魏 星,李 亮,張 斌,景 斌
(長沙中聯(lián)重科環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司,長沙 410205)
隨著城市道路環(huán)境冶理精細(xì)化發(fā)展,尤其是人行道、公園、景區(qū)、背街小巷等狹窄區(qū)域環(huán)境治理需求的提升,加上人口老齡化,環(huán)保從業(yè)人員意愿低等現(xiàn)狀[1],小型低速電動環(huán)衛(wèi)設(shè)備替代人工趨式越來越突顯[2],但針對上述環(huán)衛(wèi)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(lǐng)域技術(shù)。盡管隨著我國新能源政策的引導(dǎo),越來越多的電動車應(yīng)運(yùn)而生,制動相關(guān)新技術(shù)層出不窮,如制動防抱死系統(tǒng)[3]、車身穩(wěn)定系統(tǒng)、制動能量回收系統(tǒng)、自動緊急制動等功能,而對于小型環(huán)衛(wèi)低速電動專用底盤而言,直接采用上述領(lǐng)域新技術(shù),性能過剩且性價比不高,且標(biāo)定過程繁瑣,通用性差。事實(shí)上,小型環(huán)衛(wèi)設(shè)備如掃路機(jī)車速很低,一般最高車速不大于25 km/h,要求的制動相關(guān)性能不高,一般根據(jù)制動距離與空間情況,采用純機(jī)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(chǎn)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(huán)衛(wèi)裝備尤其是電動掃路機(jī),其駕駛室附近裝配了各種專用作業(yè)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(jī)械油壓制動,使用穩(wěn)定可靠,但其制動響應(yīng)[5]慢,制動腳感重的情況倍受客戶詬病,且當(dāng)掃路機(jī)滿載噸位變大時,整機(jī)制動性能明顯變差,針對以上情況,本文設(shè)計了一種油壓助力制動系統(tǒng),在不改變原有系統(tǒng)的情況下,串入設(shè)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(jī)上裝既有的動力源實(shí)現(xiàn)助力制動,最后對該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真對比分析,極大提高了制動響應(yīng)速度與制動性能。
如圖1 所示,傳統(tǒng)的機(jī)械液壓制動系統(tǒng)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(guān)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(jī)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(zhuǎn)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(zhí)行機(jī)構(gòu)在液壓力的推動下驅(qū)動制動碲片進(jìn)行制動。
圖1 機(jī)械液壓力制動系統(tǒng)示意圖
在低速電動車中較為常用的是雙腔補(bǔ)償孔式制動主缸[7],雙進(jìn)雙出,形成兩個獨(dú)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(dāng)踩下制動踏板時,另一正?;芈啡阅苷=⒁簤毫Γ皇芷茡p回路影響,只是使踏板行程加大導(dǎo)致制動距離加長,且制動效能降低。
上述機(jī)械液壓制動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、布置所需空間小等優(yōu)點(diǎn),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(dāng)車具有一定重量時,比如掃路機(jī)由空載變?yōu)闈M載,甚至氣溫升高時,有種剎不住的感覺。
針對機(jī)械液壓制動系統(tǒng)在小型掃路機(jī)上的使用現(xiàn)狀,設(shè)計了一種液壓助力制動系統(tǒng),如圖2 所示,在原有液壓制動回路中設(shè)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(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(nèi)部流道進(jìn)行互相關(guān)聯(lián),結(jié)構(gòu)緊湊,體積小。
其中腳感閥4.2在的制動總泵轉(zhuǎn)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(yù)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(shè)計腳感閥K1、A1、L1參數(shù)即可確定剎車腳感,同時在上述參數(shù)確定的情況下,仍可在一定范圍內(nèi),通過調(diào)節(jié)預(yù)緊力Fj0大小,來調(diào)節(jié)控制制動行程以及腳感力,以適應(yīng)不同制動系統(tǒng)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(diào)節(jié)預(yù)緊程度來實(shí)現(xiàn),調(diào)節(jié)標(biāo)定方式簡單易操作。
助力閥4.3用來實(shí)現(xiàn)將制動總泵轉(zhuǎn)換傳遞的壓力Pi按一定比例進(jìn)行放大,使助力油源通過助力閥的壓力為:
