某微型轎車制動(dòng)能力不足原因分析及整改措施

雷 林，程京成

（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥，230601）

汽車的制動(dòng)性能是汽車的主要性能之一。制動(dòng)性能直接關(guān)系到交通安全，重大交通事故往往與制動(dòng)距離太長、緊急制動(dòng)時(shí)發(fā)生側(cè)滑等情況相關(guān)，故汽車的制動(dòng)性能是汽車安全行駛的重要保障?，F(xiàn)在轎車的最高設(shè)計(jì)車速都很高，這更需要車輛具備良好的制動(dòng)性能。改善汽車的制動(dòng)性能，始終是汽車設(shè)計(jì)制造部門的重要任務(wù)［1］。

汽車的制動(dòng)性能主要有三個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)：制動(dòng)效能、制動(dòng)效能的恒定性和制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性。國家標(biāo)準(zhǔn)中對這三項(xiàng)都有明確的強(qiáng)制要求，其中對乘用車制動(dòng)效能的要求太低，雖然標(biāo)準(zhǔn)GB21670－2008對乘用車制動(dòng)效能的要求比GB12676－1999有所提升，但仍不符合市場的要求。因此各大汽車廠家評價(jià)車輛的制動(dòng)效能時(shí)會(huì)結(jié)合市場要求，制定各自的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。如國標(biāo)要求M1類車初速度100 km/h的制動(dòng)距離為不大于70 m［2］，而江淮企業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求為不大于45 m，兩者要求的差距較大。

我公司某款微型轎車在開發(fā)初期，其制動(dòng)距離不滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求，為了保證產(chǎn)品上市后的競爭力，必須提升其制動(dòng)性能。本文通過理論分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，最終順利完成整改。

1 原因分析及整改

1.1 制動(dòng)性能現(xiàn)狀

為了較好的評價(jià)該款轎車制動(dòng)性能水平，我們將其與進(jìn)口標(biāo)桿車和市場上銷售火爆的某款競品車進(jìn)行了制動(dòng)性能對比試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 制動(dòng)距離數(shù)據(jù)對比

通過表中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可以看出，該車的制動(dòng)距離與競品車相當(dāng)，與標(biāo)桿車存在一定的差距，且不滿足江淮的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。我們制定的整改目標(biāo)是達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，接近或超過標(biāo)桿車水平。

1.2 原因分析

我們在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)踏板力在試驗(yàn)規(guī)定的小于500 N范圍內(nèi)無法觸發(fā)ABS系統(tǒng)工作，此時(shí)制動(dòng)距離偏長；當(dāng)用踏板力超過1 200 N時(shí)能觸發(fā)ABS工作，此時(shí)的制動(dòng)距離能滿足技術(shù)要求。因此我們判斷是制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的制動(dòng)力不足，需要對制動(dòng)力進(jìn)行理論分析。

1.2.1 制動(dòng)器制動(dòng)力

在輪胎周緣為了克服制動(dòng)器摩擦力矩所需的力為制動(dòng)器制動(dòng)力，以符號(hào)Fμ表示。

式中：Tμ為制動(dòng)器的制動(dòng)力矩（N·m）；r為輪胎滾動(dòng)半徑（m）。

假定襯塊的摩擦表面全部與制動(dòng)盤接觸，且各處單位壓力分布均勻，則制動(dòng)器制動(dòng)力矩為

式中：f為摩擦因數(shù)；F0為單側(cè)制動(dòng)襯塊對制動(dòng)盤的壓緊力（N）；R為有效作用半徑（m）。

式中：P 為制動(dòng)管路壓強(qiáng)（Pa）；s為輪缸面積（m2）；Fe為助力器輸出力（N）；d 為輪缸缸徑（m）；D 為主缸缸徑（m）。

通過已知的踏板杠桿比和真空助力器助力特性曲線，我們可以得出500 N踏板力下的Fe，由公式（1）、（2）、（3）可以算出前制動(dòng)器所能提供的總制動(dòng)力為9 667.1 N，后制動(dòng)器為3 398.9 N，考慮到實(shí)車制動(dòng)系統(tǒng)效率一般只有0.9左右，因此實(shí)車狀態(tài)下該車的前后軸制動(dòng)力為8 700.4 N和2 753.1 N。

