尹鋼

(電子工業(yè)部081總廠，四川 廣元 628017)

0 引言

在離合器與制動(dòng)器發(fā)展過(guò)程中，它們都是由起初最早的拉桿式機(jī)械控制發(fā)展起來(lái)的，但隨著車速的提高，為提高制動(dòng)力和制動(dòng)平穩(wěn)性，制動(dòng)器率先使用了液力傳動(dòng)控制系統(tǒng)。后來(lái)隨著車身結(jié)構(gòu)愈來(lái)愈緊湊，同時(shí)提出對(duì)離合器摩擦元件的磨損自動(dòng)補(bǔ)償，以及離合徹底、無(wú)阻澀、故障率低等要求，液壓離合器才于20世紀(jì)80年代出現(xiàn)，19世紀(jì)初才開(kāi)始廣泛普及。這種制動(dòng)器與離合器均可由液壓控制，也就有了單控制動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)的先決條件。單控制動(dòng)是“單控式車輛制動(dòng)裝置(ZL201110048036.3)”發(fā)明專利的簡(jiǎn)稱，是將離合器與制動(dòng)器的控制通過(guò)組合缸或組合踏板，以及離合器強(qiáng)迫結(jié)合裝置、離合器強(qiáng)迫分離裝置、腳感器等，實(shí)現(xiàn)單只腳單一控制離合器與制動(dòng)器，提高了安全操作性與快速反應(yīng)能力，為運(yùn)輸行業(yè)提速提供了人體控制的保障環(huán)節(jié)。

1 相關(guān)研究與部分設(shè)計(jì)分析

文中對(duì)汽車單控式制動(dòng)裝置的可行性探討大致分為以下幾個(gè)方面:(1)人機(jī)工程的研究;(2)安全操作性研究;(3)相關(guān)零、部件可實(shí)施性設(shè)計(jì)研究;(4)市場(chǎng)需求的研究等重點(diǎn)關(guān)注技術(shù)與市場(chǎng)方面的問(wèn)題。這里不對(duì)其財(cái)務(wù)與投資風(fēng)險(xiǎn)等方面再作分析，其相關(guān)信息可參閱中國(guó)行業(yè)企業(yè)信息發(fā)布中心發(fā)布的《商業(yè)計(jì)劃書》。因該設(shè)計(jì)與分析所涉內(nèi)容非常廣泛，這里限于篇幅與作者的水平，只能就一些作者認(rèn)為較為重要的環(huán)節(jié)與配件來(lái)作一淺析。

1.1 單控制動(dòng)踏板力與踏板行程

1.1.1 有關(guān)制動(dòng)與離合器踏板的力學(xué)要求

首先從人因工程學(xué)角度出發(fā)分別對(duì)制動(dòng)踏板、離合器踏板操作性感覺(jué)作以評(píng)估，文獻(xiàn)［1］提出了制動(dòng)感覺(jué)指數(shù)(BFI)，如表1所示。

表1 制動(dòng)感覺(jué)指數(shù)

在滿足了表1中BFI指數(shù)情況下，無(wú)論是踏板力、行程的大小或線性度，都在目標(biāo)參考值范圍內(nèi)，駕駛員就會(huì)認(rèn)為感覺(jué)合適，響應(yīng)恰當(dāng)。作者則描述為:制動(dòng)感覺(jué)充實(shí)、飽滿、氣墊效果明顯;制動(dòng)時(shí)無(wú)腳感失落、僵硬，和腳預(yù)置無(wú)疲軟等現(xiàn)象;另外空行程還應(yīng)短、緊急制動(dòng)相應(yīng)較快。同時(shí)該文獻(xiàn)指出，把踏板力對(duì)行程的2次微分值大于6 mm/N2時(shí)的踏板力作為踏板預(yù)置力(d2(T)/d(F)≥6)。

這樣在設(shè)計(jì)單控制動(dòng)裝置時(shí)，依然保持文獻(xiàn) ［1］提出5個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)的位置及行程:(1)踏板預(yù)置力13 N，一般在20 N左右比較合適［2］;(2)0.05g制動(dòng)初始點(diǎn)位置，踏力27 N、行程23 mm;(3)0.5g正常制動(dòng)作用點(diǎn)，踏力80 N(這個(gè)踏板力應(yīng)在55～65 N為適宜［2］)、行程3 mm;(4)0.9g滿載最大制動(dòng)減速度時(shí)的踏板力≤245×Max Decel+7/3 N;(5)減速度Decel=T×F×exp(T－行程，F(xiàn)－踏板力，exp－踏板力線性指數(shù)，一般控制在0.85～1.05之間為宜)。這樣就給出了制動(dòng)踏板滿足人因工程的特性圖［2］，如圖1、2、3、4所示。

