电动汽车真空助力制动系统设计

重庆大学本科学生毕业设计（论文）摘要I摘要环境问题和能源危机已经成为了全世界的焦点问题之一。而传统汽车作为能源消耗大户和环境污染的重要“元凶”，其发展也面临着严峻的挑战。在此大背景下，纯电动汽车的研发受到了各国的重视。电动汽车的真空助力制动系统，作为电动汽车的控制系统，对于电动汽车安全性、操控性、舒适性等都有重大的影响，因此对电动汽车的真空助力系统进行设计是很有必要的。本文首先介绍对电动汽车进行概述、汽车制动系统的组成、重点介绍真空助力制动系统，然后对该装置的电动汽车的最大制动力、真空助力器输入和输出力、踏板反力和液压输出力、制动器制动力等进行研究计算，确定制动系统的最小真空度，最后根据所以条件编写JAVA程序，确定制动系统所需要的最小真空度。完成电动汽车真空助力系统的初步设计。由于电动汽车真空助力制动系统的寿命受到真空泵使用时间和次数的，为了延长制动系统的使用时间，减少汽车的维修费用，延长维修间隔时间。在设计好的制动系统的基础上进行优化改进，加装一套间歇控制系统，以此来达到目的。关键词纯电动汽车,真空助力制动系统,真空泵,间歇控制系统重庆大学本科学生毕业设计（论文）ABSTRACTIIABSTRACTENVIRONMENTALISSUESANDENERGYCRISISHASBECOMETHEFOCUSOFONEOFTHEWORLDTHECONVENTIONALCARSASTHELARGEENERGYCONSUMPTIONANDTHE“CULPRIT“OFENVIRONMENTALPOLLUTION,ITSDEVELOPMENTISFACEDWITHSEVERECHALLENGESAGAINSTTHISBACKGROUND,THEPUREELECTRICVEHICLERESEARCHANDDEVELOPMENTBYTHENATIONALATTENTIONELECTRICVEHICLEBRAKESYSTEMVACUUMBOOSTER,ASTHEELECTRICVEHICLECONTROLSYSTEMSFORSAFETY,HANDING,COMFORT,ANDOTHERSHAVEASIGNIFICANT,SOTHEELECTRICVEHICLEVACUUMBOOSTERSYSTEMDESIGNISNECESSARYTHISARTICLEFIRSTDESCRIBESONELECTRICVEHICLEFOROVERVIEW,ANDCARBRAKESYSTEMOFCOMPOSITION,ANDFOCUSDESCRIBESVACUUMPOWERBRAKESYSTEM,ANDONTHEDEVICEOFELECTRICVEHICLEOFMAXIMUMSYSTEMPOWER,ANDVACUUMPOWERDEVICEENTEREDANDOUTPUTFORCE,ANDPEDALANTIFORCEANDHYDRAULICOUTPUTFORCE,ANDBRAKESYSTEMPOWER,FORRESEARCHCALCULATION,DETERMINEBRAKESYSTEMOFMINIMUMVACUUMOF,LASTUNDERSOCONDITIONSWRITEJAVAPROGRAM,DETERMINEBRAKESYSTEMOFMINIMUMVACUUMOFCOMPLETETHEPRELIMINARYDESIGNOFTHEVACUUMBOOSTERSYSTEMFORELECTRICVEHICLESDUETOTHEELECTRICVACUUMPOWERBRAKESYSTEMVACUUMPUMPUSEDTOTHELIFEOFTHETIMEANDFREQUENCY,INORDERTOPROLONGTHETIMEOFBRAKINGSYSTEM,REDUCESVEHICLEMAINTENANCECOSTSANDEXTENDEDMAINTENANCEINTERVALSINTHEBRAKINGSYSTEMONTHEBASISOFDESIGNFOROPTIMIZATIONIMPROVEMENTS,ADDINGABATCHCONTROLSYSTEM,INORDERTOACHIEVETHEIRGOALSKEYWORDSPUREELECTRICVEHICLE,VACUUMBRAKEBOOSTERSYSTEM,VACUUMPUMP,INTERMITTENTCONTROLSYSTEM重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论1目录摘要IABSTRACTII1绪论211研究背景212电动汽车概述313国内外发展状况4131国外发展现状4132国内发展现状614汽车制动系概述7141简单制动系8142动力制动系9143伺服制动系1015课题简介13151课题研究的目的和意义13152课题研究内容142真空助力系统真小真空度计算173间歇性真空发生系统设计2031零部件的选择2032间歇控制的思路22321压力传感器的分配22322控制回路的选择2333间歇控制的具体实施办法24总结和前景展望27本文总结27前景展望28参考文献29附录131重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论21绪论11研究背景汽车在器生命周期内对公共环境的人类健康甚至生命产生一系列的危害。