汽车电子液压制动系统跟随特性的实验研究 ----汽车EHB系统的硬件设计(一)

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第3章汽车EHB系统的硬件设计
          3.1引言
          EHB系统试验台架主要由EHB液压执行机构和EHB电子控制系统两部分组成。两个系统彼此紧密相连，共同作用。EHB电子控制单元通过数据采集系统将（轮速，横摆角速度，侧向加速度，压力，方向盘转角等）车辆状态信号采集到主控芯片，主控芯片通过分析和处理输出控制信号，经过功率放大，控制信号驱动EHB系统的液压控制机构（高速开关阀和电机泵），从而达到对整个液压系统进行控制的目的。由于时间原因和现有条件限制，本文主要完成执行机构主要元器件的设计和选取，并且对电子控制单元的主控芯片及外围电路进行了初步的设计。下面就对这两个系统具体元件的设计和选择详细论述。
       
        3.2 EHB执行机构元件设计和选择
          EHB执行机构主包括：液压供给单元，液压控制单元和制动踏板单元和辅助单元构成。制动踏板单元通过采集电子踏板和踏板行程传感器的信号，获知驾驶员制动意图。液压供给单元主要作用是通过对电机泵的控制，将高压油液输入给蓄能器，蓄能器为整个执行机构提供能源。液压控制单元控制主要元件是高速开关阀，通过电控单元通过输出可调制的PWM信号，实现对输出流量的精确控制。辅助单元包括制动管路，储油杯，传感器等。
       
        在执行机构元件选取过程中，流量和压力是两个主要的参数。根据这两个参数分析计算出所要求的元件尺寸大小和具体型号。而系统的工作压力和流量分别取决于液压执行元件尺寸大小和液压执行元件所需流量。
       
        在确定系统工作压力的时候，不仅要尽量满足系统负载的要求，而且应考虑所选执行元件的装配空间，性能要求及元件成本等条件的限制。液压系统功率一定，若工作压力低一些，虽然增加了液压系统稳定性，降低了工作噪声，但同时元件的重量、尺寸就相应增大；若工作压力过高，虽然会加强液压元件结构紧凑性，轻巧性，但对液压执行机构的制造精度和密封性能等要求就要有所提高。当执行元件高速运动时，易产生振动和噪声。同时会对系统元件的使用寿命产生一定影响。加工起来困难，提高了设备制造成本。
       
        在EHB设计过程中，液压供给单元是整个液压系统的功能装置。他决定了整个系统的响应速度和制动轮缸能达到的最高压力。根据对执行机构的分析和研究，在制动器上建立液压（或制动力矩）的速度要达到15MPa/s左右。即蓄能器，电机泵，高速开关阀及制动器的大小所决定建立液压的速率。其车辆模型参数见表3.1
         
       
         
        3.2.1液压供给单元
          液力供给单元主要包括高压蓄能器，电机，液压泵等。蓄能器作为压力源，为整个制动执行单元提供制动所需的压力，由于高压制动液从蓄能器流出，流经阀类元件，到达制动轮缸过程中会有管路的沿程损失，管路的局部压力损失和阀类元件的局部损失，因此蓄能器应该能提供足够高的压力，以满足快速连续有效的制动要求。蓄能器的压力由压力传感器将信号传递给电子控制单元ECU来进行监测，通过实时开启电机泵，来补充高压蓄能器在制动过程中所消耗的制动液，使其压力维持在一定的范围内。当蓄能器中的制动液压力低于电子控制单元标定的蓄能器的最低压力时，电动液压泵开始启动工作，直到蓄能器中的制动液压力达到电子控制单元标定的蓄能器的最高压力，制动液压力高于蓄能器许用压力时，溢流阀打开，直到蓄能器中的制动液压力低于安全压力，在高压蓄能器输入端与电动液压泵输出端之间相连的单向阀对蓄能器中的高压制动液起截止回流作用。下面对液压供给单元元件的具体计算和选用进行介绍。
       
        1蓄能器的结构形式
          在压力建立回路中，通常高压蓄能器的功能是存储能量、吸收液压冲击、回收能量和消除脉动，对延长系统工作寿命、提高系统稳定性、改善其动态响应品质、保证系统正常运行、降低噪声等起着重要的作用。蓄能器在工作过程中如同一个弹性元件，首先将液体的液压能转化为势能贮存起来，然后当系统需要时再由势能转化为液压能。蓄能器根据储能方式的不同，分为重力式、弹簧式和气体式；而气体式蓄能器又分为非隔离式蓄能器和隔离式蓄能器。在隔离式蓄能器中包括一个外壳，壳体内用一个固体或柔性的分隔元件分成两个腔室，一个装有液体的腔室，另一个装有气体的腔室。当外部系统压力超过蓄能器内部压力时，油液通过压缩分隔元件另一侧的气体，将油液压力能转化为气体内能；当外部系统压力低于蓄能器内部压力时，蓄能器中的高压气体膨胀，通过分隔元件作用于油液向外部系统释放能量。由于气体和液体分离不易混合，从而有效地利用了气体压缩时产生的内能，因此隔离式蓄能器的应用范围很广。隔离式蓄能器根据结构不同可以分成活塞式蓄能器和皮囊式蓄能器。
       
        a活塞式蓄能器
          活塞式蓄能器中的油液和气体由浮动的自由活塞隔开，其具体结构如图3.1所示。活塞上部为压缩空气，由阀将气体充入，高压油液经油孔流向液压系统，活塞随下部压力油的储存和释放来回滑动。这种蓄能器结构简单、寿命长，但因活塞有一定的惯性和O形密封圈存在较大的摩擦力，所以反应不够灵敏，充气压力有限，密封困难，而且气体和液体有相混的可能性。
         
