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        純電動城市客車制動系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

        2021-03-16 04:07:46秦志勇
        裝備制造技術(shù) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:前后輪氣筒氣泵

        秦志勇

        (廣西申龍汽車制造有限公司,廣西 南寧 530299)

        1 純電動客車制動系統(tǒng)特點(diǎn)

        制動系統(tǒng)是汽車的重要組成部分,對汽車的安全行駛至關(guān)重要,純電動客車制動系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)客車,主要在供氣源和供氣模式,純電動客車由電動打氣泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)客車由發(fā)動機(jī)驅(qū)動打氣泵給制動系統(tǒng)供氣,傳統(tǒng)客車發(fā)動機(jī)運(yùn)行驅(qū)動打氣泵給制動系統(tǒng)供氣,達(dá)到設(shè)定的最大氣壓,由泄壓裝置不停的泄壓;而純電動制動系統(tǒng)則不同,達(dá)到設(shè)定最大氣壓,電動打氣泵立即停機(jī)節(jié)省能源消耗,待到氣壓低于整車設(shè)定的啟動氣壓,電動打氣泵又立即啟動充氣。因此,純電動客車制動性能的匹配設(shè)計(jì)非常重要,既要滿足國標(biāo)對制動系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求,又不能過多的消耗能源,使整車運(yùn)行達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)性能。本研究針對新開發(fā)的一款12 m 純電動城市客車,探討制動系統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)并調(diào)試確定最優(yōu)參數(shù)。

        2 12 m 純電動城市客車制動簡述

        2.1 整車基本參數(shù)

        12 m 純電動城市客車基本參數(shù)見表1。

        表1 整車基本參數(shù)

        2.2 制動系統(tǒng)配置參數(shù)

        12 m 純電動城市客車制動系統(tǒng)參數(shù)見表2。

        表2 制動系統(tǒng)配置參數(shù)

        2.3 制動系統(tǒng)性能指標(biāo)

        根據(jù)GB7258-2017 機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件[1-6],主要制動性能指標(biāo)如下:

        (1)制動初速度為30 km/h 時(shí),空載制動距離≤9 m。

        (2)制動初速度為30 km/h 時(shí),滿載制動距離≤10 m。

        (3)儲氣筒的容量應(yīng)保證在額定工作氣壓且不連續(xù)充氣的情況下,連續(xù)全行程制動5 次后,氣壓不低于起步氣壓。為了應(yīng)付特殊情況制動要求,連續(xù)全行程制動次數(shù),調(diào)整為8 次,氣壓不低于起步氣壓。

        (4)在空載狀態(tài)下,駐車制動裝置應(yīng)能保證機(jī)動車在坡度為20%(對總質(zhì)量為整備質(zhì)量的1.2 倍以下的機(jī)動車為15%)、輪胎與路面間的附著系數(shù)大于或等于0.7的坡道上正、反兩個(gè)方向保持固定不動,時(shí)間應(yīng)大于或等于2 min。

        2.4 制動系統(tǒng)工作原理

        制動系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。電動打氣泵將干凈的空氣壓縮后,經(jīng)干燥器冷卻、除油、除水,送至儲氣筒保存。制動系統(tǒng)分成兩個(gè)回路:一個(gè)回路經(jīng)后儲氣筒、制動總泵上腔通向后制動氣室;另一個(gè)回路經(jīng)前儲氣筒、制動總泵下腔通往前制動氣室。當(dāng)其中一個(gè)回路發(fā)生故障失效時(shí),另一個(gè)回路仍能繼續(xù)工作,以保證汽車具有一定的制動能力,從而提高汽車行駛的安全性。

        圖1 制動系統(tǒng)工作原理圖

        3 駐車制動性能計(jì)算與分析

        后橋駐車制動器所能提供的最大制動力矩為19 600 N·m。

        所能提供的最大駐車角度滿足:mgψsinα=19600×1000/R=38 281 N。

        空載時(shí),α= arcsin(38281/12000/9.8/0.7)= 28°,坡度為53%[2-4]。

        滿載時(shí),α=arcsin(38281/18000/9.8/0.7)=18°,坡度為32%。

        根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可知,同時(shí)滿足:GB12676-2014 關(guān)于駐車制動系必須使?jié)M載的車輛可以停在18%的坡道上和GB7258-2017 機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件要求。

