基于CPMA的制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

摘 要：以車型規(guī)劃架構(gòu)和拓展為基礎(chǔ)，以制動(dòng)性能等因素為依據(jù)，一套制動(dòng)系統(tǒng)及模塊，盡可能滿足一個(gè)車型及其拓展車型的需求。形成制動(dòng)系統(tǒng)零部件的系列化，模塊化，針對(duì)不同車型，通過(guò)零部件組合形成模塊，通過(guò)不同模塊組合形成不同的制動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)而形成不同的制動(dòng)性能，滿足不同車型的需求，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的跨平臺(tái)模塊化架構(gòu)開(kāi)發(fā)（CPMA Cross-Platform Modular Architecture），降低開(kāi)發(fā)與制造成本及技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上市周期，提高零部件標(biāo)準(zhǔn)化、共享化水平。

關(guān)鍵詞：車輛工程 跨平臺(tái)模塊化 制動(dòng) 制動(dòng)性能。

1 緒論

統(tǒng)計(jì)顯示，2024年全年汽車總銷量超3100萬(wàn)輛，其中新能源汽車表現(xiàn)強(qiáng)勁，銷量達(dá)約1300萬(wàn)，占比超四成，傳統(tǒng)燃油車面臨巨大挑戰(zhàn)。在細(xì)分市場(chǎng)，乘用車銷量超2400萬(wàn)輛，自主品牌乘用車份額攀升至65%以上。傳統(tǒng)燃油車和新能源汽車的競(jìng)爭(zhēng)，不同品牌之間的競(jìng)爭(zhēng)已達(dá)白熱化，行業(yè)內(nèi)卷也愈演愈烈，因此車輛各系統(tǒng)的快速、低成本和低風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)發(fā)成為一個(gè)重要課題和難題。

本文通過(guò)建立制動(dòng)系統(tǒng)的正向匹配開(kāi)發(fā)能力，結(jié)合車型規(guī)劃，在滿足制動(dòng)性能的情況下，盡可能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)零部件和模塊的多車型共享沿用，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)零部件的系列化和模塊化，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)跨平臺(tái)模塊化架構(gòu)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)快速，低成本和低風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)發(fā)。

2 制動(dòng)系統(tǒng)匹配動(dòng)力學(xué)建模

在制動(dòng)系統(tǒng)的CPMA開(kāi)發(fā)之前需要建立制動(dòng)系統(tǒng)的正向匹配開(kāi)發(fā)能力，在此基礎(chǔ)上根據(jù)車型規(guī)劃進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)的平臺(tái)化模塊化開(kāi)發(fā)。根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)和原理如圖1，建立制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，包括制動(dòng)踏板模型、真空助力器模型、前后制動(dòng)器模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型、輪胎模型及制動(dòng)系統(tǒng)零部件需液量模型。

2.1 制動(dòng)踏板模型

制動(dòng)踏板是一個(gè)杠桿，主要是對(duì)輸入力的一個(gè)放大和踏板行程的回饋，起到助力作用。

式中：kp－制動(dòng)踏板彈簧剛度。

2.2 真空助力器模模型

真空助力器是制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件之一，跟制動(dòng)性能和制動(dòng)踏板感有密切關(guān)系。真空助力共分為四個(gè)階段，始動(dòng)力階段，跳躍值階段，助力階段，過(guò)拐點(diǎn)之后的工作階段，具體見(jiàn)圖2助力器輸入輸出特性。當(dāng)踩下制動(dòng)踏板推動(dòng)助力器，大氣閥打開(kāi)之前的輸出為零，需要克服閥回位彈簧力和閥座回位彈簧力等，此力為始動(dòng)力F1，過(guò)始動(dòng)力后，大氣閥打開(kāi)，輸出力有個(gè)躍變，此力為跳躍力J，過(guò)跳躍力后進(jìn)入真空助力階段，當(dāng)大氣閥全開(kāi)時(shí)達(dá)到最大助力點(diǎn)F2（拐點(diǎn)），過(guò)拐點(diǎn)之后輸出力的增加就等于輸入力的增加[1]。

始動(dòng)力F1可以表示為：

式中：Sp1－閥座彈簧力；Sp2－閥的回位彈簧力；P0－真空壓力；A3－大氣閥面積。

大氣閥全開(kāi)時(shí)達(dá)到最大助力點(diǎn)（F2拐點(diǎn)）：

式中：A－膜片有效面積；Dm－主缸直徑；Sp－回位彈簧力；f－柱塞閥滑動(dòng)阻力；J－跳躍力；K－助力比。

真空助力器的輸出力可以表示為：

①當(dāng)P0gt;0時(shí)（有真空度）

式中：W－真空助力器輸出力；Pm－主缸壓力；

ηm－主缸效率

2.3 制動(dòng)器制動(dòng)力矩

采用前后盤式制動(dòng)器，則由助力器主缸壓力P得到制動(dòng)力矩Tb[2]。

式中：μ－摩擦片摩擦系數(shù)；D－卡鉗缸徑；r－制動(dòng)有效半徑；Ps－卡鉗啟動(dòng)壓力。

2.4 車輛模型

考慮車輛縱向、橫向、繞Z軸的橫擺和四個(gè)車輪繞其旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)過(guò)程中前輪轉(zhuǎn)向角為零，前后車輪幾何中心在同一軸線上，令車輛坐標(biāo)系原點(diǎn)與汽車質(zhì)心重合，建立一個(gè)7自由度的四輪車輛動(dòng)力學(xué)模型，整車的受力分析如圖3所示。