这些危害包括汽车在生产过程中、使用中和报废后的大气污染、水源污染、环境噪音、电源污染等，其主要是大气污染，可分为直接危害和间接危害。所谓直接危害是指汽车排放的CO、HC（碳氢化合物）和NOX气体，空气中含有一定浓度时，对人的敏感器官、血液和心脏等造成中毒或损伤；所谓间接危害指CO2、SO2、氟卤烃等累积起来会对酸雨的形成、温室效应的加剧和臭氧层的破坏起到加速作用。特别是在大城市中，汽车行驶所排放的气体颗粒、蒸发物已成为城市空气污染的主要来源1。汽车工业面临的第二个挑战是能源问题。从可持续发展观的观点出发，我们设法减少对石油资源大量的消耗，并且应积极研究当石油资源面临枯竭后汽车的替代能源。随着汽车保有量的持续增长，石油的供应显得日趋紧张。随着世界经济的持续发展和世界人口的不断增加，世界汽车保有量将会在以后较长的一段时间内不断增长。由此可以预见，全世界在未来对石油资源的需求将持续大幅度地增长，因此，开发并使用传统燃料的代用燃料和电动汽车、降低单位里程的燃料消耗量对保障能源供给和缓解环境污染具有重要的战略意义12。电动汽车（EV）是指全部或者部分采用电能驱动电机作为动力系统的汽车。它本身不排放大气污染物，即使按所耗电量换算成发电厂的排放，除了硫和微粒外，其他污染物也显著减少。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤炭、核能、水力等，解除了人们对石油资源日渐枯竭的担心，并且电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有研究表明，同样的原有经过粗炼送至电厂发电然后充入电池。再由电池驱动汽车，其能量的利用效率也比经过精炼变成汽油，再经过汽油机驱动汽车高很多。因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排放，基于以上的这些优点，在环境保护和能源危机的大背景下，电动车的研究和应用成为了现在汽车工业的一个“热点”1。综上所述，无论从节约能源、环境保护，还是在汽车的安全性及可靠性方面，电动车研究都是具有非常重要的意义。随着石油资源的日渐枯竭和对环境保护要求的不断提高，世界范围内对电动汽车的需求将日益加大。可以预测，随着环境重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论3污染和能源危机的日益严重，电动汽车的优势将更加的明显。同时，随着电动车技术的不断发展与进步，电动汽车的各项性能指标将会接近传统汽车，甚至超过传统汽车，电动车的价格也将进一步的降低，电动汽车一定会成为未来的重要的交通工具之一。12电动汽车概述电动汽车是通过提供驱动力的能量形式的概念提出来的，即是通过电能来驱动汽车行驶。它的驱动线路与内燃机动力线路不同，但是它具有汽车应有的属性和性能，因此归根结底它也是汽车的一种。电动汽车按照内燃机汽车的分内方法可以分为蓄电池电动汽车（BATTERYPOWEREDELECTRICVEHICLE,简称EV）、混合动力电动汽车（HYBRIDELECTRICVEHICLE,简称HEV）和燃料电池电动汽车（FUELCELLELECTRICVEHICLE,简称FEV）。而其中的蓄电池汽车即是人们常说的电动汽车3。各种各样的内燃机汽车已经融入到人类的生产生活中，研发电动汽车的目的是改变原汽车的能源品种和对环境的危害，所以电动汽车结构除了内燃机和与之相关的进气系统、燃料供给系统、传动系统、启动系统、冷却系统和排气系统外，汽车造型、底盘系统、车身，甚至驾驶员操作习惯也保留下来。虽然电动汽车还处于研发、示范、推广阶段，结构形式也是多样性的，但是概括起来电动车大体可以分为电源供给系统、驱动系统、控制系统和能源管理系统等四个子系统。启动电容蓄电池电源变换电动机图11电动汽车电源供给系统图电源供给系统主要由储能装置、能源变换装置和电源馈电线路组成。对于纯电动汽车，储能装置主要有各种蓄电池所组成的电源插件，有些还配有超级电容或者飞轮储能电池等作为辅助电源。驱动系统的作用是在驾驶员的控制下高效率的将蓄电池转化为车轮的动能，还有将车轮上的动能反馈到蓄电池当中。与内燃机汽车相比，纯电动汽车的动力线路可分为常规型、无变速型、无差速器型和电动轮型四种。常规型与内燃机相重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论4比在结构上只是用电动机替换了内燃机，无变速器型是去掉了内燃机、变速器和差速器，而电动轮型则是用全新的形式代替原动力路线。控制系统的作用是对汽车进行全面的控制和协调是汽车能正常的工作。主要包括四个部分即主控制EUC、电机控制EUC、电池控制EUC和CAN总线监控元。主控制EUC相当于电动汽车的大脑，它起到了控制全局的作用。电机控制EUC相当于汽车的四肢，主要控制转矩转速，调节电机温度等。电池控制EUC根据系统的需要调节供给的电压大小等。CAN总线监控单元是在不干扰总线数据传输的情况下，对传输的数据进行监控，实时记录和实时报警等。充电系统电池逆变及电机驱动系统电动机/发电机回收发电控制系统刹车制动下坡滑行高速行驶低速行驶传感器图12电动汽车回收能量原理图能源管理系统的功用是在满足汽车基本技术性能和成本等要求的前提下，根据各部分的特性及汽车运行状况，实现能量在转换之间按最佳方式传递，使能源的利用效率最合理。它由传感器、ECU、执行原件等硬件组成，还包括能源管理软件。包括能源回收系统和能源供给管理系统等。