汽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)需液量特性研究*

黃世健 周 維 陳禎福 裴曉飛 馮智勇

(武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070)(武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2) 武漢 430070)

0 引 言

制動(dòng)系統(tǒng)需液量指的是汽車在常規(guī)制動(dòng)過(guò)程中卡鉗內(nèi)制動(dòng)液達(dá)到一定壓力時(shí)，從制動(dòng)主缸泵出的制動(dòng)液體積，它直接影響汽車的制動(dòng)效果，反映到整車的表現(xiàn)有制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間、制動(dòng)距離、踏板感覺(jué)等[1].需液量偏大會(huì)造成制動(dòng)主缸施壓困難，踏板行程增加，鉗內(nèi)活塞壓力不足，導(dǎo)致汽車制動(dòng)力達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)；需液量偏小會(huì)使活塞回位量小，導(dǎo)致制動(dòng)襯塊與制動(dòng)盤分離不徹底，產(chǎn)生拖磨現(xiàn)象影響制動(dòng)鉗壽命，還會(huì)造成踏板行程短，制動(dòng)時(shí)踏板過(guò)硬，腳感差，對(duì)駕駛員的舒適度有較大影響.

目前關(guān)于制動(dòng)系統(tǒng)需液量的研究還缺乏理論和仿真依據(jù).陸洪明等[2]基于車輛液壓制動(dòng)卡鉗需液量，通過(guò)大量數(shù)據(jù)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，建立了需液量經(jīng)驗(yàn)公式模型.趙晨馨等[3]基于伺服控制技術(shù)設(shè)計(jì)了制動(dòng)鉗需液量檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)鉗需液量的自動(dòng)檢測(cè).吳兆東等[4]基于AMESim對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，并得到了卡鉗需液量的仿真曲線，但并未對(duì)需液量的影響因素開(kāi)展進(jìn)一步分析.王權(quán)等[5]則是對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)需液量進(jìn)行建模仿真，分析了活塞直徑、硬管、軟管初始體積、制動(dòng)液、軟管等效彈性模量等因素對(duì)需液量的影響，但只是通過(guò)搭建的模型對(duì)需液量影響因素進(jìn)行仿真分析，沒(méi)有對(duì)其中的影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

針對(duì)上述情況，本研究先基于AMESim搭建制動(dòng)系統(tǒng)需液量模型，針對(duì)制動(dòng)軟管長(zhǎng)度的大小得到不同軟管長(zhǎng)度對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)需液量的影響，再根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理搭建了液壓制動(dòng)臺(tái)架，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性.通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式分析制動(dòng)軟管對(duì)需液量的影響，從而為制動(dòng)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)提供有效參考.

1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)特性

液壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其中制動(dòng)管路包括硬管與軟管兩部分，硬管占大部分，軟管連接著硬管與制動(dòng)器.通常制動(dòng)過(guò)程是：駕駛員踩下制動(dòng)踏板，在克服踏板間隙后，在真空助力器的作用下，推動(dòng)主缸活塞向前移動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，通過(guò)制動(dòng)管路傳遞液壓，作用于輪缸活塞產(chǎn)生制動(dòng)效果.

圖1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)

1.1 數(shù)學(xué)模型

在液壓制動(dòng)系統(tǒng)中，卡鉗需液量、管路膨脹和制動(dòng)液變形是需液量的主要影響因素.忽略制動(dòng)硬管和制動(dòng)主缸彈性變形，列出制動(dòng)系統(tǒng)需液量的表達(dá)式為

V需液量=ΔV軟管+ΔV液體+ΔV

(1)

式中：V需液量為制動(dòng)系統(tǒng)需液量；ΔV軟管為軟管膨脹體積變化量；ΔV液體為制動(dòng)液變形量；ΔV為卡鉗需液量.

單輪缸制動(dòng)卡鉗需液量主要由消除制動(dòng)卡鉗活塞與制動(dòng)盤間隙、克服制動(dòng)盤剛度與輪缸活塞剛度的所需液量三部分組成，見(jiàn)式(2).在不同液壓力的作用下，輪缸活塞的移動(dòng)共分成兩個(gè)階段，即消除間隙階段和制動(dòng)器起作用階段.

ΔV=ΔV1+ΔV2+ΔV3

(2)

式中：ΔV1為克服間隙活塞移動(dòng)產(chǎn)生的需液量；ΔV2為活塞移動(dòng)制動(dòng)盤變形產(chǎn)生的需液量；ΔV3為活塞彈性變形所需液量.

圖2為輪缸活塞消除間隙階段活塞受力分析簡(jiǎn)圖，在制動(dòng)液壓力作用下，活塞克服矩形圈彈性變形和運(yùn)動(dòng)摩擦阻力.令活塞位移為x，以向右為正方向，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)平衡得

(3)

式中：p為制動(dòng)液壓力；d為輪缸活塞直徑；K為矩形圈等效剛度；Ff為活塞運(yùn)動(dòng)摩擦阻力；C為活塞運(yùn)動(dòng)等效阻尼；m為活塞質(zhì)量.