基于上述條件，由圖3可得在制動(dòng)過(guò)程中的整車動(dòng)力學(xué)方程為[3-4]

式中：vx－汽車縱向速度vy－汽車橫向速度；下標(biāo)f－汽車前輪；下標(biāo)r－汽車后輪；下標(biāo)l－汽車左輪；第二個(gè)下標(biāo)r－汽車右輪；Ftr－輪胎滾動(dòng)阻力；Fa－空氣阻力；rdF－汽車前輪滾動(dòng)半徑；rdR－汽車后輪滾動(dòng)半徑；Tbxx－車輪上的制動(dòng)力；Fxxx－車輪上的縱向附著力；M－整車質(zhì)量；Fyxx－輪胎與路面的側(cè)向附著力；a－質(zhì)心到前軸的距離；b－質(zhì)心到后軸的距離；Iz－整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ixx－車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωr－車輛橫擺角速度。

作為整車模型，還應(yīng)考慮汽車在縱向加速度和橫向加速度下引起的載荷轉(zhuǎn)移，考慮到這些因素，作用在各個(gè)車輪上的垂直載荷為：

式中：g－重力加速度；hg－汽車質(zhì)心高度；L－前后軸距離；c－車輛輪距。

不計(jì)汽車橫擺角速度引起兩側(cè)車輪速度差的影響，前、后輪的側(cè)偏角為：

2.5 輪胎模型

Pacejka的“魔術(shù)公式”單一制動(dòng)工況下縱向力特性在純制動(dòng)工況下，輪胎的縱向力與滑移率和輪胎垂直載荷之間的關(guān)系[5]：

單一制動(dòng)工況下，輪胎側(cè)向力與輪胎側(cè)偏角和輪胎垂直載荷之間的關(guān)系如下：

模型中的B、C、D、E、Sh、Sv都是輪胎垂直載荷Fz的函數(shù)，α為輪胎的側(cè)偏角，γ為輪胎的外傾角，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定系數(shù)a1，a2，…，a12各個(gè)系數(shù)根據(jù)輪胎試驗(yàn)確定。

2.6 制動(dòng)踏板行程

制動(dòng)踏板行程是由軟、硬管的膨脹變形、卡鉗需液量、主缸空行程、盤片間隙等制動(dòng)系統(tǒng)部件的需液量引起的。

制動(dòng)系統(tǒng)的總需液量V[6]：

其中：Pl－管路壓力ki－為部件的剛性；Vi－空行程需液量。

由制動(dòng)系統(tǒng)總需液量V計(jì)算踏板行程Tp：

其中：代表主缸直徑。剛性變形產(chǎn)生的需液量包括：硬管的膨脹變形、軟管的膨脹變形、制動(dòng)主缸的膨脹變形、前卡鉗的膨脹變形、后卡鉗的膨脹變形、前、后摩擦片壓縮變形、防抱死系統(tǒng)的膨脹變形等，此項(xiàng)主要是管路壓力pl的函數(shù)?？招谐绦枰毫縑i，主要是制動(dòng)系統(tǒng)空行程產(chǎn)生的需液量，此項(xiàng)包括盤片間隙變化產(chǎn)生的需液量、助力器和主缸總成空行程引起的體積變化所產(chǎn)生的需液量。

2.7 制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

制動(dòng)系統(tǒng)中真空助力器特性、卡鉗需液量和軟管需液量等計(jì)算，用數(shù)學(xué)模型可以進(jìn)行描述，但由于供應(yīng)商不一樣，特性會(huì)有一定的差異，這樣會(huì)造成模型仿真跟實(shí)際的結(jié)果有一定誤差。因此需建立關(guān)鍵零部件特性參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，模型仿真與零部件試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，可大大提高制動(dòng)系統(tǒng)匹配計(jì)算的精度，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)前期能更好地預(yù)期制動(dòng)系統(tǒng)的性能。其中某供應(yīng)商的真空助力器特性曲線如圖4，某供應(yīng)商卡鉗需液量如圖5，某供應(yīng)商的軟管需液量如圖6。

綜上可在Simulink環(huán)境下搭建制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖7，結(jié)合制動(dòng)系統(tǒng)零部件試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，可輸出制動(dòng)踏板力-減速度，踏板行程-減速度，真空失效制動(dòng)性能，踏板力和管路壓力等。

