液壓助力制動系統設計與仿真研究*

魏 星，李 亮，張 斌，景 斌

（長沙中聯重科環境產業有限公司，長沙 410205）

0 引言

隨著城市道路環境冶理精細化發展，尤其是人行道、公園、景區、背街小巷等狹窄區域環境治理需求的提升，加上人口老齡化，環保從業人員意愿低等現狀[1]，小型低速電動環衛設備替代人工趨式越來越突顯[2]，但針對上述環衛使用場景的小型專用電動底盤的研究不多，尤其在制動方面，更多的是移植沿用乘用車、商用車領域技術。盡管隨著我國新能源政策的引導，越來越多的電動車應運而生，制動相關新技術層出不窮，如制動防抱死系統[3]、車身穩定系統、制動能量回收系統、自動緊急制動等功能，而對于小型環衛低速電動專用底盤而言，直接采用上述領域新技術，性能過剩且性價比不高，且標定過程繁瑣，通用性差。事實上，小型環衛設備如掃路機車速很低，一般最高車速不大于25 km/h，要求的制動相關性能不高，一般根據制動距離與空間情況，采用純機械油壓制動或真空助力油壓制動，但真空助力在電動車上，因需額外配置真空產生維持裝置如真空泵，真空罐等[4]，以及助力裝置真空盤等均需占用大量空間，對于電動小型環衛裝備尤其是電動掃路機，其駕駛室附近裝配了各種專用作業裝置，空間極其有限，安裝制動總泵尚可，安裝真空盤等助力裝置很難，固而一般采用純機械油壓制動，使用穩定可靠，但其制動響應[5]慢，制動腳感重的情況倍受客戶詬病，且當掃路機滿載噸位變大時，整機制動性能明顯變差，針對以上情況，本文設計了一種油壓助力制動系統，在不改變原有系統的情況下，串入設計的高集成助力控制閥，布置靈活，無需占用駕駛室底部空間，同時利用小型電動掃路機上裝既有的動力源實現助力制動，最后對該系統進行了仿真對比分析，極大提高了制動響應速度與制動性能。

1 機械液壓力制動系統

如圖1 所示，傳統的機械液壓制動系統主要由油壺1、制動踏板2、制動總泵3、制動分泵4以及相關制動管路組成[6]。其中油壺1、液壓制動總泵3、制動分泵4 之間用管路連接，制動踏板2 與液壓制動總泵3 機械連接。制動踏板將操作者腳作用力杠桿放大作用至制動總泵3上，制動總泵3 再將作用力轉換為液壓力，并通過液壓管路傳遞作用至各制動分泵4，制動分泵4作為執行機構在液壓力的推動下驅動制動碲片進行制動。

圖1 機械液壓力制動系統示意圖

在低速電動車中較為常用的是雙腔補償孔式制動主缸[7]，雙進雙出，形成兩個獨立回路，若雙回路中有一回路管路損壞漏油時，另一管路亦可正常工作，即當踩下制動踏板時，另一正常回路仍能正常建立液壓力，不受破損回路影響，只是使踏板行程加大導致制動距離加長，且制動效能降低。

上述機械液壓制動系統具有結構簡單、穩定可靠、布置所需空間小等優點，但因純靠人力作用，其操作腳感較硬，感受差，制動性能有限，尤其當車具有一定重量時，比如掃路機由空載變為滿載，甚至氣溫升高時，有種剎不住的感覺。

2 液壓助力制動系統設計

針對機械液壓制動系統在小型掃路機上的使用現狀，設計了一種液壓助力制動系統，如圖2 所示，在原有液壓制動回路中設計串入了集成式行走制動控制閥總成4，同時接入外部助力源5，即可實現行車制動液壓助力與主動制動控制。

圖2 液壓助力制動系統示意圖

其核心功能器件行走制動閥總4 成包括3 個壓力選擇閥（4.1.1～4.1.3）、腳感閥4.2、助力閥4.3、主動制動閥4.4、安全閥[8]4.5，其均采用螺紋插裝閥[9]形式，通過集成閥塊[10]內部流道進行互相關聯，結構緊湊，體積小。

其中腳感閥4.2在的制動總泵轉換傳遞的壓力Pi作用下，彈簧壓縮，儲液腔增大，用來容納從制動總泵排出的制動液，使腳踏板形成一定的制動行程L，并隨著制動行程的增大需要作用在腳踏板上的力F增加，模擬制動腳感。

考慮到制動總泵前后兩腔壓力差異及其后腔彈簧反作用力不大，忽略其影響，其腳作用力為：

同時制動總泵行程為：

式中：i為剎車踏板杠桿比；A為制動總泵缸徑，mm；Fj0為腳感閥彈簧預緊力，N；K1為腳感閥彈簧剛度；A1為腳感閥活塞面積，mm；L1為腳感閥活塞行程，mm。

從式（1）～（2）可知，通過匹配設計腳感閥K1、A1、L1參數即可確定剎車腳感，同時在上述參數確定的情況下，仍可在一定范圍內，通過調節預緊力Fj0大小，來調節控制制動行程以及腳感力，以適應不同制動系統與操作者的需求，比如男女操作者對腳感的不同需求，只需通過調節預緊程度來實現，調節標定方式簡單易操作。

