某电动轻卡车真空助力制动系统的匹配设计

李海龙

（南京依维柯汽车有限公司，江苏 南京 211100）

某电动轻卡车真空助力制动系统的匹配设计

李海龙

（南京依维柯汽车有限公司，江苏 南京 211100）

文章分析了电动轻卡车真空助力制动系统研究的必要性，对真空助力系统的主要部件真空助力器、真空筒、电动真空泵进行分析计算，重点阐述了真空助力器和间歇性控制系统的匹配性能要求，并以跃进某电动轻卡车为例，给出了完整的匹配计算流程。整车初步试验表明，所匹配的真空助力系统能够满足该电动轻卡车的相关标准要求，其电动真空助力系统设计合理。

真空助力系统；真空筒；电动真空泵；间歇性控制系统

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

轻卡汽车较多采用真空助力伺服制动系统，使人力和动力共同作用，而电动车由于没有发动机，无法为真空助力系统提供动力源，丧失了真空助力功能，而仅用人力又无法满足行车制动性能的需要，因此需要对轻卡电动车的真空助力系统进行必要的改制，本文以跃进某轻卡电动车为例，对电动真空助力系统进行系统化匹配设计，设计不仅能够满足制动系统性能的要求，还能够为电动真空助力系统主要部件选型提供理论依据。

1、电动真空助力系统的组成

电动真空助力系统的基础结构包括：制动踏板、电动真空泵、真空助力器、真空筒和真空管路，如图1所示。

电动真空助力系统的真空源由电动真空泵提供给真空助力器，助力器安装在制动踏板和制动主缸之间，由踏板和助力器产生的力叠加在一起作用在制动主缸的推杆上，以提高制动主缸的输出力。

2、电动真空助力系统匹配设计实例

W——汽车总重量，25000N

L——轴距， 2.5m

a——汽车质心至前轴中心线的距离，1.368m

b——汽车质心至后轴中心线的距离，1.132m

φ——地面附着系数，0.7

H——汽车质心高度，0.59m

g——重力加速度

j——汽车制动减速度，0.7g

2.2真空助力器的性能参数的确定

真空助力器的真空伺服气室由带有橡胶膜片的活塞分为常压室与变压室（ 大气阀打开时可与大气相通）。真空助力器所能提供助力的大小取决于其常压室与变压室气压差值的大小。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。

根据真空助力器的工作原理[2]，可以近似地求出与真空助力器的最大助力点对应的输入力F1与输出力F2，最大助力点的输出力与输入力之比，即助力比is。设真空助力器变压腔的真空度为零，不考虑助力器的机械效率，且忽略复位弹簧的反力和制动主缸推杆截面积的影响，可列出下列平衡方程式，真空助力器的性能计算公式如下：

D1--伺服膜片有效直径 ，0.217m

d1--橡胶反作用盘直径 ，0.028m

d2--滑柱直径，0.012m

p --真空助力器常压腔的真空度 Pa

F1--最大助力点对应的输入力N

F2--最大助力点对应的输出力N

is--助力比，5

从真空助力器的性能计算公式可以看出，增加伺服膜片的有效直径D1，可以直接增加真空助力器的输出力。因此选择真空助力器伺服膜片时，可以适当选择略大于匹配要求的伺服膜片，该真空助力器的输入输出性能曲线如图2所示。

2.3不同真空度下踏板力和制动液压输出特性的确定

根据真空助力器的工作特性，计算最大助力点前的踏板力Ff［34］和最大助力点后的踏板力Fr为：

Ff=F/ip/is/μ1

Fr= F/ip-（is-1）F1/ip/μ1

制动总泵输出的压力P为：

P=4Fμ2/π/D2

D--制动总泵直径，0.022m

μ1—制动踏板的机械效率

μ2--真空助力器及制动总泵效率

ip--制动踏板机构的传动比，4

F--真空助力器输出力

由上述计算可以得出不同真空度下踏板力和制动液压输出特性，如图3所示。

2.4计算制动器的制动力矩T和制动力Fz

T= PRzBηn/4，Fz=T/R

Rz--制动有效半径，0.106/0.125 m

R--车轮滚动半径，0.317 m

B--制动效能因数，0.8/4.8

d--分泵直径，0.066/0.019 m

η--分泵效率

根据公式可知车轮在0.7g减速度下，车轮最大制动力为17.15 kN，对应的制动液压压力为 6Mp，踏板力根据试验取400N（根据国标GB 12676［5］要求，N1车最大踏板力小于等于700N），以需要的最大制动力作为制动器的制动力，可以求得液压管路压力，可在踏板力与制动液压输出特性曲线图上求得对应的最小真空度是-40kPa，如图4所示。