能源回收系统是把减速制动（刹车或者下坡）时车辆的部分动能转换成电能，并且存于储能器之中。能源供给管理系统是通过对车载能源实时消耗量和库存量进行分析判断，根据汽车运行工况合理使用和科学调配能源，提出补充能源的最佳方案。13国内外发展状况131国外发展现状电动汽车的历史比传统内燃机的还要长，但是直到20世纪末，随着人们对环境问题、能源问题的重视，电动汽车的研究才真正的开始迅猛的发展起来。各国都出台相关的政策鼓励发展电动汽车。美国与1993年与克莱斯勒、福特和通用合作实施了PNGV计划，旨在推动美国汽车技术革命，开发新一代汽车。该计划目标是，2000推出概念车，2005年生产出样车，1995年该计划有确定了轻型材料混合动力汽车、高性能发动机和燃料电池的主攻方向。布什政府在2002年又启动了FREEDOMCAR计划，该计划的重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论5目标是即不受燃油的控制、没有排放污染、选购你喜欢的汽车，不受限制随时随地的驾驶，燃料便宜、添加方便。图13雪佛兰VOLT电动汽车通用汽车开发的纯电动汽车EVI最高时速可达128KM/H,从静止加速到96KM/H只需9S，一次充电可行驶144KM,其后研究的IMPACT电动汽车巡航里程可达19KM。通用在2007年推出的概念车雪佛兰VOLT概念车，采用了最新研发的EFLEX动力同推进系统，110伏电源上充电6小时就可以充满锂电池，220伏的电源上更快，在业内引起了很大的反响。2009念得北美车展上福特宣布启动一项电动汽车计划，将和加拿大零部件供应商合作研发纯电动汽车。克莱斯勒也在次车展上推出了5款电动汽车。图14日产LEAF重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论6日本先后制定了三个计划用于发展电动汽车，2001年制定的低公害车开发普及行动计划，主要针对发展PNG、纯电动汽车、混合动力汽车甲醇汽车低油耗低排放的认证车。第二个计划用于鼓励发展燃料电池汽车，包括技术开发，基础设施建设等。第三个计划是专项研究计划，主要锂电池技术、氢能利用开发技术、质子膜燃料电池技术、氢气安全利用基础技术开发等。丰田汽车生产的RAV4电动汽车采用镍氢电池，一次充电可行驶200KM，零售价42万美元辆；日产汽车在日本和美国销售的ALTRA电动汽车采用锂电池，其循环使用寿命长，可反复使用1200次，续航里程达到124KM。2005三菱汽车推出的属于世界首创的交流电动轮轿车COLT电动轿车。车上装有两台最高转速为1500转/分，功率为20KW，最大扭矩为600NM的永磁式三相交流同步伺服电动机，每次充电可行驶150KM，最高时速为150KM。欧盟也推出了很多的计划用于发展电动汽车，例如欧盟电池研究发展实施计划、欧盟燃料电池巴士示范计划和欧洲电动汽车城市运输系统计划等。大众汽车公司在第18届国际电动汽车展会上推出的电动汽车能量来自300KG的充电电池，在12S内可从0加速到100KMH，最高车速140KMH。2001年，法国电力公司和博洛尔集团GROUPBOLLORE成立了一个联合子公司BATSCAP，开发了采用高性能聚合金属锂蓄电池LMP的电动蓝色轿车BLUECAR，最大行程超过200KM，最高时速为125KMH2。132国内发展现状我国电动汽车的研发要晚于其他国家，但是也取得了很多成果。科技部在“十五”期间将电动汽车作为“863”计划的重大专项计划，组织企业、高等院校和科研单位，以关、产、学、研四位一体的方式，联合攻关，实施电动汽车专项总体目标。在此推动下我国的东风汽车公司、一汽集团公司、上海汽车工业集团和长安汽车公司相继投入人力、财力开展研发工作。到目前为止，很多企业都已经推出了概念车，有些企业已经推出了少量电动汽车用于试运营。天津市电动汽车研究中心与天津一汽产品开发中心联合众多研究中心与大学资源，组建的天津清源电动车辆有限公司，研发出的X2000纯电动轿车，最高时速140KM/H，续航里程260KM，0到50KM/H的加速时间为68秒。被认为是国内目前最高水平，而且最接近量产的车型。万向集团从1999年涉足电动车领域，研发出的纯电动公交车总运行里程已经超过了15万KM。最高时速90KM/H，经济时速下续航里程为280KM，百公里的耗电量为70KWH。比亚迪在动力电池方面的研究一直处于世界前沿，其最新研发电动汽车E6（如图15所示）最高续航里程达到了350KM，最高时速可达120KM/H，0到100KM/H的加速时间小于13秒，E6重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论7采用“铁”动力电池，22分钟充电时间就可以达到80的。长安汽车股份有限公司在2008年成立了长安新能源汽车公司。主要负责纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等节能汽车的技术研发、系统集成设计等工作。2009年12月首款纯电动汽车奔奔MINI纯电动汽车试生产下线。在北京车展上首次亮相的GREENI电动汽车已经做好了量产准备。图15比亚迪E6电动汽车14汽车制动系概述随着高速公路的不断发展，同时人们为了满足工作和生活的需要，很多时候都希望汽车的速度越快越好，但是这必须以保护驾驶员得安全为前提。所以汽车除了能够完成高速行驶外，还需要在必要的时候加速行驶，例如转向过程中、经过不平路面、遇到障碍活着危险等的时候。