封萬(wàn)程 張曉豐 劉學(xué)術(shù) 陳世榮

摘? 要：本文首先利用AMESim軟件針對(duì)某輕型載貨汽車所采用的雙膜片彈簧真空助力制動(dòng)系統(tǒng)建立了仿真模型，包括制動(dòng)踏板、真空助力器、制動(dòng)主缸、制動(dòng)管路及制動(dòng)器，并以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為參照驗(yàn)證了仿真模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真研究，分析了制動(dòng)踏板位移與制動(dòng)力、踏板位移與制動(dòng)管路油壓、踏板位移與制動(dòng)減速度及踏板力與制動(dòng)減速度之間的關(guān)系，為優(yōu)化該車制動(dòng)系統(tǒng)提升制動(dòng)踏板感覺(jué)創(chuàng)造了條件。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)系統(tǒng);真空助力器;制動(dòng)主缸;制動(dòng)踏板感覺(jué)

中圖分類號(hào)：U436.52? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2019）04-0024-07

Abstract： Simulation model of a light-duty truck braking system with double-diaphragm spring vacuum booster was established in AMESim software including brake pedal， vacuum booster， brake master cylinder， brake hose and brakes. After the validity of the model was proved by compared to experimental results， static and dynamic simulations were carried out and the relationships between brake pedal displacement and brake pedal force， brake pedal displacement and pipe pressure， brake pedal displacement and brake deceleration and brake pedal force and brake deceleration were created， which can be used to optimize the braking system of the truck and improve braking feel as well.

汽車制動(dòng)時(shí)，駕駛員可以感受到由制動(dòng)踏板力、制動(dòng)踏板位移及制動(dòng)減速度共同組成的制動(dòng)踏板感覺(jué)，如圖1所示。制動(dòng)踏板感覺(jué)是用來(lái)評(píng)價(jià)車輛制動(dòng)性能、安全性能及舒適性能的重要指標(biāo)之一，其好壞直接影響消費(fèi)者對(duì)車輛品質(zhì)的評(píng)價(jià)。因此，現(xiàn)在汽車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要滿足汽車制動(dòng)安全性的基本要求，還應(yīng)具有良好的制動(dòng)踏板感覺(jué)。

關(guān)于制動(dòng)踏板感覺(jué)的研究，早在1994年通用公司的EBERT等提出BFI的概念，首次將主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。泛亞汽車技術(shù)中心的石永金等提出用制動(dòng)感覺(jué)指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)車輛制動(dòng)踏板感覺(jué)，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)踏板感覺(jué)的量化研究[2]。王天利等利用AMESim軟件建立了帶單膜片彈簧真空助力器的制動(dòng)系統(tǒng)模型并重點(diǎn)研究了制動(dòng)軟管膨脹、制動(dòng)襯塊與制動(dòng)盤(pán)間隙對(duì)制動(dòng)踏板感覺(jué)的影響[3]。同濟(jì)大學(xué)的孟建德等建立了包含關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件、氣體和液體的真空助力器-制動(dòng)主缸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，開(kāi)展了面向制動(dòng)踏板感覺(jué)的系統(tǒng)特性研究[4]。江蘇大學(xué)的陳燎等提出了一種用于電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的踏板模擬機(jī)構(gòu)，建立了仿真模型[5]。吉林大學(xué)的劉楊針對(duì)電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)踏板感覺(jué)開(kāi)展了研究[6，7]。北京汽車研究總院的鄭素云等提出了一種制動(dòng)踏板感覺(jué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析的標(biāo)準(zhǔn)化方法用于不同試驗(yàn)結(jié)果的比較[8]。奇瑞汽車的張靜初針對(duì)某自主品牌的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，將制動(dòng)踏板感覺(jué)家族化，提升了產(chǎn)品的可靠性和通用性[9]。武漢理工大學(xué)的裴曉飛等人應(yīng)用AMESim軟件建立了制動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)仿真模型，采用制動(dòng)踏板感覺(jué)指數(shù)評(píng)價(jià)體系對(duì)某試驗(yàn)車的制動(dòng)踏板進(jìn)行了客觀評(píng)價(jià)，并提出了優(yōu)化方案[10]。

本文首先針對(duì)某輕型載貨汽車制動(dòng)系統(tǒng)建立了面向制動(dòng)踏板感覺(jué)研究的模型并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確性。之后，針對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)展了制動(dòng)踏板感覺(jué)研究，分析了制動(dòng)踏板位移與制動(dòng)力、踏板位移與制動(dòng)管路油壓、踏板位移與制動(dòng)減速度及踏板力與制動(dòng)減速度之間的關(guān)系。