        4 行車制動性能計(jì)算與分析

        4.1 地面對前后輪法向反作用力

        地面對前后輪法向反作用力[3-5](忽略空氣阻力、滾動阻力及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量減速時(shí)產(chǎn)生的慣性力偶矩等因素影響),如圖2。分別對前后軸取力矩求得地面對前后輪的法向反作用力公式為(λ為制動減速度與重力加速度的比值):

        圖2 地面對前后輪法向反作用力

        4.2 理想前后制動器制動力分配曲線

        制動時(shí)前、后輪同時(shí)抱死,對附著條件的利用、制動時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性均較為有利[4-6]。在任何附著系數(shù)的路面上,前、后輪同時(shí)抱死的條件是:前后輪制動器制動力之和等于附著力,并且前、后輪制動器制動力分別等于各自的附著力,得出下面公式。

        根據(jù)不同的附著系數(shù),可求得滿載時(shí)前、后輪制動力關(guān)系數(shù)據(jù)見表3、表4。

        表3 不同附著系數(shù)滿載前輪制動力數(shù)據(jù)

        表4 不同附著系數(shù)滿載后輪制動力數(shù)據(jù)

        用表3 和表4 的數(shù)據(jù)可繪出,在制動時(shí)地面對前后輪法向反作用力曲線,圖3 所示。由制動時(shí)地面對前后輪法向反作用力的變化情況可知,當(dāng)制動強(qiáng)度或附著系數(shù)改變時(shí),前后輪法向反作用力變化是很大的。

        圖3 制動時(shí)地面對前后輪法向反作用力曲線

        根據(jù)表3、表4 數(shù)據(jù)繪制出圖4 曲線,即為理想的前、后輪制動器制動力分配曲線。

        圖4 理想的前、后輪制動器制動力分配曲線

        4.3 空、滿載實(shí)際制動力分配比

        整車空、滿載實(shí)際制動力分配比β為:

        式中,F(xiàn)μ1為前橋制動器的制動力;Fμ2為后橋制動器的制動力。

        4.4 同步附著系數(shù)

        空載同步附著系數(shù)為:Φk=(L×β-bk)/hgk=0.70

        滿載同步附著系數(shù)為:Φm= (L×β-bm)/hgm=0.54其中:Φk、Φm為空、滿載同步附著系數(shù);β為前后橋制動力分配比;bk、bm為空、滿載質(zhì)心到后橋中心線的距離(mm);hgk、hgm為空、滿載重心高度[7-8]。

        根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知:滿載時(shí),當(dāng)?shù)孛娓街禂?shù)小于0.54 時(shí),前輪先抱死;當(dāng)?shù)孛娓街禂?shù)大于0.54 時(shí),后輪先于前輪抱死。因滿載的同步附著系數(shù)比較小,滿載制動時(shí)后輪抱死趨勢比較明顯,導(dǎo)致后輪ABS 易觸發(fā)。

        4.5 行車制動距離的計(jì)算分析

        整車行車制動距離的計(jì)算公式如下:

        式中,t1為機(jī)構(gòu)滯后時(shí)間(一般在0.2 ~1.6 s);t2為制動增長時(shí)間(氣壓制動為0.2 ~0.6 s)。氣制動t1可忽略不計(jì),取最小值,t2取中間值,所以得出:t1= 0.2 s ,t2= 0.4 s。v1為制動初速度,30 km/h;dmax為最大穩(wěn)定制動減速度(m/s2)。

        最大制動減速度計(jì)算:

        車輛空、滿載附著系數(shù)為0.8 時(shí),由公式(1)計(jì)算法向作用力產(chǎn)生的最大摩擦力,見表5。

        表5 空、滿載前后輪法向作用力產(chǎn)生的最大摩擦力

        空、滿載前、后橋制動器最大制動力距在輪胎與地面接觸處產(chǎn)生的制動力,見表6。

        表6 空、滿載制動器制動力距產(chǎn)生的最大制動力

        F前空=F前滿=33000/R=33000/0.512=64 453 N

        F后空=F后滿=32000/R=32000/0.512=62 500 N

        對比表5 與表6 數(shù)據(jù)可知,空載法向作用力產(chǎn)生的最大摩擦力小于對應(yīng)空載前、后橋制動器最大制動力矩在輪胎與地面接觸處產(chǎn)生的制動力,而滿載的情況正好相反。實(shí)際應(yīng)用中,使用前、后橋制動器產(chǎn)生的最大制動力計(jì)算最大制動減速度:

