制動管路尺寸對制動系統(tǒng)性能影響的研究

張 哲 ，陳玉忠 ，董紅磊 ，韓宗奇

（1.燕山大學(xué) 車輛與能源學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100191；3.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084）

1 引言

制動系統(tǒng)是車輛重要的主動安全裝置，制動性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到駕駛者的人身財產(chǎn)安全。目前，我國轎車采用的大多數(shù)是液壓制動系統(tǒng)。在液壓制動系統(tǒng)中，制動器、制動液壓缸、液壓閥等是決定制動系統(tǒng)性能優(yōu)劣的主要部分[1]。而對于連接各個控制閥的液壓管路往往容易被忽略，但其管路尺寸參數(shù)對制動系統(tǒng)性能也具有非常重要的影響，因此，對液壓系統(tǒng)管路的尺寸參數(shù)的選擇應(yīng)該被重視，這對消除制動系統(tǒng)缺陷，提高制動性能具有重要的意義。

近幾年，液壓管路的尺寸參數(shù)對制動性能的影響逐漸被人們關(guān)注。文獻(xiàn)[2]分析了制動管路材料與尺寸對制動性能的影響，并通過實驗證明了理論的正確性。文獻(xiàn)[3]利用流體動力學(xué)理論建立了重載列車制動管路模型，分析了制動主管與支管長度對制動系統(tǒng)性能的影響。文獻(xiàn)[4]針對HCU電磁閥中各參數(shù)對制動壓力響應(yīng)時間的影響進(jìn)行仿真驗證，為研究制動管路尺寸對制動壓力響應(yīng)時間提供了參考依據(jù)。文獻(xiàn)[5]通過建立目標(biāo)函數(shù)的方法對液壓管路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，證明了液壓管路尺寸對能量損失與流速等系統(tǒng)參數(shù)的影響。文獻(xiàn)[6]針對重型汽車氣動管路制動響應(yīng)時間進(jìn)行了臺架試驗研究。以上研究成果為研究制動管路尺寸對制動系統(tǒng)性能的影響提供了方法指導(dǎo)與有益借鑒，將針對此問題展開仿真模擬與實驗驗證。

在車輛制動過程中，液壓管路的尺寸直接影響管路中制動液的流速與管路壓力，間接決定制動系統(tǒng)的響應(yīng)時間和制動力的釋放時間。制動響應(yīng)時間過長會增加車輛在緊急工況下的動作時間，是車輛制動系統(tǒng)的主要缺陷之一。而對于過長的制動釋放時間，在制動踏板徹底釋放后，驅(qū)動力與制動力同時加載到車輪上，直接導(dǎo)致車輛驅(qū)動效率下降[7]。同樣地，制動力矩與驅(qū)動力矩會對制動盤或者制動鼓造成較大磨損，影響壽命。中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB 21670-2008》對制動響應(yīng)時間做出要求：緊急制動時，從開始操縱控制操縱裝置至最不利車軸上的制動力達(dá)到與車速相關(guān)的制動效能所經(jīng)歷的時間不應(yīng)超過0.6s[8]。由上可知，制動管路尺寸參數(shù)是優(yōu)化制動性能過程中不容忽視的重要因素。

以HCU性能試驗臺的搭建過程為契機，著重研究在試驗臺搭建過程中制動管路的選型問題，揭示了車輛制動系統(tǒng)中制動管路參數(shù)對制動響應(yīng)時間和釋放時間的影響。文章首先調(diào)研車輛中常用的制動管路尺寸，然后按照臺架制動系統(tǒng)參數(shù)在AMESim環(huán)境下搭建車輛制動系統(tǒng)模型，模擬制動系統(tǒng)在不同制動管路尺寸下達(dá)到固定制動壓力時各管路中制動壓力變化情況，主要評價指標(biāo)為制動響應(yīng)時間與制動釋放時間[9-10]。通過仿真模擬，篩選出最優(yōu)的車輛制動管路尺寸。最終選取三個仿真結(jié)果相似的管路，依次在HCU性能測試臺架上更換測試，選出最優(yōu)制動管路尺寸，優(yōu)化臺架的制動性能。

