电动城市客车制动系统气体容积匹配计算

梁会仁，王恩前，常颖，张丽龙（山东沂星电动汽车有限公司，山东临沂276000）

电动城市客车制动系统气体容积匹配计算

梁会仁，王恩前，常颖，张丽龙
（山东沂星电动汽车有限公司，山东临沂276000）

以理想气体状态方程为理论依据，结合国家相关标准的规定，对一纯电动城市客车进行用气量及空压机流量的分析计算，为同类气制动底盘储气筒容积及供能装置的匹配提供参考。

纯电动城市客车；制动系统；气体容积；匹配计算

随着汽车技术水平的不断创新，电动城市客车的智能化、使用环境的复杂化也在日益突显，因此，对电动城市客车机动性的要求也越来越高。制动性能作为评价电动城市客车机动性的关键指标之一，空压机及储气筒作为制动系统的供能及储能装置，其设计匹配的准确性是决定电动城市客车制动性能的关键要素[1]。本文以SDL6100EVG纯电动城市客车为例，进行相关匹配计算。

1 储气筒容积计算

为满足整车设计要求，SDL6100EVG纯电动城市客车的气路系统主要用于前桥行车制动（22回路）、后桥行车制动（21回路）、后桥驻车制动（23回路）及辅助用气（24回路）。其中根据整车参数及悬架型式等选取前桥制动气室型号24″，后桥双腔制动气室型号为24″/24″，辅助用气主要包括空气悬架、异常制动解除及乘客门开启。

理想气体状态方程[2]，也称理想气体定律，描述了理想气体状态的变化规律，如式（1）：

pV=nRT或pV/T=常数（1）式中：p为气体压强，Pa；V为气体体积，m3；n为气体的物质的量，mol；T为热力学温度，K；R为气体常量，J/mol·K。

除高压、低温外（压力不超过20 MPa、绝对温度不低于253 K），对于空气、氧气等气体的体积随压力和温度的变化规律服从以上气体状态方程，p、V、T的变化决定了气体不同状态和过程。

假设制动前系统压缩气体温度与外界温度基本相同[3]，完全制动时，储气筒中的压缩空气通过管路及气路阀进入制动气室，整个过程时间较短且与外界无热交换，将其视为等温过程，即理想气体状态方程适用于整个制动过程。

其中，系统额定气压P=1.0 MPa，空压机启动气压P1=0.65 MPa，21、22、23、24回路储气筒容积分别为V21、V22、V23、V24，24″制动气室容积V24″=1.05 L，前桥（22回路）、后桥（21回路）i次制动后剩余压力分别为P2i、P1i，驻车（23回路）m次操作后剩余压力为P3m，乘客门n次开关后剩余压力为P4n。

按标准要求[4]，行车制动系统控制装置进行8次全行程促动后，储气筒中剩余的压力不低于规定的应急制动所需的压力，驻车制动系统至少能够进行3次“制动-解除制动”操作。若21、22、23回路管路损耗、沿程损失及局部损失综合取值10%，则对于21回路，由式（1）可得，1次全制动后：P×V21=P11×（V21+2×V24″×1.1）

将整车系统参数代入式（4）、（5）、（6）计算得：V21≥29.7 L；V22≥29.7 L；V23≥17 L，根据实际情况分别取V21=30 L；V22=30 L；V23=20 L。

几次制动后，空压机启动压力P1=0.65 MPa，参考式（4）得：0.65=1.0×（30/（30+2×1.045×1.1））n。

计算得n=6，即当全制动6次时，到达空压机启动压力，空压机开始工作。

24回路辅助用气主要用于乘客门开关、异常工况制动解除及空气悬架。制动解除功能与驻车制动原理类似，其储气筒容积参考23回路，取20 L；根据乘客门（4个）驱动气缸尺寸计算门泵气缸总容积V门=4×π×（D/2）2×L=4×3.14×（0.63/2）2×1.7=2.1 L。其中：D为门泵气缸直径，为630 mm；L为门泵气缸活塞有效行程，为170 mm；为合理利用空压机，提高其利用率达到节能的效果，所以乘客门开关6次时，刚好达到空压机启动压力，根据经验，开关门过程中压力损失取10%，即0.65=1.0×（V24/（V24+V门））6=1.0×（V24/（V24+2.1））6。

