燃料电池城市客车制动系统设计计算*

2021-04-26王占林陈毅超

河南工学院学报 2021年6期

关键词：气筒后轴驻车

娄云，王占林，陈毅超

(1.河南工学院车辆与交通工程学院，河南新乡 453003；2.新乡市场地电动车工程中心，河南新乡 453003；3.开封技师学院教务处，河南开封 410202；4.南京金龙客车制造有限公司技术处，江苏南京 211215)

0 引言

某燃料电池城市客车是为减少碳排放而开发的。该车采用全承载骨架车身结构、电机后置后驱动的直驱驱动系统[1]，前桥空载轴荷4.2吨，后桥空载轴荷4.8吨，主减速比为6.14，整车采用国产制动阀。

1 整车参数

整车参数见表1。

表1 整车参数表

2 制动系统设计计算

对制动系统设计进行计算的目的是校核制动系统相关设计要求，包含整车在空载及满载时的制动距离、制动器提供的最大制动力、储气筒容积及空压机排气量。

确定质心位置所需参数见表2。

表2 确定质心位置所需参数表

1)前、后制动器制动力矩(协议直接提供)[2]。

Tu1=11900N·mTu2=11700N·m

该数值为厂家直接提供，均为单个车轮制动器制动力矩，计算前后轴制动力矩时需要考虑单轴双侧制动器，取上述数值的两倍。

2)质心位置的确定[3]。

整车质心高度：1150mm(满载)；1100mm(空载)

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为满载整车重量，G=mag=13200×9.8=129360N；G′为空载整车重量，G′=ma′g= 9000×9.8= 88200N；L1为满载时质心至前轴中心线的距离，mm；L2为满载时质心至后轴中心线的距离，mm；L1′为空载时质心至前轴中心线的距离，mm；L2′为空载时质心至后轴中心线的距离，mm。G1为满载时前轴载荷(可测量得到)，G1=ma1g=4200×9.8=41160N；G1′为空载时前轴载荷(可测量得到)，G1′=ma1′g=2700×9.8=26460N；G2为满载时后轴载荷(可测量得到)，G2=ma2g=9000×9.8=88200N；G2′为空载时后轴载荷(可测量得到)，G2′=ma2′g=6300×9.8=61740N。

3 制动系统原理图

燃料电池城市客车制动系统原理图[4]如图1所示。

图1 燃料电池城市客车制动系统原理图

4 计算与校核

4.1 制动力分配系数及同步附着系数

1)汽车制动器制动力分配系数。

式中，β为制动力分配系数；Tμ1、Tμ2分别为前、后制动器制动力矩，单位N·m。

2)同步附着系数。

满载时，汽车同步附着系数可由下式计算得出：

式中，ψ0为满载同步附着系数；L为轴距，单位m；β为制动力分配系数；L2为满载质心到后轴中心线的距离，单位m；hg为满载质心高度，单位m。

空载时，汽车同步附着系数可由下式计算得出：

式中，ψ0′为空载同步附着系数；L2′为空载质心到后轴中心线的距离，单位m；hg′为空载质心高度，单位m。

满载时，当附着系数ψ=ψ0=0.72在路面上制动时前、后轮同时抱死；空载时，当附着系数ψ=ψ0=0.828在路面上制动时前、后轮同时抱死[3]。

4.2 地面制动力的计算

1)制动强度的计算。

满载时制动强度可由下式计算[5]：

z′=0.771

同理得空载时制动强度：

式中，z为满载时制动强度；z′为空载时制动强度；ψ为车轮与路面间的附着系数，ψ取值0.75。

2)前、后附着力计算。

前附着力Fψ1：

后附着力Fψ2：

式中，G为汽车总重量，单位N；ψ为车轮与路面间的附着系数；FB为汽车制动力，单位N。

3)车轮的制动力矩。

前轮制动力矩Tf1max可由下式计算[6]：

Tf1max=Fψ1re=47601.73×0.452=21516N·m

后轮制动力矩Tf2max可由下式计算[6]：

Tf2max=Fψ2re=47601.73×0.452=21516N·m

式中，re=0.452m，为车轮有效半径；Tf1max、Tf2max分别为前、后制动器的最大制动力矩，Tf1max′=21516/2=10758N·m，Tf2max′=22337/2=11168.5N·m；由Tf1max′

4.3 制动距离校核

1)满载时，同步附着系数ψ0由4.1节得出为0.72(文献[7]推荐ψ0≥0.5为宜)，符合要求。如图2所示。

图2 同步附着系数曲线图

2)附着利用率与制动强度曲线图如下，满载状态如图3所示，空载状态如图4所示。

图3 满载状态附着利用率与制动强度曲线图

图4 空载状态附着利用率与制动强度曲线图

根据GB12676—2014附录A中A3.1.2.3要求，z在0.15～0.30之间，前、后轴的附着系数利用曲线位于φ=z±0.08确定的与理想附着系数利用直线平行的两条直线之间，满足要求；z≥0.3时后轮利用附着系数曲线在标准附着系数z≥0.3+0.74(φ～0.38)之下，满载状态与空载状态均符合要求[12]。

