电动汽车真空助力制动系统仿真研究

陈锋

摘 要：对电动汽车真空助力系统进行建模仿真，分析了踏板行程与真空度消耗关系、不同真空度条件下助力器的输出性能关系、真空泵响应是否满足助力器等问题，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。

关键词：电动汽车 真空助力 制动 仿真

Simulation Research on Vacuum Assisted Braking System of Electric Vehicle

Chen Feng

Abstract：The article studied the modeling and simulation of the vacuum booster system of electric vehicles， and analyzed the relationship between pedal stroke and vacuum consumption， the relationship between the output performance of the booster under different vacuum conditions， and whether the response of the vacuum pump meets the booster. The simulation results show that the output force is coordinated with the pedal input force and meets the braking requirements. The vacuum pumping speed， start-stop vacuum degree， tank size and vacuum booster requirements are reasonably matched. The hydraulic pressure of the brake master cylinder meets the requirements of braking intensity. During continuous braking， the vacuum degree in the vacuum tank changes regularly， and the vacuum degree environment of the vacuum tank is consistent before each braking.

Key words：electric vehicle， vacuum assist， braking， simulation

1 引言

絕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。

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。

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。

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。

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。

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，真空罐内真空度變化规律性好，每次制动前真空罐真空度环境一致。

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。

参考文献：

[1]张海军，郝占武，金叙龙，李保权.电动汽车真空助力制动系统的匹配计算与研究.汽车技术，2012，4：36～38，43.

[2]林逸，贺丽娟，何洪文，陈潇凯.电动汽车真空助力制动系统的计算研究.汽车技术，2006，10：19-22.

[3]詹爽，熊会元，于丽敏，周玉山.电动汽车真空助力制动系统的匹配优化方法研究.机床与液压，2016，5：51-56.