這里先對(duì)制動(dòng)踏板的人因工程研究告一段落，待下面續(xù)對(duì)離合器踏板研究后，再依據(jù)它們各自人機(jī)要求的操作特性，再整合成單控制動(dòng)的基本操作特性，并依據(jù)其基本操作特性，將在1.3節(jié)闡述一下組合缸(集成總泵)實(shí)現(xiàn)的基本設(shè)計(jì)方案。

離合器踏板人因工程的操作特性研究，文獻(xiàn)［3］對(duì)離合器踏板操作中的下肢肌肉效力評(píng)估做了詳細(xì)的分析，建立了離合器踏板操作的典型力學(xué)模型與肌肉效力模型。這里結(jié)合各文獻(xiàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上，對(duì)離合器踏板提出以下幾點(diǎn)人因工程操作要求(附作者參考性加權(quán)值):

(1)具有零力變率的操縱特性即dF/dt=m(da/dt)=mJ≈0(式中 J 為急動(dòng)度)［4］;

(2)較少的操作異點(diǎn)數(shù)目［4］;

(3)離合器踏板儲(chǔ)備行程至少應(yīng)該達(dá)到25 mm［5］，見(jiàn)圖5所示;

(4)踏板的位置應(yīng)該位于水平基準(zhǔn)左方80～100 mm，與地板的垂直距離應(yīng)大于150 mm［5］;

(5)踏板的總行程一般為120～170 mm，乘用車的踏板總行程通常為120～150 mm;分離點(diǎn)行程應(yīng)為總行程的60%～80%;結(jié)合點(diǎn)行程應(yīng)比分離點(diǎn)行程小約10 mm［5］;

(6)對(duì)于轎車，目前國(guó)際上最大踏板力設(shè)計(jì)原則為(100±10)N，商用車最大踏板力也應(yīng)小于150 N［5］;

(7)同時(shí)要求踏板在回程時(shí)，踏板力的遲滯損失最大不超過(guò) 25%［5］。

1.1.2 有關(guān)單控制動(dòng)行程及其踏板力的取定

單控制動(dòng)裝置在ZL201110048036.3中提出了4種最基本的制動(dòng)模式，如圖6所示。

下面就制動(dòng)經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性［6］都較好的“離合器分離—掛擋緩速—帶剎(行車制動(dòng))—脫剎(駐車制動(dòng))”模式為例，進(jìn)行相應(yīng)的研究分析。

上述1.1.1是對(duì)制動(dòng)踏板、離合器踏板單獨(dú)進(jìn)行的人因工程分析，那么關(guān)于單控制動(dòng)踏板行程究竟該怎樣取定最好呢?參考文獻(xiàn)［6］、［7］等安全條例及要求，并結(jié)合汽車主機(jī)廠的一些設(shè)計(jì)信息，以及文獻(xiàn) ［8］最大制動(dòng)行程的參考意見(jiàn)，作者初始給定單控制動(dòng)的基本要求:

(1)單控制動(dòng)踏板最大設(shè)計(jì)總行程≤200 mm，正常使用行程不超過(guò)其4/5，即≤160 mm(最后一級(jí)若帶緊急制動(dòng)功能時(shí)，行程可按170 mm，注:隨著泵結(jié)構(gòu)尺寸的縮短［9］以及該專利組合踏板的應(yīng)用，其踏板行程可進(jìn)一步縮短);

(2)對(duì)于轎車離合和制動(dòng)的踏板力均不得大于(100±10)N，商用車踏板力不得大于150 N;

(3)踏板預(yù)置力應(yīng)13 N≤F≤22 N;

(4)踏板在整個(gè)行程中不出現(xiàn)變力率大于零的情況，即dF/dt＜0，那么要求系統(tǒng)急動(dòng)度J＜0;

(5)踏板的整個(gè)空行程小于5 mm，以保證有效控制的行程占有比;

(6)分離［10］與制動(dòng)［11］均應(yīng)有間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)功能裝置，以保證單控制動(dòng)的短距離有效控制;

(7)分離儲(chǔ)備行程與制動(dòng)儲(chǔ)備行程均按各缸總行程1/5取定(見(jiàn)GB7258、GB12676規(guī)定);

