車輛制動俯仰異常淺析及改進策略

王 飛，王寶國

（北京汽車集團越野車有限公司，北京 101300）

制動過程中，車輛會不可避免地發(fā)生不同程度的點頭現(xiàn)象，并且有些車輛還會出現(xiàn)反復俯仰振蕩現(xiàn)象。點頭與俯仰現(xiàn)象的嚴重程度均會隨著制動減速度的增大而加重，這不僅削弱了車輛的制動能力，還會影響車內(nèi)人員的駕駛感受，嚴重時還會關系到人身安全［1］。

制動點頭的影響因素有很多，國內(nèi)的很多參考文獻中也有提及，主要涉及：懸架抗點頭率、懸架剛度、減震器阻尼、質心高度幾大項。而涉及到制動俯仰振蕩現(xiàn)象的分析，能供參考的文獻卻不多，能夠查閱到的有關影響因素僅僅是ABS工作頻率與懸架固有頻率接近，導致俯仰振蕩的發(fā)生，且該結論有待進一步驗證［2］。

制動點頭現(xiàn)象伴隨著制動操作出現(xiàn)，不可避免，然而俯仰振蕩現(xiàn)象是一種不正常的現(xiàn)象，可以通過對制動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)，乃至電控系統(tǒng)的重新匹配、調教，避免此現(xiàn)象的發(fā)生。針對電控系統(tǒng)，通過對ABS系統(tǒng)的優(yōu)化，便可實現(xiàn)對制動俯仰異常現(xiàn)象的改善。

ABS的作用，首先是提高車輛在制動過程中的穩(wěn)定性，防止車輛在制動過程中發(fā)生車輪抱死情況；其次，對高附路面上的制動效能有一定的貢獻，其作用機理是通過調節(jié)制動過程中的車輪制動輪缸壓力，使輪胎滑移率處于合理范圍，從而獲得較大的附著力，以縮短制動距離，增大制動平均減速度MFDD（Mean Fully Developed Deceleration）［3］。

1 問題描述

在對某改款車型進行制動性能摸底時，發(fā)現(xiàn)車輛存在“中、低車速（＜80km/h）”ABS介入情況下的全力制動過程，車身出現(xiàn)劇烈的前后俯仰振蕩現(xiàn)象。試驗數(shù)據(jù)則表現(xiàn)為車輛瞬時減速度值波動大，平均減速度MFDD值較差，從而導致車輛制動效能差，制動主觀感覺差的問題，并且該問題導致車輛試驗結果不能滿足GB 7258-2017 《機動車運行安全技術條件》中有關初速度50km/h行車制動性能檢驗的MFDD限值要求。

2 初步分析

針對以上現(xiàn)象，選取問題車輛和正常車輛進行的初速度50km/h行車制動性能對比試驗，試驗結果見表1及圖1-圖3。

表1 初速度50km/h行車制動性能對比測試結果

圖1 正常車輛車速、減速度、制動距離、踏板力時域曲線

圖2 問題車輛車速、減速度、制動距離、踏板力時域曲線

圖3 問題車輛輪速、主缸壓力時域曲線

試驗數(shù)據(jù)采集工況為初速度50km/h高附路面行車制動操作，制動過程中要求ABS能夠介入。

ABS工作邏輯應為當車輪滑移率達到車輛所匹配標定的最佳滑移率（約20%）時介入，進行正常的“保壓-泄壓-保壓-建壓”循環(huán)工作，以使車輛保持最佳的制動效能。

而觀察圖2、圖3中問題車輛試驗曲線，可發(fā)現(xiàn)：在制動過程中出現(xiàn)了兩前輪滑移率已接近100%（圖3中已標注），兩后輪滑移率也遠超過20%的現(xiàn)象。因此ABS在此時不得不進行“非正常”的泄壓，以使快要抱死的車輪不發(fā)生抱死，同時伴隨著管路壓力的大幅下降，使得車輛減速度也出現(xiàn)大幅衰減（圖2中瞬時減速度由最大值約10m/s2衰減到約2.5m/s2，全制動過程中共出現(xiàn)2次大幅的減速度衰減，致使試驗結果中的MFDD值計算后不能滿足法規(guī)限制要求），同時這種車輛減速度由峰值衰減到接近0的水平造成了車身的“從俯到仰”。待車輪滑移率恢復到正常后，ABS再次作用使壓力上升，此時減速度重新達到峰值（圖2中acc曲線第2個波谷），車身重新達到“俯”的姿態(tài)。之后又重復出現(xiàn)上述現(xiàn)象，使車身姿態(tài)再次出現(xiàn)大幅俯仰變動，即“車輛制動過程中出現(xiàn)了劇烈的異常俯仰現(xiàn)象”［4］。