3 制動(dòng)系統(tǒng)跨平臺(tái)模塊化架構(gòu)

3.1 開(kāi)發(fā)理念及輸入

在車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，往往會(huì)有車型的拓展開(kāi)發(fā)，橫向拓展或者縱向拓展，從A級(jí)向上拓展至B級(jí)或者向下拓展至A0級(jí)，由轎車平臺(tái)拓展為SUV平臺(tái)。在車型拓展中往往希望零部件在滿足性能、布置、成本、重量等因素情況下能最大化通用，不僅可以降低整車開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，也會(huì)降低從供應(yīng)商生產(chǎn)，物流，管理到整車廠的生產(chǎn)管理等成本，從而優(yōu)化汽車產(chǎn)業(yè)鏈的資源配置。

制動(dòng)系統(tǒng)的CPMA開(kāi)發(fā)是整車的一個(gè)系統(tǒng)，首先是整車架構(gòu)及邊界輸入見(jiàn)表1，然后根據(jù)整車輸入進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)匹配，進(jìn)行制動(dòng)性能分析，再綜合空間布置、CAE分析、重量、成本、開(kāi)發(fā)周期等因素形成制動(dòng)系統(tǒng)CPMA方案。

3.2 制動(dòng)性能分析

基于整車架構(gòu)和上述制動(dòng)系統(tǒng)匹配方法，匹配分析確定各車型制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如表2。

主要進(jìn)行制動(dòng)踏板感分析，并跟對(duì)標(biāo)車數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。踏板感是車輛制動(dòng)系統(tǒng)的輸入和輸出，反應(yīng)了整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能和制動(dòng)效能，具體見(jiàn)圖12、13，制動(dòng)踏板感跟對(duì)標(biāo)車相當(dāng)，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)距離分析見(jiàn)圖14，四個(gè)車型制動(dòng)距離都在44m左右，滿足制動(dòng)距離目標(biāo)設(shè)定。另外還要進(jìn)行GB21670 真空失效應(yīng)急制動(dòng)分析見(jiàn)圖15，真空失效減速度大于2.44m/s2，滿足法規(guī)要求。

3.3 制動(dòng)系統(tǒng)模塊化

由于16寸輪輞空間布置限制，A車型前制動(dòng)有效半徑最大布置到120mm，見(jiàn)圖16。17、18寸輪輞配置車型，前制動(dòng)有效半徑可以布置到 129mm。因?yàn)檩嗇炤S承是連接懸掛系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)性零部件，要想最大限度實(shí)現(xiàn)這四個(gè)車型制動(dòng)系統(tǒng)零部件通用，首先要做到這個(gè)四個(gè)車型的前、后輪轂軸承通用，這樣就可以保證制動(dòng)盤的安裝接口統(tǒng)一，也有利于懸掛系統(tǒng)的通用。Sedan平臺(tái)的A、B車型和SUV平臺(tái)的C、D車型后制動(dòng)器參數(shù)完全一樣，因此后制動(dòng)器模塊（后卡鉗總成、后制動(dòng)盤和后輪轂軸承）可以作為一個(gè)模塊通用。Sedan平臺(tái)A、B車型的前制動(dòng)器參數(shù)完全一致，因此前制動(dòng)器模塊（前制動(dòng)卡鉗、前制動(dòng)盤和前輪轂軸承）可以通用。SUV平臺(tái)的C、D車型前制動(dòng)器參數(shù)完全一致，因此前制動(dòng)器模塊可以通用。Sedan平臺(tái)的前制動(dòng)器模塊和SUV平臺(tái)的前制動(dòng)器模塊，制動(dòng)有效半徑相差9mm，卡鉗和制動(dòng)盤的安裝接口做到一致，可以保證兩個(gè)模塊互換見(jiàn)圖17，如果Sedan平臺(tái)車型切換為SUV平臺(tái)前制動(dòng)器模塊可以進(jìn)一步加強(qiáng)Sedan平臺(tái)車型的制動(dòng)效能（只適用于17、18寸輪輞）。

通過(guò)以上分析Sedan平臺(tái)車型和SUV平臺(tái)車型的制動(dòng)系統(tǒng)零部件模塊規(guī)劃如表3，表中▲代表完全沿用；△代表修改沿用。

上述四款車型已上市量產(chǎn)，各車型的制動(dòng)性能表現(xiàn)比較好。

4 結(jié)論

首先建立制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，形成了制動(dòng)系統(tǒng)匹配和性能分析能力，基于整車的架構(gòu)，進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)CPMA開(kāi)發(fā)，制動(dòng)系統(tǒng)零部件實(shí)現(xiàn)了B 級(jí)車到C級(jí)車，Sedan平臺(tái)到SUV平臺(tái)的跨平臺(tái)模塊化開(kāi)發(fā)，降低了制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的成本和風(fēng)險(xiǎn)，縮短了制動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。

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