(8)單控制動(dòng)在整個(gè)行程中進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)有明顯不同的腳感特征(見(jiàn)1.3.2詳述)，同時(shí)為提高踏板的腳控準(zhǔn)確性，踏下踏板時(shí)應(yīng)有適當(dāng)?shù)男∽枘崽匦裕砷_(kāi)踏板時(shí)踏板應(yīng)快速回位，而不應(yīng)有這種阻尼特性;

(9)踏板快速回程要求［12］，總返程一般要求≤0.3 s。其中對(duì)于單控制動(dòng)中“掛擋緩速—離合器分離—行車制動(dòng)”的第三級(jí)位置的返程，文中要求為≤0.15 s(見(jiàn)1.4.1部分，快速換擋的特性要求);

(10)離合器緩沖裝置的應(yīng)用［13］，以保證單控制動(dòng)裝置對(duì)離合器的位置控制的模式要求。這樣據(jù)以上要求，可以對(duì)集成總泵、離合器強(qiáng)迫結(jié)合裝置等進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)分析。

1.2 單控制動(dòng)安全性、操作性的研究

1.2.1 制動(dòng)距離與制動(dòng)時(shí)間

在人機(jī)系統(tǒng)中操縱人員被看作系統(tǒng)中的一個(gè)元件。操作人員通過(guò)感覺(jué)器官(視、聽(tīng)、觸、嗅、味)接收來(lái)自機(jī)器的信息，了解其意義并予以解釋，或先進(jìn)行計(jì)算，再把結(jié)果與過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和策略進(jìn)行比較，然后作出決策。作出決策后，人通過(guò)控制器官(手、腳等)去操縱機(jī)器的操縱器，如開(kāi)關(guān)、按鈕、操縱桿、操縱盤、光筆或呼口令等，來(lái)改變機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。機(jī)器隨即發(fā)出新的信息，如此重復(fù)不斷。人機(jī)系統(tǒng)不是孤立存在的，而是存在于某種環(huán)境之中。環(huán)境特性影響人的效率和行為。環(huán)境因素包括溫度、濕度、噪聲、照明、加速、振動(dòng)、污染和失重等。所以人在這控制系統(tǒng)中應(yīng)具備五大基本特性:感覺(jué)性、感知性、知覺(jué)性、適應(yīng)性和熟練性。感覺(jué)性即對(duì)外來(lái)信息的覺(jué)察性;感知性——信息傳來(lái)時(shí)能判斷出物質(zhì)的特征(如體積、質(zhì)量、距離、速度等);知覺(jué)性——通過(guò)對(duì)過(guò)程和空間的處理能判斷物質(zhì)發(fā)展的趨勢(shì)與動(dòng)向;適應(yīng)性——行為動(dòng)作對(duì)處理過(guò)程及其處理空間的吻合度、符合度;熟練性——某項(xiàng)作業(yè)中無(wú)意識(shí)狀態(tài)下的一連貫行為動(dòng)作習(xí)慣。只有當(dāng)這個(gè)適應(yīng)性使人－機(jī)運(yùn)作無(wú)干涉、監(jiān)控?zé)o盲區(qū)、控制無(wú)附加動(dòng)作時(shí)，作業(yè)效率才是最佳，且動(dòng)作也易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，控制也就不易出錯(cuò)，只有在保證以上關(guān)系特性的基礎(chǔ)上，才能實(shí)現(xiàn)控制無(wú)誤的快捷性。文中此處重點(diǎn)講的就是這個(gè)人－機(jī)的適應(yīng)性、符合性、快捷性，所以說(shuō)這種人－機(jī)關(guān)系的適應(yīng)性、符合性與快捷性也就決定了人－機(jī)操作的安全性。

圖7中:

點(diǎn)a表示駕駛員接到緊急停車信號(hào)的時(shí)刻;

t′1是從駕駛員接到緊急停車信號(hào)(點(diǎn)a)到意識(shí)到應(yīng)進(jìn)行緊急制動(dòng)并移動(dòng)右腳所經(jīng)歷的時(shí)間;

t″1是從駕駛員移動(dòng)右腳到接觸制動(dòng)踏板(點(diǎn)b)為止所經(jīng)歷的時(shí)間;

t=t′1+t″1，稱為駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，一般為 0.3～1.0 s。在該時(shí)間內(nèi)，汽車以ν0的初速度作等速行駛;