2 HCU性能試驗臺架制動管路設(shè)計

2.1 HCU臺架設(shè)計

圖1 HCU性能試驗臺設(shè)計簡圖Fig.1 HCU Performance Test-Bed Design Diagram

為了更好的模擬實車制動效果，HCU性能試驗臺的管路主要由三部分構(gòu)成：第一部分是直接連接HCU的一段長度較短、管徑較細(xì)的管路，文章稱為短管；第二部分是直接與制動輪缸連接的一段軟管，文章稱為輪缸軟管；第三部分是短管到軟管之間的制動管路，文章稱為輪缸管路。因為輪缸軟管相比其他兩段管路長度較短，主要起到減少車輪運動對制動管路沖擊的作用，對制動效果影響不大，所以在此不再討論。主要討論制動管路中鋼管的尺寸選擇對制動效果的影響。在實際車輛中，第一部分短管的與HCU匹配，直徑為固定值，系統(tǒng)中采用內(nèi)徑為1.5mm的鋼管。第二部分輪缸管路由于輪缸管路長度較長，內(nèi)徑可取范圍較寬，所以第三部分鋼管內(nèi)徑是文章描述系統(tǒng)的主要變量，試驗主要測試更換管路也為輪缸管路。HCU性能試驗臺架的設(shè)計簡圖，如圖1所示。在實際試驗過程中，主要更換的是HCU到制動輪缸的制動管路，即輪缸管路，以獲得最優(yōu)制動性能，確定最佳制動管路尺寸。

2.2 制動管路選型

車輛制動系統(tǒng)大都采用外徑在（4.6～10.6）mm的邦迪管，此類鋼管具有以下特點：（1）高精密的冷軋優(yōu)質(zhì)低碳鋼帶和精湛的精密軋制技求保證了管材外徑，壁厚的精密性和良好的同心度；（2）沿管壁360°，結(jié)合面的焊接，確保邦迪管不會出現(xiàn)泄漏；（3）同時使管材具有爆破強度高和抗振動疲勞極限高的特點；（4）邦迪管在制造過程中，使用含碳量低的潤滑油，從而使其內(nèi)表面極為清潔，內(nèi)表面殘留物小于0.05g/m2）。常用尺寸參數(shù)，如表1所示。

表1 邦迪管尺寸參數(shù)Tab.1 Bundy Tube Parameters

經(jīng)調(diào)查，以上尺寸的邦迪管在與HCU性能測試臺架有相同制動參數(shù)的車輛制動系統(tǒng)中均有使用。擬將AMESim中制動系統(tǒng)的制動管路內(nèi)徑參數(shù)依次更換為表1所示數(shù)值，選出最優(yōu)制動效果的管路尺寸范圍，再將符合最優(yōu)尺寸范圍的標(biāo)準(zhǔn)管路安裝到臺架上測試。測試結(jié)果中各個制動管路壓力曲線將進(jìn)一步驗證制動管路尺寸對制動效果的影響。試驗結(jié)果為臺架匹配出最優(yōu)的制動管路提供依據(jù)。

圖2 AMESim制動系統(tǒng)模型Fig.2 Braking System Model in AMESim

3 AMESim仿真分析

3.1 仿真模型搭建

首先在AMESim環(huán)境下搭建制動系統(tǒng)模型，如圖2所示。由于真空助力泵、制動主缸等部件在制動過程中會造成壓力響應(yīng)延遲，影響實驗結(jié)果，所以將模型簡化為四個輪缸與輪缸管路相連的獨立模型，輪缸管路的一端直接輸入壓力信號。為模擬與HCU連接的短管的節(jié)流作用，在輪缸管路前端接一段內(nèi)徑為1.5mm，長度為0.2m的HCU短管。此模型可以直觀地模擬出輪缸管路尺寸大小對制動系統(tǒng)響應(yīng)時間和釋放時間的影響。采用的制動壓力信號為階躍信號，如圖3所示。第一階段為管路增壓階段，仿真設(shè)定輪缸的目標(biāo)制動壓力為150bar，保持0.5s。第二階段為壓力釋放階段，制動壓力信號為0bar，同樣保持0.5s。

圖3 制動壓力信號曲線Fig.3 The Brake Pressure Signal Curve

3.2 仿真結(jié)果分析

在目標(biāo)信號作用下，不同尺寸制動管路在AMESim制動系統(tǒng)中制動壓力變化的仿真結(jié)果，如圖4所示。從圖中可以看出，由于仿真模型中前輪制動管路較長，前輪的制動效果差異性較大，說明管路越長管路尺寸對制動效能的影響越大。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)：制動響應(yīng)時間與釋放時間與管路尺寸有直接關(guān)系。制動管路尺寸還會影響管路的壓力剛度，即單位時間內(nèi)壓力的變化率。以上影響因素直接決定制動系統(tǒng)的制動性能與整車的驅(qū)動效率。因此，研究制動管路尺寸對制動系統(tǒng)影響有重要意義。

