純電動(dòng)城市客車制動(dòng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

秦志勇

（廣西申龍汽車制造有限公司，廣西 南寧 530299）

1 純電動(dòng)客車制動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)

制動(dòng)系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，對(duì)汽車的安全行駛至關(guān)重要，純電動(dòng)客車制動(dòng)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(dòng)客車由電動(dòng)打氣泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)客車由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)打氣泵給制動(dòng)系統(tǒng)供氣，傳統(tǒng)客車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)打氣泵給制動(dòng)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(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)則不同，達(dá)到設(shè)定最大氣壓，電動(dòng)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(dòng)氣壓，電動(dòng)打氣泵又立即啟動(dòng)充氣。因此，純電動(dòng)客車制動(dòng)性能的匹配設(shè)計(jì)非常重要，既要滿足國(guó)標(biāo)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求，又不能過(guò)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(duì)新開發(fā)的一款12 m 純電動(dòng)城市客車，探討制動(dòng)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(dòng)城市客車制動(dòng)簡(jiǎn)述

2.1 整車基本參數(shù)

12 m 純電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)配置參數(shù)

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

表2 制動(dòng)系統(tǒng)配置參數(shù)

2.3 制動(dòng)系統(tǒng)性能指標(biāo)

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

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

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

（3）儲(chǔ)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(dòng)5 次后，氣壓不低于起步氣壓。為了應(yīng)付特殊情況制動(dòng)要求，連續(xù)全行程制動(dòng)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(dòng)裝置應(yīng)能保證機(jī)動(dòng)車在坡度為20%（對(duì)總質(zhì)量為整備質(zhì)量的1.2 倍以下的機(jī)動(dòng)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(dòng)，時(shí)間應(yīng)大于或等于2 min。

2.4 制動(dòng)系統(tǒng)工作原理

制動(dòng)系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。電動(dòng)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(chǔ)氣筒保存。制動(dòng)系統(tǒng)分成兩個(gè)回路：一個(gè)回路經(jīng)后儲(chǔ)氣筒、制動(dòng)總泵上腔通向后制動(dòng)氣室；另一個(gè)回路經(jīng)前儲(chǔ)氣筒、制動(dòng)總泵下腔通往前制動(dòng)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(dòng)能力，從而提高汽車行駛的安全性。

圖1 制動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖

3 駐車制動(dòng)性能計(jì)算與分析

后橋駐車制動(dòng)器所能提供的最大制動(dòng)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(dòng)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(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件要求。

4 行車制動(dòng)性能計(jì)算與分析

4.1 地面對(duì)前后輪法向反作用力

地面對(duì)前后輪法向反作用力[3-5]（忽略空氣阻力、滾動(dòng)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(duì)前后軸取力矩求得地面對(duì)前后輪的法向反作用力公式為（λ為制動(dòng)減速度與重力加速度的比值）：

圖2 地面對(duì)前后輪法向反作用力

4.2 理想前后制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線

制動(dòng)時(shí)前、后輪同時(shí)抱死，對(duì)附著條件的利用、制動(dòng)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(dòng)器制動(dòng)力之和等于附著力，并且前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)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(dòng)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(dòng)力數(shù)據(jù)

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

用表3 和表4 的數(shù)據(jù)可繪出，在制動(dòng)時(shí)地面對(duì)前后輪法向反作用力曲線，圖3 所示。由制動(dòng)時(shí)地面對(duì)前后輪法向反作用力的變化情況可知，當(dāng)制動(dòng)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(dòng)時(shí)地面對(duì)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(dòng)器制動(dòng)力分配曲線。

圖4 理想的前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線

4.3 空、滿載實(shí)際制動(dòng)力分配比

整車空、滿載實(shí)際制動(dòng)力分配比β為：

式中，F(xiàn)μ1為前橋制動(dòng)器的制動(dòng)力；Fμ2為后橋制動(dòng)器的制動(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)后輪抱死趨勢(shì)比較明顯，導(dǎo)致后輪ABS 易觸發(fā)。

4.5 行車制動(dòng)距離的計(jì)算分析

整車行車制動(dòng)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(dòng)增長(zhǎng)時(shí)間（氣壓制動(dòng)為0.2 ～0.6 s）。氣制動(dòng)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(dòng)初速度，30 km/h；dmax為最大穩(wěn)定制動(dòng)減速度（m/s2）。

最大制動(dòng)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(dòng)器最大制動(dòng)力距在輪胎與地面接觸處產(chǎn)生的制動(dòng)力，見表6。

表6 空、滿載制動(dòng)器制動(dòng)力距產(chǎn)生的最大制動(dòng)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(duì)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(duì)應(yīng)空載前、后橋制動(dòng)器最大制動(dòng)力矩在輪胎與地面接觸處產(chǎn)生的制動(dòng)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(dòng)器產(chǎn)生的最大制動(dòng)力計(jì)算最大制動(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)，制動(dòng)距離為：

5 整車打氣時(shí)間計(jì)算與分析

整車打氣泵、儲(chǔ)氣筒相關(guān)參數(shù)見表7。

表7 打氣泵、儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)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(cè)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(dòng)打氣泵為新泵，實(shí)際打氣工作效率比75%稍高。

6 制動(dòng)儲(chǔ)氣筒容積核算與驗(yàn)證

整車前、后輪制動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)氣參數(shù)見表8。

表8 前、后輪制動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)氣參數(shù)表

以上數(shù)據(jù)，前、后輪制動(dòng)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(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)算。

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

其中：P為初始?jí)毫Γ∕Pa）；V為初始制動(dòng)系統(tǒng)有效容積；V2為行車制動(dòng)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(dòng)時(shí)的制動(dòng)系統(tǒng)的氣壓。

前輪制動(dòng)與駐車制動(dòng)無(wú)直接關(guān)聯(lián)，但為了驗(yàn)證前后制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)性能一致性，也校核前制動(dòng)儲(chǔ)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(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)性能均滿足國(guó)標(biāo)GB12676 儲(chǔ)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(dòng)車在連續(xù)5 次踩到底的全行程制動(dòng)后，氣壓不低于起步氣壓[8-10]。

為了安全起見，儲(chǔ)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(dòng)8 次（GB7258 為5 次）后，氣壓不低于起步氣壓，制動(dòng)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(dòng)8 次后，前、后制動(dòng)系統(tǒng)都滿足氣壓不低于起步氣壓。

樣車試制完成后，對(duì)樣車進(jìn)行多次連續(xù)8 次全行程制動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)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(dòng)車起步壓力0.52 MPa，滿足12 m 純電動(dòng)城市客車制動(dòng)指標(biāo)要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

制動(dòng)系統(tǒng)是汽車不可缺少的功能配置，制動(dòng)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(guó)標(biāo)和行業(yè)關(guān)于制動(dòng)性能的技術(shù)要求外，加大部分制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的使用，從而保證汽車的安全行駛。