張軍，張宇，田博，郭冬妮，劉明明

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林長春 130011)

基于Pro/E的商用車制動(dòng)踏板性能優(yōu)化

張軍，張宇，田博，郭冬妮，劉明明

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林長春 130011)

商用車制動(dòng)踏板性能對(duì)于整車制動(dòng)性能有直接影響。國內(nèi)商用車制動(dòng)踏板設(shè)計(jì)方法處于起步階段，設(shè)計(jì)時(shí)通常采用對(duì)標(biāo)估算等方法確定制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致某重卡市場(chǎng)反饋制動(dòng)踏板力大，踏板感覺差。針對(duì)該問題，運(yùn)用Pro/E軟件結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)開發(fā)了考慮制動(dòng)踏板比隨制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)而變化的計(jì)算方法，計(jì)算精度高。通過調(diào)整制動(dòng)踏板關(guān)鍵尺寸從而調(diào)整踏板比，并優(yōu)化制動(dòng)閥曲線，有效解決了制動(dòng)踏板力大的問題，提高車輛安全。

商用車;制動(dòng)踏板;性能優(yōu)化;Pro/E軟件

0 引言

商用車制動(dòng)踏板性能對(duì)于整車制動(dòng)性能有直接影響。制動(dòng)踏板總成是整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的促動(dòng)者，在制動(dòng)系統(tǒng)中有很重要的作用。制動(dòng)過程控制是靠不斷調(diào)節(jié)踏板力和踏板行程實(shí)現(xiàn)的。駕駛員通過制動(dòng)踏板來感知車輛制動(dòng)減速度的大小，控制車輛的制動(dòng)強(qiáng)度，合理的制動(dòng)踏板性能可以讓駕駛員對(duì)車輛有更好的操縱性。因此，在設(shè)計(jì)階段一定要合理匹配制動(dòng)踏板性能。對(duì)某重卡進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研及道路試驗(yàn)時(shí)反饋：制動(dòng)踏板力大，主觀評(píng)價(jià)踏板感覺差。這是由于傳統(tǒng)計(jì)算方法沒有考慮制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)過程， 導(dǎo)致車輛常用減速度時(shí)制動(dòng)踏板比小且變化范圍大，從而導(dǎo)致制動(dòng)踏板力大，計(jì)算誤差大。作者運(yùn)用Pro/E軟件開發(fā)了考慮制動(dòng)踏板比隨制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)而變化的計(jì)算方法，可更加精確地應(yīng)用于制動(dòng)踏板設(shè)計(jì)開發(fā)過程中。

1 制動(dòng)踏板比傳統(tǒng)計(jì)算方法

制動(dòng)踏板比的傳統(tǒng)計(jì)算方法是不考慮制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)過程且制動(dòng)踏板處于初始位置時(shí)，如圖1所示，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：A為制動(dòng)踏板力作用線到旋轉(zhuǎn)軸中心的距離(mm)；B為頂桿力作用線到旋轉(zhuǎn)軸中心的距離(mm)。

制動(dòng)踏板力F的計(jì)算公式：

(2)

式中：Fv為制動(dòng)閥頂桿力(N)。

圖1 傳統(tǒng)制動(dòng)踏板比計(jì)算示意圖

對(duì)于車輛來說，整車總重力、整車前后軸荷分配、整車前后制動(dòng)力分配、前后制動(dòng)器及管路壓力等確定的情況下，要想通過制動(dòng)踏板總成的設(shè)計(jì)來達(dá)到性能指標(biāo)的要求，就只能通過合理匹配制動(dòng)踏板比和采用合適的制動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)。制動(dòng)閥頂桿力確定時(shí)，制動(dòng)踏板比越小，制動(dòng)踏板力越大。

利用以上經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得到某重卡制動(dòng)踏板比為6.6。

以上方法雖簡便易行，但是沒有考慮制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)過程中踏板比的變化，經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算存在較大誤差。目前制動(dòng)踏板設(shè)計(jì)目標(biāo)為車輛制動(dòng)減速度達(dá)到5 m/s2時(shí)，制動(dòng)踏板行程為40～60 mm，制動(dòng)踏板力為100～160 N；達(dá)到最大管路壓力時(shí)，制動(dòng)踏板力為200～300 N。

2 制動(dòng)踏板三維模型的建立與仿真

某重卡經(jīng)主觀評(píng)價(jià)和用戶反饋存在制動(dòng)踏板力大的問題。怎么查找原因呢？因此，迫切需要一種直接模擬制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)過程中制動(dòng)踏板力變化的計(jì)算方法。下面采用Pro/E三維軟件進(jìn)行建模仿真和驗(yàn)證。

