王洪亮

（石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，河北 石家莊 050081）

汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)由踏板、增壓器、主缸、閥及車(chē)輪制動(dòng)器等組成，其制動(dòng)性能是影響行駛特性的首要因素.為了滿(mǎn)足制動(dòng)性能的要求，在設(shè)計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)必須考慮每個(gè)部件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響.通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)預(yù)測(cè)制動(dòng)性能的方法耗時(shí)長(zhǎng)、成本高.針對(duì)該問(wèn)題，一些研究者開(kāi)發(fā)出了很多有針對(duì)性的程序，并把它們應(yīng)用到制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中.如，文獻(xiàn)［1］設(shè)計(jì)了一種計(jì)算制動(dòng)力分配的理論與試驗(yàn)方法；文獻(xiàn)［2］開(kāi)發(fā)了多個(gè)ABS系統(tǒng)（防抱死系統(tǒng)），以確保轉(zhuǎn)向安全；文獻(xiàn)［3］利用輪胎有限元法研究了汽車(chē)的制動(dòng)距離；文獻(xiàn)［4］利用輪胎動(dòng)力學(xué)模型，估計(jì)了制動(dòng)力與路面摩擦系數(shù)的關(guān)系；文獻(xiàn)［5］開(kāi)發(fā)出了一種計(jì)算半掛汽車(chē)列車(chē)制動(dòng)性能的程序；文獻(xiàn)［6］研究了踏板力作用在制動(dòng)裝備上的效果；文獻(xiàn)［7］根據(jù)減速度和踏板力的變化來(lái)預(yù)測(cè)車(chē)輛的制動(dòng)性能.而大多數(shù)基于程序設(shè)計(jì)的驗(yàn)證方法并沒(méi)有考慮汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的制動(dòng)盤(pán)溫度上升以及助力器壓力的變化，因而，程序模擬的結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)得到的結(jié)果有較大的出入.本文針對(duì)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定汽車(chē)制動(dòng)力特性存在的計(jì)算成本高、周期長(zhǎng)等問(wèn)題，提出一種能對(duì)汽車(chē)制動(dòng)壓力、制動(dòng)效率以及踏板行程等進(jìn)行定性分析的程序設(shè)計(jì)方法.

1 理論計(jì)算

1.1 制動(dòng)力的計(jì)算

在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，相對(duì)于汽車(chē)靜止時(shí)，汽車(chē)前橋的載荷增加，后橋的載荷減少.汽車(chē)減速時(shí)的動(dòng)態(tài)載荷分配情況如圖1所示.

圖1 軸的動(dòng)載荷分配圖

具體載荷滿(mǎn)足下式：

其中，W 表示整車(chē)的重力，WDF表示前輪承受的重力，WDR表示后輪承受的重力，h表示重心的高度，lR和lF分別為重心到前后軸的距離，l為軸距，g為重力加速度，α為車(chē)輛加速度.

考慮軸載荷后的理想制動(dòng)力為：

其中，BF和BR為前后輪的制動(dòng)力.

道路最大理想制動(dòng)力為：

其中，LPIR和LPIF分別為前后輪的總制動(dòng)力，TPF和TPR分別為前后輪的制動(dòng)力矩，CR和CF為比例系數(shù).

實(shí)際制動(dòng)壓力就是由施加到輪缸上的壓力得到的車(chē)輪制動(dòng)力.輪缸閥的特性決定制動(dòng)力的大小.由于汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中載荷向前轉(zhuǎn)移，因而前輪制動(dòng)力大于后輪制動(dòng)力.圖2給出了比例閥的工作特性.文件均為MS－EXCEL格式，輸出數(shù)據(jù)也以MS－EXCEL格式保存.

圖2 比例閥管路壓力特征曲線

2.2 求解器

該程序利用預(yù)處理器的輸入數(shù)據(jù)計(jì)算出汽車(chē)的制動(dòng)性能，根據(jù)減速度和踏板力進(jìn)行分析.計(jì)算加速度主要考慮汽車(chē)的載荷分配、制動(dòng)力、制動(dòng)壓力、制動(dòng)距離等因素.該程序中，加速度的變化范圍為0g～1.2g（1g的加速度相當(dāng)于承受一倍于自身體重的負(fù)荷），步長(zhǎng)為0.01g.根據(jù)減速度獲得實(shí)際制動(dòng)力的流程如圖3所示.踏板力與減速度、管路壓力和踏板行程有關(guān).計(jì)算流程如圖4所示.代表初始速度，ρ為制動(dòng)盤(pán)密度，V 為制動(dòng)盤(pán)體積，c為盤(pán)的比熱，Q為總摩擦熱，g為重力加速度.

1.3 真空度產(chǎn)生的助力特性變化

作用在制動(dòng)踏板上的制動(dòng)力通過(guò)助力器變大.考慮到制動(dòng)踏板力的損失情況、踏板傳動(dòng)比及傳動(dòng)效率，助力器的輸入作用力為：Finp＝（FPedal－F0）γPηP，其中，F(xiàn)pedal為踏板力，F(xiàn)0為制動(dòng)損失力，γp為傳動(dòng)比，ηp為傳動(dòng)效率.