3 試驗策劃方案及結果

3.1 涉變點驗證方案

試驗樣車是針對城市使用工況開發(fā)的改款車型，其變化點主要體現(xiàn)在：①后減震器進行重新調校，減震器阻尼變小以增加舒適性；②輪胎寬度由265變?yōu)?45以降低油耗。針對以上兩個變化點，試驗人員初步分析是否因為后懸架變軟支撐不足，或后輪胎變窄抓地力不足等原因導致俯仰異?，F(xiàn)象的發(fā)生，故制定驗證方案見表2。

表2 涉變點對比驗證方案

通過以上一系列對比驗證，得出以下結論。

1）通過采集的EMS及TMS中變速器換擋及噴油信號，發(fā)現(xiàn)在制動初段雖存在降擋現(xiàn)象（圖4），但無噴油情況出現(xiàn)，且降擋時間與車輛減速度衰減不同步，因此證明制動俯仰異常與動力總成邏輯無關。

圖4 試驗結果示例

2）不同輪胎型號對比：通過對比測試得出輪胎寬窄僅對制動效能有部分影響，與車輛俯仰異常無關。

3）不同減震器狀態(tài)對比：通過對比測試證明后懸架變軟，車輛會偶發(fā)異常俯仰。

4）輪胎+懸架整體變更對比：通過摸底測試，發(fā)現(xiàn)車輛出現(xiàn)俯仰異常的概率大大增加，得出輪胎變窄與懸架變軟兩個措施同時實施時，車輛的確存在俯仰異?，F(xiàn)象。

以上，試驗人員通過針對涉變點進行對比驗證，證明了輪胎+后減震器同時變化時，會致使車輛發(fā)生制動俯仰異?，F(xiàn)象。但從車型背景因素考慮：該改款車型所涉及的車輪系統(tǒng)變更，考慮到由于輪胎是車輛唯一與地面接觸的部件，故對整車的動力性和經(jīng)濟性、NVH、操縱穩(wěn)定性、制動性能等都會產(chǎn)生最直接的影響，在選型時不能以滿足單一性能為原則，而應綜合考慮各性能的影響因素及要求，平衡整車的各項性能。為此，為滿足車輛定位及市場需求，本次輪胎選型的重點，即：經(jīng)濟性（重要）=NVH性能（重要）＞制動性能（基礎）＞操縱穩(wěn)定性。

因此，該改款車型雖然是由于懸架+輪胎的變化引起了車輛俯仰異常問題，但為了滿足開發(fā)需求，在不能改變車型配置的前提下，試驗人員考慮從問題車輛曲線中分析得出的“車輪滑移率遠遠超過最佳滑移率”這一現(xiàn)象為出發(fā)點，分析是否因為ABS介入時機不合理，導致制動俯仰問題的發(fā)生，因此策劃了后續(xù)驗證方案，以求從ABS角度出發(fā)分析并改善制動俯仰問題，從而適應新車型的開發(fā)。

首先，針對改款車輛，通過施加踏板力快慢的不同，模擬ABS介入的快慢。即通過人為改變ABS介入時機、工作狀態(tài)，考察是否能改善制動俯仰異?，F(xiàn)象，結果如圖5、圖6所示。

圖5 減速度、踏板力時域曲線（快踩）

圖6 減速度、踏板力時域曲線（慢踩）

通過上述試驗結果可知：當快速施加制動時，車輛瞬時減速度存在大幅衰減現(xiàn)象；當緩踩制動時，瞬時減速度未出現(xiàn)大幅衰減現(xiàn)象。因此，通過人為改變ABS介入時機，可以有效避免發(fā)生制動劇烈俯仰現(xiàn)象。

3.2 制動俯仰專項驗證方案

針對上述結論，制動俯仰專項驗證方案的主要內(nèi)容有：①以法規(guī)試驗方法為基礎，探索發(fā)生異常俯仰現(xiàn)象的初速度范圍；②通過有無ABS制動效能對比，分析ABS系統(tǒng)是否標定合理；③通過試驗人員自己編寫的企業(yè)標準，以在制動過程中全面采集制動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、車身高度等參數(shù)，進行數(shù)據(jù)摸底，為問題的解決提供有力支持。表3為制動俯仰專項驗證方案。

表3 制動俯仰專項驗證方案

1）不同車速制動俯仰數(shù)據(jù)摸底

經(jīng)數(shù)據(jù)摸底及主觀評價，出現(xiàn)“制動俯仰異?！爆F(xiàn)象所對應的車速為30～80km/h；車速低于30km/h時無此現(xiàn)象；車速高于80km/h時，車輛減速度及管壓亦有波動，但不至發(fā)生俯仰異?，F(xiàn)象。