1? ? 制動(dòng)系統(tǒng)建模

1.1? ?制動(dòng)踏板模型

制動(dòng)踏板的作用是將施加到踏板上的作用力按照踏板杠桿比成倍放大并輸入到后續(xù)機(jī)構(gòu)中，并直接反饋踏板感覺(jué)。本文車型所采用的吊掛式制動(dòng)踏板被簡(jiǎn)化為靜力學(xué)杠桿模型，忽略了踏板的慣性量。

制動(dòng)踏板相關(guān)參數(shù)如表1所示，其中L1為制動(dòng)踏板輸入點(diǎn)到制動(dòng)踏板支點(diǎn)的距離，mm;L2為制動(dòng)踏板輸出點(diǎn)到制動(dòng)踏板支點(diǎn)的距離，mm;L3為回位彈簧支點(diǎn)到制動(dòng)踏板支點(diǎn)的距離，mm;Fs0為回位彈簧預(yù)緊力，N;Ks為回位彈簧剛度，N/mm。依據(jù)所給參數(shù)，在AMESim軟件中構(gòu)件制動(dòng)踏板仿真模型，如圖2所示。圖中1為制動(dòng)踏板輸入信號(hào);2為制動(dòng)踏板臂;3為回位彈簧;4用于模擬制動(dòng)踏板與真空助力器間隙。

1.2? ?真空助力器模型

真空助力器主要是由真空助力器控制閥、橡膠反作用盤(pán)和膜片前后腔室組成，其性能對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)性能影響很大。

真空助力器控制閥門的初始狀態(tài)是真空閥打開(kāi)、大氣閥關(guān)閉，此時(shí)膜片前后腔室連通，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知此時(shí)前后腔的真空度為66.7±1.3kPa。當(dāng)輸入力抵消真空彈簧和空氣彈簧預(yù)緊力后，推桿開(kāi)始向前移動(dòng)。由于結(jié)構(gòu)中存在間隙，大氣閥不能在第一時(shí)間打開(kāi)。隨著輸入力的不斷增加，直到真空閥關(guān)閉、大氣閥打開(kāi)，膜片前后腔室開(kāi)始產(chǎn)生壓差，真空助力器才開(kāi)始起作用。此后，隨著輸入力的不斷增加，真空閥為常閉狀態(tài)，大氣閥不斷由開(kāi)啟變?yōu)殛P(guān)閉，真空助力器輸出力按助力比成倍增加，直到有效助力超過(guò)最大助力點(diǎn)后，真空助力器后腔室真空度為零時(shí)助力器不再起作用。在AMESim軟件中構(gòu)建的控制閥門仿真模型如圖3所示。

橡膠反作用盤(pán)與相鄰部件關(guān)系如圖4所示。當(dāng)大氣閥們打開(kāi)時(shí)，推桿柱塞與橡膠反作用盤(pán)之間的間隙剛好閉合，此時(shí)輸入力由橡膠反作用盤(pán)主面?zhèn)鞯礁泵?。由于橡膠反作用盤(pán)為不可壓縮的柔性材質(zhì)，可像液體一樣傳遞壓力，故可將橡膠反作用盤(pán)等效成兩個(gè)相連的液壓缸。橡膠反作用盤(pán)的力學(xué)模型可見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

在AMESim軟件中構(gòu)建的橡膠反作用盤(pán)模型如圖5所示。通過(guò)對(duì)兩個(gè)液壓腔元件設(shè)置活塞直徑和推桿直徑，并設(shè)置等效彈簧剛度和彈簧預(yù)緊力后可輸出制動(dòng)系統(tǒng)的始動(dòng)力和跳躍值。兩液壓腔元件橫截面積之比即為真空助力器的助力比。

本文所研究的真空助力器為雙膜片彈簧設(shè)置，故可將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為四個(gè)雙活塞氣壓缸，氣壓缸的活塞等效為兩個(gè)中間膜片，氣壓缸的腔室等效為真空助力器的大氣腔和真空腔，如圖6所示。

真空助力器總成的仿真模型如圖7所示，其中柱塞位移傳感器和閥門位移傳感器用于控制大氣閥門的開(kāi)啟和關(guān)閉，閥門位移傳感器和膜片位移傳感器用于控制真空助力器的開(kāi)啟和關(guān)閉。真空助力器仿真模型中的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如表2所示。

