乘用車制動感覺仿真分析與優(yōu)化研究

張涵 徐偉

1.上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007 2.武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院 湖北省武漢市 430070

1 引言

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，2017年全年乘用車銷量約為2420.91輛，穩(wěn)居全球第一。伴隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，消費(fèi)者對車輛安全性中的制動性能也更加重視，而其中制動感覺尤為如此。根據(jù)JD Pow-er的反饋，對汽車制動感覺方面反映最多的問題主要有制動不夠力、制動偏軟、剎車不夠靈敏等[1]。因而對汽車制動感覺的研究是提高乘用車的制動性能的一個(gè)重要方向。

侯俊、過學(xué)迅應(yīng)用UG對盤式制動器進(jìn)行建模，并用ANSYS軟件對制動器總成有限元模型進(jìn)行了有限元分析[2]。孟建德、張立軍和余卓平等開發(fā)構(gòu)建了乘用車制動踏板感覺試驗(yàn)臺架來研究關(guān)健因素對制動踏板感覺的影響[3]。國外對制動感覺研究則較為成熟，Rena、Paul等通過對制動卡鉗內(nèi)的制動塊的材料進(jìn)行研究，通過理論和實(shí)驗(yàn)證明了制動塊的材料確實(shí)能夠在一定程度上對乘用車的制動感覺產(chǎn)生影響[4]。David、Mark等人通過對制動系統(tǒng)中的制動軟管進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)制動軟管的膨脹量會引起制動液的體積增加，從而會對乘用車的制動感覺產(chǎn)生影響[5]。

文章通過對某款車型的制動系統(tǒng)所需制動液的體積、制動踏板行程進(jìn)行了理論分析，得到了制動液的總體積以及制動踏板行程的計(jì)算方法。通過AMESim軟件對該車的制動系統(tǒng)進(jìn)行了液壓仿真，并通過動態(tài)仿真模型來分析乘用車的制動踏板感覺。并對該車的制動系統(tǒng)提出了優(yōu)化方案，通過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的結(jié)果，最后通過仿真模型對優(yōu)化前后的制動系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 制動踏板行程理論分析

由于建立AMESim仿真模型需要得到車輛的制動系統(tǒng)所需制動液總體積來進(jìn)行相應(yīng)的液壓仿真，并要通過理論分析得到車輛的制動踏板行程。

（1）制動系統(tǒng)所需制動液總體積

制動系統(tǒng)所需制動液總體積通過式（1）計(jì)算可得[6]：

其中Vg—克服制動間隙所需制動液體積

VBL—制動管路膨脹所需制動液體積

VH—制動軟管膨脹所需制動液體積

Vmc—制動主缸中制動液體積損失

Vp—制動襯塊壓縮變形

（2）克服制動間隙所需制動液體積

在未實(shí)施制動前，制動5盤與制動塊之間有一定的間隙，當(dāng)踩下制動踏板后，只有制動盤與制動襯塊間隙消除后才會產(chǎn)生制動力，所以在此階段需要一定體積的制動液來克服制動盤與制動襯塊的間隙，在此過程中制動系統(tǒng)中的壓力很小可以忽略不計(jì)[7]。

其中，Vg為克服制動間隙所需制動液體積、xg為制動盤與制動襯塊間隙、Awf為前制動器輪缸的面積、Awr是后制動輪缸的面積。

（3）制動管路膨脹所需制動液體積

當(dāng)實(shí)施制動后，制動管路中會產(chǎn)生一定的壓力，在壓力作用下會導(dǎo)致制動管路發(fā)生膨脹使得所需的制動液增加，則制動液增加的體積VBL可以通過公式（3）求得[7]：

其中，D為制動管路的外圈直徑、L為管路長度、E為管路材料的體積彈性模量、t為管壁厚度Pl制動管路壓力。

（4）制動軟管膨脹所需制動液體積

通過制動軟管的膨脹量試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式可以得到制動軟管的膨脹系數(shù)及膨脹體積，將制動軟管的參數(shù)帶入公式（4）中[7]：

