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第3章汽車EHB系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.1引言 EHB系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架主要由EHB液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和EHB電子控制系統(tǒng)兩部分組成。兩個(gè)系統(tǒng)彼此緊密相連，共同作用。EHB電子控制單元通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將(輪速，橫擺角速度，側(cè)向加速度，壓力，方向盤轉(zhuǎn)角等)車輛狀態(tài)信號(hào)采集到主控芯片，主控芯片通過分析和處理輸出控制信號(hào)，經(jīng)過功率放大，控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)EHB系統(tǒng)的液壓控制機(jī)構(gòu)(高速開關(guān)閥和電機(jī)泵)，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制的目的。由于時(shí)間原因和現(xiàn)有條件限制，本文主要完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要元器件的設(shè)計(jì)和選取，并且對(duì)電子控制單元的主控芯片及外圍電路進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)。下面就對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)具體元件的設(shè)計(jì)和選擇詳細(xì)論述。 3.2 EHB執(zhí)行機(jī)構(gòu)元件設(shè)計(jì)和選擇 EHB執(zhí)行機(jī)構(gòu)主包括：液壓供給單元，液壓控制單元和制動(dòng)踏板單元和輔助單元構(gòu)成。制動(dòng)踏板單元通過采集電子踏板和踏板行程傳感器的信號(hào)，獲知駕駛員制動(dòng)意圖。液壓供給單元主要作用是通過對(duì)電機(jī)泵的控制，將高壓油液輸入給蓄能器，蓄能器為整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供能源。液壓控制單元控制主要元件是高速開關(guān)閥，通過電控單元通過輸出可調(diào)制的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出流量的精確控制。輔助單元包括制動(dòng)管路，儲(chǔ)油杯，傳感器等。 在執(zhí)行機(jī)構(gòu)元件選取過程中，流量和壓力是兩個(gè)主要的參數(shù)。根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)分析計(jì)算出所要求的元件尺寸大小和具體型號(hào)。而系統(tǒng)的工作壓力和流量分別取決于液壓執(zhí)行元件尺寸大小和液壓執(zhí)行元件所需流量。 在確定系統(tǒng)工作壓力的時(shí)候，不僅要盡量滿足系統(tǒng)負(fù)載的要求，而且應(yīng)考慮所選執(zhí)行元件的裝配空間，性能要求及元件成本等條件的限制。液壓系統(tǒng)功率一定，若工作壓力低一些，雖然增加了液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了工作噪聲，但同時(shí)元件的重量、尺寸就相應(yīng)增大;若工作壓力過高，雖然會(huì)加強(qiáng)液壓元件結(jié)構(gòu)緊湊性，輕巧性，但對(duì)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的制造精度和密封性能等要求就要有所提高。當(dāng)執(zhí)行元件高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。同時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)元件的使用壽命產(chǎn)生一定影響。加工起來困難，提高了設(shè)備制造成本。 在EHB設(shè)計(jì)過程中，液壓供給單元是整個(gè)液壓系統(tǒng)的功能裝置。他決定了整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和制動(dòng)輪缸能達(dá)到的最高壓力。根據(jù)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分析和研究，在制動(dòng)器上建立液壓(或制動(dòng)力矩)的速度要達(dá)到15MPa/s左右。即蓄能器，電機(jī)泵，高速開關(guān)閥及制動(dòng)器的大小所決定建立液壓的速率。其車輛模型參數(shù)見表3.1 3.2.1液壓供給單元 液力供給單元主要包括高壓蓄能器，電機(jī)，液壓泵等。