提高汽車ESP系統(tǒng)液壓控制單元柱塞泵效率的仿真研究

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(1.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084； 2.裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系，北京 100072)

引言

汽車 ESP(Electronic Stability Program)系統(tǒng)，即汽車電子穩(wěn)定性程序。它能夠監(jiān)控汽車的行駛狀態(tài)，當(dāng)汽車在緊急躲避障礙物或轉(zhuǎn)向時(shí)出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向或者過多轉(zhuǎn)向的情況下，幫助其克服偏離理想軌跡的傾向，避免其出現(xiàn)擺尾和方向失控等危險(xiǎn)狀況，從而使行車安全性大大提高，駕車人員感覺更靈活、更快捷、更安全。

ESP 系統(tǒng)由電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)、液壓控制單元(Hydraulic Control Unit，HCU)和傳感器等組成。HCU根據(jù)ECU的指令信號(hào)調(diào)節(jié)各制動(dòng)輪缸壓力來產(chǎn)生所需要的汽車橫擺力矩，是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓控制單元由柱塞泵、高速開關(guān)閥、蓄能器和直流電動(dòng)機(jī)等組成。其中柱塞泵作為關(guān)鍵部件之一，在ESP系統(tǒng)的ABS、TCS、AYC不同工作模式下都起到重要作用。例如在AYC模式下制動(dòng)輪缸的主動(dòng)增壓過程，此時(shí)制動(dòng)踏板未動(dòng)作，柱塞泵泵出的制動(dòng)液經(jīng)過增壓閥進(jìn)入制動(dòng)輪缸，推動(dòng)輪缸的活塞壓緊摩擦片進(jìn)行制動(dòng)?？梢娭鲃?dòng)增壓時(shí)油壓源完全由柱塞泵提供，其泵油能力對(duì)輪缸的增壓速率至關(guān)重要。在ABS模式下的減壓過程，制動(dòng)輪缸的油液通過減壓閥，由柱塞泵泵回制動(dòng)主缸，此時(shí)柱塞泵習(xí)慣被稱為回油泵，其泵油能力決定制動(dòng)輪缸能否及時(shí)回油減壓，以防止輪轂抱死。

目前，國內(nèi)外專門針對(duì)汽車ESP系統(tǒng)液壓控制單元柱塞泵的研究文獻(xiàn)不多。韓國的Wookin Choj通過試驗(yàn)分析柱塞泵吸油閥彈簧力、壓油閥彈簧力、吸油閥芯重量和電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)泵性能的影響[1]。Luigi petruccelli采用AMESim軟件的超級(jí)元件功能建立液壓制動(dòng)系統(tǒng)泵和閥等關(guān)鍵部件模型，分析柱塞腔體積變化對(duì)泵效率的影響[2]。國內(nèi)清華大學(xué)祁雪樂等采用 AMESim軟件對(duì) ESP液壓控制單元進(jìn)行系統(tǒng)建模[3-5]，但仿真研究采用軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)件建模，很難深入分析柱塞泵的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，難以滿足自主開發(fā)的要求。王偉瑋借助 AMESim 軟件對(duì) ESP 液壓執(zhí)行單元的柱塞泵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真，但只分析了泵流量、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)增壓速度的影響[6]。

根據(jù)HCU中柱塞泵徑向單柱塞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，推導(dǎo)出其數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用 AMESim軟件的液壓元件設(shè)計(jì)(Hydraulic Component Design，HCD)功能建立其詳細(xì)的仿真模型，該模型體現(xiàn)柱塞腔體積變化及吸、壓油閥芯動(dòng)作對(duì)泵性能的重要影響，并經(jīng)過了試驗(yàn)驗(yàn)證。通過仿真分析進(jìn)一步得出影響柱塞泵效率的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，為泵的設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

在液壓控制單元中兩個(gè)柱塞泵對(duì)稱地分布于電機(jī)軸兩側(cè)，分別泵回前后制動(dòng)管路的制動(dòng)液。柱泵采用徑向單柱塞結(jié)構(gòu)，由偏心輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在泵的吸油口、壓油口分別有一個(gè)擋板式的吸油閥芯和球形的壓油閥芯控制閥口啟閉，從而使得吸、壓油閥芯之間形成一個(gè)密閉的柱塞腔，如圖1所示。當(dāng)柱塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，柱塞腔體積減小，柱塞腔內(nèi)的制動(dòng)液壓力升高，頂開壓油閥的球形閥芯，完成壓油過程；反之，當(dāng)柱塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，柱塞腔體積增大壓力降低，吸入油的壓力大于柱塞腔的壓力，吸油閥芯被頂開，完成吸油過程。

