乘用車制動踏板感覺臺架試驗(yàn)研究*

孟德建，張立軍，余卓平

(1．同濟(jì)大學(xué)力學(xué)流動站，上海 200092；2．同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；3．同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804)

前言

制動踏板感覺是駕駛員與汽車之間交互的重要信息，直接影響消費(fèi)者對車輛品質(zhì)的評價(jià)。隨著我國汽車行業(yè)的發(fā)展，消費(fèi)者對乘用車制動踏板感覺的抱怨逐漸增多，主要體現(xiàn)在制動力偏軟或偏硬。同時(shí)，制動踏板感覺個(gè)性化設(shè)計(jì)需求增加，例如偏重制動舒適性或制動靈敏性。因此，制動踏板感覺逐漸成為汽車生產(chǎn)廠商提升用戶滿意度的突破口。

目前，乘用車制動踏板感覺的研究主要以整車試驗(yàn)為主。早期制動踏板感覺整車試驗(yàn)以主觀評價(jià)為主[1-3]，隨后，整車客觀評價(jià)試驗(yàn)在制動踏板感覺的研究中得到應(yīng)用與推廣。整車客觀評價(jià)測試通常包含靜態(tài)特性和動態(tài)特性的測試，測試的物理量主要有制動踏板力和行程、制動油壓和制動減速度，主要采用制動感覺指數(shù)[2]、踏板功-踏板剛度特性曲線[4]和踏板力-踏板行程最優(yōu)曲線[5]的方法評價(jià)客觀測試數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[6]中對20輛乘用車開展了制動踏板感覺主/客觀評價(jià)測試研究，通過測試發(fā)現(xiàn)靜態(tài)踏板特性較好的車輛的動態(tài)特性也較好，故可用靜態(tài)踏板特性評價(jià)車輛的制動踏板感覺。通過前期的試驗(yàn)研究和文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，制動踏板感覺整車試驗(yàn)存在一定的不足，主要包括：(1)由于制動踏板的弧線運(yùn)動和駕駛員操作，導(dǎo)致踏板力、踏板行程和踏板速度等關(guān)鍵工況因素不能得到精確控制，工況的一致性較差；(2)發(fā)現(xiàn)踏板速度對制動踏板感覺的影響很大，由于踏板速度無法準(zhǔn)確控制，無法定量開展踏板速度對制動踏板感覺的試驗(yàn)研究與分析；(3)制動中助力器真空度單一，無法研究不同真空度水平對制動踏板感覺的影響；(4)整車試驗(yàn)以實(shí)車制動系統(tǒng)為測試對象，無法確定導(dǎo)致制動踏板感覺偏軟或偏硬的主要原因或關(guān)鍵貢獻(xiàn)部件。

為了彌補(bǔ)制動踏板感覺整車試驗(yàn)的不足，研究關(guān)鍵因素或零部件對制動踏板感覺的影響，對改進(jìn)制動踏板感覺提供直接指導(dǎo)，學(xué)者們逐漸開展制動踏板感覺臺架試驗(yàn)。文獻(xiàn)[7]中設(shè)計(jì)了制動系統(tǒng)臺架測量了真空助力特性；文獻(xiàn)[8]中也設(shè)計(jì)了制動系統(tǒng)臺架，測量了制動系統(tǒng)特性；文獻(xiàn)[9]中利用改造的制動器慣量試驗(yàn)臺研究制動軟管對制動踏板感覺的影響；文獻(xiàn)[10]中在改造的JASO C448制動鉗試驗(yàn)臺上研究了活塞對制動踏板感覺的影響。通過分析發(fā)現(xiàn)，這些研究中采用的試驗(yàn)臺架較為簡單，不能控制制動踏板速度和助力器真空度，而且臺架試驗(yàn)的有效性缺少驗(yàn)證。

為此，本文中開發(fā)構(gòu)建了乘用車制動踏板感覺試驗(yàn)臺架，制定了臺架試驗(yàn)方案和評價(jià)方法，并進(jìn)行了制動踏板感覺臺架試驗(yàn)，通過與整車試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，驗(yàn)證了制動踏板感覺臺架試驗(yàn)的有效性。研究了推桿速度和真空度等關(guān)鍵工況因素對制動踏板感覺的影響，為直接影響制動踏板感覺的液壓制動系統(tǒng)的建模和設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 制動踏板感覺臺架試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)臺架總體方案