蓄能器作為壓力源，為整個(gè)制動(dòng)執(zhí)行單元提供制動(dòng)所需的壓力，由于高壓制動(dòng)液從蓄能器流出，流經(jīng)閥類元件，到達(dá)制動(dòng)輪缸過程中會(huì)有管路的沿程損失，管路的局部壓力損失和閥類元件的局部損失，因此蓄能器應(yīng)該能提供足夠高的壓力，以滿足快速連續(xù)有效的制動(dòng)要求。蓄能器的壓力由壓力傳感器將信號(hào)傳遞給電子控制單元ECU來進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過實(shí)時(shí)開啟電機(jī)泵，來補(bǔ)充高壓蓄能器在制動(dòng)過程中所消耗的制動(dòng)液，使其壓力維持在一定的范圍內(nèi)。當(dāng)蓄能器中的制動(dòng)液壓力低于電子控制單元標(biāo)定的蓄能器的最低壓力時(shí)，電動(dòng)液壓泵開始啟動(dòng)工作，直到蓄能器中的制動(dòng)液壓力達(dá)到電子控制單元標(biāo)定的蓄能器的最高壓力，制動(dòng)液壓力高于蓄能器許用壓力時(shí)，溢流閥打開，直到蓄能器中的制動(dòng)液壓力低于安全壓力，在高壓蓄能器輸入端與電動(dòng)液壓泵輸出端之間相連的單向閥對(duì)蓄能器中的高壓制動(dòng)液起截止回流作用。下面對(duì)液壓供給單元元件的具體計(jì)算和選用進(jìn)行介紹。 1蓄能器的結(jié)構(gòu)形式 在壓力建立回路中，通常高壓蓄能器的功能是存儲(chǔ)能量、吸收液壓沖擊、回收能量和消除脈動(dòng)，對(duì)延長(zhǎng)系統(tǒng)工作壽命、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善其動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)、保證系統(tǒng)正常運(yùn)行、降低噪聲等起著重要的作用。蓄能器在工作過程中如同一個(gè)彈性元件，首先將液體的液壓能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能貯存起來，然后當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)再由勢(shì)能轉(zhuǎn)化為液壓能。蓄能器根據(jù)儲(chǔ)能方式的不同，分為重力式、彈簧式和氣體式;而氣體式蓄能器又分為非隔離式蓄能器和隔離式蓄能器。在隔離式蓄能器中包括一個(gè)外殼，殼體內(nèi)用一個(gè)固體或柔性的分隔元件分成兩個(gè)腔室，一個(gè)裝有液體的腔室，另一個(gè)裝有氣體的腔室。當(dāng)外部系統(tǒng)壓力超過蓄能器內(nèi)部壓力時(shí)，油液通過壓縮分隔元件另一側(cè)的氣體，將油液壓力能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能;當(dāng)外部系統(tǒng)壓力低于蓄能器內(nèi)部壓力時(shí)，蓄能器中的高壓氣體膨脹，通過分隔元件作用于油液向外部系統(tǒng)釋放能量。由于氣體和液體分離不易混合，從而有效地利用了氣體壓縮時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)能，因此隔離式蓄能器的應(yīng)用范圍很廣。隔離式蓄能器根據(jù)結(jié)構(gòu)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氣體由浮動(dòng)的自由活塞隔開，其具體結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。活塞上部為壓縮空氣，由閥將氣體充入，高壓油液經(jīng)油孔流向液壓系統(tǒng)，活塞隨下部壓力油的儲(chǔ)存和釋放來回滑動(dòng)。這種蓄能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)，但因活塞有一定的慣性和O形密封圈存在較大的摩擦力，所以反應(yīng)不夠靈敏，充氣壓力有限，密封困難，而且氣體和液體有相混的可能性。 b皮囊式蓄能器 皮囊式蓄能器由皮囊、殼體、充氣閥、菌形閥、油口組成，氣體和油液用皮囊隔開，當(dāng)系統(tǒng)壓力突然下降或充氣時(shí)菌形閥自動(dòng)關(guān)閉。其結(jié)構(gòu)如圖3.2所示，皮囊用耐油的特殊橡膠制成，固定在殼體的上部，多采用氮?dú)庾鳛闅怏w介質(zhì)，氮?dú)鈴臍忾T充入，殼體下端的提升閥由彈簧加菌形閥構(gòu)成，壓力油由此流入，并能在油液全部排出時(shí)，防止皮囊膨脹擠出油口。這種結(jié)構(gòu)使氣、液密封可靠、不易漏氣，并且因皮囊慣性小，反應(yīng)靈敏、克服了活塞式蓄能器響應(yīng)慢的弱點(diǎn)，充氣方便，容易安裝維護(hù)。因此，它的使用和研究是目前最多的。 c薄膜式蓄能器 薄膜式蓄能器是將兩個(gè)半球形殼體扣在一起，半球與半球之間用一張橡膠薄膜隔開，利用薄膜的彈性來儲(chǔ)存、釋放壓力能，薄膜式蓄能器重量最輕，易于吸收脈動(dòng)反應(yīng)靈敏，由于橡膠薄膜面積較小，氣體膨脹受到限制，輸出量小。