1.3? ?制動(dòng)主缸模型

制動(dòng)主缸幾何尺寸對(duì)制動(dòng)踏板感覺(jué)有著直接的影響，如主缸直徑的大小對(duì)踏板行程、制動(dòng)管路油壓特性及制動(dòng)踏板軟硬等均有影響。制動(dòng)主缸的力學(xué)模型可見(jiàn)文獻(xiàn)[10]，仿真模型如圖8所示。其中端口5為真空助力器輸入的力載荷，端口1、2、3、4分別輸出液壓至四個(gè)制動(dòng)輪缸。

參照《汽車液壓制動(dòng)主缸技術(shù)條件》中對(duì)制動(dòng)主缸性能的要求來(lái)設(shè)置制動(dòng)主缸關(guān)參數(shù)，如表3所示。

1.4? ?制動(dòng)管路模型

汽車制動(dòng)管路分為制動(dòng)硬管和制動(dòng)軟管，制動(dòng)硬管在制動(dòng)壓力變化后體積幾乎沒(méi)有變化，可忽略其對(duì)會(huì)制動(dòng)踏板感覺(jué)的影響;而制動(dòng)軟管在制動(dòng)壓力變大后直徑有較明顯的膨脹，對(duì)制動(dòng)踏板感覺(jué)有一定的影響。本文所建模型中僅考慮制動(dòng)軟管對(duì)制動(dòng)踏板感覺(jué)的影響。

仿真模型如圖9所示。AMESim軟件中給出了三種制動(dòng)軟管等效模量的計(jì)算方法，本文采用設(shè)置管路直徑、壁厚和管路材料樣式模型的方法進(jìn)行設(shè)置。制動(dòng)管路具體參數(shù)見(jiàn)表4。

1.5? ?制動(dòng)卡鉗模型

本研究以浮動(dòng)鉗盤(pán)式卡鉗為研究對(duì)象，制動(dòng)過(guò)程中不考慮鉗體的變形，忽略制動(dòng)塊與制動(dòng)器支架之間的摩擦，同時(shí)不考慮鉗體內(nèi)壓力損失。

制動(dòng)卡鉗的仿真模型如圖10所示，其中端口2用于輸入管路油壓，端口1用于輸出制動(dòng)力矩。

根據(jù)《液壓制動(dòng)鉗總成性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》中對(duì)制動(dòng)鉗參數(shù)的要求，本文中所用制動(dòng)卡鉗參數(shù)設(shè)置如表5所示。

1.6? ? 制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

基于上述制動(dòng)系統(tǒng)各組成元件仿真模型的構(gòu)建，最終形成了制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，如圖11所示。模型的左側(cè)為雙軸車輛仿真模型，右側(cè)為制動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)仿真模型。

2? ? 制動(dòng)系統(tǒng)仿真分析

2.1? ?真空助力器仿真模型的驗(yàn)證

在AMESim軟件中，應(yīng)用所建真空助力器仿真模型可得到真空助力器輸出特性曲線，與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比結(jié)果如圖12所示。

由圖中可見(jiàn)，仿真模型輸出結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度很高。通過(guò)對(duì)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的相對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算（如表6所示），仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比最大相對(duì)誤差僅為6.67%，證明了所建雙膜片彈簧真空助力器仿真模型的正確性。

2.2? ? 制動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)仿真

《真空助力器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中施加踏板力的標(biāo)準(zhǔn)為：在助力器的輸入推桿上以150N/s～300 N/s的速率連續(xù)加載到最大助力點(diǎn)的130% 以上，輸入信號(hào)時(shí)間持續(xù)8s，輸入力最大從0N連續(xù)增加到400N。通過(guò)仿真可得到制動(dòng)踏板位移、制動(dòng)踏板力和制動(dòng)管路油壓三者的相互關(guān)系曲線。

圖13為制動(dòng)踏板力與制動(dòng)管路油壓關(guān)系曲線。由圖可以看出曲線變化主要是受真空助力器特性曲線的影響。曲線A-B段，真空助力器產(chǎn)生跳躍值，制動(dòng)管路中油壓迅速增加;曲線B-C段，真空助力器產(chǎn)生伺服力，制動(dòng)管路中的油壓快速上升;曲線C-D段，真空助力器已達(dá)到最大阻力點(diǎn)，推桿力直接作用在主缸上，油壓增速放緩。

圖14為制動(dòng)踏板位移和制動(dòng)踏板力關(guān)系曲線。曲線A-B段，當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)中存在間隙時(shí)，隨著踏板輸入力的增加踏板位移迅速增加，且曲線近似為水平直線;曲線B-C段，真空助力器開(kāi)始助力，踏板位移隨制動(dòng)踏板力的增加而增加，此時(shí)制動(dòng)腳感偏硬;曲線C-D段，真空助力器已達(dá)到最大助力點(diǎn)，制動(dòng)踏板輸入力直接作用在制動(dòng)主缸推桿，較大的踏板力增加只能引起較小的踏板位移，曲線斜率變大，制動(dòng)腳感較B-C段更硬。