其中KH為制動軟管的膨脹系數(shù)。

（5）制動主缸中制動液體積損失

一定壓力下制動主缸的的制動液體體積損失可以通過式（5）計(jì)算得到[7]：

其中Kmc是根據(jù)制動主缸直徑對應(yīng)的制動液體積損失系數(shù)。

（6）制動襯塊壓縮變形

在制動過程中，制動襯塊在液壓力作用下與制動盤接觸產(chǎn)生變形，制動襯塊的變形會導(dǎo)致制動系統(tǒng)對制動液的需液量增加，公式（6）為制動襯塊壓縮變形導(dǎo)致制動液體積增加的計(jì)算公式[7]。

其中Cs為制動襯塊壓縮率。

（7）制動踏板行程

制動踏板行程包含自由行程和制動行程的兩部分；其中自由行程是為了防止剎車片和制動盤太緊而過熱，使剎車失靈。制動行程則是克服主缸做功，從而使車輛產(chǎn)生剎車作用的行程。其計(jì)算公式如下[8]：

其中i為制動踏板杠桿比，為踏板機(jī)構(gòu)間隙，Sm1、Sm2為制動主缸第一腔和第二腔的工作行程。

3 制動系統(tǒng)的AMESim模型建立

3.1 浮動鉗盤式制動器模型建立

目前，盤式制動器主要包含浮動鉗盤式制動器與定鉗盤式制動器，定鉗盤式制動器的制動盤與制動卡鉗都是固定在車上，不能夠轉(zhuǎn)動與移動的。浮鉗盤式制動器的制動鉗是浮動的，可以相對于制動盤軸向移動。浮動鉗盤式制動器 AMESim 模型如圖1所示。

圖中標(biāo)號1的作用是用來計(jì)算左右兩端f（x）的合制動力矩值，由傳感器測得制動力矩值。標(biāo)號2則代表著制動器在制動過程中的制動間隙變化與制動卡鉗與制動盤的接觸力的改變。標(biāo)號3則用彈簧來模擬制動卡鉗的鉗體剛度變化，它將制動卡鉗分為了兩部分，一部分是與同種標(biāo)號6的活塞座相連接，另一部分則是與卡鉗的導(dǎo)向銷相連。標(biāo)號4則用來表示摩擦塊與密封圈的質(zhì)量。標(biāo)號5則用來表示支架的重量。制動卡鉗的密封圈則由圖中的標(biāo)號7所代表。相應(yīng)的標(biāo)號8則是保持架與制動塊。此模型完善的考慮了由于制動過程中主缸對制動卡鉗的作用力會使制動卡鉗產(chǎn)生相應(yīng)的變形，并且用彈簧來模擬制動過程中卡鉗剛度的變化。制動卡鉗的各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系也簡要的表示出來了。

圖1 浮動鉗盤式制動器AMESim模型

3.2 制動軟管仿真模型建立

制動軟管，俗稱剎車管，是乘用車的制動系統(tǒng)中用來傳遞制動液的零部件。用來保證制動液準(zhǔn)確的傳遞到制動卡鉗的活塞，從而使制動卡鉗的摩擦塊與制動盤接觸，從而引起汽車制動。按照汽車的制動方式不同，它有三種形式：真空制動軟管、液壓制動軟管和氣壓制動軟管。文中車輛采用的是液壓制動軟管來進(jìn)行制動，因而可以直接用AMESim中直接選取相應(yīng)的元器件。需要設(shè)置參數(shù)有：楊氏模量、管路的內(nèi)外直徑和管路的長度。