这些时候都需要汽车在很短时间内将车速降低，甚至到零。如果汽车不具备此性能，哪儿高速行驶就是空谈。汽车在下坡过程中由于重力的作用又不断加速行驶的趋势，真是应该将车速限制在一定的范围内才能保证行驶的安全。如果汽车已经停止，也必须保证其可靠地原地驻留。使行驶中的汽车减速甚至停车，使下坡行驶的汽车速度保持在一定安全范围内，使已经停驶的汽车保持不动的作用称为制动。在实际中，汽车的上坡阻力、空气阻力、滚动阻力等都对汽车有制动作用，但是这些力是不可控制的，大小也是随机的，所以必须通过外界施加额外的力，来保证汽车的制动性能，这个力就是制动力，而实现这个力的装置就是制动系13。制动系统主要由4各部分组成功能装置、控制装置、传动装置和制动器，有些还包括制动力调节装置、压力保护装置和报警装置等，如（图16）所示。重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论8汽车制动系统至少应有两套独立的制动装置，即行车制动装置和驻车制动装置；重型汽车或经常在山路行驶的汽车要增设应急制动装置及辅助制动装置；牵引汽车还应有自动制动装置3。根据制动系统动力源的不同，制动驱动机构一般可分为简单制动、动力制动和伺服制动三大类5。图16制动系统的组成图141简单制动系简单制动系统即是人力制动系统，是靠司机作用于制动踏板上或者手柄上的力作为制动力源，其又分为机械式和液压式。机械式的是靠杆系或者钢丝绳传力，其结构简单，造价低廉，可供可靠，但是机械效率低，因此仅用于中、小型汽车的驻车制动装置中。液压式是通过驾驶员踩踏板的力驱动主油缸的液压油通过制动管路通向制动轮缸，使制动轮缸活塞推动制动蹄产生制动力。其有作用滞后时间短，工作压力大，缸径尺寸小结构简单，紧凑等优点，但是由于可能在管路中产生“气阻”现象，而且其操作沉重，不能适应现代汽车提高操纵轻便性的要求，所以当前多用于微车上，在轿车和轻型汽车上已经极少使用5。重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论9142动力制动系动力制动系是以发动机动力形成的气压和液压势能作为汽车制动的全部力源进行制动的，而司机作用于制动踏板或手柄上的力仅用于对制动回路中控制元件的操作。在简单制动系中的踏板力与其行程间的反比例关系在制动系中便不复存在，因此，此处的踏板力较小，且可有适当的踏板行程。其分为气压制动、气顶液式制动和全液压动力制动。气压制动系是动力制动系最常见的形式，气压制动系可以获得较大的制动驱动力，而且在主车和挂车之间制动驱动系统的连接装置结构简单、断开和连接都十分的方便，因此被广泛的应用于载货汽车，越野车和客车上。如（图17）所示的双回路气压制动系的回路图它有两个主储气筒，单缸空气压缩机输出地压缩空气首先经过储气筒单向阀进入湿储气筒室并进行油水分离，然后分为两个回路一个经过主储气筒及并列双腔制动阀的后腔通向前制动器室；另一个经过主储气筒及并列双腔制动阀的前腔和快放阀，通向后制动器室。当其中一个回路发生故障时，另一个回路可以继续工作，以使汽车保持一定的制动能力，因此也提高了汽车的行驶安全。图17东风EQ1090E型汽车的气压双回路制动系示意图1空气压缩机2前制动器室3双腔制动阀4储气罐单向阀5放水阀6湿储气室7安全阀8梭阀9挂车制动阀10后制动器室11挂车分离开关12接头13快放阀14主储气罐（供前制动器）15低压报警器16取气阀17主储气罐（供后制动器）18双针气压表19调压器20气喇叭开关21气喇叭重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论10气顶液式制动系是动力制动系的另外一种，即利用气压系统作为普通的液压制动系统主缸的驱动力源的一种制动驱动机构。他兼有液压制动和气压制动的主要优点。由于此系统中的气压系统的管路短，作用滞后时间也短，由于结构复杂、质量大、造价高，所以主要用于重型汽车上5。全液压动力制动系是用发动机驱动油泵产生的液压作为制动力源。他和动力转向的液压系统相同。全液压动力制动系拥有普通液压制动系统的优点，同时它还具有制动能力较强、制动反应时间快、受气阻的影响较小、操作轻便等优点，易于添加使用防滑移系统和制动力调节系统等，而且可以共用液压泵储油罐等零部件的系统有很多，例如动力转向系统、液压悬架机构、升举机构和其他辅助设备等，节约成本，是汽车更加的紧凑。但是它的缺点也是很明显的，其结构比较复杂、精密零件很多，对密封性要求也很高，所以到目前为止并没有得到广泛应用，仅用于一些高级轿车、大型客车和极少数的重型矿用自卸车上。143伺服制动系伺服制动系是在上边介绍的简单制动系的基础上加设一套由其他能源提供的助力装置，一般为人力液压制动系。这样就使人力和物力可同时兼得，即既可以使用人力又可以使用发动机的输出动力作为制动力来源的制动系。在正常情况下，制动力源主要是由动力伺服系统产生，而当动力伺服系统出现问题而失效的时候，这是可全部由人力驱动液压系统产生用于汽车制动的制动力。其分为气压助力式伺服制动系统、真空增压式和气压增压式伺服制动系统、液压伺服制动系统和真空助力式伺服制动系统。气压助力式伺服制动系如（图18）所示空气压缩机的两个气缸的出气管路分别通向两个主储气筒顶端的调压阀，压缩空气经过调压阀中的单向阀进入主储气筒中。两个单腔制动主缸分别接在两个气压伺服气室和控制阀组成的气压助力器上，气压助力器由制动踏板机构通过平衡杠杆进行操纵。