根據(jù)前期制動踏板感覺整車道路試驗(yàn)的測試標(biāo)準(zhǔn)，參考我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件[11-12]，確定試驗(yàn)臺架應(yīng)具有再現(xiàn)整車道路試驗(yàn)制動踏板感覺靜態(tài)特性的功能，并可研究推桿速度、真空度和關(guān)鍵零部件特性對制動踏板感覺的影響。由于整車制動踏板感覺主要表現(xiàn)在踩下制動踏板的階段，整車試驗(yàn)中踏板行程的測試比較復(fù)雜，制動踏板的弧形運(yùn)動不易實(shí)現(xiàn)直線加載，而制動踏板對制動系統(tǒng)的作用可等效為踏板杠桿比[13-15]，因此試驗(yàn)臺架忽略了制動踏板機(jī)構(gòu)，直接驅(qū)動真空助力器推桿。又由于ABS/ESP僅在緊急制動工況才會工作，此工況注重制動安全性而輕視制動踏板感覺，因此，試驗(yàn)臺架中忽略了ABS/ESP系統(tǒng)。試驗(yàn)臺架采用除制動踏板和ABS/ESP之外的全套實(shí)車制動系統(tǒng)，包含機(jī)械支撐裝置、動力裝置、真空裝置和測控裝置，臺架示意圖如圖1所示。

1.2 關(guān)鍵指標(biāo)

由于制動助力器真空度在0.08～0.1MPa之間，制動踏板杠桿比在3～4.1之間，最大制動踏板速度為10～100mm/s，提出了試驗(yàn)臺架的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 乘用車制動踏板感覺試驗(yàn)臺架關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

1.3 測點(diǎn)布置

試驗(yàn)中需要測量的物理量有真空助力器推桿行程和力、真空助力器真空腔的絕對壓力、制動主缸前/后腔和4個(gè)輪缸的油壓。測點(diǎn)的具體布置如下：(1)使用拉壓力傳感器測量助力器推桿力，它一端固定在伺服電動缸推桿上，另一端與真空助力器推桿球接觸，如圖2(a)所示；(2)使用拉桿式位移傳感器測量真空助力器推桿行程，它一端固定在臺架支架上，另一端連接在真空助力器推桿上，如圖2(a)所示；(3)使用真空度傳感器測量真空助力器真空腔的絕對壓力，通過真空管和三通閥連接，如圖2(b)所示；(4)使用油壓傳感器測量制動主缸前/后腔和輪缸的油壓，如圖2(c)和圖2(d)所示。

1.4 測試工況

根據(jù)前期制動踏板感覺整車道路試驗(yàn)的測試標(biāo)準(zhǔn)，制定制動踏板感覺臺架測試工況如下：

(1)推桿速度 針對制動系統(tǒng)，在無助力(真空腔壓力0.101MPa)和實(shí)車名義真空腔壓力(0.01MPa)下，以4、6、8、10、20、40mm/s的推桿速度操縱真空助力器直到推桿力達(dá)到1 200N;

(2)真空度 針對制動系統(tǒng)，真空腔壓力從大氣壓、0.09MPa降至0.01MPa，間隔0.01MPa，以及0.002MPa，以6mm/s的推桿速度操縱真空助力器直到推桿力達(dá)到1 200N。

1.5 數(shù)據(jù)處理與評價(jià)方法

繪制推桿力-推桿行程、主缸油壓-推桿行程和主缸油壓-推桿力曲線，通過推桿空行程、推桿預(yù)置力、推桿剛度、油壓空行程、油壓剛度、始動力(A點(diǎn))、跳躍值(B點(diǎn))、飽和點(diǎn)(C點(diǎn))和助力比等關(guān)鍵指標(biāo)評價(jià)制動踏板感覺，各關(guān)鍵指標(biāo)的定義如圖3所示。由于研究對象中真空助力器為雙助力比真空助力器，所以助力比和推桿剛度分別有兩個(gè)值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 臺架試驗(yàn)有效性分析

首先，在無真空助力和實(shí)車名義真空腔壓力工況下，通過臺架試驗(yàn)結(jié)果與整車試驗(yàn)結(jié)果的對比，分析臺架試驗(yàn)的有效性。實(shí)車制動踏板杠桿比為3.2，對比分析時(shí)須將整車試驗(yàn)踏板行程除以制動踏板杠桿比，制動踏板力乘以制動踏板杠桿比。

