雙膜片彈簧真空助力制動系統(tǒng)仿真研究

封萬程 張曉豐 劉學(xué)術(shù) 陳世榮

摘? 要：本文首先利用AMESim軟件針對某輕型載貨汽車所采用的雙膜片彈簧真空助力制動系統(tǒng)建立了仿真模型，包括制動踏板、真空助力器、制動主缸、制動管路及制動器，并以試驗數(shù)據(jù)為參照驗證了仿真模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，對制動系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)仿真研究，分析了制動踏板位移與制動力、踏板位移與制動管路油壓、踏板位移與制動減速度及踏板力與制動減速度之間的關(guān)系，為優(yōu)化該車制動系統(tǒng)提升制動踏板感覺創(chuàng)造了條件。

關(guān)鍵詞：制動系統(tǒng);真空助力器;制動主缸;制動踏板感覺

中圖分類號：U436.52? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2019）04-0024-07

Abstract： Simulation model of a light-duty truck braking system with double-diaphragm spring vacuum booster was established in AMESim software including brake pedal， vacuum booster， brake master cylinder， brake hose and brakes. After the validity of the model was proved by compared to experimental results， static and dynamic simulations were carried out and the relationships between brake pedal displacement and brake pedal force， brake pedal displacement and pipe pressure， brake pedal displacement and brake deceleration and brake pedal force and brake deceleration were created， which can be used to optimize the braking system of the truck and improve braking feel as well.

汽車制動時，駕駛員可以感受到由制動踏板力、制動踏板位移及制動減速度共同組成的制動踏板感覺，如圖1所示。制動踏板感覺是用來評價車輛制動性能、安全性能及舒適性能的重要指標(biāo)之一，其好壞直接影響消費者對車輛品質(zhì)的評價。因此，現(xiàn)在汽車制動系統(tǒng)的設(shè)計不僅要滿足汽車制動安全性的基本要求，還應(yīng)具有良好的制動踏板感覺。

關(guān)于制動踏板感覺的研究，早在1994年通用公司的EBERT等提出BFI的概念，首次將主觀評價指標(biāo)轉(zhuǎn)換為客觀評價指標(biāo)[1]。泛亞汽車技術(shù)中心的石永金等提出用制動感覺指數(shù)來評價車輛制動踏板感覺，實現(xiàn)了制動踏板感覺的量化研究[2]。王天利等利用AMESim軟件建立了帶單膜片彈簧真空助力器的制動系統(tǒng)模型并重點研究了制動軟管膨脹、制動襯塊與制動盤間隙對制動踏板感覺的影響[3]。同濟(jì)大學(xué)的孟建德等建立了包含關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件、氣體和液體的真空助力器-制動主缸系統(tǒng)動力學(xué)模型，開展了面向制動踏板感覺的系統(tǒng)特性研究[4]。江蘇大學(xué)的陳燎等提出了一種用于電液復(fù)合制動系統(tǒng)的踏板模擬機(jī)構(gòu)，建立了仿真模型[5]。吉林大學(xué)的劉楊針對電液復(fù)合制動系統(tǒng)的制動踏板感覺開展了研究[6，7]。北京汽車研究總院的鄭素云等提出了一種制動踏板感覺試驗數(shù)據(jù)采集和分析的標(biāo)準(zhǔn)化方法用于不同試驗結(jié)果的比較[8]。奇瑞汽車的張靜初針對某自主品牌的產(chǎn)品開發(fā)，將制動踏板感覺家族化，提升了產(chǎn)品的可靠性和通用性[9]。武漢理工大學(xué)的裴曉飛等人應(yīng)用AMESim軟件建立了制動系統(tǒng)的靜態(tài)/動態(tài)仿真模型，采用制動踏板感覺指數(shù)評價體系對某試驗車的制動踏板進(jìn)行了客觀評價，并提出了優(yōu)化方案[10]。

本文首先針對某輕型載貨汽車制動系統(tǒng)建立了面向制動踏板感覺研究的模型并利用試驗數(shù)據(jù)驗證了模型的正確性。之后，針對制動系統(tǒng)開展了制動踏板感覺研究，分析了制動踏板位移與制動力、踏板位移與制動管路油壓、踏板位移與制動減速度及踏板力與制動減速度之間的關(guān)系。

