某電動輕卡車真空助力制動系統的匹配設計

李海龍

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 211100）

某電動輕卡車真空助力制動系統的匹配設計

李海龍

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 211100）

文章分析了電動輕卡車真空助力制動系統研究的必要性，對真空助力系統的主要部件真空助力器、真空筒、電動真空泵進行分析計算，重點闡述了真空助力器和間歇性控制系統的匹配性能要求，并以躍進某電動輕卡車為例，給出了完整的匹配計算流程。整車初步試驗表明，所匹配的真空助力系統能夠滿足該電動輕卡車的相關標準要求，其電動真空助力系統設計合理。

真空助力系統；真空筒；電動真空泵；間歇性控制系統

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.006

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-16-04

引言

輕卡汽車較多采用真空助力伺服制動系統，使人力和動力共同作用，而電動車由于沒有發動機，無法為真空助力系統提供動力源，喪失了真空助力功能，而僅用人力又無法滿足行車制動性能的需要，因此需要對輕卡電動車的真空助力系統進行必要的改制，本文以躍進某輕卡電動車為例，對電動真空助力系統進行系統化匹配設計，設計不僅能夠滿足制動系統性能的要求，還能夠為電動真空助力系統主要部件選型提供理論依據。

1、電動真空助力系統的組成

電動真空助力系統的基礎結構包括：制動踏板、電動真空泵、真空助力器、真空筒和真空管路，如圖1所示。

電動真空助力系統的真空源由電動真空泵提供給真空助力器，助力器安裝在制動踏板和制動主缸之間，由踏板和助力器產生的力疊加在一起作用在制動主缸的推桿上，以提高制動主缸的輸出力。

2、電動真空助力系統匹配設計實例

W——汽車總重量，25000N

L——軸距， 2.5m

a——汽車質心至前軸中心線的距離，1.368m

b——汽車質心至后軸中心線的距離，1.132m

φ——地面附著系數，0.7

H——汽車質心高度，0.59m

g——重力加速度

j——汽車制動減速度，0.7g

2.2真空助力器的性能參數的確定

真空助力器的真空伺服氣室由帶有橡膠膜片的活塞分為常壓室與變壓室（ 大氣閥打開時可與大氣相通）。真空助力器所能提供助力的大小取決于其常壓室與變壓室氣壓差值的大小。當變壓室的真空度達到外界大氣壓時，真空助力器可以提供最大的制動助力。

根據真空助力器的工作原理[2]，可以近似地求出與真空助力器的最大助力點對應的輸入力F1與輸出力F2，最大助力點的輸出力與輸入力之比，即助力比is。設真空助力器變壓腔的真空度為零，不考慮助力器的機械效率，且忽略復位彈簧的反力和制動主缸推桿截面積的影響，可列出下列平衡方程式，真空助力器的性能計算公式如下：

D1--伺服膜片有效直徑 ，0.217m

d1--橡膠反作用盤直徑 ，0.028m

d2--滑柱直徑，0.012m

p --真空助力器常壓腔的真空度 Pa

F1--最大助力點對應的輸入力N

F2--最大助力點對應的輸出力N

is--助力比，5

從真空助力器的性能計算公式可以看出，增加伺服膜片的有效直徑D1，可以直接增加真空助力器的輸出力。因此選擇真空助力器伺服膜片時，可以適當選擇略大于匹配要求的伺服膜片，該真空助力器的輸入輸出性能曲線如圖2所示。

2.3不同真空度下踏板力和制動液壓輸出特性的確定

根據真空助力器的工作特性，計算最大助力點前的踏板力Ff［34］和最大助力點后的踏板力Fr為：

Ff=F/ip/is/μ1

Fr= F/ip-（is-1）F1/ip/μ1

制動總泵輸出的壓力P為：

P=4Fμ2/π/D2

D--制動總泵直徑，0.022m

μ1—制動踏板的機械效率

μ2--真空助力器及制動總泵效率

ip--制動踏板機構的傳動比，4

F--真空助力器輸出力

由上述計算可以得出不同真空度下踏板力和制動液壓輸出特性，如圖3所示。

2.4計算制動器的制動力矩T和制動力Fz

T= PRzBηn/4，Fz=T/R

Rz--制動有效半徑，0.106/0.125 m

R--車輪滾動半徑，0.317 m

B--制動效能因數，0.8/4.8

d--分泵直徑，0.066/0.019 m

η--分泵效率

根據公式可知車輪在0.7g減速度下，車輪最大制動力為17.15 kN，對應的制動液壓壓力為 6Mp，踏板力根據試驗取400N（根據國標GB 12676［5］要求，N1車最大踏板力小于等于700N），以需要的最大制動力作為制動器的制動力，可以求得液壓管路壓力，可在踏板力與制動液壓輸出特性曲線圖上求得對應的最小真空度是-40kPa，如圖4所示。