重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论11图18气压助力伺服系统简图真空增压式伺服制动系统如（图19）所示发动机工作时在进气管中的真空度作用下，真空罐中的空气经真空单向阀被吸入发动机，因而罐中也产生并积累一定的真空度，以此作为制动伺服的能源。当驾驶员踩下制动踏板的时候制动主缸的制动液传入辅助缸，一部分由此使力传入制动轮缸，另一部分作为控制压力传入控制阀。控制阀在制动液的控制下使真空伺服气室与真空罐或者大气接通。真空伺服气室的输出力与制动主缸的液压力共同作用于辅助缸活塞，所以辅助缸输送至轮缸的压力总是高于制动主缸的压力。图19真空增压式伺服制动系简图重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论12本文研究的是真空助力伺服制动系统，它是由真空泵作为助力制动系统的真空源由发动机或者电动机带动，当他工作时，所产生的真空度经由单向阀传给真空筒，使筒内产生一定真空高度作为制动加力的力源【7】。真空伺服制动气室的前方是串列双腔制动主缸，主缸输出的高压油液通过对角线布置的双回路液压制动管路传递到各个车轮制动器的制动轮缸。真空助力伺服制动系统广泛应用于各种轿车，如图所示（图110）。真空助力器是真空助力伺服制动系统的核心部件，是利用发动机进气管的真空和大气之间的压差起助力作用如（图111）所示，在系统没有工作的情况下,控制阀推杆回位弹簧将控制阀推杆牢牢的锁定在锁片锁定的位置,此时的真空阀口是完全开启的,而控制阀弹簧作用在控制阀皮碗上的力使之与空气阀座紧密的贴合,这样就关闭了空气阀口。此时真空助力器的真空气室和应用气室分别通过活塞体的真空气室通道与应用气室通道经控制阀腔处相通,并与大气相隔绝。图110真空伺服制动系统示意图1刹车踏板2真空助力器常压腔3真空助力器4制动主缸5储气罐6电动真空泵7制动油路8真空伺服气室9储液罐10真空软管11压力传感器12主控ECU13、14、15、16制动轮缸当驾驶员开始进行制动时,此时制动踏板被踩下,踏板上的力经杠杆作用传送到在控制阀推杆上，而且是经过放大的。首先,在力的作用下控制阀推杆回位弹簧就将被压缩,控制阀推杆就将连同空气阀柱一起往左移动。一直移动到控制阀推杆上的控制阀皮碗与真空阀座紧密贴合在一起的位置时,真空阀口被关闭了。此时，真空助力器的真空气室、应用气室是被隔开的。同时，空气阀柱的顶位置刚好又与反作用盘的表面相贴合。当控制阀推杆继续向左移动,空气阀口就将开启。外界大气经过过滤后之后就可以通过已经打开的空气阀口以及通往应用气室的通道,进入到真空助力器的右气室,这时伺服力就产生了。由于反作用盘的材质重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论13有一个固有的物理属性，那就是有受力表面各处的单位压强相等，这样就使得伺服力输入力的增加而成固定比例增长。由于伺服力资源是有限的,当应用气室的真空度为零时，就达到最大伺服力,这时伺服力就成为了一个常量，不再随着输入力的变化而发生改变。此时，真空助力器的输出力与输入力是等量增长的；当驾驶员取消制动时,由于输入力的不断减小，控制阀推杆就将向右移动。当达到最大助力点时，真空阀口就将开启,助力器的真空气室和应用气室被联通,应用气室的真空度就将不断下降,导致伺服力不断减小,活塞体也向右移动。随着输入力的逐渐减小,伺服力也不断的减少,而且是固定比例的，直至制动力被完全解除。图111真空助力器示意图15课题简介151课题研究的目的和意义现在大多数企业在电动车方面的研发并不是单独的开发全新的汽车平台，而是在一般的已有汽车的原型上改装而成，因此还保留了很多发动机的工作特点。像本课题的电动汽车真空助力装置就是其中之一。绝大多数的轿车和轻型汽车很多都采用的是真空助力伺服制动系统。它的原重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论14理是利用发动机工作时产生的负压与大气压之间的压差来迫使刹车真空助力器橡胶膜片移动，推动制动主缸的活塞，以此来减轻人踩制动踏板的力，大大节省了驾驶员的体力。其是在人力液压制动系的基础上加设一套真空助力装置，使人力与动力可兼用，即兼用人力和发动机动力作为制动能源的制动系。在正常情况下，其输出工作工作压力主要由真空伺服系统产生，而在真空伺服系统失效时，仍然可以全由人力驱动液压系统产生一定程度的制动力7。基于以上特点电动汽车很多都继续采用真空助力伺服制动系统。但是和传统汽车有发动机的不停旋转来抽真空，以保证一定的刹车助力，但是电动车的电动机不可能一直都旋转，所以不能依靠进气管提供真空源（汽油机）或者发动机提供动力的真空泵（柴油机和汽油直喷发动机），所以将丧失真空助力功能，完全成为机械式制动系统，实际上这样仅由人踩踏板产生的制动力是无法满足行车制动的要求的。因此我们有必要对原有的真空助力系统进行改进，以满足制动的要求。152课题研究内容本文是在长安的一款传统微型客车的基础上进行纯电动车改装。原车采用的是前盘后鼓双回路的制动方式，采用的是真空伺服制动系统。由于该装置后没有发动机提供真空源，所以研究的最重要的工作就是选用一款合适的电动真空泵来作为真空源，用来代替原有汽车的有发动机带动产生的真空源。而对于制动系统的其他装置，在不影响性能的前提下都进行保留，在有需要的情况下可以进行必要的修改。