助力閥4.3用來實現將制動總泵轉換傳遞的壓力Pi按一定比例進行放大，使助力油源通過助力閥的壓力為：

其中，放大系數：

預開啟壓力:

將式（4）～（5）代入式（3）可得助力閥的壓力為：

式中：Az1為先導壓力作用面積，mm2；Az2為開啟壓力作用面積，mm2；Fz0為預緊力，N

同時該待機壓力Pb0，通過管路作用于制動鼓分泵上，可以實現克服制動碲片[11]復位彈簧力，使制動碲片與殼體處于無壓力接觸狀態，即制動鼓處于臨界制動狀態待命，消除了管路膨脹以及剎車片間隙造成的制動延時，同時又不引起過制動，這樣既提高了制動響應時間，又不會造成剎車片無效的耗損，使剎車系統達到無延時制動待命狀態。

壓力選擇閥（4.1.1～4.1.3）用于比較選擇壓力大的一方通過，制動時，制動總泵3將作用在的制動踏板2上的作用力轉換成液壓力P1和P2，通過壓力選擇閥1 將較大的液壓力Pi= max(P1,P2)傳遞作用至助力閥實現比例助力，同樣壓力選擇閥2、3 的作用是將腳作用壓力P1、P2分別與助力壓力Pb，進行比較取大，傳遞作用至制動分泵進行制動。

這樣即便助力源5 出現故障即Pb=0 時，腳踏板力F依舊能通過制動總泵轉換成液壓力P1和P2，并通過壓力選擇閥進行比較選大后，分別作用于制動鼓制動，此時處于無助力制動狀態，即與原機械液壓助力狀態一致。

主動制動閥4.4 與安全閥4.5，用于保護系統和實現主動制動，當人未制動，即腳踏板處于無作用狀態時，此時因外界感知控制主動制動閥4.4得電，助力油不能通過助力閥，而是直接通過安全閥4.5，利用安全閥的壓力飛升特性[12]快速起壓并作用至各制動鼓分泵實現主動快速制動。

3 助力制動系統仿真建模

如圖3～4 所示，利用仿真軟件機械與液壓模塊[13]分別建立了液壓助力制動仿真模型與機械液壓制動系統仿真模型，主要對制動總泵、行走制動閥總成以及制動器進行了詳細建模，其中對行走制動閥總成中助力閥與腳感閥進行了詳細設計與建模，用以進行準確對比分析。

圖3 液壓助力制動系統仿真模型

4 仿真對比分析研究

基于中聯品牌某型號電動掃路機制動系統進行仿真對比分析，制動系統主要相關參數如表1所示。

圖4 機械液壓制動系統仿真模型

表1 制動系統主要參數

設定腳制動力在1 s時間內從0增至600 N，如圖5所所，以前制動器情況為例進行相關對比分析。

圖5 腳施加制動力

如圖6～7 所示，針對前制動器通過對比仿真分析可知。

圖6 前制動壓力對比

（1）液壓助力制動系統，在制動待命時，形成待機制動壓力0.53 MPa，但并未產生制動力；無助力液壓制動系統壓力與制動力均為0。

圖7 前制動力對比

（2）在制動觸發瞬間，液壓助力制動系統在0.03 s后即產生制動力，而無助力液壓制動系統在0.08 s 后即產生制動力。

（3）在腳制動力達到最大后，液壓助力制動系統實現制動壓力8.57 MPa，制動力3 944.6 N，無助力液壓制動系統實現制動壓力6.5 MPa，制動力2 819 N。

（4）當助力系統失效時的制動壓力與制動力與無助力液壓制動系統相當。

針對無人操作情況，即腳未施加制動力時，當通過判斷外界條件，需要緊急制動時，控制主動制動閥得電，助力回路油液經安全閥快速起壓實現緊急制動。設定安全閥壓力10 MPa，緊急制動在1 s 后觸發，以前制動器情況為例進行仿真分析。

如圖8～9 所示，緊急制動時前制動器能快速起壓至10.04 MPa，在緊急制動觸發后，液壓助力制動系統在0.03 s后即產生制動力，最大制動力達到4 677 N。

圖8 緊急制前制動壓力

圖9 緊急制前制動力

5 結束語

綜上所述，本文所設計的液壓助力制動系統是在原回路中串入行走制動控制閥總成，布置靈活，避免占用駕駛室底部空間，同時結合掃路機上裝動力實現了助力制動、緊急制動等功能，此外，該助力制動系統還具備以下特點。

（1）該助力制動系統能根據操作者腳作用力實時成比例放大助力，同時還能模擬腳感，并能在不同車型上根據操作不同需求進行腳感調節，且調節標定方式簡單易操作。

（2）該助力制動系統形成的待機壓力能很好地消除管路膨脹以及剎車片間隙造成的制動延時，提高了制動響應速度，同時待機壓力的易調節特性也使其能很好地適應不同的制動系統。

（3）該助力制動系統的壓力選擇設計機制，使得即便助力回路失效，依然能實現制動，確保了制動系統的安全性。