基于AMESIM的电动真空泵优化匹配研究_张兴琦.pdf

第 卷 第 期 年 月南京理工大学学报 收稿日期：修回日期：基金项目：江苏省自然科学基金（）作者简介：张兴琦（），男，硕士，工程师，主要研究方向：汽车制动系统设计与匹配计算，：；通讯作者：宋杰（），男，博士，讲师，主要研究方向：汽车制动系统设计与匹配计算，：。引文格式：张兴琦，宋杰，宋雪梅，等 基于 的电动真空泵优化匹配研究 南京理工大学学报，（）：投稿网址：基于 的电动真空泵优化匹配研究张兴琦，宋 杰，宋雪梅，姜 迪（浙江万安科技股份有限公司，浙江 诸暨；南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京）摘 要：为了提高新能源汽车制动系统电动真空泵匹配的准确性，该文推导了电动真空泵的最小真空度计算公式，针对具体车型进行了数值计算。结合连续制动对管路液压强度的要求，分析了连续制动工况下真空泵所需真空度的匹配方法，随后研究了真空罐体积与真空泵抽速的关系，计算了罐体大小与所需真空泵抽速的匹配曲线。最后搭建整车制动系统仿真模型，结合前述真空泵所需真空度、罐体体积与抽速等参数，从制动液压输出和踏板感 方面分析了真空泵启停真空度的标定方法，并引入算例仿真计算，获得了最优解。结果显示，真空泵能够满足 种制动工况的要求。真空泵的工作真空度对助力器的始动力有一定影响，工作真空度越大，助力器始动力越小。真空度不影响助力器的助力比特性。真空罐体积大小对真空泵的需求抽速有重要影响，并呈现非线性关系。真空泵的启动真空度对制动管路压力输出大小和踏板感有较大影响。关键词：电动真空泵；新能源汽车；汽车制动系统；最小真空度；管路；液压强度；真空罐；抽速中图分类号：文章编号：（）：，（，；，）：，南京理工大学学报第 卷第 期 ，：；现代电动汽车使用电动真空泵与真空助力器相结合的制动布置形式。电动真空泵提供真空源，当汽车进行制动时，真空泵向助力器输出负压，在其内部产生气压差，进而产生大气伺服力，属于一种核心的动力源部件。对于整车制动系统设计，如何匹配合适的电动真空泵，主要涉及真空泵的抽气速度、真空罐体积和启停真空度等参数的优化选择。为此，很多专家学者做了很多前瞻性、创新性的研究工作。在国内电动汽车制动系统匹配方面，许多专家以微型汽车为例，或搭建了真空助力制动系统的数学模型，或设计了电动真空泵最小真空度的计算流程，或分析了汽车真空度匹配方法，并结合实际车型进行了验证。而国外已开发出多种真空助力系统，对于中度和轻度混合动力轿车，研究了在不改变真空助力器、制动主缸总成的基础上，由真空泵作为真空动力源的制动系统；另外对于深度混合动力轿车提出一种基于真空度的再生制动系统，但对于汽车真空泵的研究还不全面、系统。为此，本文从汽车制动理论出发，以新能源电动汽车为例，对最小真空度、真空罐体积、启停真空度等参数对制动系统的影响进行了研究分析，提出了一种新的真空泵优化匹配方法，为真空泵的选型提供了理论依据。电动真空泵匹配流程图 为现代电动汽车制动系统结构简图，真空助力器安装在踏板和制动主缸之间，通过三通管与真空罐、真空泵相连，为制动系统提供伺服助力。然后其输出力在制动主缸转为高压制动液，通过制动管路传递到前后卡钳制动器。卡钳在高压制动液的作用下抱紧制动盘，产生制动器制动力，进而出现刹车效果。基于以上制动系统工作原理的阐述，相应的真空泵参数匹配流程如下：（）根据整车参数计算前后轮制动器所需制动力；（）根据所需制动力和典型工况确定最小真空度；（）根据连续制动工况要求，结合步骤（）最小真空度，评估真空助力器实际所需真空度；（）分析真空罐体积与需求抽速的关系；（）分析启停真空度对真空泵工作状态的影响关系；（）搭建整车制动系统模型，优化真空罐体积、真空泵抽速及启停真空度等参数。