汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)踏板感優(yōu)化分析

童成前，鄭素云，王華拓 Tong Chengqian，Zheng Suyun，Wang Huatuo

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汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)踏板感優(yōu)化分析

童成前，鄭素云，王華拓 Tong Chengqian，Zheng Suyun，Wang Huatuo

（北京汽車(chē)研究總院有限公司，北京 101300）

介紹了汽車(chē)制動(dòng)踏板感的表述方法，并分析制動(dòng)踏板感的影響因素。結(jié)合某越野車(chē)型的制動(dòng)踏板感問(wèn)題，詳細(xì)闡述了制動(dòng)踏板感優(yōu)化分析方法。結(jié)果表明：優(yōu)化后的制動(dòng)踏板感曲線計(jì)算值與實(shí)測(cè)值一致，誤差在10%以?xún)?nèi)；優(yōu)化后的制動(dòng)踏板感符合初始定義標(biāo)準(zhǔn)，且與對(duì)標(biāo)車(chē)相當(dāng)。

制動(dòng)；踏板感；影響因素；優(yōu)化

0 引 言

隨著汽車(chē)的發(fā)展，人們對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)不僅要求更短的制動(dòng)距離，而且對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)踏板感的舒適性能也提出要求。首先介紹制動(dòng)踏板感的表述方法，然后對(duì)其影響因素進(jìn)行分析，最后結(jié)合某越野車(chē)型的制動(dòng)踏板感問(wèn)題，詳細(xì)闡述制動(dòng)踏板感的優(yōu)化分析方法。

1 制動(dòng)踏板感表述方法

踏板力與減速度關(guān)系曲線、踏板行程與減速度關(guān)系曲線是表示和評(píng)價(jià)制動(dòng)踏板感的有效方法，因此定義這兩種關(guān)系曲線是研究制動(dòng)踏板感的基礎(chǔ)。圖1、圖2是目前常用的踏板力、踏板行程與減速度的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，關(guān)系曲線會(huì)定義一個(gè)范圍，并規(guī)定同一減速度下的踏板力、踏板行程的上限和下限值。制動(dòng)踏板感的計(jì)算誤差、測(cè)量誤差以及客戶使用的主觀性等因素決定了制動(dòng)踏板感需要定義在一個(gè)范圍內(nèi)[1]。圖1、圖2中的曲線統(tǒng)稱(chēng)為制動(dòng)踏板感曲線。

圖1 踏板力與減速度關(guān)系曲線

圖2 踏板行程與減速度關(guān)系曲線

2 影響因素分析

2.1 輪邊最大抱死液壓

制動(dòng)系統(tǒng)匹配或者制動(dòng)踏板感匹配應(yīng)該首先進(jìn)行壓力匹配，壓力匹配對(duì)制動(dòng)性能產(chǎn)生影響，包括同步附著系數(shù)，前、后輪抱死順序等，不再贅述，重點(diǎn)說(shuō)明其對(duì)制動(dòng)踏板感的影響。從圖3可以看出，輸入力（輸入力與杠桿之比為踏板力）與真空助力器及制動(dòng)主缸總成助力特性相關(guān)，而輪邊最大抱死液壓決定真空助力器及制動(dòng)主缸總成拐點(diǎn)液壓的選擇，即影響真空助力器及制動(dòng)主缸總成的選型，進(jìn)而影響踏板力。另外，制動(dòng)時(shí)，輪邊需要的液壓越大，制動(dòng)系統(tǒng)的所需液量就越大，所需要的踏板行程也越長(zhǎng)；不難理解，輪邊最大抱死液壓決定著整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的最大所需液量，直接影響制動(dòng)踏板的最大行程[2]。

圖3 真空助力器輸入-輸出特性曲線（真空度-66.7 kPa）

2.2 真空助力器及制動(dòng)主缸總成主要參數(shù)

影響制動(dòng)踏板感的主要參數(shù)有：拐點(diǎn)、跳躍值、助力比、始動(dòng)力、空行程、釋放力、缸徑等。

（1）拐點(diǎn)：即真空助力器的最大助力點(diǎn)；拐點(diǎn)的選擇尤為重要，如果拐點(diǎn)選擇較小，可能使最大踏板力較大；如果選擇過(guò)大，可能使真空助力器膜片尺寸過(guò)大，造成浪費(fèi)；一般真空助力器拐點(diǎn)值與車(chē)輛滿載輪邊最大抱死液壓相當(dāng)。