圖4為推桿速度6mm/s時(shí)無真空助力工況臺架試驗(yàn)與整車試驗(yàn)的結(jié)果對比。

由圖4可知，無助力工況臺架試驗(yàn)結(jié)果與整車試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好。若更詳細(xì)分析兩種試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者間的差異主要表現(xiàn)在：臺架試驗(yàn)中的推桿預(yù)置力和始動力稍大，推桿力空行程和主缸油壓空行程稍??；推桿行程為10～18mm，推桿剛度和主缸油壓剛度稍??；真空助力器助力比稍大。這主要是因?yàn)椋赫囋囼?yàn)中的制動系統(tǒng)經(jīng)過了磨合，而臺架試驗(yàn)中的制動系統(tǒng)沒有經(jīng)過磨合，導(dǎo)致臺架試驗(yàn)中的制動系統(tǒng)推桿預(yù)置力和始動力稍大；實(shí)車制動踏板機(jī)構(gòu)與真空助力器推桿連接時(shí)存在一定的間隙，導(dǎo)致整車試驗(yàn)中推桿力空行程和主缸油壓空行程稍大；臺架試驗(yàn)中制動器沒有經(jīng)過磨合，摩擦襯片、制動鉗和制動盤的剛度偏小，隨著油壓的增大引起制動液的補(bǔ)充，導(dǎo)致推桿行程在10～18mm內(nèi)油壓剛度稍小；臺架試驗(yàn)中主缸油壓-推桿力斜率稍大，說明該真空助力器膜片回位彈簧剛度稍小。在相同的推桿行程時(shí)，主缸油壓低，真空助力器膜片彈簧剛度小，導(dǎo)致臺架試驗(yàn)的推桿剛度小。

當(dāng)推桿行程增大至19mm時(shí)，盡管臺架試驗(yàn)的推桿力比整車試驗(yàn)偏小，但是由于克服了摩擦襯片、制動鉗和制動盤等變形引起的制動液補(bǔ)充量，而且臺架試驗(yàn)中真空助力器膜片回位彈簧剛度小，導(dǎo)致了臺架試驗(yàn)的主缸油壓比整車試驗(yàn)偏大，進(jìn)而說明了分析的合理性。

圖5為推桿速度6mm/s時(shí)實(shí)車名義真空腔壓力工況臺架試驗(yàn)與整車試驗(yàn)的結(jié)果對比。由圖5可知，實(shí)車真空腔壓力工況臺架試驗(yàn)結(jié)果與整車試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好。詳細(xì)分析兩種試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者間的差異主要表現(xiàn)在：在臺架試驗(yàn)中，真空助力器達(dá)到飽和點(diǎn)時(shí)，推桿力拐點(diǎn)對應(yīng)的推桿行程偏大；推桿行程在10～27mm內(nèi)，臺架試驗(yàn)的主缸油壓剛度偏??；臺架試驗(yàn)中真空助力器始動力稍大，第2階段的助力比偏小。在臺架試驗(yàn)中，始動力稍大仍然與制動系統(tǒng)沒有經(jīng)過磨合有關(guān)，第2階段的助力比偏小與真空助力器的反作用盤剛度有關(guān)；推桿行程在10～27mm內(nèi)主缸油壓剛度偏小，主要是由摩擦襯片、制動鉗和制動盤等變形引起制動液補(bǔ)充與第2階段助力比偏小造成的；兩種試驗(yàn)真空助力器飽和點(diǎn)相同，但是臺架試驗(yàn)需要較大的位移達(dá)到飽和點(diǎn)，且第2階段助力比偏小，導(dǎo)致推桿力拐點(diǎn)對應(yīng)的推桿行程偏大。

通過無助力工況和實(shí)車名義真空腔壓力工況的對比分析可知，制動踏板感覺試驗(yàn)臺架能夠再現(xiàn)整車制動踏板感覺靜態(tài)特性，臺架試驗(yàn)結(jié)果具有較高的精度。

2.2 推桿速度的影響

在無助力和實(shí)車名義真空腔壓力工況下，分析推桿速度對制動踏板感覺的影響。圖6為無助力時(shí)不同推桿速度下的制動踏板感覺特性。由圖6可得如下結(jié)果。

(1)推桿速度對推桿力空行程、主缸油壓空行程、推桿預(yù)置力、始動力和油壓-推桿力曲線斜率基本無影響，其值分別為0.6mm、2.3mm、117.4N、293.1N和603.08MPa/m。主要原因是：無助力時(shí)推桿力空行程和油壓空行程可能主要與制動主缸和真空助力器結(jié)構(gòu)間隙有關(guān)；推桿預(yù)置力和始動力可能主要與推桿回位彈簧的預(yù)緊力有關(guān)，油壓-推桿力斜率可能主要由膜片回位彈簧剛度和制動液壓縮剛度決定，因此都不受推桿速度的影響。

