电动汽车真空助力制动系统仿真研究

1 引言

绝大多数轿车和微型汽车采用真空助力伺服制动系统[1]。国内对汽车真空助力制动系统进行了较多研究[1-3]。本文搭建了真空泵+真空罐+助力器系统模型，研究踏板行程对真空度消耗的关系，研究不同真空度条件下助力器的输出性能关系，仿真制动系统制动力输出曲线，评价真空泵抽速、启停真空度、真空罐大小是否匹配助力器。

2 制动系统建模

2.1 建模思路

在汽车制动系统中，真空助力器通过三通管与真空助力泵和真空罐相连，为整个制动系统提供负压源。真空泵和真空管的大小直接影响制动系统的制动性能。为此，为研究真空泵性能，搭建了制动系统模型，如图1所示。

图1 制动系统结构图

由于主缸、制动管路和卡钳在制动系统不会产生主动制动力，故可以作为负载，使用弹簧代替而不影响踏板行程。

2.2 建模方法

2.2.1 助力器建模方法

先简化真空助力装置，将真空助力器机械系统简化为推杆总成、内弹簧座、皮碗、阀体（活塞盘）、输出推杆、反馈盘、双助力调节机构等七个部件和四个弹簧部件。然后根据其相互作用关系，用数学模型（质量块和接触）进行搭建重现。使用阀类数学模型构建空气阀座和皮碗之间的空气阀，阀体和皮碗之间的真空阀。使用容腔类数学模型搭建真空室和空气室。

2.2.2 真空泵建模方法

真空泵ECU主要功能是检测真空腔的气压，在-50kpa启动真空泵，-70kpa停止真空泵。故使用逻辑运算回路进行简化。真空泵使用理想抽气泵数学模型进行替代。电机部分采用额定恒转速数学模型替代。

3 建模仿真与结果

3.1 踏板行程与真空度消耗关系

采用C公司X车型的真空助力器和真空罐进行搭建，其中助力器为单膜片单助力比8英寸型号，真空罐的体积为2L。真空罐和真空腔的初始真空度为-66.7kpa。搭建的仿真模型如图2所示。

在30s内从0-300N匀速踩踏板，获得踏板行程与真空罐真空度损失的关系曲线如图3、图4所示。

3.2 真空度与助力器输出性能的关系

在3.1模型的基础上，通过对真空罐加上恒压源，即可标定真空罐和真空腔的真空度。运用变量工具，通过对恒压源设置不同的气压，即可获得不同真空与助力器输出性能曲线。搭建仿真模型模型如图5所示。

图2 仿真模型

图3 真空腔真空度时间历程曲线

图4 真空腔真空度与踏板行程曲线

图5 仿真模型

分别采用-70kpa，-66.7kpa，-60kpa，-50kpa，-40kpa，-30kpa，-20kpa，-13.7kpa的真空度进行仿真，获得真空助力器在不同真空度条件下的输出性能曲线，如图6所示。

图6 不同真空度条件下助力器输出性能曲线

从图6可以看出，随着真空度的增大，真空助力器制动力输出越大，最大助力点出现的越迟，可以获得更多的大气伺服助力；同时始动力不断减小。真空助力比不受影响。

3.3 真空泵响应满足制动需求验证

研究真空泵的响应主要是关注真空泵的抽速，启停真空度，罐体大小是否满足搭配的助力器。典型的问题包括抽速不足，启停真空度范围过大、过小，罐体大小不合适等。一般来说，抽速不足会导致真空度达不到规定要求，导致制动力输出不足。启停真空度主要影响踏板感和真空泵的使用寿命，范围过宽，影响连续制动踏板感不一致，范围过小，导致真空泵频繁启动停止，影响使用寿命。真空罐大小不合适通常也会导致连续制动踏板感不一致。为此建立真空泵+真空助力器+输出的动态仿真模型，如图7所示。

图7 仿真模型

定义制动工况：车辆启动后30s，连续制动5次（制动时间4s，间隔6s），要求每次制动的管路压力大于10MPa，踏板力不大于 500N。计算获得相关响应曲线如下。

图8 连续制动踏板输入与助力器输出的关系曲线

由图8可知，助力器输出力与踏板输入力相协调，符合制动要求。说明真空泵抽速，启停真空度，罐体大小与真空助力器的需求搭配合理。

由图9可知，在踏板力不大于500N的条件下，制动主缸液压可达到10.5MPa，满足制动强度需求。

由图10可知，在连续制动时，真空罐内真空度变化规律性好，每次制动前真空罐真空度环境一致。

图9 连续制动踏板输入与主缸液压强度的关系曲线

图10 连续制动真空罐内真空度随时间变化曲线

4 结语

（a）搭建了真空泵+真空罐+助力器系统模型，研究了踏板行程对真空度消耗的关系；（b）研究了不同真空度条件下助力器的输出性能关系。仿真结果显示，随着真空度的增大，真空助力器制动力输出越大，最大助力点出现的越迟，可以获得更多的大气伺服助力；同时始动力不断减小。真空助力比不受影响；（c）研究了真空泵响应是否满足搭配的助力器。仿真结果显示，助力器输出力与踏板输入力相协调，符合制动要求。真空泵抽速、启停真空度、罐体大小与真空助力器的需求搭配合理。制动主缸液压压力满足制动强度需求。在连续制动时，真空罐内真空度变化规律性好，每次制动前真空罐真空度环境一致。