（2）跳躍值：提高真空助力器的跳躍值，可優(yōu)化初期踏板感；但是，跳躍值過(guò)大將破壞助力器的隨動(dòng)性，產(chǎn)生脈沖制動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)也將使助力器的耐久性能急劇下降。

（3）助力比：通過(guò)提高真空助力器的助力比可以降低相同制動(dòng)減速度下的踏板力，優(yōu)化制動(dòng)踏板感，但是當(dāng)助力器膜片尺寸確定后，助力比越高，拐點(diǎn)壓力越低，影響重度制動(dòng)時(shí)的助力效果，進(jìn)而影響重度制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)踏板感。

（4）始動(dòng)力：為真空助力器產(chǎn)生輸出力時(shí)所對(duì)應(yīng)的最小輸入力；始動(dòng)力過(guò)小，則稍有輸入力時(shí)，真空助力器就有輸出，駕駛員將失去明顯的腳感；過(guò)大，則踏板力增大，降低了真空助力器的靈敏度且延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，一般要求始動(dòng)力≤110 N[3]。

（5）空行程：真空助力器及制動(dòng)主缸總成的空行程的大小會(huì)影響制動(dòng)踏板的自由行程。

（6）釋放力：決定著真空助力器的回程速度，即取消制動(dòng)的速度；釋放力過(guò)小，真空助力器的回程速度會(huì)變慢，從而影響制動(dòng)踏板的跟腳感，一般要求釋放力≥30 N[4]。

（7）制動(dòng)主缸缸徑：影響真空助力器及制動(dòng)主缸總成的液壓特性，進(jìn)而影響踏板力與踏板行程，如果減小制動(dòng)主缸缸徑，可減小相同減速度下的踏板力，但是會(huì)增加相同減速度下的踏板行程。

2.3 真空度

真空助力器及制動(dòng)主缸總成在不同的真空度下助力特性不同，較大的真空度會(huì)獲得較好的助力特性；相反，當(dāng)真空度較差時(shí)，真空助力器的助力效果變差。如圖4所示，在相同的輸入力下，不同真空度產(chǎn)生的液壓差別為：P1（-66.7 kPa）> P2（-50 kPa）> P3（-40 kPa）> P4（-30 kPa）[5-7]。

圖4 不同真空度的助力器特性曲線

目前，一些發(fā)動(dòng)機(jī)由于自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及標(biāo)定需要往往無(wú)法給制動(dòng)系統(tǒng)提供足夠的真空源，特別是在高原和寒冷早晨初次點(diǎn)火使用工況下，真空度不足問(wèn)題會(huì)更加凸顯。因此，在進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制動(dòng)踏板感匹配時(shí)必須充分考慮真空度的因素。

2.4 制動(dòng)踏板杠桿比

增加制動(dòng)踏板杠桿比可減小踏板力，但是會(huì)增加踏板行程。一般情況下，不會(huì)通過(guò)增加制動(dòng)踏板杠桿比來(lái)減小踏板力；相反，在制動(dòng)系統(tǒng)匹配過(guò)程中，一般會(huì)選擇較小的制動(dòng)踏板杠桿比來(lái)控制踏板行程，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般制動(dòng)踏板杠桿比定義為3.2～4.0。

2.5 制動(dòng)系統(tǒng)空行程及剛性

制動(dòng)系統(tǒng)的空行程以及各零部件在一定液壓下的變形量會(huì)影響踏板行程。空行程主要包括真空助力器及制動(dòng)主缸總成的空行程、摩擦片與制動(dòng)盤(pán)的間隙等。各零部件，如制動(dòng)踏板、制動(dòng)主缸、制動(dòng)管路、制動(dòng)器等在一定壓力下的剛性，對(duì)踏板行程有直接影響。

3 分析實(shí)例

結(jié)合實(shí)例詳細(xì)介紹制動(dòng)踏板感優(yōu)化分析方法。

3.1 問(wèn)題描述

某越野車(chē)型（滿載狀態(tài)）制動(dòng)踏板感主觀評(píng)價(jià)過(guò)程中，存在如下問(wèn)題：（1）輕中度制動(dòng)時(shí)，踏板力較大；（2）重踩制動(dòng)時(shí)，踏板力增大明顯，ABS不容易觸發(fā)；（3）踏板行程略長(zhǎng)，空行程較大。