       
         
        b皮囊式蓄能器
          皮囊式蓄能器由皮囊、壳体、充气阀、菌形阀、油口组成，气体和油液用皮囊隔开，当系统压力突然下降或充气时菌形阀自动关闭。其结构如图3.2所示，皮囊用耐油的特殊橡胶制成，固定在壳体的上部，多采用氮气作为气体介质，氮气从气门充入，壳体下端的提升阀由弹簧加菌形阀构成，压力油由此流入，并能在油液全部排出时，防止皮囊膨胀挤出油口。这种结构使气、液密封可靠、不易漏气，并且因皮囊惯性小，反应灵敏、克服了活塞式蓄能器响应慢的弱点，充气方便，容易安装维护。因此，它的使用和研究是目前最多的。
       
        c薄膜式蓄能器
          薄膜式蓄能器是将两个半球形壳体扣在一起，半球与半球之间用一张橡胶薄膜隔开，利用薄膜的弹性来储存、释放压力能，薄膜式蓄能器重量最轻，易于吸收脉动反应灵敏，由于橡胶薄膜面积较小，气体膨胀受到限制，输出量小。主要用于体积和流量较小的情况，如用作减震器，缓冲器等。
       
        d重力式蓄能器；
          重力式蓄能器如图3.3所示，重力式蓄能器利用提拉加载在活塞上的质量，将液体的液压能转化为重物的重力势能来储存能量。其结构简单、压力稳定，主要用于冶金等大型液压系统的恒压供油，其缺点是反应慢，结构庞大，安装局限性大，只能垂直安装、不易密封，现在已很少使用。
         
       
         
        e弹簧式蓄能器
          弹簧式蓄能器如图3.4所示，利用弹簧的压缩和伸长来储存、释放压力能，它的结构简单，成本较低，但由于弹簧伸缩量有限容量小，可用于小容量、低压系统起缓冲作用，不适用于高压或高频的工作场合。
       
        在EHB系统中蓄能器的功能主要是作为压力源。由电动泵作用，将油液的液压能转化为蓄能器内部气体的内能，某些液压系统的执行元件是间歇动作，其总的工作时间很短，该系统装设蓄能器后，在非工作期间，泵向蓄能器充油，在工作期间，泵与蓄能器一起向执行元件供油，这样就可以采用一个较小的泵及动力机来完成工作，减小了动力机的功率。在蓄能器参数选取时主要是根据系统的总压力和轮缸的总体积来选蓄能器。我们选用气囊式蓄能器，蓄能器的容积是由其工作中要求输出的油液体积，充气压力、系统最低工作压力和最高工作压力决定的，下面我们进行蓄能器参数的计算：
        由理想气体状态方程：PV = nRT，由公式可知，蓄能器内气体的压强和体积的乘积是一个常数。蓄能器的整个蓄能过程是一个等温过程，蓄能动作前后温度T不变，气体摩尔数n不变，R为常数8.31也不变。当蓄能器作执行机构动力源运行过程中，来自液压泵液体的对蓄能器内的气体进行压缩，蓄能器储存和释放的压力油容量和皮囊中气体体积的变化量相等，设皮囊的充气压力为Po，皮囊充气的体积（蓄能器容量）为Vo，系统工作压力达最高（即泵对蓄能器充油结束时的压力）P1时，此时皮囊被压缩后的体积为V1，当系统处于最低工作压力（即蓄能器向系统供油结束时的压力）P2时，此时对应的气体体积为2 V，根据气体状态的变化遵守玻义耳定律可知定量等温条件下，气体的压强与体积成反比关系。即
         
         
       
        体积差ΔV = V2- V1为供给系统油液的有效体积，将它代入式（3.1），使可求得蓄能器容V0量，即
         
           
          由上式得
         
           
          有上式可知要求得高压蓄能器总容积Vo，需要知道以下参数：蓄能器充气压Po，蓄能器最低工作压力P1，蓄能器最高工作压力P2及蓄能器的有效排油量ΔV.蓄能器最高工作压力P2按系统最高压力Pv来确定，由于考虑到泄漏的影响和蓄能器的使用寿命且相对稳定。Pv = 12MPa，则取P2 = 16MPa；蓄能器充气压Po与最高压力P2之比大约保持在四分之一左右，首先应考虑选用蓄能器的容积尽可能小，而使单位容积的蓄能器的储能量尽量大（绝热过程）。我们取P0 = 0.47 P2 = 7.52MPa；蓄能器的充气压力Po应不大于90%的最小工作压力P1，取P1=1.6P2=12.03MPa.
       
        蓄能器的有效排油量ΔV （ L）的计算：
         
           
          ∑Vi：蓄能器向系统供油结束时，各工作点的总耗油量；
          ξ：液压系统泄漏因数，取ξ= 1.2；
       
        t：最大耗油量时泵的工作时间；
          ∑q：液压泵的总供油量。
       
        液压泵的总供油量
         
          （将在下面介绍K = 1.1~1.3，在此取K = 1.2）代入
         
          制动轮缸的工作容积的计算：
         
       
        式中轮缸前分泵总容量为Vf；轮缸后分泵的总容量为Vr
         
          考虑到高压蓄能器工作的安全性，取蓄能器的有效工作容积为原来的二倍，同时圆整取ΔV = 0.025L.
       
        由于整个工作过程属于快速膨胀，可视为为绝热过程，一般推荐n=1.4.将所求得的参数带入式3.3可得：
         
          根据上面所得参数，选择公称体积为0.25L，最大压力20Mpa的蓄能器。如图3.5所示