1.2.2 樣車制動(dòng)時(shí)地面制動(dòng)力

圖1是汽車在水平路面上制動(dòng)時(shí)的受力情形。圖中忽略了汽車的滾動(dòng)阻力偶矩、空氣阻力以及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量減速時(shí)產(chǎn)生的慣性力偶矩。此外，下面的分析中還忽略制動(dòng)時(shí)車輪邊滾邊滑的過程，附著系數(shù)只取一個(gè)定值μ。分別對前后輪接地點(diǎn)取力矩得：

式中：Fz1為地面對前輪的法向反力（N）；G為汽車重力（N）；m 為汽車質(zhì)量（kg）；L 為汽車軸距（m）；a 為汽車質(zhì)心至前軸中心線的距離（m）；b為汽車質(zhì)心至后軸中心線的距離 （m）；hg為汽車質(zhì)心高度（m）；為汽車減速度（m/s2）。

式中：Fφf為前軸車輪附著力 （N）；Fφr為后軸車輪附著力（N）。

當(dāng) Fμ＜Fφ時(shí)，F(xiàn)xb=Fμ；當(dāng) Fμ≥Fφ時(shí)，F(xiàn)xb=Fφ。因此制動(dòng)時(shí)前后軸的附著力即為前后軸所需制動(dòng)力。

當(dāng) μ＝1，z＝1 時(shí)，F(xiàn)φf和 Fφr分別達(dá)到最大值 9 514.8 N和3 127.2 N。

要想制動(dòng)距離短，必須要充分利用地面附著力，因此要求制動(dòng)器制動(dòng)力要大于地面附著力。但通過理論分析計(jì)算表明，前、后軸制動(dòng)器提供的制動(dòng)力均小于前、后軸附著力。因此制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力不足是制動(dòng)距離偏長的原因。

1.2.3 分析

由公式（2）和（3）可以知道，增大制動(dòng)器制動(dòng)力的方法有很多：提高摩擦因數(shù)、增大有效作用半徑、加大輪缸缸徑、減小主缸缸徑等。通過與標(biāo)桿車和競品車的管路壓強(qiáng)對比發(fā)現(xiàn)，該車的管路壓強(qiáng)較低，可以采用減小主缸缸徑的辦法來提高管路壓強(qiáng)。該車主缸缸徑為22.22 mm，理論計(jì)算表明，將主缸缸徑減小為20.64 mm時(shí)，同一踏板力下的管路壓強(qiáng)是原狀態(tài)的1.16倍，此時(shí)的前后軸制動(dòng)力分別為10 076.0 N和3 198.1 N，前后軸所提供的制動(dòng)力均比所需制動(dòng)力大，滿足要求。

1.3 整改措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

1.3.1 調(diào)整主缸缸徑

輪缸缸徑減小會(huì)造成制動(dòng)踏板的行程過長，但由于該車踏板行程較小，僅為44 mm。通過計(jì)算分析，將主缸的缸徑改小更為合理，當(dāng)其為20.64 mm時(shí)，踏板行程變成51 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。因此確定方案是將主缸缸徑改為20.64 mm。

1.3.2 樣車的試驗(yàn)驗(yàn)證

將調(diào)整主缸缸徑的樣車進(jìn)行制動(dòng)性能試驗(yàn)，整改前后的制動(dòng)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 整改前后制動(dòng)性能數(shù)據(jù)對比

表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，制動(dòng)管路壓強(qiáng)雖然達(dá)到了整改要求，整車的制動(dòng)距離有所下降，但與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求仍有較大差距。

1.3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

制動(dòng)距離由制動(dòng)過程的兩個(gè)階段決定：制動(dòng)器起作用階段和持續(xù)制動(dòng)階段［1］。圖2為該車和標(biāo)桿車的制動(dòng)減速度時(shí)間歷程對比曲線。