圖4 AMESim仿真結(jié)果Fig.4 Simulation Results in AMESim

采集上述仿真結(jié)果中所有尺寸管路達(dá)到百分之九十最大制動壓力的時間和釋放時間，右前輪缸的采樣結(jié)果，如表2所示。采樣結(jié)束后，根據(jù)采樣點將管路壓力的響應(yīng)時間與釋放時間分別擬合成的曲線，如圖5所示。對比擬合結(jié)果，兼顧制動壓力的響應(yīng)時間與釋放時間，最優(yōu)制動管路內(nèi)徑尺寸范圍為（3.5～5.5）mm。將符合此尺寸范圍的標(biāo)準(zhǔn)管路更換到HCU性能測試臺架上，驗證ASMEim仿真結(jié)果的正確性，同時為臺架匹配最優(yōu)的管路尺寸。

表2 右前輪缸各尺寸管路制動效果仿真結(jié)果Tab.2 Braking Performance Simulation Results of Different Sizes of Right Front Wheel Cylinder Pipe

圖5 不同尺寸管路壓力響應(yīng)時間與釋放時間擬合曲線Fig.5 Fitting Curve of Pressure Response Time and Release Time

4 試驗測試結(jié)果分析

HCU性能測試臺架的基本原理圖，如圖1所示。臺架借助LabVIEW開發(fā)環(huán)境能夠模擬ABS車輛在各種工況下的制動過程，實現(xiàn)常規(guī)、保壓、減壓、增壓的制動過程從而對HCU性能進(jìn)行測試。臺架配備主缸壓力傳感器與輪缸壓力傳感器，能夠測試出制動過程中主缸管路與輪缸管路的壓力變化曲線，所述臺架的輪缸管路部分，如圖6所示。試驗過程中在臺架上更換最優(yōu)尺寸范圍的輪缸制動管路，首先給出15MPa的輪缸目標(biāo)壓力，一段時間后瞬間釋放輪缸壓力至0MPa。

圖6 HCU性能測試臺架輪缸管路部分Fig.6 Wheel CylinderPipe of HCU Performance Test Bench

濾波后的右前制動管路壓力的試驗結(jié)果，如圖7所示。圖7（a）為此右前管路的制動壓力響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，內(nèi)徑尺寸為4.95mm管路在壓力較低階段響應(yīng)低于其他兩個管路，但是在壓力較高階段響應(yīng)明顯快于其他兩根管路。這說明對于尺寸較大管路來說，管路容積較大，在低壓階段不能表現(xiàn)出優(yōu)勢。管路壓力越高，較大內(nèi)徑管路在一定范圍內(nèi)能夠有更好的壓力響應(yīng)特性。圖7（b）為右前管路的制動壓力釋放曲線，較大壓力下，管路內(nèi)徑越大，制動液體的流速越快，管路的減壓速度越快，因此較大內(nèi)徑管路在壓力較大情況下壓力釋放速度略有優(yōu)勢。綜合以上仿真結(jié)果分析，最終確定臺架使用的最優(yōu)輪缸管路內(nèi)徑為4.95mm。

圖7 右前管路制動壓力試驗曲線Fig.7 Test Curve of Front Right Brake Pipeline Pressure

5 結(jié)論

綜上所述，在AMESim環(huán)境下搭建了輪缸制動管路模型，直觀地模擬出輪缸管路尺寸對制動壓力響應(yīng)時間與釋放時間的影響。最終通過臺架試驗驗證了仿真結(jié)果的正確性，通過分析試驗結(jié)果篩選出最優(yōu)的制動管路尺寸，同時為HCU性能試驗臺架匹配出了最優(yōu)的輪缸管路。主要結(jié)論如下：（1）制動管路尺寸直接影響制動液的流速與壓力波動，間接影響到了制動系統(tǒng)的響應(yīng)時間與制動壓力釋放時間。（2）應(yīng)用方法匹配HCU性能測試臺架的制動管路，制動系統(tǒng)達(dá)到百分之九十最大制動壓力響應(yīng)時間能夠達(dá)到0.105s左右，釋放時間0.055s左右，提高了制動系統(tǒng)的響應(yīng)特性，優(yōu)化了臺架的制動性能。

提出制動管路選型是車輛制動系統(tǒng)設(shè)計過程中的重要環(huán)節(jié)，合適的管路尺寸能夠降低制動系統(tǒng)響應(yīng)時間延遲，消除制動系統(tǒng)缺陷。還為車輛的制動管路選型提供了重要的理論方法和試驗驗證依據(jù)。

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