        由F=mdmax,可知:dmax=F/m,根據(jù)公式計(jì)算空、滿載最大制動減速度分別為:10.6 m/s2、7.1 m/s2。

        把以上數(shù)據(jù)代入公式(5),在額定工作氣壓為1 MPa,初速度為30 km/h,附著系數(shù)為0.8 的干燥平直路面上制動時(shí),制動距離為:

        5 整車打氣時(shí)間計(jì)算與分析

        整車打氣泵、儲氣筒相關(guān)參數(shù)見表7。

        表7 打氣泵、儲氣筒相關(guān)參數(shù)

        打氣時(shí)間計(jì)算式如下:

        其中,T為打氣時(shí)間(分);P為壓力單位MPa(1 MPa=10標(biāo)準(zhǔn)大氣壓);η為打氣泵工作效率;Ω為儲氣筒總?cè)莘e;δ為打氣泵排量(L/min)。

        在忽略管路及各閥類零部件容積情況下,把數(shù)據(jù)代入公式得:

        打氣壓力1 MPa 時(shí),打氣時(shí)間為5.5 min;駐車制動解除壓力0.52 MPa,打氣時(shí)間為2.8 min。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,打氣時(shí)間滿足GB12676 的要求:至廠定解除駐車制動壓力的升壓時(shí)間不大于3 min,至廠定最大氣壓的升壓時(shí)間不大于6 min 的要求。

        樣車多次實(shí)測時(shí)間均比理論計(jì)算的稍微少用時(shí)10秒左右,主要原因可能是電動打氣泵為新泵,實(shí)際打氣工作效率比75%稍高。

        6 制動儲氣筒容積核算與驗(yàn)證

        整車前、后輪制動系統(tǒng)儲氣參數(shù)見表8。

        表8 前、后輪制動系統(tǒng)儲氣參數(shù)表

        以上數(shù)據(jù),前、后輪制動系統(tǒng)帶氣壓管路和不帶氣壓管路總?cè)莘e,根據(jù)鋪設(shè)管路長度進(jìn)行測算。

        假設(shè)制動系統(tǒng)溫度與外界溫度基本相同,忽略溫度對氣體的影響。

        其中:P為初始壓力(MPa);V為初始制動系統(tǒng)有效容積;V2為行車制動氣室總?cè)莘e(L);V3為不帶氣壓管路總?cè)莘e(L);Pn為實(shí)施第n 次制動時(shí)的制動系統(tǒng)的氣壓。

        前輪制動與駐車制動無直接關(guān)聯(lián),但為了驗(yàn)證前后制動系統(tǒng)制動性能一致性,也校核前制動儲氣筒是否滿足要求。把相關(guān)數(shù)據(jù)代入(7)得:

        根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知,整個(gè)制動系統(tǒng)制動性能均滿足國標(biāo)GB12676 儲氣筒的容量應(yīng)保證在額定工作氣壓且不繼續(xù)充氣的情況下,機(jī)動車在連續(xù)5 次踩到底的全行程制動后,氣壓不低于起步氣壓[8-10]。

        為了安全起見,儲氣筒的容量應(yīng)保證在額定工作氣壓且不連續(xù)充氣的情況下,連續(xù)全行程制動8 次(GB7258 為5 次)后,氣壓不低于起步氣壓,制動指標(biāo)高于GB7258 要求標(biāo)準(zhǔn)。

        根據(jù)表8 數(shù)據(jù)代入公式(7)得:

        根據(jù)理論計(jì)算連續(xù)全行程制動8 次后,前、后制動系統(tǒng)都滿足氣壓不低于起步氣壓。

        樣車試制完成后,對樣車進(jìn)行多次連續(xù)8 次全行程制動測試實(shí)驗(yàn),測試均值為0.55 MPa(與理論計(jì)算結(jié)果比較接近)大于機(jī)動車起步壓力0.52 MPa,滿足12 m 純電動城市客車制動指標(biāo)要求。

        7 結(jié)束語

        制動系統(tǒng)是汽車不可缺少的功能配置,制動性能直接影響汽車行駛安全,本研究結(jié)合GB7258-2017、GB12676-2014 要求和實(shí)際情況,在滿足國標(biāo)和行業(yè)關(guān)于制動性能的技術(shù)要求外,加大部分制動性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求,以便能滿足在各種不可預(yù)知極端環(huán)境下制動系統(tǒng)的使用,從而保證汽車的安全行駛。

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