|
第3章汽車EHB系統的硬件設計 3.1引言 EHB系統試驗臺架主要由EHB液壓執行機構和EHB電子控制系統兩部分組成。兩個系統彼此緊密相連，共同作用。EHB電子控制單元通過數據采集系統將(輪速，橫擺角速度，側向加速度，壓力，方向盤轉角等)車輛狀態信號采集到主控芯片，主控芯片通過分析和處理輸出控制信號，經過功率放大，控制信號驅動EHB系統的液壓控制機構(高速開關閥和電機泵)，從而達到對整個液壓系統進行控制的目的。由于時間原因和現有條件限制，本文主要完成執行機構主要元器件的設計和選取，并且對電子控制單元的主控芯片及外圍電路進行了初步的設計。下面就對這兩個系統具體元件的設計和選擇詳細論述。 3.2 EHB執行機構元件設計和選擇 EHB執行機構主包括：液壓供給單元，液壓控制單元和制動踏板單元和輔助單元構成。制動踏板單元通過采集電子踏板和踏板行程傳感器的信號，獲知駕駛員制動意圖。液壓供給單元主要作用是通過對電機泵的控制，將高壓油液輸入給蓄能器，蓄能器為整個執行機構提供能源。液壓控制單元控制主要元件是高速開關閥，通過電控單元通過輸出可調制的PWM信號，實現對輸出流量的精確控制。輔助單元包括制動管路，儲油杯，傳感器等。 在執行機構元件選取過程中，流量和壓力是兩個主要的參數。根據這兩個參數分析計算出所要求的元件尺寸大小和具體型號。而系統的工作壓力和流量分別取決于液壓執行元件尺寸大小和液壓執行元件所需流量。 在確定系統工作壓力的時候，不僅要盡量滿足系統負載的要求，而且應考慮所選執行元件的裝配空間，性能要求及元件成本等條件的限制。液壓系統功率一定，若工作壓力低一些，雖然增加了液壓系統穩定性，降低了工作噪聲，但同時元件的重量、尺寸就相應增大;若工作壓力過高，雖然會加強液壓元件結構緊湊性，輕巧性，但對液壓執行機構的制造精度和密封性能等要求就要有所提高。當執行元件高速運動時，易產生振動和噪聲。同時會對系統元件的使用壽命產生一定影響。加工起來困難，提高了設備制造成本。 在EHB設計過程中，液壓供給單元是整個液壓系統的功能裝置。他決定了整個系統的響應速度和制動輪缸能達到的最高壓力。根據對執行機構的分析和研究，在制動器上建立液壓(或制動力矩)的速度要達到15MPa/s左右。即蓄能器，電機泵，高速開關閥及制動器的大小所決定建立液壓的速率。其車輛模型參數見表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，液壓泵等。蓄能器作為壓力源，為整個制動執行單元提供制動所需的壓力，由于高壓制動液從蓄能器流出，流經閥類元件，到達制動輪缸過程中會有管路的沿程損失，管路的局部壓力損失和閥類元件的局部損失，因此蓄能器應該能提供足夠高的壓力，以滿足快速連續有效的制動要求。蓄能器的壓力由壓力傳感器將信號傳遞給電子控制單元ECU來進行監測，通過實時開啟電機泵，來補充高壓蓄能器在制動過程中所消耗的制動液，使其壓力維持在一定的范圍內。當蓄能器中的制動液壓力低于電子控制單元標定的蓄能器的最低壓力時，電動液壓泵開始啟動工作，直到蓄能器中的制動液壓力達到電子控制單元標定的蓄能器的最高壓力，制動液壓力高于蓄能器許用壓力時，溢流閥打開，直到蓄能器中的制動液壓力低于安全壓力，在高壓蓄能器輸入端與電動液壓泵輸出端之間相連的單向閥對蓄能器中的高壓制動液起截止回流作用。下面對液壓供給單元元件的具體計算和選用進行介紹。 1蓄能器的結構形式 在壓力建立回路中，通常高壓蓄能器的功能是存儲能量、吸收液壓沖擊、回收能量和消除脈動，對延長系統工作壽命、提高系統穩定性、改善其動態響應品質、保證系統正常運行、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彈性元件，首先將液體的液壓能轉化為勢能貯存起來，然后當系統需要時再由勢能轉化為液壓能。蓄能器根據儲能方式的不同，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外殼，殼體內用一個固體或柔性的分隔元件分成兩個腔室，一個裝有液體的腔室，另一個裝有氣體的腔室。當外部系統壓力超過蓄能器內部壓力時，油液通過壓縮分隔元件另一側的氣體，將油液壓力能轉化為氣體內能;當外部系統壓力低于蓄能器內部壓力時，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產生的內能，因此隔離式蓄能器的應用范圍很廣。隔離式蓄能器根據結構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的自由活塞隔開，其具體結構如圖3.1所示。