图 现代电动汽车制动系统结构简图 真空泵匹配计算理论基础 制动系统理论根据汽车制动系统理论基础计算可得到汽车制动时所需真空泵工作最小真空度为，（）（）（）化简式（），得到前轮抱死时所需的真空泵真空度（）|（）（）同理，可求得当后轮抱死时，所需真空泵最小总第 期张兴琦 宋 杰 宋雪梅 姜 迪 基于 的电动真空泵优化匹配研究 真空度为（）|（）（）综上，所需真空泵最小真空度为（，）（）式中：为汽车地面附着力，为车轮滚动半径，为前、后卡钳缸径，为前、后卡钳制动半径，为前、后制动盘摩擦系数，为制动主缸直径，为助力器跳跃值，为助力器活塞盘有效直径，为助力器助力比，为汽车重力，为后轴距，为汽车质心高度，为地面附着系数，一般取，为汽车轴距。真空泵抽速计算理论抽气速率是指真空泵在单位时间内抽出气体的体积，它是真空泵性能好坏的 个重要指标。通过查阅真空设计手册，在低空区域内，电动真空泵的抽气速率（）式中：为真空泵的名义抽气速率；为修正系数，此处取；为真空泵容积，包含真空罐和助力器真空腔的容积；为抽气时间；为开始工作时进气口压力；为停止工作时进气口压力。真空泵参数优化与建模仿真 真空度的匹配计算算例 以国内某小型电动车为例进行仿真建模，整车参数如表 所示。表 整车参数踏板比满载总质量 满载质心高度 滚动半径 前轴距离 后轴距离 主缸缸径 卡钳缸径 摩擦系数有效制动半径 助力比助力器膜片直径 参考式（），带入整车参数，计算得到最小初始真空度为 （）查阅相关汽车行业标准，获得该款电动车的连续制动实验工况如下：制动工况 车辆启动 后，制动 次，制动时间为 ，要求制动管路压力达到 ，制动踏板力不大于 。制动工况 车辆启动 后，连续制动 次，制动时间为，间隔，要求每次制动管路压力达到 。首次制动时，制动踏板力不超过 ，后 续 次 的 制 动 踏 板 力 不 大 于。基于前述制动理论，并借用 软件搭建真空度与制动管路液压的瞬态仿真模型，如图 所示。图 真空泵与真空助力器仿真模型 设置不同的真空泵工作真空度，仿真计算制动主缸对不同真空度的输出曲线，如图 所示。从图 中可以看到当推杆力达到 时，制动主缸在不同真空泵工作真空度下均有制动压力输出，且在真空度为 时输出压力最小，为。因此若满足制动工况 的要求，真空泵工作真空度需在 以下。从图 还可以看出，真空度越大，助力器的始南京理工大学学报第 卷第 期动力越小；另外伺服助力阶段液压曲线互相平行，即助力器助力比不受工作真空度大小的影响。图 不同真空度对应制动管路压强输出曲线结合制动工况 的要求，从图 可以看出，当踏板力等于 时，若保证主缸输出压力在 以上，真空泵提供的真空度应在 以下。当踏板力等于 时，若保证主缸输出压力在 以上，真空泵提供真空度应在 以下。图 不同真空度对应制动管路压强输出曲线综上所述，若满足制动工况、的要求，真空泵提供的真空度需满足以下条件：（）最小真空度为；（）车辆启动 后，真空泵提供的真空度保持在 以下；（）在车辆连续制动下，第 次制动时真空泵提供的真空度保持在 以下，后续 次制动时，真空泵提供的真空度保持在 以下。真空泵抽速优化选择制动工况 要求真空泵在汽车启动 内，将助力器真空罐的气压（标准大气压）抽至（真空度为）。参考式（），获得该制动工况下所需真空泵抽速与真空罐体积的函数关系（）式中：真空腔的体积为，真空罐的体积为。制动工况 要求第 次制动真空泵在汽车启动 内，将助力器真空罐的压强（标准大气压）抽至 （真空度为）。