汽车真空辅助制动系统的设计与研究

汽车真空辅助制动系统的设计与研究刘树伟1,2 郭立新1 郝 亮21.东北大学,沈阳,110819 2.辽宁工业大学,锦州,121001

摘要:以汽车紧急制动工况为研究对象,设计和研制了一种汽车真空辅助制动系统,该系统主要包括机械执行机构、制动吸盘、真空系统、弹射收起系统、控制系统五个部分。对该系统进行了理论分析和实验研究,结果表明,该系统可显著提高汽车制动效能,可有效缩短汽车紧急制动时的制动距离,从而有效降低交通事故的发生概率并降低交通事故的严重程度。关键词:辅助制动;制动吸盘;制动距离;真空系统中图分类号:TH69;U462.1 DOI:10.3969/j.issn.1004132X.2015.13.024

DesignandResearchofAutomotiveVacuumAuxiliaryBrakingSystemLiuShuwei1,2 GuoLixin1 HaoLiang2

1.NortheasternUniversity,Shenyang,1108192.LiaoningUniversityofTechnology,Jinzhou,Liaoning,121001Abstract:Anautomotivevacuumauxiliarybrakingsystemwasdesignedwhenthedriverurgently

brakedtheautomobile.Thesystemmainlycontainedfiveparts,suchasmechanicalactuator,braking

sucker,vacuumsystem,ejectionretractingsystem,thecontrolsystemandsoon.Thevacuumauxiliary

brakingsystemcouldincreasesignificantlythebrakingefficiencyandshortenthebrakingdistanceofautomobileemergencybraking.Afterthetheoreticalanalysisandtheexperimentalresearch,thesys-

temwillreduceeffectivelytheprobabilityandthedamagedegreeoftrafficaccidents.Keywords:auxiliarybraking;brakingsucker;brakingdistance;vacuumsystem

收稿日期:20140807基金项目:辽宁省博士启动基金资助项目(20141130);辽宁省教

育厅项目(L2013253);辽宁工业大学校教师科研启动基金资助

项目(X201110)

0 引言

汽车的制动性能是影响行车安全的重要保障,直接关系到交通安全。目前许多重大交通事故都是由于制动距离太长、紧急制动时丧失方向稳定性等因素造成的。传统汽车制动方式是在车轮上安装机械式摩擦制动器(盘式或鼓式),使汽车在制动时减速直至停车。随着汽车技术的发展,目前常采用汽车辅助制动装置来改善汽车的制动性能。国内外常用汽车辅助制动装置有以下几种类型:发动机缓速器、发动机排气辅助制动系统、电涡流缓速器、液力缓速器、牵引电动机缓速器、空气动力缓速器等[1]。上述汽车辅助制动装

置的作用是在不使用或少使用行车制动器的情况下,使车辆行驶速度降下来或保持稳定(但辅助制动装置并不能将车辆紧急停止),这种作用称为缓速作用,故该装置又称为缓速制动器。目前,汽车辅助制动系统正逐渐实现与ABS、ASR、ESP等系统的综合控制以达到更好的制动性能,但大多

属于实现汽车的缓速制动。当汽车制动时,一般制动器制动力能够令车轮达到抱死或临近抱死状态,车轮一旦抱死或接近于抱死状态,由汽车制动原理可知,汽车的制动距离主要由地面附着力的大小决定,而地面附着力的大小主要与轮胎的结构、尺寸、类型、气压、路面的类型和状况、轴荷等因素有关,因此,在轮胎、路面、轴荷等条件确定的情况下,汽车在某一车速下的制动距离基本为定值。为了增大汽车的制动力,就必须有附加的制动系统提供辅助制动能量,从而有效缩短制动距离。本文所提出的汽车真空辅助制动系统可以实现汽车在紧急制动情况下有效缩短制动距离这一目标。

1 汽车真空辅助制动系统的组成和功

能[2-3]

汽车真空辅助制动系统包括机械执行机构、

制动吸盘、真空系统、弹射收起系统、控制系统五个部分,如图1所示。汽车真空辅助制动系统在汽车(以轿车为例)上的总体布置如图2所示。汽车真空辅助制动系统的制动吸盘如图3所示。当汽车紧急制动时,由控制系统测定驾驶员踩下制·0481·