3.3 制動主缸AMESim模型建立

如圖3所示為制動系統(tǒng)中的制動主缸模型，圖中標(biāo)號2為主缸的第一制動腔，標(biāo)號4為主缸的第二制動腔，標(biāo)號3則代表著第一制動腔與第二制動腔的回位彈簧，標(biāo)號5則表示連接兩個(gè)制動主缸與制動器的制動軟管，標(biāo)號1則表示制動主缸收到來自于真空助力器的壓力。圖中的工作機(jī)理是：制動主缸收到真空助力器的壓力F，從而使得制動腔內(nèi)的制動液向壓力較小的制動軟管中流去，從而是的制動器的活塞產(chǎn)生反應(yīng)。制動結(jié)束后，由于真空助力器的壓力消失，由于制動缸存在回位彈簧的作用，因而將制動液重新吸回到制動缸內(nèi)，從而解除制動[9]。

表2 制動感覺得分

圖3 制動主缸AMESim模型仿真

3.4 制動踏板感覺AMESim模型建立

通過上面制動器的仿真模型、制動軟管和制動主缸的仿真模型的建立，最后建立了如圖4所示的由AMESim軟件建立的制動感覺動態(tài)仿真模型。圖中主要的流程為給制動踏板某一作用力，使得制動踏板克服空行程之后對真空助力器產(chǎn)生壓力，再由真空助力器作用于制動主缸，使得主缸內(nèi)的制動液通過制動軟管傳遞到制動卡鉗的活塞內(nèi)，從而是的制動塊與制動盤產(chǎn)生接觸，從而引起汽車產(chǎn)生制動效果。

圖4 制動踏板感覺動態(tài)仿真

4 仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 制動踏板感覺動態(tài)仿真分析

圖5為制動踏板力與制動減速度的關(guān)系圖。圖中橫坐標(biāo)為制動踏板力，縱坐標(biāo)為制動減速度，用實(shí)線表示乘用車處于空載狀態(tài)、虛線則用來表示滿載狀態(tài)。圖中AB段時(shí)，乘用車處于滑行階段，由于試驗(yàn)路段的阻力以及空氣阻力等因素影響，因而存在圖中所示的恒定的制動減速度。圖中BC段則表示真空助力器開始發(fā)揮作用，從而在圖中顯示制動踏板力沒有增加，制動減速度則開始變大。圖中CD段是由于制動踏板力不斷增加使得試驗(yàn)車的制動減速度與之線性的增大。

圖6為制動踏板位移與制動減速度關(guān)系圖。圖中橫坐標(biāo)為制動踏板位移，縱坐標(biāo)為制動減速度，同樣用實(shí)線表示試驗(yàn)車處于空載狀態(tài)、虛線則用來表示滿載狀態(tài)。并且由于道路阻力與空氣阻力使得乘用車同樣存在一定的初始減速度。圖中A’B’階段，由于制動踏板存在空行程，因而出現(xiàn)了制動踏板位移增加，制動減速度卻沒有變化；并且乘用車的空載與滿載在這個(gè)階段沒有沒什么區(qū)別。圖中B’C’階段，則是由于真空助力器剛開始發(fā)揮作用，因而效果不夠穩(wěn)定，所有隨著踏板位移的增加制動減速度僅僅只有較小的增大。圖中C’D’則表示真空助力器開始發(fā)揮穩(wěn)定作用，制動減速度隨著踏板位移的增加開始呈現(xiàn)線性的增大。

圖5 制動踏板力與制動減速度關(guān)系

通過對比圖5與圖6中的車輛空載與滿載狀態(tài)下制動踏板力與制動減速度和制動踏板位移與制動減速度的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，滿載且真空助力器處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，制動踏板力、制動踏板位移與制動減速度的斜率均小于空載時(shí)。

4.2 制動踏板感覺試驗(yàn)驗(yàn)證

4.2.1 制動踏板感覺評分標(biāo)準(zhǔn)

本試驗(yàn)采用的制動感覺指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（BFI）來自于通用汽車的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)從踏板預(yù)緊力、制動初始點(diǎn)踏板力、制動初始點(diǎn)踏板位移、0.5g標(biāo)準(zhǔn)踏板力、0.5g標(biāo)準(zhǔn)踏板行程、滿載最大制動減速度時(shí)的踏板力、踏板力線性指數(shù)和響應(yīng)時(shí)間常數(shù)等8個(gè)方面來對制動過程中的制動踏板感覺進(jìn)行評價(jià)。并且根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用得到了這些指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值與各項(xiàng)指標(biāo)所占權(quán)重，同時(shí)也得到了各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算依據(jù)。表1為本次試驗(yàn)所采用的 BFI 評價(jià)指標(biāo)。