實(shí)車(chē)測(cè)試的踏板力-減速度、踏板行程-減速度曲線如圖5、圖6所示?？梢钥闯觯海?）該車(chē)型的踏板力超出踏板力曲線標(biāo)準(zhǔn)的下限，偏大；（2）減速度為8～10m/s2的過(guò)程中，踏板力增加明顯，最大值超過(guò)500 N；（3）初始踏板力較大，約為40 N；（4）踏板行程超出下限，較差。

圖5 踏板力與減速度關(guān)系曲線

圖6 踏板行程與減速度關(guān)系曲線

3.2 優(yōu)化分析

1）壓力計(jì)算發(fā)現(xiàn)，輪邊最大抱死液壓偏大，前軸最大抱死液壓為11 MPa，后軸最大抱死液壓為6 Mpa，需要降低輪邊最大抱死液壓。

考慮到該車(chē)型的生產(chǎn)緊迫性，以及制動(dòng)系統(tǒng)零部件優(yōu)化的難易程度，通過(guò)提高摩擦片摩擦系數(shù)和增加輪邊有效制動(dòng)半徑來(lái)降低輪邊最大抱死液壓，詳細(xì)見(jiàn)表1。

表1 輪邊最大抱死液壓的優(yōu)化

2）針對(duì)初始踏板力大的問(wèn)題，將真空助力器的始動(dòng)力由90 N減小為70 N，制動(dòng)踏板回位簧對(duì)制動(dòng)踏板的反饋力由10～15 N調(diào)整為5～10 N。

3）雖然輪邊最大抱死液壓降低為9.3 MPa，但是仍然高于助力器拐點(diǎn)8.5 MPa，需要增大真空助力器拐點(diǎn)，所以將真空助力器膜片型式由177.8 mm（前膜片直徑）+203.2 mm（后膜片直徑）優(yōu)化為203.2 mm（前膜片直徑）+228.6 mm（后膜片直徑）。

4）針對(duì)踏板行程偏長(zhǎng)和踏板力大的問(wèn)題，將制動(dòng)主缸缸徑由23.81 mm優(yōu)化為25.4 mm，真空助力器助力比由8調(diào)整為10。

以上各優(yōu)化方案匯總見(jiàn)表2。

表2 各優(yōu)化方案匯總

繪制出優(yōu)化后的制動(dòng)踏板感曲線分別如圖7和圖8所示?？梢钥闯觯海?）制動(dòng)踏板力處于標(biāo)準(zhǔn)的上限外邊緣，考慮到實(shí)車(chē)狀態(tài)效率損失等因素，匹配結(jié)果較好；（2）踏板行程位于標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，且接近上限，較好。

圖7 踏板力與減速度關(guān)系曲線（優(yōu)化后-計(jì)算值）

圖8 踏板行程與減速度關(guān)系曲線（優(yōu)化后-計(jì)算值）

3.3 測(cè)試結(jié)果

優(yōu)化后的制動(dòng)踏板感測(cè)試結(jié)果如圖9和圖10所示，可以看出：（1）初始踏板力得到改善，約為25 N，踏板力曲線位于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，且接近上限，較優(yōu)化前下降30%以上；（2）踏板行程得到改善，較優(yōu)化前縮短約20%；（3）優(yōu)化后的制動(dòng)踏板感與對(duì)標(biāo)車(chē)（普拉多）相當(dāng)；（4）踏板力和踏板行程計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在10%以?xún)?nèi)，計(jì)算方法正確有效。

圖9 踏板力與減速度關(guān)系曲線（優(yōu)化后-實(shí)測(cè)值）

圖10 踏板行程與減速度關(guān)系曲線（優(yōu)化后-實(shí)測(cè)值）

針對(duì)優(yōu)化后的制動(dòng)踏板感進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，結(jié)論為：（1）踏板力小，踏板輕便；（2）重踩制動(dòng)時(shí)，踏板力適中，ABS可正常觸發(fā)；（3）踏板行程適中，比較舒適。

4 結(jié) 論

介紹制動(dòng)踏板感的表述方法，并分析了制動(dòng)踏板感的影響因素；實(shí)例分析表明，制動(dòng)系統(tǒng)踏板感優(yōu)化分析方法有效實(shí)用，計(jì)算方法正確有效。

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2018-07-25

1002-4581（2018）06-0001-04

U463.5

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2018.06.001