某車型踏板感模擬器設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

賈文建，李 陽(yáng)

(1.上海匯眾汽車制造有限公司，上海 200122； 2.上海汽車底盤電子化及輕量化工程技術(shù)研究中心，上海 200000)

0 引 言

隨著中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，至2019年，中國(guó)汽車汽車產(chǎn)銷量已經(jīng)連續(xù)11年位列世界第一。傳統(tǒng)汽車的發(fā)展帶來(lái)的不僅僅是出行的方便，空氣污染，能源消耗的急劇增加也是我們不得不面臨的問(wèn)題。隨著節(jié)能減排的要求不斷提升，電動(dòng)汽車的產(chǎn)銷比重也日漸提升我國(guó)新能源汽車基本上是從2009年開(kāi)始起步,經(jīng)過(guò)不到10年的時(shí)間,新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)全球領(lǐng)先,2015年和2016年連續(xù)兩年產(chǎn)銷量居世界第一,累計(jì)推廣100萬(wàn)輛新能源汽車,占全世界的一半[1]。

制約電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是續(xù)航里程，再生制動(dòng)為新能源電動(dòng)車節(jié)能方式之一。當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，配合傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)，將產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)在蓄電池中。再生制動(dòng)系統(tǒng)必須滿足兩點(diǎn)要求: 一是對(duì)應(yīng)車軸的液壓制動(dòng)必須退出，解決制動(dòng)液的流出問(wèn)題；二是必須保證和傳統(tǒng)制動(dòng)相同的制動(dòng)踏板感覺(jué)。否則，再生制動(dòng)踏板感覺(jué)和傳統(tǒng)制動(dòng)踏板感覺(jué)明顯不同，會(huì)造成駕駛?cè)藢?duì)車輛制動(dòng)產(chǎn)生誤判，影響制動(dòng)安全[2-3]。

為兼顧能量回收及制動(dòng)踏板感，制動(dòng)踏板模擬器適時(shí)出現(xiàn)?，F(xiàn)在行業(yè)內(nèi)主要有兩種形式:制動(dòng)踏板機(jī)械解耦形式和制動(dòng)主缸液壓解耦形式[4]。筆者依托機(jī)械解耦方案，基于某車型的踏板感需求，設(shè)計(jì)一款新型的模擬器方案，通過(guò)不同剛度彈簧并聯(lián)組合設(shè)計(jì)，滿足制動(dòng)過(guò)程中的踏板感需求，不僅很好解決了踏板感問(wèn)題，而且簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)對(duì)模擬器的產(chǎn)業(yè)化及成本控制意義重大。

1 踏板感定義及需求分析

1.1 踏板感定義

傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，在真空助力器的助力下，推動(dòng)制動(dòng)主缸活塞運(yùn)動(dòng)，管路油壓通過(guò)制動(dòng)管路傳遞到制動(dòng)輪缸，產(chǎn)生制動(dòng)力矩，并通過(guò)輪胎與路面的摩擦形成制動(dòng)力，使得車輛減速到最終停止[5]。

制動(dòng)踏板感覺(jué)則是制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)給駕駛員的反饋，可以通過(guò)減速度-踏板力曲線和減速度-踏板行程曲線、踏板力與踏板行程、踏板行程與管路壓力、踏板力與管路壓力等進(jìn)行客觀的測(cè)試，也可以通過(guò)一定的主觀感受來(lái)評(píng)價(jià)。

1.2 需求分析

表1所列為某車型的踏板感相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)表1可以得到減速度-踏板力，減速度-踏板行程，踏板力與踏板行程之間的關(guān)系。

表1 某車型踏板感需求

制動(dòng)踏板感覺(jué)的客觀評(píng)價(jià)由制動(dòng)系統(tǒng)性能參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)一般用制動(dòng)踏板位移-踏板力曲線來(lái)描述。表2、圖1是根據(jù)表1及踏板比計(jì)算所得，方案設(shè)計(jì)將圍繞設(shè)計(jì)目標(biāo)曲線進(jìn)行。

表2 設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)

圖1 設(shè)計(jì)目標(biāo)曲線

2 方案設(shè)計(jì)

由需求分析發(fā)現(xiàn)踏板感是由三段組成，第一段位移為0 mm，力由0 N變化至62 N；第二段位移為0～9.1 mm，力由62 N變化為82.5 N；第三段位移為9.1～19.4 mm，力由82.5 N變化到330 N。

2.1 設(shè)計(jì)思路及結(jié)構(gòu)組成

此設(shè)計(jì)方案利用彈簧特性來(lái)匹配制動(dòng)踏板感：①A-B，通過(guò)彈簧1在安裝時(shí)的預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)，在位移不變的條件下，力從0 N突變至62 N；②通過(guò)彈簧1的壓縮形變來(lái)實(shí)現(xiàn)B-C的變化，通過(guò)計(jì)算力-位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)彈簧1剛度等相關(guān)參數(shù)；③通過(guò)彈簧1與彈簧2并聯(lián)后的壓縮形變來(lái)實(shí)現(xiàn)C-D的變化，通過(guò)計(jì)算力-位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)彈簧2剛度等相關(guān)參數(shù)。模擬器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模擬器組成1.彈簧1壓塊 2.彈簧2壓塊 3.模擬器殼體 4.彈簧底座 5.彈簧2 6.彈簧1 7.輸入桿