b→d表示在點(diǎn)b以后，隨著駕駛員踩制動(dòng)踏板的動(dòng)作，踏板力Fp迅速增大，至點(diǎn)d達(dá)到最大值;

t′2是從駕駛員腳接觸制動(dòng)踏板(點(diǎn)b)起，到出現(xiàn)制動(dòng)力，開(kāi)始產(chǎn)生制動(dòng)減速度(點(diǎn)c)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。它用于克服制動(dòng)系機(jī)械傳動(dòng)部分的間隙、克服制動(dòng)踏板的自由行程、克服氣壓或液壓沿管路的傳遞等。在該時(shí)間內(nèi)，汽車的減速度為0，汽車以ν0的初速度作等速行駛;

t″2是汽車制動(dòng)力由0增大到最大值，制動(dòng)減速度由0(點(diǎn)c)增大到最大值(點(diǎn)e)所經(jīng)歷的時(shí)間;

t2=t′2+t″2稱為制動(dòng)器的作用時(shí)間，一般為 0.2 ～ 0.9 s。它一方面取決于駕駛員踩制動(dòng)踏板的速度，另外更重要的是受制動(dòng)系結(jié)構(gòu)形式的影響;

t3是持續(xù)制動(dòng)時(shí)間(由點(diǎn)e到點(diǎn)f)，該時(shí)間內(nèi)制動(dòng)減速度基本不變;

t4表示從駕駛員松開(kāi)制動(dòng)踏板(點(diǎn)f)起，到制動(dòng)力完全消除，制動(dòng)減速度為0(點(diǎn)g)所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為制動(dòng)完全釋放時(shí)間，一般為0.2～1.0 s。這段時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)耽誤隨后起步行駛的時(shí)間。

有資料［6］可證實(shí)駕駛員的反應(yīng)時(shí)間受年齡、車速、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、顏色等諸多因素的影響很大，如:車速越快人的視覺(jué)反應(yīng)越慢，這主要由于人的視覺(jué)暫留所致;人在不知狀態(tài)下突然緊張時(shí)，駕駛員的動(dòng)作轉(zhuǎn)換時(shí)間t″1也將增加等，下面列舉一些測(cè)量數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 選擇反應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

表2 各組平均應(yīng)急剎車反應(yīng)時(shí)間 s

表3 不同年齡的駕駛員在疲勞前后的選擇反應(yīng)時(shí)間

表4 不同行車時(shí)間不同速度下動(dòng)視力

對(duì)于汽車制動(dòng)系統(tǒng)，由于剎車距離L等于反應(yīng)距離L1與制動(dòng)距離L2之和，即L=L1+L2，而汽車制動(dòng)距離主要取決于輪胎與地面之間的摩擦力，摩擦力的大小取決于摩擦因數(shù)。

對(duì)于汽車制動(dòng)距離的理論公式，其推導(dǎo)如下:

式中:μR為滾動(dòng)阻尼系數(shù);

τpr為人的平均反應(yīng)時(shí)間，該時(shí)間是人由“發(fā)現(xiàn)目標(biāo)開(kāi)始→大腦轉(zhuǎn)為制動(dòng)意識(shí)→控制右腳離開(kāi)燃油踏板→右腳轉(zhuǎn)移到位→開(kāi)始踏下制動(dòng)踏板”這一過(guò)程所需要的時(shí)間;

注:上式中未計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。由此可見(jiàn)，剎車距離與速度的平方成正比，與摩擦因數(shù)成反比。當(dāng)摩擦因數(shù)一定時(shí)，剎車距離取決于車速，如果車速增加1倍，剎車距離將增大至4倍。

見(jiàn)圖6滾動(dòng)摩擦是物體與平面接觸的部分必須發(fā)生形變，即接觸面產(chǎn)生形變的情況下，使得滾動(dòng)體受到的支持力的作用點(diǎn)前移(不在中心的正下方)，并且方向不是豎直向上的。這樣，支持力的水平分力(及靜摩擦力或滑動(dòng)摩擦力)阻礙平動(dòng);支持力的豎直分力對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩阻礙轉(zhuǎn)動(dòng)，即形成滾動(dòng)摩擦力矩。

則利用彈性變形理論可推導(dǎo)出(此處推導(dǎo)過(guò)程略):

式中:W為單位長(zhǎng)度的載荷;

k為材料在簡(jiǎn)單切變情況下的屈服應(yīng)力;

R為輪胎半徑;