3)制动距离的确定。

计算可得空载时制动距离S=7.0908m，符合要求(GB725—2017规定，满载制动距离S<10m,空载S<9m)[11]。

因城市客车主要状态为满载运行，故考虑同步附着系数时应优先选择满载符合[8]。

4.4 储气筒的容积校核

制动系统气体的温度与外界温度基本相同，可以根据以下公式计算制动系统的压力及其压力变化值[9]。

PiV=Pi+1V+PVs

ΔP=Pi-Pi+1

式中，P为标准大气压，单位Pa/m2；Pi为第i次全力制动后系统的压力，单位Pa/m2。

国标GB12676—2014要求：机动车辆的储能装置(储气筒)应确保对行车制动系统控制装置进行八次全行程制动后，剩余的压力不低于规定的应急制动所需压力。

根据上述公式可计算前桥及后桥制动气室压力及其压力变化值。

1)前储气筒容积计算。

PiVa=Pi+1Va+2PVsi

Va=V储+V管+2×Vsq

前桥制动管路走向如图5所示。

图5 前桥制动管路走向

采用12×1.5的PA管，前桥管路总长为5.56m，则管路的容积为：5.56×3.14×0.00452=0.000354m3=0.354L；前储气筒至脚阀总长为0.85m，该部分管路容积为：0.85×3.14×0.00452=0.000054m3=0.054L，则从脚阀到气室部分的管路容积为0.3L。

初始状态为：前储气筒和脚阀之间气压为初始气压，当踩动脚阀时，气体通至气室中。

下面为近似的计算：

PiV储-脚=Pi+1V储-室

V储-脚=(V储+0.054)

V储-室=0.3+2×1.14=2.58L

当第八次踩踏制动踏板时：

带入数据，可得V前≥24.49846L。

2)后储气筒容积计算。

后桥制动管路走向如图6所示。

图6 后桥制动管路走向

采用12×1.5的PA管，后桥管路总长为18.97m，则管路的容积为：18.97×3.14×0.00452=0.00121m3=1.21L，后储气筒至脚阀总长为9.18m，该部分管路容积为：9.18×3.14×0.00452=0.000054m3=0.5837L，同上计算得出后储容积。

3)驻车储气筒容积。

驻车制动管路走向如图7所示：

图7 驻车制动管路走向

驻车制动与行车制动不同，首先整条管路中都有气，当进行驻车制动时，气室中气体排空。驻车储气筒计算需反向计算。

驻车制动管路总长为21.64m。采用12×1.5的PA管，则管路的容积为：21.64×3.14×0.00452=0.0013759m3=1.3759L。

当完成一次驻车制动之后，气室中的气排空，此时的管路中的气体容积为：19.54×3.14×0.00452=0.00124245m3=1.24245L。

国标GB 12676—2014要求：对机动车辆，在弹簧压缩腔的初始压力等于最大设计压力的情况下，弹簧制动系统的设计应保证至少能够进行三次“制动—解除制动”的操作。

同上计算得出驻车制动储气筒容积V手≥13.146L。

若在制动过程中，管路损耗、沿程损失及局部损失综合取值为10%[10]，则此时各回路的容积分别取值为：V前≥24.49846L，V后≥29.354L，V手≥13.146L。

实际前轴制动器储气筒容积为25L，后轴制动器储气筒容积为30L，驻车制动储气筒容积为15L。

综上，储气筒的容积可以满足使用要求。

4.5 驻车制动器设计计算

根据GB12676—2014要求：驻车制动系统应能使满载车辆在20%的上、下坡道上保持静止。

汽车在上坡路上停驻时的后桥附着力为：

汽车在下坡路上停驻时的后桥附着力为：

汽车可能停驻的极限上坡路倾角α可根据后桥上的附着力与制动力相等的条件求得，即由：

计算可得：α=32.025°。

汽车下坡行驶时的纵向稳定性的极限坡路倾角如下：

计算可得：α=24.353°。

GB21670—2008要求满载时驻车系统能够在20%上下坡道上停驻，计算结果满足GB21670—2008的要求[11]。

4.6 空压机的排气量校核

空压机为车辆制动系统提供气源，是整车比较耗电的部件之一，空压机的选型一方面决定了整车制动系统功能的好坏，另一方面对新能源车辆的续航也有重要影响，排气量是空压机的一个重要参数，常用每分钟的排气体积来表示，排气量适当与否直接影响新能源车辆行车安全和运行成本。

GB 12676—2014中附录C[12]：

C.1.2.3.1 在最不利的储能装置上记录时间t1不应超过如下要求：a)不允许挂接挂车的车辆为3min；b)允许挂接挂车的车辆为6 min。

C.1.2.3.2 在最不利的储能装置上记录时间t2不应超过如下要求：a)不允许挂接挂车的车辆为6min； b)允许挂架挂车车车辆为9 min。

储气筒充气时间计算公式为

将t=t1；t=t2分别代入上式计算可得V排1>=303 L/min，V排2>=233 L/min。其中，t1为整车储气筒气压提升到P0的65%时需要的时间，单位s；t2为整车储气筒气压升到P0时需要的时间，单位s；P0为储气筒额定压力，单位Pa/m2；P为储气筒实际压力，单位Pa/m2。该车选用某品牌AZF 3.0kW 型号滑片式空压机，排气量为320 L/min，满足国标要求。