主要用于體積和流量較小的情況，如用作減震器，緩沖器等。 d重力式蓄能器; 重力式蓄能器如圖3.3所示，重力式蓄能器利用提拉加載在活塞上的質(zhì)量，將液體的液壓能轉(zhuǎn)化為重物的重力勢(shì)能來儲(chǔ)存能量。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓力穩(wěn)定，主要用于冶金等大型液壓系統(tǒng)的恒壓供油，其缺點(diǎn)是反應(yīng)慢，結(jié)構(gòu)龐大，安裝局限性大，只能垂直安裝、不易密封，現(xiàn)在已很少使用。 e彈簧式蓄能器 彈簧式蓄能器如圖3.4所示，利用彈簧的壓縮和伸長(zhǎng)來儲(chǔ)存、釋放壓力能，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但由于彈簧伸縮量有限容量小，可用于小容量、低壓系統(tǒng)起緩沖作用，不適用于高壓或高頻的工作場(chǎng)合。 在EHB系統(tǒng)中蓄能器的功能主要是作為壓力源。由電動(dòng)泵作用，將油液的液壓能轉(zhuǎn)化為蓄能器內(nèi)部氣體的內(nèi)能，某些液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件是間歇?jiǎng)幼鳎淇偟墓ぷ鲿r(shí)間很短，該系統(tǒng)裝設(shè)蓄能器后，在非工作期間，泵向蓄能器充油，在工作期間，泵與蓄能器一起向執(zhí)行元件供油，這樣就可以采用一個(gè)較小的泵及動(dòng)力機(jī)來完成工作，減小了動(dòng)力機(jī)的功率。在蓄能器參數(shù)選取時(shí)主要是根據(jù)系統(tǒng)的總壓力和輪缸的總體積來選蓄能器。我們選用氣囊式蓄能器，蓄能器的容積是由其工作中要求輸出的油液體積，充氣壓力、系統(tǒng)最低工作壓力和最高工作壓力決定的，下面我們進(jìn)行蓄能器參數(shù)的計(jì)算： 由理想氣體狀態(tài)方程：PV = nRT，由公式可知，蓄能器內(nèi)氣體的壓強(qiáng)和體積的乘積是一個(gè)常數(shù)。蓄能器的整個(gè)蓄能過程是一個(gè)等溫過程，蓄能動(dòng)作前后溫度T不變，氣體摩爾數(shù)n不變，R為常數(shù)8.31也不變。當(dāng)蓄能器作執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力源運(yùn)行過程中，來自液壓泵液體的對(duì)蓄能器內(nèi)的氣體進(jìn)行壓縮，蓄能器儲(chǔ)存和釋放的壓力油容量和皮囊中氣體體積的變化量相等，設(shè)皮囊的充氣壓力為Po，皮囊充氣的體積(蓄能器容量)為Vo，系統(tǒng)工作壓力達(dá)最高(即泵對(duì)蓄能器充油結(jié)束時(shí)的壓力)P1時(shí)，此時(shí)皮囊被壓縮后的體積為V1，當(dāng)系統(tǒng)處于最低工作壓力(即蓄能器向系統(tǒng)供油結(jié)束時(shí)的壓力)P2時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣體體積為2 V，根據(jù)氣體狀態(tài)的變化遵守玻義耳定律可知定量等溫條件下，氣體的壓強(qiáng)與體積成反比關(guān)系。即 體積差ΔV = V2- V1為供給系統(tǒng)油液的有效體積，將它代入式(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壓蓄能器總?cè)莘eVo，需要知道以下參數(shù)：蓄能器充氣壓Po，蓄能器最低工作壓力P1，蓄能器最高工作壓力P2及蓄能器的有效排油量ΔV.蓄能器最高工作壓力P2按系統(tǒng)最高壓力Pv來確定，由于考慮到泄漏的影響和蓄能器的使用壽命且相對(duì)穩(wěn)定。Pv = 12MPa，則取P2 = 16MPa;蓄能器充氣壓Po與最高壓力P2之比大約保持在四分之一左右，首先應(yīng)考慮選用蓄能器的容積盡可能小，而使單位容積的蓄能器的儲(chǔ)能量盡量大(絕熱過程)。我們?nèi)0 = 0.47 P2 = 7.52MPa;蓄能器的充氣壓力Po應(yīng)不大于90%的最小工作壓力P1，取P1=1.6P2=12.03MPa. 蓄能器的有效排油量ΔV ( L)的計(jì)算： ∑Vi：蓄能器向系統(tǒng)供油結(jié)束時(shí)，各工作點(diǎn)的總耗油量; ξ：液壓系統(tǒng)泄漏因數(shù)，取ξ= 1.2; t：最大耗油量時(shí)泵的工作時(shí)間; ∑q：液壓泵的總供油量。 液壓泵的總供油量 (將在下面介紹K = 1.1~1.3，在此取K = 1.2)代入 制動(dòng)輪缸的工作容積的計(jì)算： 式中輪缸前分泵總?cè)萘繛閂f;輪缸后分泵的總?cè)萘繛閂r 考慮到高壓蓄能器工作的安全性，取蓄能器的有效工作容積為原來的二倍，同時(shí)圓整取ΔV = 0.025L. 由于整個(gè)工作過程屬于快速膨脹，可視為為絕熱過程，一般推薦n=1.4.將所求得的參數(shù)帶入式3.3可得： 根據(jù)上面所得參數(shù)，選擇公稱體積為0.25L，最大壓力20Mpa的蓄能器。如圖3.5所示 |