利用Pro/E三維軟件建立制動(dòng)踏板總成模型，首先繪制各個(gè)零部件的三維實(shí)體模型。踩下制動(dòng)踏板的過程中，頂桿隨制動(dòng)踏板臂在制動(dòng)閥中壓縮活塞運(yùn)動(dòng)。踏板支架、旋轉(zhuǎn)軸、制動(dòng)閥之間無相對(duì)位移運(yùn)動(dòng)，一般作為剛性連接處理。裝配過程中除了要保證各部件的位置關(guān)系，還要定義相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，先將以制動(dòng)踏板臂和踏板支架、旋轉(zhuǎn)軸等剛性連接為主體的兩部分進(jìn)行 “銷”“槽”裝配連接，然后頂桿與裝配好的總成再進(jìn)行“銷”“槽”裝配連接。伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)軸設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸上，然后設(shè)置伺服電動(dòng)機(jī)曲線，讓制動(dòng)踏板勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，以模擬制動(dòng)踏板的運(yùn)動(dòng)過程。裝配好的制動(dòng)踏板三維模型作為后續(xù)制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)過程中數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，制動(dòng)踏板三維模型的定義過程分別如圖2—5所示。

圖2 制動(dòng)踏板三維仿真模型(初始位置)

圖3 運(yùn)動(dòng)部件“銷”“槽”裝配設(shè)置

圖4 伺服電動(dòng)機(jī)定義

圖5 伺服電動(dòng)機(jī)曲線

將在三維模型中定義運(yùn)動(dòng)過程中需要關(guān)注的數(shù)據(jù)A和B、制動(dòng)踏板行程L、頂桿行程s作為特征在模型樹中創(chuàng)建，以便在運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)束后獲得它們與時(shí)間的對(duì)應(yīng)曲線。制動(dòng)踏板仿真模型的運(yùn)動(dòng)過程為連續(xù)變化的過程，在運(yùn)動(dòng)過程中，各個(gè)連接點(diǎn)位置隨制動(dòng)踏板的位置變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真。運(yùn)行三維仿真模型后，結(jié)果如圖6所示。

圖6 制動(dòng)踏板三維仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)采集結(jié)果

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)可獲得A值、B值以及制動(dòng)踏板行程L、頂桿行程s的曲線，分別如圖7—10所示。

圖7 A值曲線

圖8 B值曲線

圖9 制動(dòng)踏板行程L曲線

圖10 頂桿行程s曲線

將三維仿真模型中采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入公式(1)中可得制動(dòng)踏板比隨制動(dòng)踏板行程的變化曲線，如圖11所示。

圖11 優(yōu)化前制動(dòng)踏板比變化曲線

由制動(dòng)踏板比的變化曲線可知：制動(dòng)踏板比從最小6.6到最大7.5，制動(dòng)踏板比偏小，而且變化范圍大。整個(gè)踩踏過程中制動(dòng)踏板比都比較小，所以制動(dòng)踏板力比較大。根據(jù)制動(dòng)閥臺(tái)架靜特性試驗(yàn)曲線，如圖12所示，結(jié)合制動(dòng)踏板力計(jì)算公式(3)可得不同頂桿行程時(shí)的制動(dòng)踏板力Fi的理論計(jì)算曲線：

(3)

式中：Fvi為不同頂桿行程時(shí)制動(dòng)閥頂桿力(N)。

圖12 優(yōu)化前制動(dòng)閥靜特性曲線

如圖13所示，根據(jù)仿真結(jié)果及制動(dòng)踏板性能曲線，結(jié)合道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)，車輛的制動(dòng)減速度達(dá)到5 m/s2時(shí)，制動(dòng)踏板比為6.9，制動(dòng)踏板行程為71 mm,制動(dòng)踏板力為240 N，最大管路壓力時(shí)制動(dòng)踏板力為305 N,均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)比國外樣車，車輛減速度達(dá)到5 m/s2時(shí)制動(dòng)踏板比達(dá)到了7.5～8.3。

圖13 優(yōu)化前制動(dòng)踏板性能曲線

3 制動(dòng)踏板性能優(yōu)化

綜合制動(dòng)踏板三維仿真數(shù)據(jù)并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：原車制動(dòng)踏板力大的主要原因是制動(dòng)踏板比小，變化范圍大，且制動(dòng)閥頂桿力大。因此，需要從制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)和制動(dòng)閥曲線兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化以減小制動(dòng)踏板力。