其中,放大系數(shù):
預(yù)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(dǎo)壓力作用面積,mm2;Az2為開啟壓力作用面積,mm2;Fz0為預(yù)緊力,N
同時該待機(jī)壓力Pb0,通過管路作用于制動鼓分泵上,可以實(shí)現(xiàn)克服制動碲片[11]復(fù)位彈簧力,使制動碲片與殼體處于無壓力接觸狀態(tài),即制動鼓處于臨界制動狀態(tài)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(yīng)時間,又不會造成剎車片無效的耗損,使剎車系統(tǒng)達(dá)到無延時制動待命狀態(tài)。
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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)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(jìn)行比較取大,傳遞作用至制動分泵進(jìn)行制動。
這樣即便助力源5 出現(xiàn)故障即Pb=0 時,腳踏板力F依舊能通過制動總泵轉(zhuǎn)換成液壓力P1和P2,并通過壓力選擇閥進(jìn)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(tài),即與原機(jī)械液壓助力狀態(tài)一致。
主動制動閥4.4 與安全閥4.5,用于保護(hù)系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)主動制動,當(dāng)人未制動,即腳踏板處于無作用狀態(tài)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(shí)現(xiàn)主動快速制動。
如圖3~4 所示,利用仿真軟件機(jī)械與液壓模塊[13]分別建立了液壓助力制動仿真模型與機(jī)械液壓制動系統(tǒng)仿真模型,主要對制動總泵、行走制動閥總成以及制動器進(jìn)行了詳細(xì)建模,其中對行走制動閥總成中助力閥與腳感閥進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計與建模,用以進(jìn)行準(zhǔn)確對比分析。
圖3 液壓助力制動系統(tǒng)仿真模型
基于中聯(lián)品牌某型號電動掃路機(jī)制動系統(tǒng)進(jìn)行仿真對比分析,制動系統(tǒng)主要相關(guān)參數(shù)如表1所示。
圖4 機(jī)械液壓制動系統(tǒng)仿真模型
表1 制動系統(tǒng)主要參數(shù)
設(shè)定腳制動力在1 s時間內(nèi)從0增至600 N,如圖5所所,以前制動器情況為例進(jìn)行相關(guān)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(tǒng),在制動待命時,形成待機(jī)制動壓力0.53 MPa,但并未產(chǎn)生制動力;無助力液壓制動系統(tǒng)壓力與制動力均為0。
圖7 前制動力對比
(2)在制動觸發(fā)瞬間,液壓助力制動系統(tǒng)在0.03 s后即產(chǎn)生制動力,而無助力液壓制動系統(tǒng)在0.08 s 后即產(chǎn)生制動力。
(3)在腳制動力達(dá)到最大后,液壓助力制動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制動壓力8.57 MPa,制動力3 944.6 N,無助力液壓制動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制動壓力6.5 MPa,制動力2 819 N。
(4)當(dāng)助力系統(tǒng)失效時的制動壓力與制動力與無助力液壓制動系統(tǒng)相當(dāng)。
針對無人操作情況,即腳未施加制動力時,當(dāng)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(jīng)安全閥快速起壓實(shí)現(xiàn)緊急制動。設(shè)定安全閥壓力10 MPa,緊急制動在1 s 后觸發(fā),以前制動器情況為例進(jìn)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(fā)后,液壓助力制動系統(tǒng)在0.03 s后即產(chǎn)生制動力,最大制動力達(dá)到4 677 N。
圖8 緊急制前制動壓力
圖9 緊急制前制動力
綜上所述,本文所設(shè)計的液壓助力制動系統(tǒng)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(jié)合掃路機(jī)上裝動力實(shí)現(xiàn)了助力制動、緊急制動等功能,此外,該助力制動系統(tǒng)還具備以下特點(diǎn)。
(1)該助力制動系統(tǒng)能根據(jù)操作者腳作用力實(shí)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(jù)操作不同需求進(jìn)行腳感調(diào)節(jié),且調(diào)節(jié)標(biāo)定方式簡單易操作。
(2)該助力制動系統(tǒng)形成的待機(jī)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(yīng)速度,同時待機(jī)壓力的易調(diào)節(jié)特性也使其能很好地適應(yīng)不同的制動系統(tǒng)。
(3)該助力制動系統(tǒng)的壓力選擇設(shè)計機(jī)制,使得即便助力回路失效,依然能實(shí)現(xiàn)制動,確保了制動系統(tǒng)的安全性。