電動汽車真空助力制動系統仿真研究
2021年12月14日 16:26瀏覽：3199 評論：3 收藏：2
來源：汽車材料網
絕大多數轎車和微型汽車采用真空助力伺服制動系統[1]。國內對汽車真空助力制動系統進行了較多研究[1-3]。本文搭建了真空泵+真空罐+助力器系統模型，研究踏板行程對真空度消耗的關系，研究不同真空度條件下助力器的輸出性能關系，仿真制動系統制動力輸出曲線，評價真空泵抽速、啟停真空度、真空罐大小是否匹配助力器。
2.1 建模思路
在汽車制動系統中，真空助力器通過三通管與真空助力泵和真空罐相連，為整個制動系統提供負壓源。真空泵和真空管的大小直接影響制動系統的制動性能。為此，為研究真空泵性能，搭建了制動系統模型，如圖1所示。
由于主缸、制動管路和卡鉗在制動系統不會產生主動制動力，故可以作為負載，使用彈簧代替而不影響踏板行程。
2.2 建模方法
先簡化真空助力裝置，將真空助力器機械系統簡化為推桿總成、內彈簧座、皮碗、閥體（活塞盤）、輸出推桿、反饋盤、雙助力調節機構等七個部件和四個彈簧部件。然后根據其相互作用關系，用數學模型（質量塊和接觸）進行搭建重現。使用閥類數學模型構建空氣閥座和皮碗之間的空氣閥，閥體和皮碗之間的真空閥。使用容腔類數學模型搭建真空室和空氣室。
真空泵ECU主要功能是檢測真空腔的氣壓，在-50kpa啟動真空泵，-70kpa停止真空泵。故使用邏輯運算回路進行簡化。真空泵使用理想抽氣泵數學模型進行替代。電機部分采用額定恒轉速數學模型替代。
3.1 踏板行程與真空度消耗關系
采用C公司X車型的真空助力器和真空罐進行搭建，其中助力器為單膜片單助力比8英寸型號，真空罐的體積為2L。真空罐和真空腔的初始真空度為-66.7kpa。搭建的仿真模型如圖2所示。
在30s內從0-300N勻速踩踏板，獲得踏板行程與真空罐真空度損失的關系曲線如圖3、圖4所示。
3.2 真空度與助力器輸出性能的關系
在3.1模型的基礎上，通過對真空罐加上恒壓源，即可標定真空罐和真空腔的真空度。運用變量工具，通過對恒壓源設置不同的氣壓，即可獲得不同真空與助力器輸出性能曲線。搭建仿真模型模型如圖5所示。
分別采用
-70kpa，-66.7kpa，-60kpa，-50kpa，-40kpa，-30kpa，-20kpa，-13.7kpa的真空度進行仿真，獲得真空助力器在不同真空度條件下的輸出性能曲線，如圖6所示。
從圖6可以看出，隨著真空度的增大，真空助力器制動力輸出越大，最大助力點出現的越遲，可以獲得更多的大氣伺服助力；同時始動力不斷減小。真空助力比不受影響。
3.3 真空泵響應滿足制動需求驗證
研究真空泵的響應主要是關注真空泵的抽速，啟停真空度，罐體大小是否滿足搭配的助力器。典型的問題包括抽速不足，啟停真空度范圍過大、過小，罐體大小不合適等。一般來說，抽速不足會導致真空度達不到規定要求，導致制動力輸出不足。啟停真空度主要影響踏板感和真空泵的使用壽命，范圍過寬，影響連續制動踏板感不一致，范圍過小，導致真空泵頻繁啟動停止，影響使用壽命。真空罐大小不合適通常也會導致連續制動踏板感不一致。為此建立真空泵+真空助力器+輸出的動態仿真模型，如圖7所示。
定義制動工況：車輛啟動后30s，連續制動5次（制動時間4s，間隔6s），要求每次制動的管路壓力大于10MPa，踏板力不大于 500N。計算獲得相關響應曲線如下。
由圖8可知，助力器輸出力與踏板輸入力相協調，符合制動要求。說明真空泵抽速，啟停真空度，罐體大小與真空助力器的需求搭配合理。
由圖9可知，在踏板力不大于500N的條件下，制動主缸液壓可達到10.5MPa，滿足制動強度需求。
由圖10可知，在連續制動時，真空罐內真空度變化規律性好，每次制動前真空罐真空度環境一致。
（a）搭建了真空泵+真空罐+助力器系統模型，研究了踏板行程對真空度消耗的關系；（b）研究了不同真空度條件下助力器的輸出性能關系。仿真結果顯示，隨著真空度的增大，真空助力器制動力輸出越大，最大助力點出現的越遲，可以獲得更多的大氣伺服助力；同時始動力不斷減小。真空助力比不受影響；（c）研究了真空泵響應是否滿足搭配的助力器。仿真結果顯示，助力器輸出力與踏板輸入力相協調，符合制動要求。真空泵抽速、啟停真空度、罐體大小與真空助力器的需求搭配合理。制動主缸液壓壓力滿足制動強度需求。在連續制動時，真空罐內真空度變化規律性好，每次制動前真空罐真空度環境一致。
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