燃料電池城市客車制動系統設計計算*

婁 云，王占林，陳毅超

(1.河南工學院 車輛與交通工程學院，河南 新鄉 453003；2.新鄉市場地電動車工程中心，河南 新鄉 453003；3.開封技師學院 教務處，河南 開封 410202；4.南京金龍客車制造有限公司 技術處，江蘇 南京 211215)

0 引言

某燃料電池城市客車是為減少碳排放而開發的。該車采用全承載骨架車身結構、電機后置后驅動的直驅驅動系統[1]，前橋空載軸荷4.2噸，后橋空載軸荷4.8噸，主減速比為6.14，整車采用國產制動閥。

1 整車參數

整車參數見表1。

表1 整車參數表

2 制動系統設計計算

對制動系統設計進行計算的目的是校核制動系統相關設計要求，包含整車在空載及滿載時的制動距離、制動器提供的最大制動力、儲氣筒容積及空壓機排氣量。

確定質心位置所需參數見表2。

表2 確定質心位置所需參數表

1)前、后制動器制動力矩(協議直接提供)[2]。

Tu1=11900N·mTu2=11700N·m

該數值為廠家直接提供，均為單個車輪制動器制動力矩，計算前后軸制動力矩時需要考慮單軸雙側制動器，取上述數值的兩倍。

2)質心位置的確定[3]。

整車質心高度：1150mm(滿載)；1100mm(空載)

L1=G2L/G=(88200×4465)/129360=3044mm；

L1′=G2′L/G′=(61740×4465)/ 88200=3125.5mm；

L2=G1L/G=(41160×4465)/129360=1421mm；

L2′=G1′L/G′=(26460×4465)/ 88200=1339.5mm。

式中，G為滿載整車重量，G=mag=13200×9.8=129360N；G′為空載整車重量，G′=ma′g= 9000×9.8= 88200N；L1為滿載時質心至前軸中心線的距離，mm；L2為滿載時質心至后軸中心線的距離，mm；L1′為空載時質心至前軸中心線的距離，mm；L2′為空載時質心至后軸中心線的距離，mm。G1為滿載時前軸載荷(可測量得到)，G1=ma1g=4200×9.8=41160N；G1′為空載時前軸載荷(可測量得到)，G1′=ma1′g=2700×9.8=26460N；G2為滿載時后軸載荷(可測量得到)，G2=ma2g=9000×9.8=88200N；G2′為空載時后軸載荷(可測量得到)，G2′=ma2′g=6300×9.8=61740N。

3 制動系統原理圖

燃料電池城市客車制動系統原理圖[4]如圖1所示。

圖1 燃料電池城市客車制動系統原理圖

4 計算與校核

4.1 制動力分配系數及同步附著系數

1)汽車制動器制動力分配系數。

式中，β為制動力分配系數；Tμ1、Tμ2分別為前、后制動器制動力矩，單位N·m。

2)同步附著系數。

滿載時，汽車同步附著系數可由下式計算得出：

式中，ψ0為滿載同步附著系數；L為軸距，單位m；β為制動力分配系數；L2為滿載質心到后軸中心線的距離，單位m；hg為滿載質心高度，單位m。

空載時，汽車同步附著系數可由下式計算得出：

式中，ψ0′為空載同步附著系數；L2′為空載質心到后軸中心線的距離，單位m；hg′為空載質心高度，單位m。

滿載時，當附著系數ψ=ψ0=0.72在路面上制動時前、后輪同時抱死；空載時，當附著系數ψ=ψ0=0.828在路面上制動時前、后輪同時抱死[3]。

4.2 地面制動力的計算

1)制動強度的計算。

滿載時制動強度可由下式計算[5]：

z′=0.771

同理得空載時制動強度：

式中，z為滿載時制動強度；z′為空載時制動強度；ψ為車輪與路面間的附著系數，ψ取值0.75。

2)前、后附著力計算。

前附著力Fψ1：

后附著力Fψ2：

式中，G為汽車總重量，單位N；ψ為車輪與路面間的附著系數；FB為汽車制動力，單位N。

3)車輪的制動力矩。

前輪制動力矩Tf1max可由下式計算[6]：

Tf1max=Fψ1re=47601.73×0.452=21516N·m

后輪制動力矩Tf2max可由下式計算[6]：

Tf2max=Fψ2re=47601.73×0.452=21516N·m

式中，re=0.452m，為車輪有效半徑；Tf1max、Tf2max分別為前、后制動器的最大制動力矩，Tf1max′=21516/2=10758N·m，Tf2max′=22337/2=11168.5N·m；由Tf1max′

4.3 制動距離校核

1)滿載時，同步附著系數ψ0由4.1節得出為0.72(文獻[7]推薦ψ0≥0.5為宜)，符合要求。如圖2所示。

圖2 同步附著系數曲線圖

2)附著利用率與制動強度曲線圖如下，滿載狀態如圖3所示，空載狀態如圖4所示。

圖3 滿載狀態附著利用率與制動強度曲線圖

圖4 空載狀態附著利用率與制動強度曲線圖

根據GB12676—2014附錄A中A3.1.2.3要求，z在0.15～0.30之間，前、后軸的附著系數利用曲線位于φ=z±0.08確定的與理想附著系數利用直線平行的兩條直線之間，滿足要求；z≥0.3時后輪利用附著系數曲線在標準附著系數z≥0.3+0.74(φ～0.38)之下，滿載狀態與空載狀態均符合要求[12]。