1.壓油閥彈簧 2.壓油閥芯 3.吸油閥彈簧 4.吸油閥芯5.柱塞頭 6.柱塞 7.星型密封圈 8.濾網(wǎng) 9.泵體10.回位彈簧 11.堵頭圖1 柱塞泵結(jié)構(gòu)原理圖

柱塞泵的平均流量為：

Qz=Azvz

(1)

式中:Az—— 柱塞工作直徑

vz—— 柱塞垂直運(yùn)動(dòng)速度

由圖2所示，柱塞在軸線方向上的位移:

s=e(1-cosθ)

(2)

式中：e—— 電機(jī)偏心輪的偏心量

圖2 柱塞泵和電機(jī)偏心輪位置示意圖

將式(2)代入式(1)式可得：

(3)

式中：d—— 柱塞工作直徑

n—— 電機(jī)轉(zhuǎn)速

根據(jù)柱塞泵的數(shù)學(xué)模型可知，其作為容積式泵輸出流量理論上只取決于柱塞腔體積變化，由柱塞直徑、凸輪偏心以及電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。但通過泵瞬時(shí)流量仿真結(jié)果來看情況并非如此。

2 仿真模型及試驗(yàn)驗(yàn)證

AMESim軟件中具有一項(xiàng)液壓元件設(shè)計(jì)(Hydraulic Component Design，HCD)庫，HCD庫可以由非?；镜哪K，建造出任一元件的子模型，從而大大增強(qiáng)AMESim軟件功能。本文即利用HCD庫建立柱塞泵詳細(xì)的仿真子模型，從而可以突破標(biāo)準(zhǔn)件的限制，分析更多柱塞泵結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。

泵模型如圖3所示，其中1為泵的吸油口，2為泵的壓油口，3為偏心輪接電機(jī)模塊，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)偏心輪模塊反映到柱塞腔a的體積變化，當(dāng)柱塞腔體積減小時(shí)，柱塞腔的油液頂開球形壓油閥芯進(jìn)入泵壓油口，反之當(dāng)柱塞腔體積增大時(shí)，泵吸油口油液頂開擋板式吸油閥芯進(jìn)入柱塞腔?？紤]到泵的泄漏(在此主要是內(nèi)漏)引起的容積效率，并聯(lián)了一個(gè)泄漏模塊b，c為壓油閥芯，d為吸油閥芯。將上述子模型通過超級(jí)元件方式連接到ESP液壓控制單元的AMESim仿真模型中(見圖4)，可以分析柱塞泵的結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)ESP整體性能的影響，仿真結(jié)果較之采用標(biāo)準(zhǔn)的泵元件模型而言更加接近實(shí)際。

1.泵吸油口 2.泵壓油口 3.偏心輪a. 柱塞腔 b. 泄漏模塊 c. 壓油閥芯 d. 吸油閥芯圖3 柱塞泵仿真模型

下面對(duì)仿真模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，令吸入閥、增壓閥全開，限壓閥、減壓閥關(guān)閉，仿真輪缸的主動(dòng)增壓過程，主要仿真參數(shù)為電機(jī)轉(zhuǎn)速3750 r/min，輪缸直徑57 mm，輪缸鉗體與制動(dòng)盤間隙0.3 mm，輪缸接觸等效彈簧剛度4.8×107N/m，輪缸無間隙彈簧剛度2×105N/m。在ESP硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)(見圖5)上進(jìn)行相同工況的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。圖6所示輪缸制動(dòng)壓力的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果，曲線基本吻合，說明仿真模型較好地反映實(shí)際的液壓系統(tǒng)。但由于仿真時(shí)制動(dòng)器間隙和剛度與實(shí)際存在一定誤差，使得仿真的升壓遲滯時(shí)間比試驗(yàn)結(jié)果略短。