從曲線可以看出，兩車在制動(dòng)起作用階段耗時(shí)相同，而在持續(xù)制動(dòng)階段，該車的制動(dòng)減速度明顯比標(biāo)桿車小，這點(diǎn)從兩車的MFDD也能看出來。在試驗(yàn)時(shí)，仍然出現(xiàn)需要很大的踏板力才能觸發(fā)ABS工作，表明此時(shí)的制動(dòng)器制動(dòng)力還是不足。

由前面的（2）、（3）公式可知，制動(dòng)器制動(dòng)力由制動(dòng)襯塊的壓緊力、摩擦因數(shù)和有效作用半徑?jīng)Q定。其中制動(dòng)襯塊的壓緊力和有效作用半徑的實(shí)測值和理論值相符，制動(dòng)力不足可能與制動(dòng)襯塊的摩擦因數(shù)有關(guān)，因?yàn)橹苿?dòng)襯塊的摩擦因數(shù)隨車速、襯塊表面壓力和溫度的變化而變化，而我們的理論計(jì)算值是一個(gè)確定值。

為了驗(yàn)證以上分析是否正確，我們將該車的制動(dòng)襯塊進(jìn)行了臺(tái)架性能測試，結(jié)果如圖3。

從圖中可以看出，該制動(dòng)襯塊的摩擦系數(shù)隨壓力的升高而降低，尤其是在初速度為120 km/h時(shí)，摩擦系數(shù)下降趨勢很明顯，在8 MPa的壓強(qiáng)時(shí)，摩擦系數(shù)已經(jīng)下降到0.3。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)的管路壓強(qiáng)在11 MPa左右，理論計(jì)算，在11 MPa的管路壓強(qiáng)下，摩擦系數(shù)必須不小于0.34才能滿足要求。很顯然，該制動(dòng)襯塊不能滿足要求。

1.3.4 制動(dòng)襯塊的改進(jìn)及試驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合分析結(jié)果，我們要求制動(dòng)襯塊廠家對襯塊進(jìn)行整改，提出要求，在初速度為120 km/h，壓強(qiáng)為11MPa時(shí)，襯塊的摩擦系數(shù)不能低于0.35。整改后的制動(dòng)襯塊的臺(tái)架性能結(jié)果如圖4。

從圖中可以看出，新制動(dòng)襯塊在壓強(qiáng)小于4 MPa時(shí)，摩擦系數(shù)隨壓強(qiáng)的升高而升高，在壓強(qiáng)大于4 MPa時(shí)，摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定，但新制動(dòng)襯塊對速度比較敏感，其摩擦系數(shù)隨速度的升高而降低，初速度120 km/h時(shí)的摩擦系數(shù)比初速度40 km/h時(shí)低0.1～0.14，在8 MPa壓強(qiáng)下摩擦系數(shù)為0.36，滿足設(shè)計(jì)要求。

對整改后制動(dòng)襯塊進(jìn)行樣車試驗(yàn)，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

從表中可看出，試驗(yàn)的結(jié)果非常理想，該車的制動(dòng)距離與標(biāo)桿車相當(dāng)，比競品車平均縮短了12.2%，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

2 結(jié)論

整車制動(dòng)能力不足的原因有很多，本文通過理論分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，找出了制動(dòng)系統(tǒng)管路壓力偏低和制動(dòng)襯塊性能不佳是導(dǎo)致整車制動(dòng)距離偏長的主要原因，并提出減小主缸缸徑和改善制動(dòng)襯塊性能的兩項(xiàng)整改方案。樣車經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證整改方案可行有效，使整車制動(dòng)距離偏長的問題得已解決。

表3 整改完成后的數(shù)據(jù)對比

試驗(yàn)?zāi)軝z驗(yàn)理論分析是否正確，而理論分析能讓試驗(yàn)更有針對性。在解決實(shí)際問題時(shí)，我們必須要查清原因?qū)ΠY下藥，制定最有效的措施。本文中應(yīng)用理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的思路、方法，為我們今后進(jìn)行類似的性能提升項(xiàng)目具有一定的借鑒意義和指導(dǎo)作用。

［1］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］GB 21670－2008，乘用車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法［S］.