2.5真空系統的間歇性控制模塊

如果采用真空泵直接與電源直接相連的方案， 一旦汽車接通電源， 真空泵就開始持續工作， 這樣的工作情況比較苛刻，根據整車道路試驗情況，當汽車在城市工況下行駛8000多公里之后，電動真空泵出現性能嚴重下降或損壞的情況，制動系統是汽車安全部件，8000公里的運行里程是不符合要求的。為保證電動汽車的易操縱性和安全性，同時考慮到真空助力制動系統中的真空泵壽命和真空系統能源的消耗，需在真空系統中增加間歇性控制模塊，其控制的基本策略為，當駕駛員發動汽車時，控制模塊開始自檢，如果真空筒內的真空度小于-80kPa，電動真空泵將接通電源，真空泵開始工作，當真空度達到-80kPa時，真空泵斷開電源，之后每次駕駛員有制動動作時，控制模塊都會檢查真空系統的真空度，當真空度降到-40KPa時，真空助力器不能提供有效的真空助力， 此時電動真空泵的將再次接通電源繼續工作，直到真空度再次達到-80kPa 時停止工作。真空泵由-80KPa到-40KPa時真空泵不工作，如此循環，從而降低真空泵的工作頻率，提高真空泵的壽命，真空系統間歇性控制模塊策略如圖5所示。

2.6真空筒容積的確定

真空筒作為一個儲能裝置，對車輛的真空助力系統內的真空起到存儲和穩定作用，在制動過程中，防止系統中的真空下降過快，造成助力性能下降，引起的踏板發硬。

設定真空助力器總體積為Vz（L），真空筒體積為Vt（L），真空助力器工作腔體積 Vg（L），P0為大氣壓（KPa），P為原系統的壓力（KPa），P剩1制動后剩余的系統壓力（KPa），由于制動踏板釋放時間較短，可認為空氣閥關閉時間也很短，因此可忽略過程中的空氣進入量，故認為一次有效制動的空氣進入量為真空助力器的有效體積。

第一次制動后真空筒的真空度計算公式如下：

第n次制動后真空筒的真空度計算公式如下：

真空筒的容積大小還需與真空泵抽真空能力相匹配，若真空泵抽真空能力強或抽真空速率平穩，則真空筒的容積可以取小值甚至可以取消真空筒裝置；若真空泵抽真空能力弱，則真空筒的容積可以取大值。該電動車的真空筒的容積取3L。

2.7電動真空泵抽氣能力的確定

電動真空泵為電動真空助力系統的動力源，其抽真空的能力直接影響著車輛連續制動和車輛起步的制動性能。根據標準，電動真空助力系統的設計要求如下：

1）車輛起動，電動真空泵工作6S，制動1次（時間為4S），其制動時的管路壓力為50bar，其制動踏板力不大于400N。

2）車輛起動，電動真空泵工作35S，連續制動5次，（制動時間為4S，間隔6S），每次制動時的管路壓力為100bar，首次制動時，其制動力不超過 300N，后續四次的制動踏板力不大于500N。

根據電動真空助力系統性能要求，初步選擇了Hella-UP28電動真空泵，其性能曲線如圖6所示。

3、整車道路試驗

通過在試驗場模擬的整車在城市工況循環的試驗，制動專項試驗數據結果見表 1， 所設計的電動真空助力系統可以為該電動車車提供足夠的制動助力，且制動距離和制動減速度在法規規定范圍之內，同時，在整車道路試驗中電動真空泵的抽氣能力能滿足連續多次制動的要求。

表1 制動專項試驗結果

4、結論

電動制動真空助力系統，在設計初期就應該將真空助力器性能參數、真空筒的容積及真空泵抽真空能力確定，在電動真空泵的設計或選擇上，應盡量使真空度滿足制動性能的要求，通過對電動真空系統的間歇性控制模塊的設計，提高了真空泵的使用壽命，由原來的8000Km提高到了45000Km。根據整車道路試驗效果可知，此套設計方案符合電動真空助力系統的設計理論，達到了優化設計目的。

[1] 余志生.汽車理論[M].北京: 機械工業出版社,1989.

[2] 方泳龍.汽車制動理論與設計[M].北京: 國防工業出版社,2005.

[3] 劉惟信.汽車制動系的結構分析與設計計算[M].北京:清華大學出版社,2004.

[4] 汽車工程手冊編委會.汽車工程手冊[M].北京:人民交通出版社，2001.

[5] GB12676-2014.商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法[S].北京:中國標準出版社,1999.

The design on the vacuum assistbrake system of the electric light truck

Li Hailong
( Nanjing Iveco Automobile Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 211100 )

The necessity of the vacuum assist brake system of the electric light truck is analyzed.It explains calculating method of components of booster,vacuum tank and electric vacuum pump individually,especially for booster and the vacuum pump designing.It takes the YUE JIN light truck as the example and shows the complete calculation process. According to the result of test,the designed system can meet the requirements of correlative standard,The electric vacuum system parameters is reasonable.

vacuum assist brake system; vacuum tank; vacuum pump; intermittent control module

U469.7

A

1671-7988（2015）09-16-04

李海龍，底盤設計工程師，就職于南京依維柯汽車有限公司，主要從事制動性能匹配方面的研究工作。