同时对整个系统进行优化，主要是控制真空泵的工作时间，延长器寿命，其大体工作如下1、根据改装之后汽车的各项参数，进行受力分析，计算出系统所需要的最小真空度，具体工作如下A、根据客户提供的数据和以往的经验初步确定真空泵真空度的取值，以此来计算制动力的大小。B、根据真空度的取值，由制动器想角膜片两侧的压差计算出真空助力器的输入、输出力。C、根据已知踏板反力、真空助力装置的输出力和传递关系，计算出液压输出力。D、根据制动缸液压输出力计算出制动块所受的力。E、根据制动块受力、车轮数据和道路状况等因素，计算出制动器的最大制动力。F、如果计算出的制动力和所要求的最大制动力相近则确定真空度的取值为重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论15最小真空度值，反之则要调整真空度的取值重新计算，直到合适为止。可将整个过程表示如（图112）开始确定可变真空度P的取值PMAX真空助力器输入、输出特性踏板力液压输出特性制动轮缸对制动块施加的力制动器的制动力矩制动器的制动力满足制动性能取上一步的真空度值为最小值是步长P1KPA否结束图112真空度计算流程图2、当电动真空泵接通电源以后，电动真空泵就开始工作，而且不能停止，这样的工作情况对任何零件都是很苛刻的。根据其他企业对真空泵进行的整车道路试验的情况，当真空泵如上述情况工作，汽车在城市工况下行驶6000公里，电动真空泵出现损坏的概率很大的。而根据其寿命试验结果可知，一般真空泵的持续工作寿命平均为218小时。我们知道6000公里的运行里程是不符合要求的。因此给电动真空泵设计增加一个控制单元，使其在满足汽车制动要求的情况下进行间歇性的工作，延长使用寿命，同时尽可能的增加整个制动系统的可靠性，提高汽车安全性能。本章小结重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论16本章主要是对电动车的发展背景、现状进行概述，介绍了制动系统的基本组成和分类，重点介绍真空助力制动系统的工作原理和组成。方便对后面部分的理解。最后对本次设计研究工作做了概述，确定了大体的研究思路和方向。重庆大学本科学生毕业设计（论文）真空助力系统最小真空度计算172真空助力系统真小真空度计算本文是改装长安一款微型客车作为研究对象，我们通过制动过程中整车受力情况对其真空助力系统进行计算和分析。在保证汽车制动性能要求的前提下，设计出合理的所需真空度的最小值。改装后汽车的各项参数如下（满载）参数名称参数值满载质量M1889KG轴距L235M质心到前轴的距离L11321M质心到后轴的距离L21029M质心高度HG0488M车轮半径R0275M路面附着系数08制动块作用半径RR100977MR202286M制动因素KK108K222轮缸直径DD10054MD2001746M主缸直径DM002064M最大助力点输入力F1672N膜片有效直径D01947MABLFJFXB1FXB2FZ1Z2GHG图21汽车制动力示意图如（图21）所示，汽车前轮的最大制动力计算公式如下（1）1汽车后轮最大制动力（2）2计算结果如下重庆大学本科学生毕业设计（论文）真空助力系统最小真空度计算18108188998235（1029080488）894520818899823513210804885861汽车改装之后整车质量增加，由公式（1）（2）可知，前轮的制动力有一定加大，相应的后轮的制动力也相应的减小。为了保证汽车制动时候的可靠性，由计算结果可知，只需要对制动系统前轮产生的制动力分析计算即可，如此计算出前轮所需的最小真空度即是系统所需的最小真空度。根据真空助力器的工作原理，可以通过近似计算求出真空助力器的输入、输出特性曲线中的两个基本参数即与最大助力点相对应的输入力F1和输出力F2、助力比IS，即最大助力点前的输出力、输入力之比8。假设设真空助力器变压腔的真空度恒定不变的为零，即是大气压。同时忽略真空助力器的复位弹簧的反力、制动主缸推杆横截面积和机械效率对计算结果的影响，列出以下平衡方程式8（3）21142（4）1/142214/142122解以上两式，得（5）12/41（6）22/41（7）2/121/22式中，D为膜片有效直径，01642M；为真空助力器的常压腔真空度，PA；D2滑柱直径，00123M；D1橡胶反作用盘直径，002527M；IS为助力比，322根据真空助力器的几何特性，液压输出压力的大小可以求出为（8）2142式中，PM为主缸的输出压力，PA；DM为制动主缸直径，M；F2为真空助力器的输出力，N；最大助力点以前的踏板力FP和最大助力点之后的踏板力分别为（9）24重庆大学本科学生毕业设计（论文）真空助力系统最小真空度计算19（10）2411其中上式的为制动踏板传动机构的传动比，5；为制动主缸和制动踏板机构的机械效率，09；IS为真空助力器助力比。由上式可以求出不同真空度时踏板力与液压输出特性。由主缸输出力，可以求出制动轮缸对制动块施加的力P为（11）42上式中的D为轮缸直径。汽车的盘式制动器的制动力矩、以及制动力的计算公式如下12213上式中的R为制动块制动半径；F为制动块摩擦因素；R为车轮有效半径。