4.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采取LINK3802 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來測試制動感覺的BFI中各項(xiàng)參數(shù)。3802數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以接受各個(gè)傳感器測試的數(shù)據(jù)，從而測量制動初始速度、0.5g標(biāo)準(zhǔn)踏板力、0.5g標(biāo)準(zhǔn)踏板行程和滿載最大制動減速度時(shí)的踏板力等等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) LINK3802 如圖 7所示。

4.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過制動踏板感覺試驗(yàn)測得的BFI得分見表2，試驗(yàn)測得的0.5g制動踏板位移與0.5g制動踏板力與仿真分析得到的制動踏板位移與制動踏板力之間的誤差比較小，因而可以確認(rèn)制動踏板感覺動態(tài)仿真是比較切合實(shí)際的。通過試驗(yàn)結(jié)果可知，這款制動卡鉗的踏板預(yù)緊力、初始踏板力、初始踏板行程、0.5g標(biāo)準(zhǔn)踏板行程、滿載制動時(shí)的最大制動減速度的踏板力、響應(yīng)時(shí)間、踏板力線性指數(shù)都與BFI評價(jià)指標(biāo)中標(biāo)準(zhǔn)值差距比較小。而0.5g的標(biāo)準(zhǔn)踏板力為90N，這與制動感覺BFI中規(guī)定的80N以下有比較大的差距，導(dǎo)致了總體制動感覺得分的大幅度下降。因而可以通過優(yōu)化影響制動踏板力的因素來降低0.5g制動踏板力，從而提升制動感覺。

4.3 制動踏板感覺優(yōu)化及仿真驗(yàn)證

通過查閱資料以及理論研究發(fā)現(xiàn)，通過提高整車的制動效能可以改善制動踏板力過大的問題。提高制動效能則可以通過改變制動輪缸的缸徑和制動盤有效制動半徑。優(yōu)化方案如下：

（1）前制動輪缸缸徑由原來的54mm增大為57mm；

（2）前有效制動半徑由原來的122mm增大為125mm；

上述優(yōu)化方案改進(jìn)后，修改相關(guān)仿真參數(shù)之后重新得到制動踏板關(guān)系曲線，見圖8 優(yōu)化后制動減速度與制動踏板力與圖9優(yōu)化后制動減速度與制動踏板位移曲線。由圖8可知，改進(jìn)后的0.5g制動踏板力大約為78N，比原始踏板力減少了12N，不過相應(yīng)的0.5g踏板位移也相應(yīng)的增加到37mm，比原始位移遠(yuǎn)了2mm。優(yōu)化后的制動感覺BFI分值比原始的制動感覺BFI提升了2.6左右，因而可以通過上述優(yōu)化方案來使BFI總得分將得到大幅度增加。

圖6 制動踏板位移與制動減速度關(guān)系

表 2 制動感覺得分

圖7 數(shù)采系統(tǒng) LINK3802

圖8 優(yōu)化后制動減速度與制動踏板力

5 結(jié)語

（1）理論分析了制動系統(tǒng)在制動過程中所需要的制動液體積，并分析了制動踏板行程與制動主缸間的關(guān)系。

圖9 優(yōu)化后制動減速度與制動踏板位移曲線

（2）運(yùn)用AMESim液壓仿真軟件虛擬建模對制動過程進(jìn)行了分析，從制動踏板位移和制動踏板力與減速度的關(guān)系分析了制動踏板感覺；

（3）通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的合理性，同時(shí)通過BFI評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對試驗(yàn)所用制動系統(tǒng)的制動踏板感覺進(jìn)行了評價(jià)，并對制動系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化來提高制動踏板感覺。