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汽車制動系統(tǒng)踏板感優(yōu)化分析

2021-11-05 08:42:28·  來源：汽車制動之家  
　
摘要：介紹了汽車制動踏板感的表述方法，并分析制動踏板感的影響因素。結(jié)合某越野車型的制動踏板感問題，詳細(xì)闡述了制動踏板感優(yōu)化分析方法。結(jié)果表明：優(yōu)化后的
摘要：介紹了汽車制動踏板感的表述方法，并分析制動踏板感的影響因素。結(jié)合某越野車型的制動踏板感問題，詳細(xì)闡述了制動踏板感優(yōu)化分析方法。結(jié)果表明：優(yōu)化后的制動踏板感曲線計算值與實測值一致，誤差在 10%以內(nèi)；優(yōu)化后的制動踏板感符合初始定義標(biāo)準(zhǔn)，且與對標(biāo)車相當(dāng)。
 
引 言
隨著汽車的發(fā)展，人們對制動系統(tǒng)不僅要求更短的制動距離，而且對制動系統(tǒng)踏板感的舒適性能也提出要求。首先介紹制動踏板感的表述方法，然后對其影響因素進(jìn)行分析，最后結(jié)合某越野車型的制動踏板感問題，詳細(xì)闡述制動踏板感的優(yōu)化分析方法。
 
1 制動踏板感表述方法
踏板力與減速度關(guān)系曲線、踏板行程與減速度關(guān)系曲線是表示和評價制動踏板感的有效方法，因此定義這兩種關(guān)系曲線是研究制動踏板感的基礎(chǔ)。圖 1、圖 2 是目前常用的踏板力、踏板行程與減速度的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，關(guān)系曲線會定義一個范圍，并規(guī)定同一減速度下的踏板力、踏板行程的上限和下限值。制動踏板感的計算誤差、測量誤差以及客戶使用的主觀性等因素決定了制動踏板感需要定義在一個范圍內(nèi)。
 
 
圖 1 踏板力與減速度關(guān)系曲線
 
圖 2 踏板行程與減速度關(guān)系曲線
 
2 影響因素分析
2.1 輪邊最大抱死液壓
制動系統(tǒng)匹配或者制動踏板感匹配應(yīng)該首先進(jìn)行壓力匹配，壓力匹配對制動性能產(chǎn)生影響，包括同步附著系數(shù)，前、后輪抱死順序等，不再贅述，重點說明其對制動踏板感的影響。從圖3可以看出，輸入力（輸入力與杠桿之比為踏板力）與真空助力器及制動主缸總成助力特性相關(guān)，而輪邊最大抱死液壓決定真空助力器及制動主缸總成拐點液壓的選擇，即影響真空助力器及制動主缸總成的選型，進(jìn)而影響踏板力。另外，制動時，輪邊需要的液壓越大，制動系統(tǒng)的所需液量就越大，所需要的踏板行程也越長；不難理解，輪邊最大抱死液壓決定著整個制動系統(tǒng)的最大所需液量，直接影響制動踏板的最大行程。
 
 
圖 3 真空助力器輸入-輸出特性曲線（真空度-66.7 kPa）
2.2 真空助力器及制動主缸總成主要參數(shù)
影響制動踏板感的主要參數(shù)有：拐點、跳躍值、助力比、始動力、空行程、釋放力、缸徑等。
  1. 拐點：即真空助力器的最大助力點；拐點的選擇尤為重要，如果拐點選擇較小，可能使最大踏板力較大；如果選擇過大，可能使真空助力器膜片尺寸過大，造成浪費；一般真空助力器拐點值與車輛滿載輪邊最大抱死液壓相當(dāng)。
  2. 跳躍值：提高真空助力器的跳躍值，可優(yōu)化初期踏板感；但是，跳躍值過大將破壞助力器的隨動性，產(chǎn)生脈沖制動現(xiàn)象，同時也將使助力器的耐久性能急劇下降。
  3. 助力比：通過提高真空助力器的助力比可以降低相同制動減速度下的踏板力，優(yōu)化制動踏板感，但是當(dāng)助力器膜片尺寸確定后，助力比越高，拐點壓力越低，影響重度制動時的助力效果，進(jìn)而影響重度制動時的制動踏板感。
  4. 始動力：為真空助力器產(chǎn)生輸出力時所對應(yīng)的最小輸入力；始動力過小，則稍有輸入力時，真空助力器就有輸出，駕駛員將失去明顯的腳感；過大，則踏板力增大，降低了真空助力器的靈敏度且延長反應(yīng)時間，一般要求始動力≤110 N。
  5. 空行程：真空助力器及制動主缸總成的空行程的大小會影響制動踏板的自由行程。
  6. 釋放力：決定著真空助力器的回程速度，即取消制動的速度；釋放力過小，真空助力器的回程速度會變慢，從而影響制動踏板的跟腳感，一般要求釋放力≥30 N。
  7. 制動主缸缸徑：影響真空助力器及制動主缸總成的液壓特性，進(jìn)而影響踏板力與踏板行程，如果減小制動主缸缸徑，可減小相同減速度下的踏板力，但是會增加相同減速度下的踏板行程。
2.3 真空度
真空助力器及制動主缸總成在不同的真空度下助力特性不同，較大的真空度會獲得較好的助力特性；相反，當(dāng)真空度較差時，真空助力器的助力效果變差。如圖 4 所示，在相同的輸入力F下，不同真空度產(chǎn)生的液壓差別為：P1（-66.7 kPa）> P2 （-50 kPa）> P3（-40 kPa）> P4（-30 kPa）。
 
