凱.電動(dòng)汽車真空助力制動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算研究.汽車技術(shù)，2006，10：19-22.

[3]詹爽，熊會(huì)元，于麗敏，周玉山.電動(dòng)汽車真空助力制動(dòng)系統(tǒng)的匹配優(yōu)化方法研究.機(jī)床與液壓，2016，5：51-56.