由式（）得到该工况下第 次制动所需真空泵抽速与真空罐体积的函数关系（）制动工况 中第 次制动完成后，真空助力器内真空阀打开，大气由助力器的空气腔内流入真空腔，真空度被消耗使助力器内部气压升高。当气压达到真空泵的启停真空度时，触发真空泵开始抽气工作，为下一次制动提供真空度环境。根据范德瓦尔斯气体状态方程，可获得在绝热条件下真空阀打开时，助力器内部的气体状态方程（）（）（）式中：为大气压，为助力器真空腔内初始压强，为第 次制动完成后助力器真空腔内的压强。进而得到第 次制动后的助力器真空腔内的压强为（）（）（）制动工况 中的第 次制动时，要求在制动间隙 内，将助力器真空腔从上一次制动后的气压抽到 （真空度为）。得到后续 次连续制动时所需真空泵抽速与真空罐容积的函数关系（）使用 工具，对上述数学模型式（）、（）、（）进行仿真计算，获得不同制动工况下，真空泵抽速与真空罐容积的关系曲线，如图 所示。是制动工况 初始制动时真空泵所需抽速与真空罐容积大小的关系曲线；是制动工况 第 次制动时真空泵所需抽速与真空罐容积大小的关系曲线；是制动工况 后续 次制动时真空泵所需抽速与真空罐体积大小的关系曲线。从图 可以看出当真空罐的容积小于 时，制动工况 后续 次连续制动时需求真空泵抽速最高。当真空罐的容积大于 时，制动工况 初始制动时需求的真空泵抽速最高。总第 期张兴琦 宋 杰 宋雪梅 姜 迪 基于 的电动真空泵优化匹配研究 图 不同罐体所需真空泵抽速曲线 真空泵启停真空度的优化选择通过上文的分析，已经获得了制动系统所需真空度和真空泵抽速的计算方法。但制动系统在实际工作过程中，其内部气压处于一种瞬态变化的过程，不可能维持在某一气压下不变。为了避免真空泵高频重复启停，影响电机使用寿命，引入了区间工作制，即通过在真空罐内设置气压传感器，当检测到真空罐内的气压超过上临界真空度即启动真空度时，触发传感器启动真空泵开始抽气工作；当真空腔内的气压低于下临界真空度即停止真空度时，触发相应的传感器停止真空泵抽气工作。下文分别讨论启停真空度的设定方法或原则。停止真空度 应满足最小真空度式（）的要求，即；否则会出现助力器输出的制动力偏小，制动不足的问题。算例 中，最小真空度为，因此 。停止真空度也应满足连续制动工况（制动工况、）所需真空度，否则会导致连续制动时制动力不足，刹车无力等现象出现，在算例 中，制动工况 所需真空度为，制动工况 初始制动所需真空度为，后续连续制动时所需真空度为，综上，对于连续制动，。在真空泵实际工作过程中，真空泵的工作真空度越低，真空泵的能量消耗越大。设置过低的停止真空度会引起能源浪费问题。另外，设置过低的停止真空度，真空泵在连续制动间隙期内无法将真空度抽至停止真空度，可能会导致前后 次制动真空度环境不一致，引起踏板感软硬交替问题出现。因此，因此设置停止真空度为 。对于启动真空度，应满足以下条件：第，保证连续制动时制动液压输出稳定；第，保证连续制动时踏板感稳定，不能出现踏板感偏软偏硬交替的问题。为研究最优启动真空度，本文借用 建模工具，搭建了涵盖制动踏板、真空助力器、真空罐、真空泵、主缸、卡钳等部件的 个完整的制动系统仿真模型，如图 所示。图 制动系统模型算例 采用 大小真空罐。其他整车参数参见算例。图 不同启动真空度下的踏板力与制动管路液压输出曲线查阅图，获得真空泵的最小需求抽速为 。同时通过前文理论分析获得了真空泵最小启停真空度空间为，。将启动真空度作为优化目标，考虑经验数值，初步设定为、，带入图 所示制动系统模型进行仿真计算，仿真工况参数见制动工况。获得仿真结果如图 所示。南京理工大学学报第 卷第 期通过图 可以看出，在制动工况 下，种启动真空度对应的制动液压输出并不一致。在 启动真空度条件下，制动管路压强都达到了 ，符合要求。