2.5真空系统的间歇性控制模块

如果采用真空泵直接与电源直接相连的方案， 一旦汽车接通电源， 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8000多公里之后，电动真空泵出现性能严重下降或损坏的情况，制动系统是汽车安全部件，8000公里的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，同时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，需在真空系统中增加间歇性控制模块，其控制的基本策略为，当驾驶员发动汽车时，控制模块开始自检，如果真空筒内的真空度小于-80kPa，电动真空泵将接通电源，真空泵开始工作，当真空度达到-80kPa时，真空泵断开电源，之后每次驾驶员有制动动作时，控制模块都会检查真空系统的真空度，当真空度降到-40KPa时，真空助力器不能提供有效的真空助力， 此时电动真空泵的将再次接通电源继续工作，直到真空度再次达到-80kPa 时停止工作。真空泵由-80KPa到-40KPa时真空泵不工作，如此循环，从而降低真空泵的工作频率，提高真空泵的寿命，真空系统间歇性控制模块策略如图5所示。

2.6真空筒容积的确定

真空筒作为一个储能装置，对车辆的真空助力系统内的真空起到存储和稳定作用，在制动过程中，防止系统中的真空下降过快，造成助力性能下降，引起的踏板发硬。

设定真空助力器总体积为Vz（L），真空筒体积为Vt（L），真空助力器工作腔体积 Vg（L），P0为大气压（KPa），P为原系统的压力（KPa），P剩1制动后剩余的系统压力（KPa），由于制动踏板释放时间较短，可认为空气阀关闭时间也很短，因此可忽略过程中的空气进入量，故认为一次有效制动的空气进入量为真空助力器的有效体积。

第一次制动后真空筒的真空度计算公式如下：

第n次制动后真空筒的真空度计算公式如下：

真空筒的容积大小还需与真空泵抽真空能力相匹配，若真空泵抽真空能力强或抽真空速率平稳，则真空筒的容积可以取小值甚至可以取消真空筒装置；若真空泵抽真空能力弱，则真空筒的容积可以取大值。该电动车的真空筒的容积取3L。

2.7电动真空泵抽气能力的确定

电动真空泵为电动真空助力系统的动力源，其抽真空的能力直接影响着车辆连续制动和车辆起步的制动性能。根据标准，电动真空助力系统的设计要求如下：

1）车辆起动，电动真空泵工作6S，制动1次（时间为4S），其制动时的管路压力为50bar，其制动踏板力不大于400N。

2）车辆起动，电动真空泵工作35S，连续制动5次，（制动时间为4S，间隔6S），每次制动时的管路压力为100bar，首次制动时，其制动力不超过 300N，后续四次的制动踏板力不大于500N。

根据电动真空助力系统性能要求，初步选择了Hella-UP28电动真空泵，其性能曲线如图6所示。

3、整车道路试验

通过在试验场模拟的整车在城市工况循环的试验，制动专项试验数据结果见表 1， 所设计的电动真空助力系统可以为该电动车车提供足够的制动助力，且制动距离和制动减速度在法规规定范围之内，同时，在整车道路试验中电动真空泵的抽气能力能满足连续多次制动的要求。

表1 制动专项试验结果

4、结论

电动制动真空助力系统，在设计初期就应该将真空助力器性能参数、真空筒的容积及真空泵抽真空能力确定，在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，通过对电动真空系统的间歇性控制模块的设计，提高了真空泵的使用寿命，由原来的8000Km提高到了45000Km。根据整车道路试验效果可知，此套设计方案符合电动真空助力系统的设计理论，达到了优化设计目的。

[1] 余志生.汽车理论[M].北京: 机械工业出版社,1989.

[2] 方泳龙.汽车制动理论与设计[M].北京: 国防工业出版社,2005.

[3] 刘惟信.汽车制动系的结构分析与设计计算[M].北京:清华大学出版社,2004.

[4] 汽车工程手册编委会.汽车工程手册[M].北京:人民交通出版社，2001.

[5] GB12676-2014.商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法[S].北京:中国标准出版社,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

李海龙，底盘设计工程师，就职于南京依维柯汽车有限公司，主要从事制动性能匹配方面的研究工作。