根据以上的计算流程，我们设定初始真空度值为80KPA，步长,通1过JAVA语言编程，设定P为未知数，带入每步的公式进行计算，最后计算的结果和制动力相比较，如果大于8945N时，P的值减1KPA，再次进行计算，直到计算的制动力小于8945时为止，则上一次的结果就是最小真空度的值，相应的JAVA源代码如（附录1），由附录的程序计算结果可知，系统所需要的最小真空度为52KPA,此时踏板力满足设计要求的情况下，计算所得的制动器制动力为897168N，满足汽车制动性能的要求。本章小结本章介绍了改装后汽车所需的最小真空度的据算过程，整个过程是一环扣一环的逐步推进的。当然此计算也不是绝对的正确，比如整个系统的效率问题等就没有考虑进去，不同工况下有些数据也是会改变，比如路面附着系数。上述讨论的是罪常见的情况，所以大多数情况下都是适用的。重庆大学本科学生毕业设计（论文）间歇性真空发生系统设计203间歇性真空发生系统设计31零部件的选择为了保证电动汽车的易操纵性和安全性，同时考虑到真空助力制动系统中的真空泵的寿命和真空系统能源浪费问题，对于真空发生系统的设计我们提出了几点要求（1）依据前边最小真空度的计算，同时考虑到电动汽车的可靠性，选择适合整个系统的电动真空泵；（2）考虑到真空泵如果直接连接电源持续工作时真空泵的使用寿命太短的问题，应该加装一套合适的控制单元，同时综合考虑真空泵的试验分析和汽车操纵性的需要，添加一套真空压力延时开关，实时的控制真空泵的开启和关闭8。（3）完成添加控制单元后，还应该选择合适大小的真空储能罐与整个系统相配套，以保证汽车操纵制动的需要。因此，我设计了如（图32）所示的制动系统的基本构成图。该系统的连接方式如下真空助力器3和刹车踏板1相连接；真空泵6通过储气罐5与真空助力器3的真空伺服气室8相连接；主控ECU12和电动真空泵6相连接；储气罐5上安装的测量其内部压力的压力传感器11和主控ECU12相连接；制动主缸4通过油路7与制动轮缸相连接。图32UP28真空泵三维效果图重庆大学本科学生毕业设计（论文）间歇性真空发生系统设计21根据以上的计算结果，参考各个产品的特点的价格因数等，我们选择的电动真空泵为UP28辅助泵（上海海拉），其外观如（图34），工作曲线如（图33）。其主要工作参数如下表参数名称参数值额定电压12V工作电压616V额定电流78A工作温度范围40120存储温度范围40120寿命300000次工作循环400HR工作时间图33UP28工作曲线系统中的真空压力传感器选用湖北泓盈101160型传感器，其外观如下图所示。根据真空泵的工作曲线，选择容积为4L的真空罐，其实际工作曲线图为工作曲线中的蓝色曲线。由图中曲线可见，大概在5秒时间内真空度就能达到系统要求的51KPA，10秒时间内能够达到的真空度为65KPA。因此，我们选择真空泵开启的真空度上限是65KPA，这时在真空泵没有开启的情况下，仍然可以完成410次得连续制动而不会使制动效能降低到要求以下，真空度下限是51KPA，表示为刹车系统提供有效助力的最小真空度，以避免制动时制动力不足，而真空度55KPA为能完成一次完整制动过程所需要的最小真空度的值。重庆大学本科学生毕业设计（论文）间歇性真空发生系统设计22图34湖北泓盈101160型压力传感器外形图真空罐容积的选择根据经验计算如下131420013则完成一次制动所需的真空罐容积为1400013052连续制动4次所需的容积为20852L，则真空罐我们选择温州绿翔的10真空罐，外形尺寸为290，容积约为4L。2009032间歇控制的思路如果直接将所选的真空泵与12电源相连接，那么汽车开关控制接通了12V电源，那么真空就开始持续不断的工作，得不到休息，这对于汽车零部件来说条件是相当苛刻的。根据其他公司的道路整车实验和研究，采用此种连接方案的汽车，在城市道路工况下，行驶60008000公里后，电动真空泵就会出现损坏，这样汽车的制动性能就是去了意义，安全就得不到保证。制动系作为汽车的安全部件，60008000公里的正常行驶距离是远远不够的，不符合设计要求的，因此应该对系统进行改进，延长真空助力器使用寿命。321压力传感器的分配本系统中电动真空泵的开启和关闭都是通过储气罐中的压力传感器采集的数据，然后反馈给系统的主控ECU，以此来进行控制的。但是由于压力传感器本身属于易失效件，由于老化、剧烈的抖动等因素都有可能导致其误差增大或者损坏。如果是单个的传感器，在汽车行驶过程中损坏的话，那么真空泵不能正常的工作，可能不能提供足够的真空度以维持汽车的制动，制动系统的可靠性将大大的降低。为了解决上述的问题，我们选择多个压力传感器来采集储气罐的内部的压力值，这样就可以保证测量数据的准确性。在此文章中，我们选择两个压力传感器作为重庆大学本科学生毕业设计（论文）间歇性真空发生系统设计23研究对象。此装置当中的压力传感器都是和系统的主控ECU相连接的，因此可以由主控EUC来判断两个压力传感器是否工作正常。整个控制系统的控制策略如下1、假如两个压力传感器都是工作正常的，则主控ECU根据两个压力传感器中的一个测量储气罐内部气压，或者根据两个压力传感器的测量值得平均值，根据预先设定的压力线数据值，以此来控制真空泵的开启或关闭。2、如果两个压力传感器当中有一个已经不能正常工作，这时不能采用两个压力传感器的平均值，只能采用正常工作的那个压力传感器来测量储气罐气压，以此来控制真空泵的开启或关闭。3、如果两个压力传感器都不能正常工作时，此时不能采用压力传感器采集的数据作为电动真空泵开启和关闭的依据。为了保证汽车正常的制动性能，而不失效，主控ECU立即开启电动真空泵，持续产生真空源。当两个压力传感器都不能正常工作时，除了以上的控制策略之外，还有另外一套控制方案可供选择。