2.2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

(1) 彈簧1基本參數(shù)計(jì)算

剛度計(jì)算：

K1=2.2 N/mm

式中：K1為彈簧1的剛度；F1為A點(diǎn)推桿力；F2為B點(diǎn)推桿力；Δx為A到B行程變化量。

彈簧1高度計(jì)算：

L=L1+L2+L3

式中：L為彈簧1自有高度；L1為工作行程；L2為預(yù)緊壓縮行程；L3為壓并高度+剩余可壓縮行程。

通過(guò)擬合計(jì)算得出彈簧1的參數(shù)見(jiàn)圖3。

圖3 彈簧1設(shè)計(jì)參數(shù)

(2) 彈簧2基本參數(shù)計(jì)算

剛度計(jì)算：

=K2-K1

=21.82 N/mm

式中：K3為彈簧2剛度；K2為C點(diǎn)至D點(diǎn)的彈性系數(shù)。

彈簧2高度計(jì)算：

L4=L-L1-9.1=52.7 mm

式中：L4為彈簧2自由高度；L5為彈簧2工作行程。

通過(guò)擬合計(jì)算得出彈簧2的參數(shù)見(jiàn)圖4。

圖4 彈簧2設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 法規(guī)校核

依據(jù)GB21679要求，應(yīng)急制動(dòng)滿足0.244 g減速度時(shí)，踏板力不低于65 N，不高于500 N。

根據(jù)車型需求輸入，車型制動(dòng)系統(tǒng)匹配22.22 mm主缸，滿載工況下，減速度0.244 g，主缸對(duì)應(yīng)壓力24 bar。通過(guò)理論計(jì)算得到，壓力24 bar，對(duì)應(yīng)輸入力F3：

F3=P×S=1 072 N

根據(jù)車型需求輸入，車減速度0.244 g，對(duì)應(yīng)踏板位移36 mm，此模擬器匹配解耦電子助力器，解耦間隙對(duì)應(yīng)推桿位移8 mm，通過(guò)理論計(jì)算得到，助力失效后，達(dá)到0.244 g減速度，所需推桿力F4：

=317.4 N

所需踏板力F5：

通過(guò)計(jì)算得到，減速度0.244 g時(shí)，踏板力F5如下：

65 N

安全系數(shù)1.18，滿足法規(guī)要求。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果對(duì)比分析

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(1) 測(cè)試目的：測(cè)試模擬器力—位移曲線是否滿足設(shè)計(jì)需求。

(2) 測(cè)試設(shè)備：專用測(cè)試臺(tái)匹配力傳感器、位移傳感器見(jiàn)圖5。

圖5 測(cè)試設(shè)備

(3) 試驗(yàn)方法：將踏板模擬器總成通過(guò)夾具固定于試驗(yàn)臺(tái)架上，設(shè)備輸入推桿與臺(tái)架的試驗(yàn)輸出端連接，輸入力傳感器和輸入位移傳感器安裝在臺(tái)架的試驗(yàn)輸出端；以2±0.2 mm/s的加載速度推動(dòng)模擬器推桿，直至輸入力達(dá)到450 N。

(4) 記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的輸入位移-輸入力數(shù)據(jù)，并繪制曲線圖，見(jiàn)圖6。

圖6 模擬器測(cè)試曲線

3.2 結(jié)果對(duì)比分析

圖7是通過(guò)Excel將實(shí)驗(yàn)得到的測(cè)試數(shù)據(jù)與需求數(shù)據(jù)擬合得到的(推桿位移-推桿力)曲線對(duì)比圖，從圖7中可以看到，測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)需求高度吻合。測(cè)試結(jié)果同樣具有三段，A-B段,B點(diǎn)測(cè)試的輸入力略低于設(shè)計(jì)要求；B-C段，曲線基本重合，且拐點(diǎn)位置C滿足設(shè)計(jì)需求的9.1 mm；C點(diǎn)以后，整個(gè)測(cè)試曲線在計(jì)算曲線下方，即測(cè)試結(jié)果同樣位移下，輸入力偏小，差值在5%以內(nèi)，可接受。

圖7 結(jié)果對(duì)比

測(cè)試結(jié)果與計(jì)算曲線無(wú)法完全重合的原因有兩個(gè)：①測(cè)試設(shè)備測(cè)試誤差導(dǎo)致，傳感器的測(cè)量結(jié)果都

會(huì)有一定的誤差，這是允許存在的；②制造誤差導(dǎo)致，兩個(gè)彈簧的剛度、自由高度以及對(duì)手件的制造誤差也會(huì)導(dǎo)致結(jié)果有差異。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)分析某車型的制動(dòng)踏板感需求，設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)踏板感的模擬方案，用于解決解耦式電子助力器的踏板感問(wèn)題。文中分析了模擬器的工作原理，對(duì)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析計(jì)算，完成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2) 通過(guò)理論校核，確定此方案滿足法規(guī)要求，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明設(shè)計(jì)方案滿足踏板感需求。

(3) 此方案是利用彈簧并聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)的，彈簧在使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的異響、剮蹭問(wèn)題還要不斷關(guān)注；此次研究只對(duì)模擬器常溫性能進(jìn)行驗(yàn)證，關(guān)于極限溫度以及可靠性的結(jié)果還需進(jìn)一步驗(yàn)證。