计算得V24=30.7 L，，根据常用储气筒容积V24取30 L。考虑到空气悬架与乘客门的使用时机及频次，悬架与乘客门共用此30 L储气筒。

根据以上计算得SDL6100EVG气路系统各回路容量如下：

21回路储气筒容量：1×30 L=30 L；22回路储气筒容量：1×30 L=30 L；23回路储气筒容量：1×20 L=20 L； 24回路储气筒容量：20 L+30 L=50 L；整车气路系统总容积：V=130 L。

2 供能装置匹配计算

研究表明[2]，在充气过程中，当气源压力与容器内压力之比大于临界压力比时，充气过程为音速充气过程，反之为亚音速充气过程。对空气而言，临界压力比约为1.9，其压力-时间特性曲线如图1所示。其中τ表示假定按照音速充气到达充气结束所需的时间。以下根据真空状态下气体流量方程式（7），并参考充气时压力-时间特性曲线对供能装置的流量进行计算。

图1 充气过程压力-时间特性曲线图

对于SDL6100EVG电动城市客车，其空压机排气压力为1.25 MPa，临界压力约为0.66 MPa，而气路额定压力为1.0 MPa，所以整个充气过程先进行音速充气然后进行亚音速充气。由图1可知，假定按照音速充气至充气结束所需的时间为τ，实际充气过程中由于亚音区充气速率降低，其真正充气时间应为1.285τ，所以计算时，先将整个过程假设为音速充气，然后再将充气时间乘以1.285进行修正。

根据GB 12676-2014[5]对供能装置的要求，储能装置的压力由0上升到额定压力1.0 MPa的时间t1不超过6 min，此时需要空压机流量为Q1；储能装置的压力由0上升到额定压力的65%的时间t2不超过3 min，此时需要空压机流量为Q2。根据式（7）得：

计算得Q1≥352 L/min，Q2≥458 L/min。

根据GB 7258-2014[5]对气压制动的特殊要求，在额定转速的75%工况下，储能装置的压力由0上升到起步压力P0（0.55 MPa）的时间t3不超过4 min，此时需要空压机流量为Q3：

计算得Q3≥388 L/min。

式中：P标准为标准大气压，为0.1 MPa；ε为容积效率，为0.85。

要使供能装置同时满足GB 12676-2014及GB 7258 -2014中共三项标准t1、t2、t3，综合式（8）、（9）、（10）计算结果，取空压机流量Q=Q2≥458 L/min，即空压机流量不低于458 L/min。

3 结论

以空气物理特性及理想气体状态方程为理论基础[6]，严格依据国家标准，分析计算了SDL6100EVG底盘储气筒容积及空压机流量，计算方法简便、新颖，为其他气制动底盘车辆的匹配计算提供了参考。

[1]章健国.8×8越野车储气筒匹配计算[J].机械，2015（7）：64-66.

[2]王文斌.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]张伟，郝海生，王领.客车底盘制动系储气筒容积的计算与选择[J].客车技术与研究.2012，34（2）：25.

[4]安部道路交通管理标准化技术委员会.机动车运行安全技术条件：GB 7258-2012[S].北京：中国标准出版社，2012：5.

[5]全国汽车标准化技术委员会.商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法：GB 12676-2014[S].北京：中国标准出版社，2014：10.

[6]余志生.汽车理论[M].5版.北京：机械工业出版社，2009.

修改稿日期：2017-03-08

Matching Calculation of Air Volume About Electric City Bus Brake System

Liang Huiren,Wang Enqian,Chang Ying,Zhang Lilong
（Shandong Yixing Electric Vehicle Co.,Ltd,Linyi276000,China）

Taking the idealgas state equation as the theory basis and combining the regulations ofthe nationalrelated standards,the authors analyze and calculate the air consumption and the flow ofthe air compressor abouta pure electric bus,in order to provide a reference for matching design ofthe air reservoir volume and power device ofthe same airbrake chassises.

pure electric bus;brake system;airvolume;matching calculation

U469.72；U463.5

B

1006-3331（2017）04-0049-03

梁会仁（1986-），男，硕士；工程师；主要从事电动汽车底盘的设计开发与研究工作。