(2)推桿速度小于10mm/s時(shí)，其對推桿剛度和主缸油壓剛度影響很??；推桿速度大于10mm/s時(shí)，推桿剛度和主缸油壓剛度都隨推桿速度的提高而增大。主要原因是：在較快的推桿速度下，中心閥式主缸建立油壓較快，需要的活塞行程較小。推桿速度改變了主缸油壓的變化，主缸油壓改變了推桿力的大小。

圖7和圖8分別為實(shí)車名義真空腔壓力時(shí)不同推桿速度下的制動踏板感覺特性和真空腔壓力-推桿行程曲線。由圖7可得如下結(jié)果。

(1)推桿速度對推桿力空行程、主缸油壓空行程、推桿預(yù)置力、始動力和油壓剛度基本無影響，其值分別為12.1mm、1.6mm、83.4N、75.9N和2 401.4Pa/N。

(2)桿速度小于10mm/s時(shí)，其對推桿剛度、跳躍值、助力比和飽和點(diǎn)基本無影響；推桿速度大于10mm/s時(shí)，推桿剛度變化不大，但推桿剛度1與推桿剛度2的交點(diǎn)前移；助力比和飽和點(diǎn)明顯減小。主要原因是：在推桿行進(jìn)過程中，真空腔壓力逐漸增大；推桿速度越大，真空腔壓力增長率越大，如圖8所示，這導(dǎo)致了真空助力器助力的損失和助力比的下降。

2.3 真空度的影響

圖9為推桿速度為6mm/s時(shí)不同真空腔壓力下的制動踏板感覺特性。由圖9可得如下結(jié)果。

(1)隨著真空腔壓力的增大，推桿預(yù)置力和始動力逐漸增大，推桿力空行程、跳躍值和飽和點(diǎn)逐漸減小，主缸油壓空行程變化較小。由于真空腔壓力增大，真空助力器助力效果減小，導(dǎo)致推桿預(yù)置力和始動力增大，推桿與反作用盤的間隙、膜片座與反作用盤的間隙減小，進(jìn)而導(dǎo)致推桿力空行程減??；當(dāng)推桿端面與膜片回位彈簧支座接觸后，推桿成為施力部件，油壓開始增大，但是由于真空助力逐漸減小，導(dǎo)致跳躍值逐漸降低；當(dāng)真空助力器輸出力克服了膜片回位彈簧預(yù)緊力后，反作用盤和膜片回位彈簧發(fā)揮作用，直至膜片回位彈簧有效行程結(jié)束，此時(shí)油壓達(dá)到飽和點(diǎn)，但由于真空助力逐漸減小，產(chǎn)生的油壓逐漸降低，即飽和點(diǎn)逐漸減小。

(2)隨著真空腔壓力的增大，壓力小于0.09MPa時(shí)油壓剛度變化不大；壓力大于0.09MPa后，油壓剛度有所降低；隨著真空腔壓力的增大，推桿剛度2和助力比2逐漸消失；當(dāng)達(dá)到大氣壓力時(shí)，推桿剛度1和助力比1也消失。這主要是因?yàn)檎婵涨粔毫Ω淖兞朔醋饔帽P和膜片回位彈簧的有效工作行程和工作特性，使推桿力增大而輸出力降低。

通過分析可以得出，真空助力器真空度對乘用車制動踏板感覺具有重要影響。

3 結(jié)論

利用乘用車制動踏板感覺試驗(yàn)臺架，進(jìn)行了制動踏板感覺臺架試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果的分析、對比與討論，可以得出以下結(jié)論：

(1)乘用車制動踏板感覺試驗(yàn)臺架可以再現(xiàn)整車制動踏板感覺靜態(tài)特性，試驗(yàn)結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，為研究真空助力器、主缸和制動器等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對乘用車制動踏板感覺的影響奠定了基礎(chǔ)；

(2)推桿速度對推桿力空行程、主缸油壓空行程、推桿預(yù)置力、始動力和油壓剛度無影響，對推桿剛度、跳躍值和飽和點(diǎn)有較大影響；

(3)真空度對制動踏板感覺有較大影響， 尤其對推桿空行程、飽和點(diǎn)、推桿剛度和助力比的影響更為明顯。

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