1? ? 制動系統(tǒng)建模

1.1? ?制動踏板模型

制動踏板的作用是將施加到踏板上的作用力按照踏板杠桿比成倍放大并輸入到后續(xù)機(jī)構(gòu)中，并直接反饋踏板感覺。本文車型所采用的吊掛式制動踏板被簡化為靜力學(xué)杠桿模型，忽略了踏板的慣性量。

制動踏板相關(guān)參數(shù)如表1所示，其中L1為制動踏板輸入點到制動踏板支點的距離，mm;L2為制動踏板輸出點到制動踏板支點的距離，mm;L3為回位彈簧支點到制動踏板支點的距離，mm;Fs0為回位彈簧預(yù)緊力，N;Ks為回位彈簧剛度，N/mm。依據(jù)所給參數(shù)，在AMESim軟件中構(gòu)件制動踏板仿真模型，如圖2所示。圖中1為制動踏板輸入信號;2為制動踏板臂;3為回位彈簧;4用于模擬制動踏板與真空助力器間隙。

1.2? ?真空助力器模型

真空助力器主要是由真空助力器控制閥、橡膠反作用盤和膜片前后腔室組成，其性能對制動系統(tǒng)性能影響很大。

真空助力器控制閥門的初始狀態(tài)是真空閥打開、大氣閥關(guān)閉，此時膜片前后腔室連通，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知此時前后腔的真空度為66.7±1.3kPa。當(dāng)輸入力抵消真空彈簧和空氣彈簧預(yù)緊力后，推桿開始向前移動。由于結(jié)構(gòu)中存在間隙，大氣閥不能在第一時間打開。隨著輸入力的不斷增加，直到真空閥關(guān)閉、大氣閥打開，膜片前后腔室開始產(chǎn)生壓差，真空助力器才開始起作用。此后，隨著輸入力的不斷增加，真空閥為常閉狀態(tài)，大氣閥不斷由開啟變?yōu)殛P(guān)閉，真空助力器輸出力按助力比成倍增加，直到有效助力超過最大助力點后，真空助力器后腔室真空度為零時助力器不再起作用。在AMESim軟件中構(gòu)建的控制閥門仿真模型如圖3所示。

橡膠反作用盤與相鄰部件關(guān)系如圖4所示。當(dāng)大氣閥們打開時，推桿柱塞與橡膠反作用盤之間的間隙剛好閉合，此時輸入力由橡膠反作用盤主面?zhèn)鞯礁泵?。由于橡膠反作用盤為不可壓縮的柔性材質(zhì)，可像液體一樣傳遞壓力，故可將橡膠反作用盤等效成兩個相連的液壓缸。橡膠反作用盤的力學(xué)模型可見文獻(xiàn)[10]。

在AMESim軟件中構(gòu)建的橡膠反作用盤模型如圖5所示。通過對兩個液壓腔元件設(shè)置活塞直徑和推桿直徑，并設(shè)置等效彈簧剛度和彈簧預(yù)緊力后可輸出制動系統(tǒng)的始動力和跳躍值。兩液壓腔元件橫截面積之比即為真空助力器的助力比。

本文所研究的真空助力器為雙膜片彈簧設(shè)置，故可將結(jié)構(gòu)簡化為四個雙活塞氣壓缸，氣壓缸的活塞等效為兩個中間膜片，氣壓缸的腔室等效為真空助力器的大氣腔和真空腔，如圖6所示。

真空助力器總成的仿真模型如圖7所示，其中柱塞位移傳感器和閥門位移傳感器用于控制大氣閥門的開啟和關(guān)閉，閥門位移傳感器和膜片位移傳感器用于控制真空助力器的開啟和關(guān)閉。真空助力器仿真模型中的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如表2所示。

1.3? ?制動主缸模型

制動主缸幾何尺寸對制動踏板感覺有著直接的影響，如主缸直徑的大小對踏板行程、制動管路油壓特性及制動踏板軟硬等均有影響。制動主缸的力學(xué)模型可見文獻(xiàn)[10]，仿真模型如圖8所示。其中端口5為真空助力器輸入的力載荷，端口1、2、3、4分別輸出液壓至四個制動輪缸。

參照《汽車液壓制動主缸技術(shù)條件》中對制動主缸性能的要求來設(shè)置制動主缸關(guān)參數(shù)，如表3所示。

1.4? ?制動管路模型

汽車制動管路分為制動硬管和制動軟管，制動硬管在制動壓力變化后體積幾乎沒有變化，可忽略其對會制動踏板感覺的影響;而制動軟管在制動壓力變大后直徑有較明顯的膨脹，對制動踏板感覺有一定的影響。本文所建模型中僅考慮制動軟管對制動踏板感覺的影響。