Q為輪胎驅(qū)動(dòng)力矩(該式也說(shuō)明了μR與載荷成線性正比關(guān)系，這也說(shuō)明前后輪為什么需要制動(dòng)力分配的原因)。這樣將式(1)轉(zhuǎn)為引用文獻(xiàn)［14］、［13］給出的制動(dòng)距離的理論公式為:

jmax為最大制動(dòng)減速度，如表5所示。

表5 2000年代車型裝用不同助力系的轎車制動(dòng)性能

式(2)中，若不計(jì)反應(yīng)時(shí)間t=t′1+t″1，這樣根據(jù)一般資料按普通駕駛員的情況來(lái)看，抬起右腳離開(kāi)加速踏板約占0.1 s;右腳轉(zhuǎn)移到位約占0.15 s;踏下制動(dòng)踏板約占0.1 s，則t′2=0.32 s，∵ t2=t′2+t″2一般為 0.2 ～ 0.9 s，此處取為 0.75 s，∴ t″2=0.4 s，并按表 1 取 jmax=9.8 m·s－2(20 世紀(jì) 90 年代車型)代入式(2)可得:L=0.15ν+0.0039ν2，其計(jì)算得出的數(shù)據(jù)與《Autocar》1993～1998所給出的駕駛員測(cè)試二次擬合計(jì)算公式 L=0.0034ν0+0.0045ν20是較為吻合的。以上公式均滿足《制動(dòng)距離“標(biāo)淮”比較表》［15］，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 裝用不同助力系的轎車制動(dòng)性能(2000年代車型)

表6中平均制動(dòng)作用時(shí)間由推導(dǎo)式(2)與測(cè)試二次擬合計(jì)算公式中t2的平均值求得。從最后一欄可看出駕駛員安全制動(dòng)時(shí)毫秒必爭(zhēng)的概念。當(dāng)車速100 km/h時(shí)要求人的安全反應(yīng)時(shí)間為1.8 s;車速100 km/h時(shí)為1.4 s;當(dāng)車速為150 km/h時(shí)僅為0.9 s，好手能化險(xiǎn)為夷，一般車手已經(jīng)很危險(xiǎn)了，當(dāng)車速超過(guò)180 km/h，反應(yīng)時(shí)間只有0.4 s，賽車手或許能剎住，超過(guò)200 km/h，無(wú)能為力了。所以單控制動(dòng)由于右腳無(wú)轉(zhuǎn)移與定位的動(dòng)作，故制動(dòng)時(shí)至少可節(jié)約0.35 s的時(shí)間而不出現(xiàn)令人驚嘆的額外制動(dòng)距離(見(jiàn)表6最后一欄)，且避免了緊張狀態(tài)下發(fā)生錯(cuò)踏或空踏制動(dòng)踏板與加速度踏板的錯(cuò)誤動(dòng)作，降低了疲勞性，特別是隨時(shí)的動(dòng)作切換潛意識(shí)緊張性，所以也就提高了制動(dòng)與行車的安全性。

1.2.2 應(yīng)急系統(tǒng)在單控制動(dòng)中的設(shè)置

按照《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》［6］汽車應(yīng)具有應(yīng)急制動(dòng)功能，同時(shí)在7.3款中還規(guī)定:7.3.1應(yīng)急制動(dòng)應(yīng)保證在行車制動(dòng)只有一處管路失效的情況下，在規(guī)定的距離內(nèi)將汽車停住。7.3.2應(yīng)急制動(dòng)可以是行車制動(dòng)系統(tǒng)具有應(yīng)急特性或是與行車制動(dòng)分開(kāi)的系統(tǒng)。7.3.3應(yīng)急制動(dòng)應(yīng)是可控制的，其布置應(yīng)使駕駛員容易操作，駕駛員在座位上至少用一只手握住方向盤的情況下，就可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。它的控制裝置可以與行車制動(dòng)的控制裝置結(jié)合，也可以與駐車制動(dòng)的裝置結(jié)合。

表7 應(yīng)急制動(dòng)性能要求［6］

所以單控制動(dòng)若按照“離合器分離—空掛車—帶剎(行車制動(dòng))—脫剎(駐車制動(dòng))”模式制動(dòng)時(shí)，若設(shè)置最后一級(jí)駐車制動(dòng)按表7中當(dāng)車速≥30 km/h(三擋)時(shí)，可置為應(yīng)急制動(dòng)。這種應(yīng)急制動(dòng)不僅滿足《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》7.3款各項(xiàng)要求，而且從人的動(dòng)作連貫性上來(lái)講，也是符合人的控制特點(diǎn)的。該應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)屬位控模式，比文獻(xiàn)［16］所提供的EAS踏板力作用速度的識(shí)別方式更可靠。