中国机械工程第26卷第13期2015年7月上半月图1 汽车真空辅助制动系统组成示意图图2 汽车真空辅助制动系统总布置示意图图3 制动吸盘结构示意图动踏板的加速度和踏板力,当满足辅助制动系统进入工作状态条件时,控制系统向自锁机构发出打开信号,制动吸盘通过弹射机构和机械执行机构迅速下落而压紧路面,此时,真空控制阀打开,真空储能装置的真空作用导致制动吸盘的密封气囊中产生较大真空度,令制动吸盘紧紧地吸附在路面上,从而致使制动吸盘的摩擦橡胶与地面产生与汽车行进方向相反的摩擦力,为汽车提供辅助的制动力,从而缩短汽车原有的制动距离。2 汽车真空辅助制动系统的可行性分析汽车真空辅助制动系统产生的制动力是否能够有效辅助汽车实现制动,需要解决以下三方面问题:①真空辅助制动系统在汽车结构设置方面的可行性;②汽车原制动系统所产生地面制动力的计算;③在结构尺寸合理的情况下,所产生辅助制动效能是否可实现有效辅助制动。2.1 系统结构设置的可行性分析该系统中的制动吸盘、机械执行机构和弹射收起系统布置于汽车底盘,系统可以与车架相连接(作为固定点),承受制动吸盘载荷和传递辅助制动力。真空系统中,真空泵的体积较小,可布置于汽车任意角落,储能装置在容积一定的情况下,可结合汽车具体部位结构设计成任意几何立体结构。汽车的通过性是汽车的重要性能,对于轿车,影响通过性的重要参数是最小离地间隙,该系统布置于汽车底部时,可布置于汽车底盘相对凹陷位置,其总体高度为2~2.5cm,因此,基本不会影响汽车的最小离地间隙。综上所述,该系统的组成和结构设计,总体上不会影响汽车原有的结构、布局和汽车通过性等,因此真空辅助制动系统结构设置具有可行性。2.2 汽车地面制动力计算汽车真空辅助制动系统设计采用的实验车为某型轿车,其满载质量为m=1865kg,实验路面的附着系数ψ=0.7(后续实验条件相同,不再赘述),假设汽车制动系统可提供足够大的制动器制动力,则汽车的地面制动力Fb=Fzψ(1)式中,Fz为地面对车轮总的法向反力,Fz=mg。2.3 系统辅助制动效能设计计算汽车真空辅助制动系统辅助制动效能由辅助制动力决定,下面对影响辅助制动力的因素进行分析。为研究问题方便,假设汽车真空辅助制动系统在实施辅助制动过程中,制动吸盘的漏气速率vL为常数,由前文分析可知,真空辅助制动系统辅助制动力的主要影响因素包括:(1)真空储能装置的容积。容积越大,辅助制动过程中的平均真空度越大,辅助制动力越大。(2)密封气囊内真空度p(t)与时间

t的变化

关系。真空储能装置的容积V一定的条件下,密封气囊内的真空度p(t)降低越慢,辅助制动过程

中的辅助制动力越大。·1481·

汽车真空辅助制动系统的设计与研究———刘树伟 郭立新 郝 亮(3)制动吸盘的面积。真空储能装置容积和

真空度越大,漏气速率一定条件下,制动吸盘内密封气囊的面积越大,则辅助制动系统的辅助制动力越大。2.3.1 真空储能装置容积的确定在密封气囊密封面积一定的情况下,真空辅助制动系统的制动力主要取决于辅助制动过程中制动吸盘的密封气囊中的真空度p(t),而影响该真空度的因素主要有4个:真空储能装置内的初始真空度p0、制动吸盘(含密封气囊)与地面间的平均漏气速率vL、有效漏气时间tL和真空储能装置容积V。其中,真空储能装置内的初始真空度p0仅与真空抽取系统所能达到的最大真空度有关,为一常值;忽略真空度p(t)对漏气速率的影响,当路面和制动吸盘一定时,平均漏气速率vL基本相对稳定;有效漏气时间tL为系统参与辅助制动直至汽车停止的时间,当车速一定时,汽车在某路面以最大地面制动力(行车制动系统与辅助制动系统产生制动力之和)制动时,制动时间是一定的,即有效漏气时间tL为常数。因此,密封气囊中的真空度p(t)主要与真空储能装置容积有关,容积越大,真空度p(t)越大。由于真空储能装置容积受到汽车布置空间所限,故虽然其具体形状结构可以针对具体车型结构进行调整,但总容积不宜于过大(尤其是轿车),实验采用的真空储能装置为圆柱形桶,桶的半径r=0.17m,高h=0.58m,则真空储能装置的容积V=πr2h(2)2.3.2 密封气囊内真空度p(t)的确定汽车真空辅助制动系统辅助制动过程中,密封气囊内的真空度影响着辅助制动力的大小,真空度主要受有效漏气时间和真空度随时间变化规律所影响。2.3.2.1 有效漏气时间tL的确定如前所述,当真空储能装置容积V、密封气囊内的初始真空度p0和平均漏气速率vL确定时,真空度p(t)与有效漏气时间tL有关。当路面、制动初速一定时,有效漏气时间tL一定,但制动初速变化时,有效漏气时间tL亦将发生变化。为研究方便,下面以车速v0=80km/h制动工况为例进行分析。由文献[4]可知,当制动踏板力呈线性增长且保持一最大恒定值时,汽车制动减速度随时间变化情况如图4a所示,制动过程简化后的a-t曲线如图4b所示。图4中,τ1为驾驶员反应时间;τ＇2为制动系统协调时间;τ＂2为制动减速度增大时间;τ3为持续制动时间。各部分具体时间参见表1。

(a)制动减速度随时间变化曲线

(b)简化

a-t曲线

图4 制动减速度随时间变化及简化图

表1 驾驶员反应时间τ1以及轿车制动系统协调时间τ＇2和减速度增大时间τ＂2

时间类型无须移动视线(s)必须移动视线(s)

τ1+τ＇2

50％数值(平均值)99％数值(仅1％超出)0.61.10.9

1.4

τ＇2≈0.04

τ＂20.2

制动过程简化后,参见图4b,设汽车从驾驶

员发现突发状况到制动系统真正实施制动的时间为t1

,即

t1=τ1+τ＇2+τ＂

2

/2

由表1可知,t1≈1.24s

(以无须移动视线情

况计)。按照71/320/ECE(欧洲经济共同体的规

定),要求满载轿车在车速v0=80km/h时的最小制动减速度amin=5.8m/s2

,由于一般的干燥、良

好的沥青或混凝土路面的附着系数最大,可达0.7~1.0,因此,汽车制动时所能达到的最大减

速度amax=10m/s2(以重力加速度g=10m/s2