圖2 輪缸活塞消除間隙階段活塞受力分析圖

圖3為制動(dòng)器起作用階段活塞受力分析簡(jiǎn)圖，活塞在液壓力的作用下，壓緊制動(dòng)盤，通過(guò)摩擦力的作用產(chǎn)生制動(dòng)力矩.其力學(xué)平衡方程為

(4)

式中：Kj為制動(dòng)盤與摩擦塊接觸等效剛度；g為活塞克服間隙的移動(dòng)量.

圖3 制動(dòng)器起作用階段活塞受力分析圖

由于矩形密封圈和摩擦阻力等對(duì)需液量的影響較小，可忽略不計(jì)[6-7].故克服間隙活塞移動(dòng)產(chǎn)生的需液量可近似為

(5)

(6)

外力推動(dòng)主缸活塞，通過(guò)壓縮制動(dòng)液形成液體壓力將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成液壓能.在液體壓縮過(guò)程中，因液體形變產(chǎn)生的所需液量為

(7)

式中：V1為制動(dòng)硬管初始體積；V2為制動(dòng)軟管初始體積；E液為制動(dòng)液彈性模量.

制動(dòng)軟管彈性模量較小，在液體壓力較大時(shí)，會(huì)因管路膨脹和制動(dòng)液沿程壓力損失需要一定的制動(dòng)液作為補(bǔ)充，沿程壓力損失見(jiàn)式(8)，因管路膨脹產(chǎn)生的所需液量見(jiàn)式(9).

(8)

式中：Δp為管路沿程壓力損失；ε為阻力系數(shù)；L為管路長(zhǎng)度；v為制動(dòng)液在管路中的流速；Dp為管路內(nèi)徑.

(9)

式中：Ep為軟管彈性模量.

由式(6)～(9)可得制動(dòng)系統(tǒng)需液量的計(jì)算公式為

(10)

根據(jù)式(10)可知，制動(dòng)系統(tǒng)需液量主要與管路壓力、制動(dòng)軟管長(zhǎng)度、制動(dòng)軟管楊氏模量和輪缸直徑及制動(dòng)盤摩擦片等效剛度等有關(guān).

1.2 仿真模型

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型并利用AMESim搭建出制動(dòng)系統(tǒng)需液量仿真模型，模型及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)圖4和表1.

圖4 制動(dòng)系統(tǒng)需液量仿真模型

參數(shù)數(shù)值主缸活塞直徑/mm22.22制動(dòng)卡鉗活塞直徑/mm34活塞環(huán)等效剛度/(N·mm-1)2000制動(dòng)盤與制動(dòng)器間隙/mm0.48制動(dòng)軟管長(zhǎng)度/m1,1.5,2,2.5

由模型可知，制動(dòng)軟管對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)需液量的影響尤為重要，因而本次仿真主要研究了制動(dòng)軟管長(zhǎng)度對(duì)需液量的影響.制動(dòng)系統(tǒng)需液量可以用制動(dòng)液所需體積V隨卡鉗內(nèi)壓力p變化的p-V曲線來(lái)表示，而制動(dòng)液所需體積最直觀表現(xiàn)是制動(dòng)過(guò)程中主缸活塞的位移量，因而,此次仿真得到的是不同長(zhǎng)度制動(dòng)軟管在制動(dòng)時(shí)主缸活塞的位移與制動(dòng)管路壓力之間的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5.

圖5 不同長(zhǎng)度制動(dòng)軟管仿真結(jié)果

2 試驗(yàn)臺(tái)架搭建

本次的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架是根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的總體構(gòu)造以及上述的仿真模型，對(duì)液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化而搭建的，搭建的總體架構(gòu)見(jiàn)圖6.

圖6 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架總體架構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)架總體架構(gòu)分兩部分組成，一部分是硬件臺(tái)架，包括制動(dòng)主缸、制動(dòng)管路和制動(dòng)器，省略了制動(dòng)踏板，真空助力器等結(jié)構(gòu)，直接對(duì)制動(dòng)主缸施加推力，來(lái)模擬踩下踏板的過(guò)程，產(chǎn)生制動(dòng)效果；另一部分是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用USB6341數(shù)據(jù)采集卡對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再基于LabView對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與保存，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理.

2.1 硬件臺(tái)架搭建

實(shí)驗(yàn)硬件臺(tái)架主要包括制動(dòng)主缸，制動(dòng)管路與制動(dòng)器三部分，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7.

圖7 硬件臺(tái)架結(jié)構(gòu)

踏板增力機(jī)構(gòu)部分采用大螺距絲杠螺母(梯形牙)作為加力機(jī)構(gòu)，在主缸活塞處連接有塑料推桿作為傳力結(jié)構(gòu)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)絲杠螺母推動(dòng)主缸活塞，模擬踩下踏板實(shí)現(xiàn)踏板增力的過(guò)程[8-9].在主缸活塞處安裝有位移傳感器，以方便測(cè)得制動(dòng)過(guò)程中活塞的位移量.制動(dòng)管路則是采用了主缸+硬管+三通管+軟管+輪缸的方案[10].實(shí)驗(yàn)工作過(guò)程是旋轉(zhuǎn)絲杠螺母推動(dòng)主缸活塞，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，通過(guò)制動(dòng)管路傳遞液壓，作用于輪缸活塞產(chǎn)生制動(dòng)效果.