在 启动真空度条件下，第 次、第 次和第 次制动强度不达标，不满足要求。在 启动真空度条件下，第 次、第 次和第 次制动强度低于 ，不满足要求。综上可以看出启动真空度对制动压力输出有较大影响，不合理的启动真空度会导致制动管路液压压力降低，制动力输出不足的问题。对于算例，将 设置为启动真空度满足要求。图 表示在制动工况 下，种真空泵启动真空度下踏板位移与踏板力之间的关系。图 在制动工况 下不同启动真空度第 次到第 次制动踏板感曲线图从图（）中可以看出，在 启动真空度条件下，第 次制动时踏板感曲线出现重叠现象，表明连续制动时踏板感稳定，满足要求；从图（）和（）中可以看出在 与 启动真空度条件下，制动踏板感曲线杂乱，表明踏板感软硬交替，制动不稳定，不满足要求。通过上述分析，可以看出将启动真空度设置为，制动系统压力输出满足制动工况 的要求，且踏板感稳定。因此对于算例 的最优启停真空度空间为，。模型验证图 所示为电动真空泵真空罐真空助力器制动主缸综合性能实验台，可对踏板力制动压力输出进行检测。图 实验设备图将电动真空泵、真空罐、真空助力器、制动主缸装入实验台，给定助力器推杆输入力 。记录制动系统的压力输出，与本文模型仿真数据进行对比，结果如图 所示。图 制动系统压力输出仿真与实验对比曲线通过图 可以看出，本文模型的仿真结果与实验数值吻合度高，变化趋势相同，表明本文所搭建的模型的准确性与有效性。结束语本文对电动汽车制动系统进行了理论分析，推导了最小真空度理论计算公式。在汽车连续制总第 期张兴琦 宋 杰 宋雪梅 姜 迪 基于 的电动真空泵优化匹配研究 动工况下对真空度需求进行了讨论。最后建立了完整的制动系统仿真模型，并引入算例，仿真最优真空泵启停真空度。得到了如下结论：（）当真空泵提供的最小真空度为；或在车辆启动 后，真空泵提供的真空度保持在 以下；或在车辆连续制动下，第 次制动时真空泵提供的真空度保持在 以下，后续 次制动时，真空泵提供的真空度保持在 以下时，满足制动工况、的要求。（）真空泵的工作真空度对助力器的始动力有一定影响，工作真空度越大，助力器始动力越小。真空度不影响助力器的助力比特性。（）真空罐体积大小对真空泵的需求抽速有重要影响，并呈现非线性关系。（）真空泵的启动真空度对制动管路压力输出大小和踏板感有较大影响。参考文献：杨志伟，姚占，张庆军，等 电动汽车真空泵车内噪声诊断与优化分析 噪声与振动控制，（）：，（）：祝浩，徐家良，隋建鹏 电动汽车制动真空助力系统真空度值可信度故障检测方法研究 汽车科技，（）：，（）：张海军，郝占武，金叙龙，等 电动汽车真空助力制动系 统 的 匹 配 计 算 与 研 究 汽 车 技 术，（）：，（）：陈锋 电动汽车真空助力制动系统仿真研究时代汽车，（）：，（）：林逸，贺丽娟，何洪文，等 电动汽车真空助力制动系统的计算研究 汽车技术，（）：，（）：夏青松，杨华，徐达，等 电动真空助力制动系统设计 上海汽车，（）：，（）：谢桃新 液压制动真空助力系统的匹配设计汽车零部件，（）：，（）：肖锦钊，杨坤，王治宝，等 电动真空助力系统精细匹配 研 究 中 国 科 技 论 文，（）：，（）：杨凡，黄伟，马敬，等 基于 的电动汽车真空泵集成控 制 研 究 汽 车 电 器，（）：，（）：，：刘晋霞，王莉，刘宗锋 四驱电动轮汽车模糊逻辑控制的 再 生 制 动 系 统 机 械 设 计 与 制 造，（）：，（）：何仁，刘存香 摩擦式制动器与非接触轮边缓速器集成系统仿真分析 南京理工大学学报，（）：，（）：施锦玮，王洪亮，皮大伟，等 基于模型预测的中置轴汽车列车横摆控制研究 南京理工大学学报，（）：，（）：