仿真模型如圖9所示。AMESim軟件中給出了三種制動軟管等效模量的計算方法，本文采用設(shè)置管路直徑、壁厚和管路材料樣式模型的方法進(jìn)行設(shè)置。制動管路具體參數(shù)見表4。

1.5? ?制動卡鉗模型

本研究以浮動鉗盤式卡鉗為研究對象，制動過程中不考慮鉗體的變形，忽略制動塊與制動器支架之間的摩擦，同時不考慮鉗體內(nèi)壓力損失。

制動卡鉗的仿真模型如圖10所示，其中端口2用于輸入管路油壓，端口1用于輸出制動力矩。

根據(jù)《液壓制動鉗總成性能要求及臺架試驗方法》中對制動鉗參數(shù)的要求，本文中所用制動卡鉗參數(shù)設(shè)置如表5所示。

1.6? ? 制動系統(tǒng)仿真模型

基于上述制動系統(tǒng)各組成元件仿真模型的構(gòu)建，最終形成了制動系統(tǒng)的仿真模型，如圖11所示。模型的左側(cè)為雙軸車輛仿真模型，右側(cè)為制動系統(tǒng)靜態(tài)仿真模型。

2? ? 制動系統(tǒng)仿真分析

2.1? ?真空助力器仿真模型的驗證

在AMESim軟件中，應(yīng)用所建真空助力器仿真模型可得到真空助力器輸出特性曲線，與臺架試驗結(jié)果對比結(jié)果如圖12所示。

由圖中可見，仿真模型輸出結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度很高。通過對各個關(guān)鍵點的相對誤差進(jìn)行計算（如表6所示），仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比最大相對誤差僅為6.67%，證明了所建雙膜片彈簧真空助力器仿真模型的正確性。

2.2? ? 制動系統(tǒng)靜態(tài)仿真

《真空助力器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中施加踏板力的標(biāo)準(zhǔn)為：在助力器的輸入推桿上以150N/s～300 N/s的速率連續(xù)加載到最大助力點的130% 以上，輸入信號時間持續(xù)8s，輸入力最大從0N連續(xù)增加到400N。通過仿真可得到制動踏板位移、制動踏板力和制動管路油壓三者的相互關(guān)系曲線。

圖13為制動踏板力與制動管路油壓關(guān)系曲線。由圖可以看出曲線變化主要是受真空助力器特性曲線的影響。曲線A-B段，真空助力器產(chǎn)生跳躍值，制動管路中油壓迅速增加;曲線B-C段，真空助力器產(chǎn)生伺服力，制動管路中的油壓快速上升;曲線C-D段，真空助力器已達(dá)到最大阻力點，推桿力直接作用在主缸上，油壓增速放緩。

圖14為制動踏板位移和制動踏板力關(guān)系曲線。曲線A-B段，當(dāng)制動系統(tǒng)中存在間隙時，隨著踏板輸入力的增加踏板位移迅速增加，且曲線近似為水平直線;曲線B-C段，真空助力器開始助力，踏板位移隨制動踏板力的增加而增加，此時制動腳感偏硬;曲線C-D段，真空助力器已達(dá)到最大助力點，制動踏板輸入力直接作用在制動主缸推桿，較大的踏板力增加只能引起較小的踏板位移，曲線斜率變大，制動腳感較B-C段更硬。

圖15為制動踏板位移和制動管路油壓的關(guān)系曲線。曲線A-B段，制動系統(tǒng)存在間隙時隨著制動踏板位移的增加制動管路油壓增加緩慢;曲線B-C段，此時真空助力器開始助力，制動管路油壓隨制動踏板位移迅速增加;曲線C-D段，真空助力器已達(dá)到最大助力點，較大的制動踏板位移才能使制動管路油壓有明顯變化，制動管路油壓增速減緩。