1.制動(dòng)主缸 2.吸入閥 3.限壓閥 4.阻尼器 5.電動(dòng)機(jī)6.柱塞泵 7.蓄能器 8.減壓閥 9.增壓閥 10.制動(dòng)輪缸圖4 ESP液壓控制單元的仿真模型

圖5 ESP硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖6 輪缸壓力仿真曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比

3 仿真分析

通過上述仿真模型，得到柱塞泵的瞬時(shí)流量曲線，如圖7所示，1為柱塞腔體積，2為吸油口流量，3為壓油口流量。首先泵的單柱塞結(jié)構(gòu)使得吸油和壓油過程交替完成，造成輸出流量的不連續(xù)性。其次，當(dāng)柱塞腔體積變小時(shí)，理論上應(yīng)為壓油過程，但若此時(shí)吸油閥芯不能及時(shí)關(guān)閉，則柱塞腔與吸油口連通仍處于低壓，并不能輸出壓力油。這樣一來，泵的壓油過程縮短，泵的效率會(huì)下降。再次，當(dāng)泵輸出壓力增大時(shí)，若壓油閥芯未能及時(shí)關(guān)閉，則壓油口會(huì)出現(xiàn)短暫倒吸現(xiàn)象，也會(huì)影響泵的效率。由此可見，泵的工作過程并不完全取決于柱塞腔體積變化，還和吸油閥和壓油閥能否配合柱塞腔體積變化及時(shí)開啟閉合有關(guān)。

圖7 泵瞬時(shí)流量仿真結(jié)果

應(yīng)用上述構(gòu)建的ESP液控單元仿真模型，進(jìn)一步分析柱塞泵效率的影響因素，選取仿真對(duì)象時(shí)不再考慮其他文獻(xiàn)中常研究的柱塞腔尺寸，而是考慮吸入閥孔徑、閥芯尺寸等。首先分析HCU中吸入閥(見圖4)孔徑的影響，如圖8所示，當(dāng)吸入閥孔徑變大時(shí)，油液通過吸油管路的阻力變小，吸油口壓力隨即增大，容易頂開吸油閥芯，使得泵油能力加強(qiáng)，制動(dòng)輪缸增壓速率加快，對(duì)比數(shù)據(jù)見表1。

圖8 吸入閥孔徑的影響

其次，適當(dāng)減小泵吸油閥芯下端面的有效工作直徑，使吸油閥芯的上下面積差加大，當(dāng)柱塞腔體積減小時(shí)，吸油閥芯更能及時(shí)關(guān)閉，從而延長壓油過程，提高泵的效率，使得制動(dòng)輪缸增壓速率明顯加快，如圖9所示。

表1 吸入閥孔徑的影響

圖9 泵進(jìn)油閥擋板尺寸的影響

增大柱塞泵仿真子模型中泄漏模塊的孔徑，模擬泵內(nèi)泄漏加重，得到泵的泄漏對(duì)輪缸主動(dòng)增壓的影響較為明顯，如圖10所示。理論上提高電機(jī)轉(zhuǎn)速可以增大泵的流量，但通過仿真分析得出在2000 r/min以上改變電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)柱塞泵泵油能力影響不大，此時(shí)輪缸主動(dòng)增壓速率基本不變，如圖11所示。

圖10 泵內(nèi)泄漏的影響

4 結(jié)論

(1) 汽車ESP系統(tǒng)采用徑向單柱塞泵，壓油過程不連續(xù)，所以工作過程并不完全取決于柱塞腔體積變化， 還和吸油閥和壓油閥能否配合柱塞腔體積變化及時(shí)開啟閉合有關(guān)。通過仿真得到增大HCU中吸入閥孔徑和減小柱塞泵中的吸油閥芯下端面尺寸可以使得吸油閥芯在吸油過程及時(shí)打開而在壓油過程及時(shí)關(guān)閉，從而提高柱塞泵效率。

圖11 電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

(2) 通常增大電機(jī)轉(zhuǎn)速可使泵的輸出流量增加，而通過仿真得到汽車ESP系統(tǒng)所用的柱塞泵在2000 r/min以上改變電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)其的泵油能力影響不大，因此在HCU實(shí)際工作中不必通過增加電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法來獲取柱塞泵更大的輸油能力。

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