1.4 裝有LSPV的汽車(chē)動(dòng)力學(xué)特性計(jì)算

感載比例閥（LSPV）控制汽車(chē)傳遞到車(chē)輪的制動(dòng)壓力，該制動(dòng)壓力由后橋載荷的變化量確定.裝有p閥的汽車(chē)實(shí)際制動(dòng)力保持不變且與汽車(chē)的質(zhì)量無(wú)關(guān)；而裝有LSPV的汽車(chē)隨著汽車(chē)質(zhì)量的變化調(diào)整實(shí)際制動(dòng)力.

2 制動(dòng)系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)

由三部分構(gòu)成：第一部分為預(yù)處理器，在得到汽車(chē)及零部件輸入設(shè)計(jì)參數(shù)之前，將數(shù)據(jù)輸入到程序并計(jì)算制動(dòng)盤(pán)和助力器特性；第二部分為求解器，用來(lái)分析所有數(shù)據(jù)；第三部分為后處理器，用于輸出圖形、對(duì)話框及文本文件等數(shù)據(jù).

2.1 預(yù)處理器

輸入數(shù)據(jù)包括前／后／駐車(chē)制動(dòng)數(shù)據(jù)、助力器數(shù)據(jù)、主缸數(shù)據(jù)、閥的數(shù)據(jù)及所需流體數(shù)據(jù).所有輸入

1.2 制動(dòng)盤(pán)的溫度估計(jì)

汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，其中有部分熱能增加了制動(dòng)盤(pán)的溫度.盤(pán)的溫度上升影響盤(pán)的摩擦系數(shù)，并改變汽車(chē)的制動(dòng)性能.溫度上升方程

圖3 由輸入減速度計(jì)算制動(dòng)壓力與管路壓力的流程圖

圖4 由輸入踏板力計(jì)算減速度的流程圖

2.3 后處理器

使用后處理器，可以將輸出文件以MS－EXCEL格式自動(dòng)打印出來(lái).

3 數(shù)據(jù)分析及驗(yàn)證

根據(jù)制動(dòng)踏板力繪制出減速度曲線、管路壓力分配曲線及踏板行程曲線，如圖5所示，它同時(shí)顯示了踏板力、助力器輸入／輸出力以及管路壓力之間的關(guān)系.可以重疊繪制多條曲線并改變坐標(biāo)軸設(shè)置.每根坐標(biāo)軸會(huì)根據(jù)每條曲線的最大值自動(dòng)調(diào)整.所有數(shù)據(jù)可以以文本文件形式查看，通過(guò)在對(duì)話框輸入數(shù)值來(lái)驗(yàn)證乘用車(chē)和商用車(chē)的制動(dòng)性能.部分輸出圖形如圖6所示.

圖5 四軸圖

圖6 輸出結(jié)果圖

當(dāng)汽車(chē)分別處于滿(mǎn)載及輕載時(shí)，力分配和壓力分配曲線分別代表理想與實(shí)際制動(dòng)力曲線.當(dāng)踏板力從10N變化到700N時(shí)，通過(guò)管路壓力顯示制動(dòng)壓力.同制動(dòng)壓力曲線一樣，當(dāng)助力器工作、停止以及汽車(chē)滿(mǎn)載、輕載時(shí)，管路壓力的變化也可以通過(guò)曲線表示.

所有的數(shù)據(jù)都可以定量驗(yàn)證，且容易分析，圖形與輸入數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)更新，可以方便地設(shè)計(jì)有效的制動(dòng)系統(tǒng).

表1給出了一些由本設(shè)計(jì)程序計(jì)算得到的估計(jì)值與實(shí)車(chē)測(cè)試值.他們之間誤差產(chǎn)生的一個(gè)主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管不能自動(dòng)反饋真空助力壓力的變化.本程序沒(méi)有考慮外界流入真空助力器以及由真空助力器流到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管的空氣壓力.表1所示誤差受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車(chē)車(chē)速的影響.由表1可知，估計(jì)值與實(shí)測(cè)值的最大誤差為6.6%，因此所開(kāi)發(fā)的程序可以較合理地預(yù)測(cè)汽車(chē)的制動(dòng)性能.

表1 估計(jì)值與試驗(yàn)值對(duì)比

4 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)了一種評(píng)價(jià)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)性能的程序，建立了制動(dòng)性能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù).該程序能方便地確定制動(dòng)性能的影響因素，如制動(dòng)力、制動(dòng)壓力、制動(dòng)效率及LSPV動(dòng)態(tài)特性.制動(dòng)系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和制動(dòng)特性采用 MS－EXCEL文件管理，制動(dòng)系統(tǒng)的每個(gè)組件都可以插入或獨(dú)立于整個(gè)系統(tǒng)中.

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