活塞上部為壓縮空氣，由閥將氣體充入，高壓油液經油孔流向液壓系統，活塞隨下部壓力油的儲存和釋放來回滑動。這種蓄能器結構簡單、壽命長，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，當系統壓力突然下降或充氣時菌形閥自動關閉。其結構如圖3.2所示，皮囊用耐油的特殊橡膠制成，固定在殼體的上部，多采用氮氣作為氣體介質，氮氣從氣門充入，殼體下端的提升閥由彈簧加菌形閥構成，壓力油由此流入，并能在油液全部排出時，防止皮囊膨脹擠出油口。這種結構使氣、液密封可靠、不易漏氣，并且因皮囊慣性小，反應靈敏、克服了活塞式蓄能器響應慢的弱點，充氣方便，容易安裝維護。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存、釋放壓力能，薄膜式蓄能器重量最輕，易于吸收脈動反應靈敏，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量，將液體的液壓能轉化為重物的重力勢能來儲存能量。其結構簡單、壓力穩定，主要用于冶金等大型液壓系統的恒壓供油，其缺點是反應慢，結構龐大，安裝局限性大，只能垂直安裝、不易密封，現在已很少使用。 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來儲存、釋放壓力能，它的結構簡單，成本較低，但由于彈簧伸縮量有限容量小，可用于小容量、低壓系統起緩沖作用，不適用于高壓或高頻的工作場合。 在EHB系統中蓄能器的功能主要是作為壓力源。由電動泵作用，將油液的液壓能轉化為蓄能器內部氣體的內能，某些液壓系統的執行元件是間歇動作，其總的工作時間很短，該系統裝設蓄能器后，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行元件供油，這樣就可以采用一個較小的泵及動力機來完成工作，減小了動力機的功率。在蓄能器參數選取時主要是根據系統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、系統最低工作壓力和最高工作壓力決定的，下面我們進行蓄能器參數的計算： 由理想氣體狀態方程：PV = nRT，由公式可知，蓄能器內氣體的壓強和體積的乘積是一個常數。蓄能器的整個蓄能過程是一個等溫過程，蓄能動作前后溫度T不變，氣體摩爾數n不變，R為常數8.31也不變。當蓄能器作執行機構動力源運行過程中，來自液壓泵液體的對蓄能器內的氣體進行壓縮，蓄能器儲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，系統工作壓力達最高(即泵對蓄能器充油結束時的壓力)P1時，此時皮囊被壓縮后的體積為V1，當系統處于最低工作壓力(即蓄能器向系統供油結束時的壓力)P2時，此時對應的氣體體積為2 V，根據氣體狀態的變化遵守玻義耳定律可知定量等溫條件下，氣體的壓強與體積成反比關系。即 體積差ΔV = V2- V1為供給系統油液的有效體積，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容積Vo，需要知道以下參數：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穩定。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能量盡量大(絕熱過程)。我們取P0 = 0.47 P2 = 7.52MPa;蓄能器的充氣壓力Po應不大于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)的計算： ∑Vi：蓄能器向系統供油結束時，各工作點的總耗油量; ξ：液壓系統泄漏因數，取ξ= 1.2; t：最大耗油量時泵的工作時間; ∑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 制動輪缸的工作容積的計算： 式中輪缸前分泵總容量為Vf;輪缸后分泵的總容量為Vr 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，同時圓整取ΔV = 0.025L. 由于整個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.將所求得的參數帶入式3.3可得： 根據上面所得參數，選擇公稱體積為0.25L，最大壓力20Mpa的蓄能器。如圖3.5所示 |