對(duì)于單控制動(dòng)的兩踏板布置，可參考ECE R35標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以保證H基準(zhǔn)點(diǎn)與同坐姿同車身內(nèi)部相關(guān)的尺寸的符合性與舒適性等［17－18］，由于這方面限于作者專業(yè)的知識(shí)不夠，此處不過(guò)多詳談。

1.3 相關(guān)重要零部件的可實(shí)施性設(shè)計(jì)研究

1.3.1 集成總泵的設(shè)計(jì)

按照1.2.2提出的設(shè)置要求，在采用“離合器分離—空掛車—帶剎(行車制動(dòng))—脫剎(駐車制動(dòng)，但第三擋以上可設(shè)為緊急制動(dòng))”模式的情況下，則制動(dòng)控制可取下列所述的控制過(guò)程，如圖8所示。

那么集成總泵根據(jù)1.1.2單控制動(dòng)的基本要求，集成總泵有多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，除開(kāi)電控式結(jié)構(gòu)以外，下面作者提出一種液控方式的“前導(dǎo)中心閥位控制式集成總泵(主缸)”的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9中之所以按閥位來(lái)控制制動(dòng)液輸出口的開(kāi)啟，是因?yàn)槲恢瞄y門控制比壓力閥門控制來(lái)實(shí)現(xiàn)圖8中，二級(jí)緩速控制到三級(jí)行車制動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制點(diǎn)位要準(zhǔn)確得多。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)保證該集成總泵離合控制行程與制動(dòng)控制行程的各自最大排量，應(yīng)與目前單獨(dú)所使用的離合器總泵和制動(dòng)總泵的最大排量應(yīng)該相等。由于離合器行程縮短了1－55%=45%，所以其離合器總泵缸徑應(yīng)加大=1.35倍。制動(dòng)行程縮短了1－45% =55%，那么其制動(dòng)總泵缸徑應(yīng)為=0.75(式中Db為原制動(dòng)泵缸徑;dc為位號(hào)6頂桿的直徑)。

圖9中“前導(dǎo)中心閥位控制式集成總泵”其基本工作過(guò)程如下:(1)常態(tài)下離合總泵與制動(dòng)總泵各缸內(nèi)制動(dòng)液與油壺12中制動(dòng)液是相通的，當(dāng)踏下“單控踏板”時(shí)開(kāi)始推動(dòng)位號(hào)16左移，彈簧Ⅵ被壓縮(見(jiàn)圖11)，此時(shí)活塞1與活塞5也跟隨左移則關(guān)閉各缸與油壺的常開(kāi)通路;(2)繼續(xù)踏動(dòng)推桿16左移，離合器主缸與制動(dòng)主缸油壓均升高，但由于位號(hào)7使排油口b、c處于關(guān)閉狀態(tài)，所以位號(hào)1繼續(xù)被推左移，而位號(hào)5則保持靜止不再移動(dòng)，真空助力器14開(kāi)始工作;(3)工作過(guò)程完成圖8中第一級(jí)離合器分開(kāi);(4)在進(jìn)行第二級(jí)緩速控制(離合器強(qiáng)迫結(jié)合)過(guò)程時(shí)，端面d、f相抵，則推動(dòng)上頂桿4與下頂桿6(上頂桿與下頂桿為柔性聯(lián)接)左移(距離＜Δ)，則帶動(dòng)擺桿8旋轉(zhuǎn)后將排油閥門b、c打開(kāi)，擺桿8抵觸到底時(shí)彈簧Ⅶ開(kāi)始?jí)嚎s讓位;(5)此時(shí)制動(dòng)主缸第一活塞開(kāi)始左移，彈簧Ⅲ開(kāi)始?jí)嚎s，端面e、g相抵(汽車后輪制動(dòng)開(kāi)始);(6)緊接著制動(dòng)主缸第二活塞開(kāi)始左移，彈簧Ⅰ開(kāi)始?jí)嚎s(汽車前輪制動(dòng)開(kāi)始)直至到底;(7)完成圖8第三級(jí)行車制動(dòng)后，繼續(xù)踏動(dòng)踏板，離合器再次被強(qiáng)迫分開(kāi)后，則為停車制動(dòng)階段。