 
圖 4 不同真空度的助力器特性曲線
目前，一些發(fā)動機由于自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計及標(biāo)定需要往往無法給制動系統(tǒng)提供足夠的真空源，特別是在高原和寒冷早晨初次點火使用工況下，真空度不足問題會更加凸顯。因此，在進(jìn)行制動系統(tǒng)設(shè)計及制動踏板感匹配時必須充分考慮真空度的因素。
2.4 制動踏板杠桿比
增加制動踏板杠桿比可減小踏板力，但是會增加踏板行程。一般情況下，不會通過增加制動踏板杠桿比來減小踏板力；相反，在制動系統(tǒng)匹配過程中，一般會選擇較小的制動踏板杠桿比來控制踏板行程，根據(jù)經(jīng)驗，一般制動踏板杠桿比定義為 3.2～4.0。
2.5 制動系統(tǒng)空行程及剛性
制動系統(tǒng)的空行程以及各零部件在一定液壓下的變形量會影響踏板行程。空行程主要包括真空助力器及制動主缸總成的空行程、摩擦片與制動盤的間隙等。各零部件，如制動踏板、制動主缸、制動管路、制動器等在一定壓力下的剛性，對踏板行程有直接影響。
3 分析實例
結(jié)合實例詳細(xì)介紹制動踏板感優(yōu)化分析方法。
3.1 問題描述
某越野車型（滿載狀態(tài)）制動踏板感主觀評價過程中，存在如下問題：（1）輕中度制動時，踏板力較大；（2）重踩制動時，踏板力增大明顯，ABS 不容易觸發(fā)；（3）踏板行程略長，空行程較大。
實車測試的踏板力-減速度、踏板行程-減速度曲線如圖 5、圖 6 所示?？梢钥闯觯海?）該車型的踏板力超出踏板力曲線標(biāo)準(zhǔn)的下限，偏大；（2）減速度為 8～10m/s的過程中，踏板力增加明顯，最大值超過 500 N；（3）初始踏板力較大，約為40 N；（4）踏板行程超出下限，較差。
 
 
圖 5 踏板力與減速度關(guān)系曲線
 
圖 6 踏板行程與減速度關(guān)系曲線
3.2 優(yōu)化分析
1.壓力計算發(fā)現(xiàn)，輪邊最大抱死液壓偏大，前軸最大抱死液壓為 11 MPa，后軸最大抱死液壓為 6 Mpa，需要降低輪邊最大抱死液壓。
考慮到該車型的生產(chǎn)緊迫性，以及制動系統(tǒng)零部件優(yōu)化的難易程度，通過提高摩擦片摩擦系數(shù)和增加輪邊有效制動半徑來降低輪邊最大抱死液壓，詳細(xì)見表 1。
表 1 輪邊最大抱死液壓的優(yōu)化
項目
摩擦系數(shù)
原有效 優(yōu)化后 原最大 優(yōu)化后半徑/mm 有效半徑/mm 液壓/MPa 最大液壓/MPa
前制動器
由0.36提升為0.4
127 139.5 11.5 9.3
后制動器
0.36維持不變
137.5 150 6 4.8
 
2. 針對初始踏板力大的問題，將真空助力器的始動力由 90 N 減小為 70 N，制動踏板回位簧對制動踏板的反饋力由 10～15 N 調(diào)整為 5～10 N。
3. 雖然輪邊最大抱死液壓降低為 9.3 MPa，但是仍然高于助力器拐點 8.5 MPa，需要增大真空助力器拐點，所以將真空助力器膜片型式由 177.8 mm（前膜片直徑）+203.2 mm（后膜片直徑）優(yōu)化為 203.2 mm（前膜片直徑）+228.6 mm（后膜片直徑）。
4. 針對踏板行程偏長和踏板力大的問題，將制動主缸缸徑由 23.81 mm 優(yōu)化為 25.4 mm，真空助力器助力比由 8 調(diào)整為 10。
以上各優(yōu)化方案匯總見表 2。
 
 
 
繪制出優(yōu)化后的制動踏板感曲線分別如圖 7 和圖 8 所示?？梢钥闯觯海?）制動踏板力處于標(biāo)準(zhǔn)的上限外邊緣，考慮到實車狀態(tài)效率損失等因素，匹配結(jié)果較好；（2）踏板行程位于標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，且接近上限，較好。
 
圖 7 踏板力與減速度關(guān)系曲線（優(yōu)化后-計算值）
 
圖 8 踏板行程與減速度關(guān)系曲線（優(yōu)化后-計算值）
3.3 測試結(jié)果
 
優(yōu)化后的制動踏板感測試結(jié)果如圖 9 和圖 10 所示，可以看出：（1）初始踏板力得到改善，約為 25 N，踏板力曲線位于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，且接近上限，較優(yōu)化前下降 30%以上；（2）踏板行程得到改善，較優(yōu)化前縮短約 20%；（3）優(yōu)化后的制動踏板感與對標(biāo)車（普拉多）相當(dāng)；（4）踏板力和踏板行程計算結(jié)果與試驗結(jié)果誤差在 10%以內(nèi)，計算方法正確有效。
 
圖 9 踏板力與減速度關(guān)系曲線（優(yōu)化后-實測值）
 
圖 10 踏板行程與減速度關(guān)系曲線（優(yōu)化后-實測值）
針對優(yōu)化后的制動踏板感進(jìn)行主觀評價，結(jié)論為：（1）踏板力小，踏板輕便；（2）重踩制動時，踏板力適中，ABS 可正常觸發(fā)；（3）踏板行程適中，比較舒適。
4 結(jié) 論
 
介紹制動踏板感的表述方法，并分析了制動踏板感的影響因素；實例分析表明，制動系統(tǒng)踏板感優(yōu)化分析方法有效實用，計算方法正確有效。
作者：童成前，鄭素云，王華拓；單位：北京汽車研究總院有限公司
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