孟欽定， 張文軍

（大運(yùn)汽車股份有限公司， 山西 運(yùn)城 044000）

引言

汽車制動性能是車輛行駛安全的重要保證，制動距離是制動性能重要的組成部分，是駕駛員可直接感知的整車性能，對評價(jià)制動系統(tǒng)的優(yōu)劣起到了關(guān)鍵性作用。作為汽車日常行駛中重要的性能指標(biāo)，制動距離越來越受到重視，尤其在相關(guān)媒體新車型測評報(bào)告中占有越來越重的權(quán)重。因此，國內(nèi)外各大汽車公司，不惜花費(fèi)大量的人力物力專門從事該方面的研究、調(diào)試及試驗(yàn)。

目前，國內(nèi)主機(jī)廠對于制動距離的計(jì)算及分析手段還比較原始，不能精確地反應(yīng)車輛的真實(shí)情況，對制動距離的設(shè)計(jì)及控制缺乏系統(tǒng)性且標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的解決方案，大部分主機(jī)廠主要依靠后期的調(diào)校解決制動距離長等性能不足的問題。

為了能夠在整車設(shè)計(jì)階段對制動距離性能的有效把控，減少后期調(diào)校的周期及成本，本研究嘗試在設(shè)計(jì)前期及中期引入仿真分析技術(shù)，研究整車各系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)參數(shù)與整車性能之間的關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，從而避免由于設(shè)計(jì)后期或試驗(yàn)階段才發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷及其所帶來的大量的優(yōu)化整改工作。

1 常規(guī)計(jì)算

目前國內(nèi)主機(jī)廠及設(shè)計(jì)公司對于制動距離的計(jì)算通常采用以下公式：

式中：S為制動距離；t1為制動機(jī)構(gòu)滯后時(shí)間；t2為制動力增長所需時(shí)間；v0為整車初速度；vj為減速度。

上述公式是基于理想整車模型推導(dǎo)得出的，其忽略了整車懸架、輪胎、行駛等系統(tǒng)動態(tài)特性對制動距離的影響。所以得出的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，有較大誤差。

2 制動距離仿真

通過搭建整車仿真模型，可將很多復(fù)雜的計(jì)算公式集成到一起，通過對時(shí)間的積分，得出與實(shí)際誤差較小的仿真結(jié)果。進(jìn)行整車制動距離仿真時(shí)，可以將懸架、輪胎、行駛等各系統(tǒng)動態(tài)特性考慮進(jìn)去，這樣得出的仿真結(jié)果具有實(shí)時(shí)性，更加接近于現(xiàn)實(shí)。

將系統(tǒng)仿真融入到整車的開發(fā)過程中，可在設(shè)計(jì)前期對制動距離的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行可行性分析，從而避免因目標(biāo)值的設(shè)置不合理導(dǎo)致的大量反復(fù)整改工作；在設(shè)計(jì)中期可通過對制動系統(tǒng)參數(shù)的仿真，提前發(fā)現(xiàn)制動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷并解決，防患于未然。

市場上仿真類軟件較多，比如METLAB、Carsim、AMESim 等，這些軟件均可進(jìn)行整車制動距離的仿真。想要對制動距離進(jìn)行有效控制，軟件的選擇并不是重點(diǎn)，關(guān)鍵是在整車開發(fā)各階段如何應(yīng)用仿真來識別開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、指引設(shè)計(jì)方向。

以下基于AMESim 對仿真在整車制動距離性能開發(fā)過程中的部分應(yīng)用進(jìn)行說明。

2.1 仿真的應(yīng)用方式

仿真的目的主要有設(shè)計(jì)指引、方案驗(yàn)證、問題排查等，在整車各開發(fā)階段，仿真的應(yīng)用目的是不同的。常見的應(yīng)用方式如表1 所示。

表1 仿真的常見應(yīng)用方式

2.2 仿真流程

制動距離的仿真流程如下頁圖1 所示。

2.3 仿真模型

制動距離仿真需要搭建整車模型，應(yīng)至少包含上車體、制動系統(tǒng)、減震器及輪胎、路面，電動車需包含能量回收模型，如圖2 所示。

圖1 制動距離仿真流程

圖2 某車型制動距離仿真模型

整車主要考慮軸荷分布、質(zhì)心位置、風(fēng)阻對制動距離的影響。整車模型需設(shè)定前/后軸荷、前/后簧載質(zhì)量、前/后非簧載質(zhì)量、風(fēng)阻系統(tǒng)、迎風(fēng)面積、初始速度、質(zhì)心高度等參數(shù)。