從上過(guò)程描述可知，集成總泵的重點(diǎn)控制功能是第(3)步——離合器分離，與第(5)、(6)步——行車制動(dòng)功能。其他的緩速與停車制動(dòng)可以認(rèn)為是上兩功能的冗值功能，故緩速控制行程可以認(rèn)為是離合器分離行程的儲(chǔ)備行程，停車制動(dòng)控制行程可以認(rèn)為是行車制動(dòng)的儲(chǔ)備行程。

圖11中其基本行程關(guān)系是:總行程h8≥h6+h1+h3;離合器控制行程為:h6＞h7;制動(dòng)控制行程為:h3+h1≤h5+Δ;h3＞h2。如果踏板力為Fp，那么作用在圖11中活塞上的力

由于每個(gè)閥芯(也就是每一個(gè)單獨(dú)的活塞)受力的基本數(shù)學(xué)模型均為:

式中:序號(hào)SID為1時(shí)指離合腔活塞;序號(hào)SID為2時(shí)指制動(dòng)第一活塞;序號(hào)SID為3時(shí)指制動(dòng)第二活塞，那么mSID、BSID、FSID、PSID、ASID、KSID、xSID分別對(duì)應(yīng)該活塞的質(zhì)量;作用在該活塞上的阻尼力、推力、壓強(qiáng)和作用面積、彈簧彈性系數(shù)，以及mSID在∑FSID+∑PSIDASID作用下所發(fā)生的位移。

借用文獻(xiàn)［19］可以得出集成總泵力學(xué)的數(shù)學(xué)模型圖，從而可以比較準(zhǔn)確地求解出該集成主缸的力與壓力的特性關(guān)系曲線。

1.3.2 腳感器的控制設(shè)計(jì)

這里結(jié)合圖6制動(dòng)模式二做一個(gè)實(shí)例:在儲(chǔ)壓罐液壓支路上分支一個(gè)控制腳感器的二位二通閥的液壓控制支路，當(dāng)離合器強(qiáng)迫分離裝置對(duì)離合器分離時(shí)，儲(chǔ)壓罐壓力降低致使該二位二通閥接通，腳感器液壓管路壓力升高，從而控制腳感器中滾珠磨擦盤與凹盤貼合，所以繼續(xù)踏動(dòng)踏板時(shí)腳感將由平滑變?yōu)檎駝?dòng)狀態(tài)。腳感器設(shè)計(jì)在該專利中有一方案，其簡(jiǎn)圖如圖14所示，其所對(duì)應(yīng)的液壓控制簡(jiǎn)圖見(jiàn)1.3.3所述的圖15。

1.3.3 單控制動(dòng)系統(tǒng)控制

針對(duì)單控制動(dòng)的系統(tǒng)控制，見(jiàn)系統(tǒng)控制圖15。

1.3.4 集成總泵符合性鑒定

用1.1.2中的10大單控制動(dòng)的基本要求，對(duì)圖9設(shè)計(jì)的合理性與可靠性進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)比鑒定:

1.1.2中第(1)條，總行程基本上是按170 mm設(shè)計(jì)的，其中空行程占5 mm;離合器行程67+24=91 mm;制動(dòng)行程60+15=75 mm，所以該條符合要求。

第(2)、(3)條，對(duì)彈簧和助力裝置的參數(shù)確定，可能根據(jù)車型具體的要求來(lái)設(shè)計(jì)，所以該兩條同樣也符合要求。

第(4)條，從圖13、14可知，如果活塞1已關(guān)閉了出油口a，卻未頂開(kāi)二位二通K閥(即圖9中位號(hào)7)，即設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)h6≤h7的情況，將發(fā)生封閉液體被壓縮的現(xiàn)象，此時(shí)由液體壓縮性可知:dF/dx=－dP/dv=K/V＞＞0(式中K為制動(dòng)液體積彈性模量;V為離合缸內(nèi)的制動(dòng)液體積)，即出現(xiàn)急動(dòng)度，而且即使間隙滲漏的情況下其值也相當(dāng)?shù)卮?∵K=(1.4～2) ×103MPa［20］)。所以前導(dǎo)中心閥位控制式其位控方式能可靠地保證:在活塞1關(guān)閉出油口a前，即可頂開(kāi)K閥，避免出現(xiàn)該急動(dòng)度。所以第(4)條也滿足要求。