主控EUC还可以通过是否有驾驶员踩刹车的信号，来控制电动真空泵的开启和关闭。刹车信号是安装在刹车踏板上的传感器将刹车踏板被踩下或者松开时的信号发送到主控EUC。此时主控EUC通过控制电动真空泵通电来启动电动车真空泵，控制真空泵工作时间的长短是通过控制通电时间的长短来确定的。以此来保证制动系统正常的工作。查阅资料可知，一般压力传感器没有正常工作的情况一般有两种误差过大或者损坏。因此在本系统中，我们判断两个传感器是否正常工作的方法可以采用压力比较法，即判断压力传感器是否损坏时是判断此压力传感器的测量气压是否长时间的超出储气罐的正常气压范围或者测量值长期固定不变。而判断压力传感器的误差是否过大时是比较两个压力传感器的测量气压，看两个值是否都在正常工作范围内，并且相差是否小于10。此方法的优点是判断简单，易于进行操作，同时出现判断失误的可能性也是有的，特别是判断压力传感器的误差是否过大时。322控制回路的选择为了保证系统的可靠性，为了仅仅是采用多个压力传感器来测量气压是不够的。如果控制回路失效时，整个系统就会失效。所以我们采用两个控制回路来控制真空泵的开启和关闭。两个控制回路分别接到继电器的两个静触点，而继电器重庆大学本科学生毕业设计（论文）间歇性真空发生系统设计24的动触点则与电动真空泵连接作为控制信号的输出端，主控ECU输出通过输出READY信号来控制继电器的动触点与那个静触点结合。因此当一个控制系统不能正常工作时，可以很容易的切换到另外一个控制回路。本文我们只讨论两个控制系统的情况，分别称为主用控制回路和备用控制回路。判断控制回路能否正常工作的方法也是比较法，即是通过比较两个控制回路的输入信号和输出信号的逻辑是否一致。如果一致则说明回路正常，反之则损坏了。33间歇控制的具体实施办法整个间歇控制系统的控制策略已经在上边说明了，针对本系统，具体控制流程如下汽车启动之后首先判断主用控制回路能否正常工作，然后判断压力传感器是否工作正常。如果两个压力传感器都不能正常工作时，则应该将真空泵先开启一段时间之后关闭，目的是为了能够汽车的第一次刹车提供足够的助力，而决定开启的时间的长短取决于真空泵的工作效率，本真空泵选择在10秒。此后由于不能依靠压力传感器的测量值，只有靠判断是否都有驾驶员的脚刹信号，当有脚刹信号出现时，主控EUC立即发出信号，开启电动真空泵，当驾驶员松开脚刹时，还要判断电动真空泵开启的时间是否达到了预定时间，如果已经达到了预定时间则关闭电动真空泵，如果没有达到，则继续开启真空泵知道达到预定时间后关闭电动真空泵，其目的是为了保证下次刹车时有足够的真空度来完成制动过程。整个过程如（图35）所示。重庆大学本科学生毕业设计（论文）间歇性真空发生系统设计25开始主用控制回路是否正常是两个压力传感器均损坏是B否启用备用控制回路真空泵开启一段时间后关闭是有脚刹信号真空泵开启是否计时小于预定时间真空泵关闭否结束真空泵保持开启是A否图35控制流程图一如果两个传感器至少有一个能正常工作时，首先判断真空度是否小于预定值NUM1，表示真空助力装置能够为制动时提供有效助力所要求的最小真空度，为51KPA。如果真空度小于此预定值NUM1时则开启电动真空泵以保持相应的真空度；如果测得的真空度大于预定值NUM1，则还要判断储气罐内部的真空度是否小于预定值NUM3，其表示真空助力装置能够在关闭电动真空泵的情况下还能够完成多次的刹车过程的最小真空度，为65KPA。此时还需要判断有驾驶员的刹车没有，如果没有刹车信号则不用开启电动真空泵，当有刹车信号时，判断真空泵是否小于预定值NUM2，其表示真空助力装置只能够完成一次助力制动过程所要求的最小真重庆大学本科学生毕业设计（论文）间歇性真空发生系统设计26空度，为55KPA，如果是则主控ECU立即控制开启电动真空泵，如果不是则不需要开启电动真空泵。整个控制流程如（图36）所示。如果真空泵控制开关有很明显的在短时间内开启和关闭，则说明整个真空系统发生了泄露，应该设置一个报警器，提醒驾驶员为了驾驶的安全性应该减速行驶，同时尽快进行检查和修理，防止发生意外。开始主用控制回路是否正常两个压力传感器均损坏是启用备用控制回路否A是真空度小于NUM1否真空度小于NUM2否有脚刹信号是开启真空泵是是真空度小于NUM3否是真空泵关闭否结束否B图36控制流程图二重庆大学本科学生毕业设计（论文）总结和前景展望27总结和前景展望本文总结本文的研究内容是电动汽车真空助力制动系统的设计，其实是在传统汽车的制动系统的基础上，通过合理的计算分析，对制动系统进行改进，以适应电动汽车改装后的制动性能要求。主要工作既是计算制动系统所需要的最小真空度，对真空泵进行优化控制，延长其使用寿命等，只要研究内容如下1、介绍了国内外电动汽车的发展状况，特别是中国在电动汽车领域的发展情况和电动汽车研究的意义等。粗略的介绍了现在电动汽车发展所遇到的问题等。2、详细的介绍了汽车制动系统的组成，工作原理。同时介绍了制动系统的分类，分类的标准，各个种类制动系统的优点和缺点，大概介绍各个种类制动系统的原理。3、详细介绍了汽车真空助力制动系统的组成，工作原理。分析了传统汽车在改装成为电动汽车时，制动系统所面临的问题，同时提出解决问题的大体思路和方案。4、以长安汽车的一款微型客车为例，以改装后的整车数据为基础，应用汽车理论建立汽车制动系制动时的受力数学模型。以汽车制动时的车轮受力为开始，推导出汽车满载时制动过程所需要的电动真空泵提供的最小真空度，以此作为选择电动真空泵的