圖15為制動(dòng)踏板位移和制動(dòng)管路油壓的關(guān)系曲線。曲線A-B段，制動(dòng)系統(tǒng)存在間隙時(shí)隨著制動(dòng)踏板位移的增加制動(dòng)管路油壓增加緩慢;曲線B-C段，此時(shí)真空助力器開(kāi)始助力，制動(dòng)管路油壓隨制動(dòng)踏板位移迅速增加;曲線C-D段，真空助力器已達(dá)到最大助力點(diǎn)，較大的制動(dòng)踏板位移才能使制動(dòng)管路油壓有明顯變化，制動(dòng)管路油壓增速減緩。

2.3? ?制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真

圖16為空載和滿載兩個(gè)工況下踏板力與制動(dòng)減速度的關(guān)系曲線，實(shí)線為空載工況曲線，虛線為滿載工況曲線?？蛰d工況時(shí)，曲線A-B段，制動(dòng)管路中還沒(méi)有建立起油壓，車輛屬于滑行狀態(tài)，受到滾動(dòng)助力和風(fēng)阻等阻力，有較小的減速度，此時(shí)駕駛員幾乎感覺(jué)不到制動(dòng)減速;曲線B-C段，真空助力器產(chǎn)生跳躍值，制動(dòng)減速度有明顯的增加，駕駛員開(kāi)始感覺(jué)到車輛的制動(dòng)減速度;曲線C-D段，制動(dòng)減速度隨著踏板力的增加而持續(xù)增加;曲線D-E段，車輛開(kāi)始滑移，空載情況下制動(dòng)減速度不能繼續(xù)增加。圖中可以看出，滿載工況下車輛沒(méi)有產(chǎn)生滑移，真空助力器在曲線后部達(dá)到最大助力點(diǎn)，制動(dòng)減速度增速減緩。

圖17為制動(dòng)踏板位移和制動(dòng)減速度關(guān)系曲線，其中實(shí)線為空載工況曲線，虛線為滿載工況曲線。對(duì)于空載工況，曲線A-B段，即使制動(dòng)系統(tǒng)有間隙時(shí)制動(dòng)減速度基本保持不變;曲線B-C段，制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生壓力但真空助力器沒(méi)有達(dá)到平衡狀態(tài)，因此制動(dòng)減速度增加緩慢;曲線C-D段，真空助力器未達(dá)到最大助力點(diǎn)，制動(dòng)減速度相對(duì)制動(dòng)踏板位移持續(xù)增加;曲線D-E段，車輛開(kāi)始滑移，制動(dòng)減速度保持穩(wěn)定。滿載工況相較空載工況，曲線趨勢(shì)基本相同，在曲線后部車輛未出現(xiàn)滑移，此時(shí)真空助力器已達(dá)最大助力點(diǎn)，踏板力直接作用在主缸上，制動(dòng)減速度隨制動(dòng)踏板位移的增加而緩慢增加。

2.4? ?控制閥間隙絕對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的影響

真空助力器控制閥門間隙對(duì)真空助力器特性曲線的影響如圖18所示。從圖中可以看出，真空助力器閥門間隙對(duì)始動(dòng)力、跳躍值和最大助力點(diǎn)均有影響，從圖中提取各重要參數(shù)點(diǎn)，如表7所示：

從表中可以看出，隨著控制閥門間隙的增大，制動(dòng)系統(tǒng)始動(dòng)力有所增加，但影響較小;跳躍值有明顯的增加，這將會(huì)影響制動(dòng)初始階段車輛的制動(dòng)減速度;而對(duì)最大助力的影響可忽略不計(jì)。

3? ? 結(jié)論

利用AMESim軟件建立了整個(gè)制動(dòng)器系統(tǒng)模型，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所建雙膜片彈簧真空助力制動(dòng)器模型的有效性。

在對(duì)某輕型載貨汽車的制動(dòng)系統(tǒng)建模仿真后發(fā)現(xiàn)該車在滿載時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法提供足夠的制動(dòng)力，需要對(duì)該車的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足滿載時(shí)的制動(dòng)要求。

真空助力器控制閥間隙的增加對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)始動(dòng)力的影響十分有限，而對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)跳躍值的影響十分明顯，這樣對(duì)車輛制動(dòng)初期的減速度產(chǎn)生影響。

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