3.1 制動(dòng)踏板關(guān)鍵尺寸優(yōu)化

對(duì)制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖14所示，調(diào)節(jié)制動(dòng)踏板總成關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)尺寸，從而調(diào)節(jié)制動(dòng)踏板比及其變化范圍，提高制動(dòng)踏板比。制動(dòng)踏板比的大小與圖14中旋轉(zhuǎn)軸中心到制動(dòng)閥中心距離C、頂桿銷軸運(yùn)動(dòng)軌跡半徑D和旋轉(zhuǎn)軸中心到制動(dòng)閥安裝平面高度E有關(guān)，而制動(dòng)踏板比的變化則與頂桿銷軸點(diǎn)初始安裝夾角θ1的選擇相關(guān)。

圖14 制動(dòng)踏板關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)尺寸簡化模型

優(yōu)化前后制動(dòng)踏板關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。

優(yōu)化后制動(dòng)踏板比從最小7.8到最大8.2，明顯提高了制動(dòng)踏板比，且改善了制動(dòng)踏板比變化穩(wěn)定性，如圖15所示。

圖15 優(yōu)化后制動(dòng)踏板比變化曲線

通過優(yōu)化制動(dòng)踏板關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)尺寸，使得制動(dòng)踏板比由原來的6.9提高到8.1，且改善了制動(dòng)踏板比的穩(wěn)定性，減小了制動(dòng)踏板力。

3.2 制動(dòng)閥曲線優(yōu)化

制動(dòng)閥的性能主要與閥體上下腔活塞直徑、橡膠彈簧剛度、進(jìn)氣通道的通徑和排氣開度有關(guān)，通過優(yōu)化這些參數(shù)得到優(yōu)化后的制動(dòng)閥性能曲線，如圖16所示。

優(yōu)化后的制動(dòng)閥在相同頂桿位移下頂桿力更小，而輸出制動(dòng)氣壓更高，制動(dòng)減速度更大，如圖17所示。

圖16 優(yōu)化后制動(dòng)閥靜特性曲線

圖17 優(yōu)化后制動(dòng)踏板性能曲線

根據(jù)優(yōu)化后的制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)和制動(dòng)閥曲線，如圖17所示，車輛的制動(dòng)減速度達(dá)到5 m/s2時(shí)，制動(dòng)踏板比為8，制動(dòng)踏板行程為46.8 mm，制動(dòng)踏板力為118 N，最大管路壓力時(shí)制動(dòng)踏板力為250 N,均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)道路試驗(yàn)主觀評(píng)價(jià)，制動(dòng)踏板感覺良好。

4 結(jié)束語

研究了考慮制動(dòng)踏板比隨制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)而變化的Pro/E三維仿真計(jì)算方法，與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)能方便地計(jì)算各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制動(dòng)踏板模型；

(2)考慮了制動(dòng)踏板比隨制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)而變化的過程，計(jì)算精度高。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可知，Pro/E三維仿真方法計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。將該方法應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，可以更加準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)制動(dòng)踏板性能，減小制動(dòng)踏板力，提高車輛安全。

【1】沈言行.汽車設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].長春:長春汽車研究所,1998.

【2】林志軒,高曉杰.制動(dòng)踏板感覺研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2007(6)：4-7. LIN Z X,GAO X J.The Research Summarization of the Brake Pedal Feeling[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering,2007(6)：4-7.

【3】劉少軍,羅以嬌.商用車常規(guī)制動(dòng)踏板感覺研究[J].汽車科技，2013(3)：36-39. LIU S J,LUO Y J.Research of Commercial Vehicle on Brake Pedal Feeling[J].Automobile Technology,2013(3)：36-39.

Performance Optimization of Commercial Vehicle Brake Pedal Based on Pro/E

ZHANG Jun, ZHANG Yu, TIAN Bo, GUO Dongni, LIU Mingming

(Research & Development Center, China FAW Co., Ltd.,Changchun Jilin 130011,China)

Commercial vehicle brake pedal performance can influence the vehicle braking performance directly. The brake pedal design method of the commercial vehicle is in the initial stage. Engineers usually use estimating method to determine the brake pedal structure, resulting large brake pedal force and poor pedal feel in a heavy truck market feedback. According to this problem, the calculation method considering the change of brake pedal ratio with the motion process of the brake pedal was explored with Pro/E software combined with test data, and the calculation accuracy was high. Therefore, the brake pedal ratio was adjusted by adjusting the key sizes of the brake pedal, and the brake valve performance curves were optimized. So the problem of the large brake pedal force is solved effectively and the vehicle safety is improved.

Commercial vehicle; Brake pedal; Performance optimization; Pro/E software

2017-02-26

張軍(1982—)，碩士，工程師，從事汽車底盤設(shè)計(jì)。E-mail：zhangjun@rdc.faw.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.004

U463.5

A

1674-1986(2017)05-019-04