3)制動距離的確定。

計算可得空載時制動距離S=7.0908m，符合要求(GB725—2017規定，滿載制動距離S<10m,空載S<9m)[11]。

因城市客車主要狀態為滿載運行，故考慮同步附著系數時應優先選擇滿載符合[8]。

4.4 儲氣筒的容積校核

制動系統氣體的溫度與外界溫度基本相同，可以根據以下公式計算制動系統的壓力及其壓力變化值[9]。

PiV=Pi+1V+PVs

ΔP=Pi-Pi+1

式中，P為標準大氣壓，單位Pa/m2；Pi為第i次全力制動后系統的壓力，單位Pa/m2。

國標GB12676—2014要求：機動車輛的儲能裝置(儲氣筒)應確保對行車制動系統控制裝置進行八次全行程制動后，剩余的壓力不低于規定的應急制動所需壓力。

根據上述公式可計算前橋及后橋制動氣室壓力及其壓力變化值。

1)前儲氣筒容積計算。

PiVa=Pi+1Va+2PVsi

Va=V儲+V管+2×Vsq

前橋制動管路走向如圖5所示。

圖5 前橋制動管路走向

采用12×1.5的PA管，前橋管路總長為5.56m，則管路的容積為：5.56×3.14×0.00452=0.000354m3=0.354L；前儲氣筒至腳閥總長為0.85m，該部分管路容積為：0.85×3.14×0.00452=0.000054m3=0.054L，則從腳閥到氣室部分的管路容積為0.3L。

初始狀態為：前儲氣筒和腳閥之間氣壓為初始氣壓，當踩動腳閥時，氣體通至氣室中。

下面為近似的計算：

PiV儲-腳=Pi+1V儲-室

V儲-腳=(V儲+0.054)

V儲-室=0.3+2×1.14=2.58L

當第八次踩踏制動踏板時：

帶入數據，可得V前≥24.49846L。

2)后儲氣筒容積計算。

后橋制動管路走向如圖6所示。

圖6 后橋制動管路走向

采用12×1.5的PA管，后橋管路總長為18.97m，則管路的容積為：18.97×3.14×0.00452=0.00121m3=1.21L，后儲氣筒至腳閥總長為9.18m，該部分管路容積為：9.18×3.14×0.00452=0.000054m3=0.5837L，同上計算得出后儲容積。

3)駐車儲氣筒容積。

駐車制動管路走向如圖7所示：

圖7 駐車制動管路走向

駐車制動與行車制動不同，首先整條管路中都有氣，當進行駐車制動時，氣室中氣體排空。駐車儲氣筒計算需反向計算。

駐車制動管路總長為21.64m。采用12×1.5的PA管，則管路的容積為：21.64×3.14×0.00452=0.0013759m3=1.3759L。

當完成一次駐車制動之后，氣室中的氣排空，此時的管路中的氣體容積為：19.54×3.14×0.00452=0.00124245m3=1.24245L。

國標GB 12676—2014要求：對機動車輛，在彈簧壓縮腔的初始壓力等于最大設計壓力的情況下，彈簧制動系統的設計應保證至少能夠進行三次“制動—解除制動”的操作。

同上計算得出駐車制動儲氣筒容積V手≥13.146L。

若在制動過程中，管路損耗、沿程損失及局部損失綜合取值為10%[10]，則此時各回路的容積分別取值為：V前≥24.49846L，V后≥29.354L，V手≥13.146L。

實際前軸制動器儲氣筒容積為25L，后軸制動器儲氣筒容積為30L，駐車制動儲氣筒容積為15L。

綜上，儲氣筒的容積可以滿足使用要求。

4.5 駐車制動器設計計算

根據GB12676—2014要求：駐車制動系統應能使滿載車輛在20%的上、下坡道上保持靜止。

汽車在上坡路上停駐時的后橋附著力為：

汽車在下坡路上停駐時的后橋附著力為：

汽車可能停駐的極限上坡路傾角α可根據后橋上的附著力與制動力相等的條件求得，即由：

計算可得：α=32.025°。

汽車下坡行駛時的縱向穩定性的極限坡路傾角如下：

計算可得：α=24.353°。

GB21670—2008要求滿載時駐車系統能夠在20%上下坡道上停駐，計算結果滿足GB21670—2008的要求[11]。

4.6 空壓機的排氣量校核

空壓機為車輛制動系統提供氣源，是整車比較耗電的部件之一，空壓機的選型一方面決定了整車制動系統功能的好壞，另一方面對新能源車輛的續航也有重要影響，排氣量是空壓機的一個重要參數，常用每分鐘的排氣體積來表示，排氣量適當與否直接影響新能源車輛行車安全和運行成本。

GB 12676—2014中附錄C[12]：

C.1.2.3.1 在最不利的儲能裝置上記錄時間t1不應超過如下要求：a)不允許掛接掛車的車輛為3min；b)允許掛接掛車的車輛為6 min。

C.1.2.3.2 在最不利的儲能裝置上記錄時間t2不應超過如下要求：a)不允許掛接掛車的車輛為6min； b)允許掛架掛車車車輛為9 min。

儲氣筒充氣時間計算公式為

將t=t1；t=t2分別代入上式計算可得V排1>=303 L/min，V排2>=233 L/min。其中，t1為整車儲氣筒氣壓提升到P0的65%時需要的時間，單位s；t2為整車儲氣筒氣壓升到P0時需要的時間，單位s；P0為儲氣筒額定壓力，單位Pa/m2；P為儲氣筒實際壓力，單位Pa/m2。該車選用某品牌AZF 3.0kW 型號滑片式空壓機，排氣量為320 L/min，滿足國標要求。

5 結語

由以上校核計算可知，所設計車型制動系統設計合理。滿足GB 7258—2017 《機動車運行安全技術條件》[12]、GB 12676—2014 《商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法》[12]等標準對制動系統的要求。