懸架主要考慮剛度及阻尼對制動距離的影響。懸架模型需設(shè)定前/后懸架質(zhì)量、前/后懸架剛度（非線性）、前/后懸架阻尼（非線性）等。

輪胎與地面主要考慮動態(tài)滾動半徑、附著系數(shù)對制動距離的影響。輪胎模型需設(shè)定輪胎靜/動摩擦系數(shù)、輪胎自由半徑、輪胎滾動半徑、輪胎額定載荷、輪胎剛度及阻尼、抓地力系數(shù)等參數(shù)。

踏板主要考慮踏板與助力器相對運(yùn)動過程中杠桿比的變化及效率的變化對制動距離的影響；前圍板主要考慮結(jié)構(gòu)剛度對制動距離的影響。踏板模型需設(shè)定踏板臂結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、銷軸摩擦系數(shù)及阻尼、回位簧剛度及初始回位力等參數(shù)。

助力器主要考慮真空度、始動力、跳躍值、助力比、拐點(diǎn)等對制動距離的影響。助力器需設(shè)定助力器彈簧、橡膠閥、活塞、反饋盤等參數(shù)。

主缸需配合助力器考慮對制動距離的影響。主缸模型需設(shè)定缸徑、回位簧、行程、注油孔等參數(shù)。

制動管路主要考慮軟管對制動距離的影響。管路模型需設(shè)定管徑、壁厚、長度、材料模量等參數(shù)。

制動器主要考慮卡鉗、摩擦片結(jié)構(gòu)參數(shù)對制動距離的影響。制動器模型需設(shè)定缸徑、摩擦系數(shù)、制動半徑、密封圈、卡鉗剛性等參數(shù)。

2.4 仿真參數(shù)

仿真參數(shù)的輸入應(yīng)參考以下原則：對制動距離仿真結(jié)果影響大的參數(shù)應(yīng)力求準(zhǔn)確、詳細(xì)，影響小的參數(shù)盡量簡化。常規(guī)仿真參數(shù)如表2 所示。

表2 某車型制動距離仿真參數(shù)匯總表

2.5 仿真項(xiàng)目

2.5.1 制動距離目標(biāo)值可行性的仿真分析

在該分析項(xiàng)中，主要目的是為了驗(yàn)證在整車開發(fā)初期對制動距離設(shè)定的目標(biāo)值是否合理、有效、可行。通過仿真，可以輸出相關(guān)系統(tǒng)的期望性能，尤其是輪胎的縱滑曲線，可以作為后期輪胎匹配開發(fā)的依據(jù)，如圖3 所示。

圖3 某車型期望的輪胎縱滑特性曲線

2.5.2 多工況制動距離的仿真分析

該分析項(xiàng)應(yīng)處于制動距離目標(biāo)可行性分析之后，伴隨其之后的整個(gè)制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，不斷完善制動系統(tǒng)參數(shù)的匹配，保證制動距離性能得到有效控制。該分析項(xiàng)也可用于后期多方案優(yōu)化對比，為工程師提供優(yōu)化思路。某車型制動距離仿真結(jié)果如圖4 所示。

3 結(jié)語

在整車研發(fā)過程中引入仿真技術(shù)，可實(shí)時(shí)觀察并分析制動踏板輸入到制動鉗輸出的整個(gè)回路中任意一部件的動態(tài)響應(yīng)，了解整個(gè)系統(tǒng)的動態(tài)特性，找到影響制動距離的主要因素。通過仿真有助于工程師在設(shè)計(jì)階段對制動距離的性能進(jìn)行直觀且有效的評估、把控，減少后期試驗(yàn)次數(shù)，縮短研發(fā)周期，降低成本，為未來制動系統(tǒng)的開發(fā)提供了一種全新且有效的設(shè)計(jì)思路和手段。

圖4 某車型制動距離仿真結(jié)果