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集模塊是通過(guò)NI數(shù)據(jù)采集卡USB-6341采集位移傳感器與壓力傳感器的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)LabView軟件搭建數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、保存，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理.

本次實(shí)驗(yàn)用到的位移傳感器和壓力傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表2 傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)

位移和壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集是基于NI數(shù)據(jù)采集卡USB6341，其程序設(shè)計(jì)為一個(gè)整體函數(shù)，通過(guò)DAQmx函數(shù)配置數(shù)據(jù)采集任務(wù).在數(shù)據(jù)采集中，首先將壓力傳感器和位移傳感器的信號(hào)線連在NI采集卡上，再在LabView軟件中編寫相關(guān)程序，對(duì)NI采集卡采集到的兩個(gè)傳感器的電壓信號(hào)進(jìn)行采集和顯示，并分別對(duì)兩個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，轉(zhuǎn)換成壓力傳感器的壓力值和位移傳感器的位移量，最后對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便于后期數(shù)據(jù)處理.具體程序見(jiàn)圖8.

圖8 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)保存

3 實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比

本次實(shí)驗(yàn)主要考慮的是制動(dòng)軟管的長(zhǎng)度對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)需液量的影響.實(shí)驗(yàn)中測(cè)了長(zhǎng)度分別為1，1.5，2和2.5 m的四根制動(dòng)軟管管路壓力與主缸活塞位移量的關(guān)系曲線，并將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)作對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖9.

圖9 軟管管路壓力-主缸活塞位移量

由圖9可知，四根軟管的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果整體上是比較符合的.其中主缸活塞的位移量在管路壓力為零附近有一個(gè)突增的過(guò)程，這是主缸活塞在克服空行程的位移量，圖中實(shí)驗(yàn)值與仿真結(jié)果存在一定差異是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中制動(dòng)管路的初始?jí)毫Σ粸?，而仿真模型中初始?jí)毫?.在管路壓力達(dá)到9 MPa以上時(shí)，實(shí)驗(yàn)的位移量要稍低于仿真值，這是由于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)管路壓力達(dá)到較大值之后，會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生較大阻力阻礙主缸活塞繼續(xù)往前推進(jìn)，同時(shí)在這個(gè)時(shí)候，旋轉(zhuǎn)絲杠螺母需要很大的力，人工操作下會(huì)存在一定的誤差，導(dǎo)致實(shí)際的位移量會(huì)偏小.如果采用制動(dòng)泵作為加載驅(qū)動(dòng)單元，最后得到的結(jié)果將會(huì)更加準(zhǔn)確.

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在管路壓力達(dá)到12 MPa時(shí)，四根制動(dòng)軟管的主缸活塞位移量從小到大依次在7.6，8.3，8.8和9.3 mm.隨著制動(dòng)軟管長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，要達(dá)到相同的制動(dòng)管路壓力，主缸活塞的位移量也隨之增大，需液量也隨之增加.在實(shí)際的制動(dòng)過(guò)程中，為了獲得足夠制動(dòng)效能所要求的制動(dòng)液壓，制動(dòng)軟管過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致駕駛員需要進(jìn)行較大的制動(dòng)踏板位移，導(dǎo)致制動(dòng)執(zhí)行延遲，這在緊急情況下的制動(dòng)是十分危險(xiǎn)的，因此，車輛在使用制動(dòng)軟管等管路時(shí)，應(yīng)盡量減小制動(dòng)軟管長(zhǎng)度，避免駕駛員的大幅度踩踏制動(dòng)踏板，提高駕駛安全性，同時(shí)也要避免制動(dòng)軟管過(guò)短.軟管過(guò)短，制動(dòng)系統(tǒng)需液量較小，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)襯塊與制動(dòng)盤分離不徹底，影響制動(dòng)鉗壽命，同時(shí)踏板行程小，影響駕駛員駕駛時(shí)的舒適度.

4 結(jié) 束 語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)需液量的理論分析，基于AMESim搭建仿真模型，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方式分析了不同長(zhǎng)度制動(dòng)軟管對(duì)需液量的影響，從結(jié)果得出制動(dòng)軟管越長(zhǎng)，制動(dòng)系統(tǒng)需液量越大.制動(dòng)軟管過(guò)長(zhǎng)，制動(dòng)系統(tǒng)需液量大，在制動(dòng)過(guò)程中駕駛員踩制動(dòng)踏板的位移量會(huì)增大，制動(dòng)延遲，制動(dòng)距離增長(zhǎng)；而制動(dòng)管路過(guò)短，制動(dòng)系統(tǒng)需液量小，會(huì)造成踏板行程短，制動(dòng)時(shí)踏板過(guò)硬，腳感差，對(duì)駕駛員的舒適度有較大影響.