2.3? ?制動系統(tǒng)動態(tài)仿真

圖16為空載和滿載兩個工況下踏板力與制動減速度的關(guān)系曲線，實線為空載工況曲線，虛線為滿載工況曲線?？蛰d工況時，曲線A-B段，制動管路中還沒有建立起油壓，車輛屬于滑行狀態(tài)，受到滾動助力和風(fēng)阻等阻力，有較小的減速度，此時駕駛員幾乎感覺不到制動減速;曲線B-C段，真空助力器產(chǎn)生跳躍值，制動減速度有明顯的增加，駕駛員開始感覺到車輛的制動減速度;曲線C-D段，制動減速度隨著踏板力的增加而持續(xù)增加;曲線D-E段，車輛開始滑移，空載情況下制動減速度不能繼續(xù)增加。圖中可以看出，滿載工況下車輛沒有產(chǎn)生滑移，真空助力器在曲線后部達(dá)到最大助力點，制動減速度增速減緩。

圖17為制動踏板位移和制動減速度關(guān)系曲線，其中實線為空載工況曲線，虛線為滿載工況曲線。對于空載工況，曲線A-B段，即使制動系統(tǒng)有間隙時制動減速度基本保持不變;曲線B-C段，制動系統(tǒng)產(chǎn)生壓力但真空助力器沒有達(dá)到平衡狀態(tài)，因此制動減速度增加緩慢;曲線C-D段，真空助力器未達(dá)到最大助力點，制動減速度相對制動踏板位移持續(xù)增加;曲線D-E段，車輛開始滑移，制動減速度保持穩(wěn)定。滿載工況相較空載工況，曲線趨勢基本相同，在曲線后部車輛未出現(xiàn)滑移，此時真空助力器已達(dá)最大助力點，踏板力直接作用在主缸上，制動減速度隨制動踏板位移的增加而緩慢增加。

2.4? ?控制閥間隙絕對制動系統(tǒng)的影響

真空助力器控制閥門間隙對真空助力器特性曲線的影響如圖18所示。從圖中可以看出，真空助力器閥門間隙對始動力、跳躍值和最大助力點均有影響，從圖中提取各重要參數(shù)點，如表7所示：

從表中可以看出，隨著控制閥門間隙的增大，制動系統(tǒng)始動力有所增加，但影響較小;跳躍值有明顯的增加，這將會影響制動初始階段車輛的制動減速度;而對最大助力的影響可忽略不計。

3? ? 結(jié)論

利用AMESim軟件建立了整個制動器系統(tǒng)模型，并利用試驗數(shù)據(jù)驗證了所建雙膜片彈簧真空助力制動器模型的有效性。

在對某輕型載貨汽車的制動系統(tǒng)建模仿真后發(fā)現(xiàn)該車在滿載時，制動系統(tǒng)無法提供足夠的制動力，需要對該車的制動系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足滿載時的制動要求。

真空助力器控制閥間隙的增加對制動系統(tǒng)始動力的影響十分有限，而對制動系統(tǒng)跳躍值的影響十分明顯，這樣對車輛制動初期的減速度產(chǎn)生影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]EBERT DG， KAATZ RA， Objective characterization of vehicle brake feel， SAE Technical Paper， 940331， 1994.

[2]石永金，袁旭亮，蔡曉斌，乘用車制動踏板感覺的綜合評價，上海汽車，2011，46-49.

[3]王天利，劉苑，海超，張宏雙，乘用車制動踏板感覺仿真研究，農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，51（11）：32-35.

[4]孟德建，張立軍，方明霞，余卓平，面向制動踏板感覺的助力器-主缸動力學(xué)模型，同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，42（12）：1897-1903.

[5]陳燎，劉慶勃，盤朝奉，陳龍，基于踏板感覺的制動踏板模擬機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計，廣西大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，39（2）：308-314.

[6]Yang Liu， Zechang Sun， Wenbin Ji， Development of composite brake pedal stroke simulator for electro-hydraulic braking system. SAE Technical Paper 2014-01-0117.

[7]劉楊，孫澤昌，冀文斌，電液復(fù)合制動系統(tǒng)踏板感覺及其影響因素，吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2015，45（4）：1049-1055.

[8]鄭素云，王孔龍，馬瑞，王盼盼，李明哲，制動踏板感覺數(shù)據(jù)處理研究，北京汽車，2017，2：18-21.

[9]張靜濤，乘用車制動踏板感覺主觀評價及其應(yīng)用，時代汽車，2017，6：10-11.

[10]裴曉飛，董興智，張燦明，潘浩，張杰。汽車制動踏板特性仿真及踏板感覺優(yōu)化，汽車工程學(xué)報，2017，7（1）：52-60.