2）有無ABS制動性能對比試驗

通過上述有無ABS的全力制動對比，從測試結果（表4）可看出：帶ABS時的制動效能卻變差了，此工況證明該改款車型所匹配的ABS系統(tǒng)狀態(tài)在車輛中、低速制動過程中，產(chǎn)生了前后制動管路壓力的劇烈波動，伴隨著制動減速度的波動，車輛產(chǎn)生劇烈的俯仰振蕩（俯仰角與減速度二者的振動頻率、相位基本一致），最終導致了在ABS介入后反而降低了車輛的制動效能，降低了平均制動減速度。

表4 試驗結果

4 結論

結合上述試驗結果及各分項結論，在不改變車型配置的情況下，與專業(yè)部門一同確認了該改款車型需對所匹配的ABS系統(tǒng)重新進行標定，優(yōu)化相關參數(shù)，以避免制動俯仰異?，F(xiàn)象的發(fā)生。

針對俯仰現(xiàn)象，通過觀察試驗數(shù)據(jù)曲線，發(fā)現(xiàn)車輛減速度大幅波動與前輪制動壓力波動幾乎完全對稱，因此可證明前輪壓力的波動是導致車輛俯仰異常的決定性因素。當ABS控制的前輪壓力產(chǎn)生大幅衰減時，車輛減速度同時出現(xiàn)大幅衰減，即發(fā)生俯仰異?，F(xiàn)象。

ABS工作邏輯：后輪壓力在制動初段達到某值后便進入保壓狀態(tài)，原因是ABS單元根據(jù)輪速、車輛減速度等參數(shù)判斷車輛即將發(fā)生的車身姿態(tài)變化，若有變化趨勢，將首先對后輪進行保壓，以防止出現(xiàn)后輪抱死車輛甩尾的危險狀態(tài)，此階段ABS單元并不會參考后輪滑移率來進行控制，關于后輪開始保壓的閥值，取決于輪速、車輛減速度、車身姿態(tài)等多種參數(shù)的結合。

后懸架變軟、后輪抓地力不足及簧下質量的減小等綜合原因，導致制動過程中車身產(chǎn)生前俯的姿態(tài)時，由于后懸架過度拉伸，兩后輪幾乎有離地趨勢，后輪滑移率驟增，接近100%，即瞬間趨于抱死，因此后輪壓力在保壓后進行大幅泄壓。同時觀察圖7左側第1個藍色標注處，發(fā)現(xiàn)在瞬時減速度達到峰值時刻，后輪壓力還在減小，前輪壓力持續(xù)增大，但此刻過后減速度程下降趨勢，即車身姿態(tài)即將發(fā)生反彈趨勢，軸荷轉移變小，前輪負荷變小，但由于前輪壓力此刻過后還在增加，因而前輪出現(xiàn)了突然抱死的趨勢，導致前輪壓力必須減小，以至于如圖7中間藍色標注處，壓力幾乎降到很小時才能防止因軸荷轉移恢復而帶來的前輪抱死趨勢。由于車輛制動力大部分取決于前輪制動力，因此在前輪大幅泄壓后，車輛制動力迅速變小，車輛減速度大幅衰減，繼而發(fā)生了車輛在制動過程中出現(xiàn)由俯到仰的姿態(tài)變化，且在后續(xù)的EBD調整過程中，再次重復了此現(xiàn)象。

圖7 前后輪管路壓力、車速、減速度、踏板力-時域曲線

針對俯仰異常與前輪壓力的強相關現(xiàn)象，且通過上述對比試驗證明了可通過減緩踏板力、增力速度的方式進行改善，因此本次重新標定過程中，匹配工程師在問題樣車上采取了PCA（Pre Control Action）及CPC（Car Pitching Control）兩套邏輯進行問題驗證：其中PCA為降低前輪的建壓速度，即對比試驗中的“緩踩踏板”；CPC則為降低前輪壓力的限壓值，部分降低前軸制動力，防止發(fā)生劇烈俯仰振蕩。通過以上兩種方案，在標定過程中的實際驗證環(huán)節(jié)，都很好地解決了異常俯仰問題，但同時也由于前輪壓力建立的放緩或限壓值降低，均不同程度地降低了制動效能，以百公里常規(guī)制動為例，優(yōu)化俯仰現(xiàn)象后的車輛其百公里制動距離增加了近2m。因此，標定軟件需不斷優(yōu)化與前軸壓力相關的參數(shù)，以期獲得既能避免異常俯仰又能獲得該狀態(tài)下最優(yōu)制動效能的理想模型，目前該工作仍在進行中。

5 建議

針對制動俯仰現(xiàn)象，為約束減速度大幅波動造成的制動異常俯仰現(xiàn)象，試驗人員建議后續(xù)在ABS廠家所進行的單一高附路面直線制動項目中，增加“減速度一致性”要求：即要求全制動過程中，從達到最大制動力至車輛停止前，要求瞬時減速度需在0.7倍平均減速度與1.3倍平均減速度之間（參考范圍：0.7×MFDD≤acc≤1.3×MFDD），以控制瞬時減速度的波動范圍，防止大幅波動造成的異常俯仰。