第(5)條，可通過(guò)(自動(dòng))調(diào)節(jié)裝置，以滿足空行程≤5 mm的要求，以提高有效行程占有比。

第(7)條，見(jiàn)1.3.1，該單控制動(dòng)模式同樣也滿足該條要求。

第(8)條，有了腳感器的設(shè)計(jì)，故該單控制動(dòng)模式同樣也滿足該條要求。

其余是相關(guān)專業(yè)技術(shù)的運(yùn)用，只要建立在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理匹配與完善，也能滿足集成總泵設(shè)計(jì)各條要求。

另外，采用雙踏板控制系統(tǒng)其踏板的布置建議按ECE R35標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，以滿足人機(jī)工程的要求。

當(dāng)然設(shè)計(jì)理念上，如果把制動(dòng)(行車制動(dòng)與駐車制動(dòng))視為緩速控制的冗值功能，故也就可以將制動(dòng)行程視為緩速控制行程的儲(chǔ)備行程，這樣集成總泵也就可以按三級(jí)進(jìn)行制動(dòng)控制設(shè)計(jì)，同樣也滿足符合性鑒定，如圖16所示。

1.4 單控制動(dòng)可能的發(fā)展方向

1.4.1 手動(dòng)與自動(dòng)變擋為一體的發(fā)展

離合器若采用雙離合器變速箱［21］時(shí)，當(dāng)駕駛員踏下踏板使離合器分離后到第二級(jí)掛擋緩速或行程制動(dòng)，或踏下踏板使離合器分離再迅速踏板回位離合器結(jié)合后再迅速踏下踏板，即“告訴”CPU駕駛員欲減速，應(yīng)自動(dòng)降擋;當(dāng)駕駛員左腳踏下踏板使離合器分離時(shí)，此時(shí)右腳踏下加速度踏板(見(jiàn)ZL201110048036．3專利，此時(shí)燃油控制系統(tǒng)已被左腳單控踏板切斷，右加速度踏板不能再加速汽車)，即“告訴”CPU駕駛員欲加速，應(yīng)自動(dòng)掛到上擋，此時(shí)手動(dòng)掛上擋或下?lián)跻部蛇M(jìn)行。這是單控踏板可能的一個(gè)發(fā)展方向。

1.4.2 后備制動(dòng)踏板的發(fā)展

若依然采用三踏板系統(tǒng)，同樣采用目前踏板布置方式時(shí)，則駕駛員右腳既可踏加速度踏板，也可踏后備制動(dòng)踏板。當(dāng)單控踏板制動(dòng)意外失效時(shí)，空閑的右腳可迅速踏下后備制動(dòng)踏板，也就保證了雙重保險(xiǎn)的應(yīng)急制動(dòng)［6］的功能，該系統(tǒng)同樣還是以雙踏板行車控制為主。這是單控踏板另一個(gè)可能的發(fā)展方向。

2 結(jié)語(yǔ)

單控制動(dòng)是國(guó)內(nèi)一項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在中國(guó)汽車制造到中國(guó)汽車創(chuàng)造過(guò)程中，對(duì)汽車發(fā)展史有較大影響意義的作用。單控制動(dòng)由于在制動(dòng)過(guò)程中，增設(shè)并且不可避免地有一個(gè)行車緩速控制過(guò)程，故對(duì)制動(dòng)器保護(hù)，防止制動(dòng)器過(guò)熱有非常好的作用。為了使緩速控制有較為明顯的作用，還可考慮對(duì)節(jié)氣門、排氣口的非完全閉合等各種有利其他緩速控制機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。

而且據(jù)了解，目前大多駕駛員幾乎腰肌和右腿都患有勞損綜合癥，這是因?yàn)槿ぐ宓目刂葡到y(tǒng)，使右腳既踏油門踏板又踏制動(dòng)踏板，在整個(gè)行車過(guò)程中右腳幾乎得不到休息所致。單控制動(dòng)則可較好地解決該項(xiàng)駕駛員目前急需解決的安全行車問(wèn)題。同時(shí)，單控制動(dòng)相對(duì)目前已存在的雙踏板控制系統(tǒng)所使用的液力變扭器，有成本更低、重量小，故障成因更少、故障排除更簡(jiǎn)單等特點(diǎn);而且相對(duì)目前汽車三踏板控制系統(tǒng)也可較好地進(jìn)行改裝;單控制動(dòng)相對(duì)更多需要人為控制的車輛(如賽車)需要人為快速地起動(dòng)、提速等，運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)則更為理想、更有利于駕駛?cè)藛T操作上的便利與控制上的快速性。

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