某微型轎車制動能力不足原因分析及整改措施

雷 林，程京成

（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥，230601）

汽車的制動性能是汽車的主要性能之一。制動性能直接關系到交通安全，重大交通事故往往與制動距離太長、緊急制動時發生側滑等情況相關，故汽車的制動性能是汽車安全行駛的重要保障。現在轎車的最高設計車速都很高，這更需要車輛具備良好的制動性能。改善汽車的制動性能，始終是汽車設計制造部門的重要任務［1］。

汽車的制動性能主要有三個方面進行評價：制動效能、制動效能的恒定性和制動時汽車的方向穩定性。國家標準中對這三項都有明確的強制要求，其中對乘用車制動效能的要求太低，雖然標準GB21670－2008對乘用車制動效能的要求比GB12676－1999有所提升，但仍不符合市場的要求。因此各大汽車廠家評價車輛的制動效能時會結合市場要求，制定各自的評價標準。如國標要求M1類車初速度100 km/h的制動距離為不大于70 m［2］，而江淮企業的設計標準要求為不大于45 m，兩者要求的差距較大。

我公司某款微型轎車在開發初期，其制動距離不滿足設計規定的標準要求，為了保證產品上市后的競爭力，必須提升其制動性能。本文通過理論分析和試驗相結合的方法，最終順利完成整改。

1 原因分析及整改

1.1 制動性能現狀

為了較好的評價該款轎車制動性能水平，我們將其與進口標桿車和市場上銷售火爆的某款競品車進行了制動性能對比試驗，具體數據見表1。

表1 制動距離數據對比

通過表中的試驗數據對比可以看出，該車的制動距離與競品車相當，與標桿車存在一定的差距，且不滿足江淮的企業標準要求。我們制定的整改目標是達到企業標準要求，接近或超過標桿車水平。

1.2 原因分析

我們在試驗時發現，制動踏板力在試驗規定的小于500 N范圍內無法觸發ABS系統工作，此時制動距離偏長；當用踏板力超過1 200 N時能觸發ABS工作，此時的制動距離能滿足技術要求。因此我們判斷是制動系統產生的制動力不足，需要對制動力進行理論分析。

1.2.1 制動器制動力

在輪胎周緣為了克服制動器摩擦力矩所需的力為制動器制動力，以符號Fμ表示。

式中：Tμ為制動器的制動力矩（N·m）；r為輪胎滾動半徑（m）。

假定襯塊的摩擦表面全部與制動盤接觸，且各處單位壓力分布均勻，則制動器制動力矩為

式中：f為摩擦因數；F0為單側制動襯塊對制動盤的壓緊力（N）；R為有效作用半徑（m）。

式中：P 為制動管路壓強（Pa）；s為輪缸面積（m2）；Fe為助力器輸出力（N）；d 為輪缸缸徑（m）；D 為主缸缸徑（m）。

通過已知的踏板杠桿比和真空助力器助力特性曲線，我們可以得出500 N踏板力下的Fe，由公式（1）、（2）、（3）可以算出前制動器所能提供的總制動力為9 667.1 N，后制動器為3 398.9 N，考慮到實車制動系統效率一般只有0.9左右，因此實車狀態下該車的前后軸制動力為8 700.4 N和2 753.1 N。

1.2.2 樣車制動時地面制動力

圖1是汽車在水平路面上制動時的受力情形。圖中忽略了汽車的滾動阻力偶矩、空氣阻力以及旋轉質量減速時產生的慣性力偶矩。此外，下面的分析中還忽略制動時車輪邊滾邊滑的過程，附著系數只取一個定值μ。分別對前后輪接地點取力矩得：

式中：Fz1為地面對前輪的法向反力（N）；G為汽車重力（N）；m 為汽車質量（kg）；L 為汽車軸距（m）；a 為汽車質心至前軸中心線的距離（m）；b為汽車質心至后軸中心線的距離 （m）；hg為汽車質心高度（m）；為汽車減速度（m/s2）。

式中：Fφf為前軸車輪附著力 （N）；Fφr為后軸車輪附著力（N）。

當 Fμ＜Fφ時，Fxb=Fμ；當 Fμ≥Fφ時，Fxb=Fφ。因此制動時前后軸的附著力即為前后軸所需制動力。

當 μ＝1，z＝1 時，Fφf和 Fφr分別達到最大值 9 514.8 N和3 127.2 N。

要想制動距離短，必須要充分利用地面附著力，因此要求制動器制動力要大于地面附著力。但通過理論分析計算表明，前、后軸制動器提供的制動力均小于前、后軸附著力。因此制動器產生的制動力不足是制動距離偏長的原因。

1.2.3 分析

由公式（2）和（3）可以知道，增大制動器制動力的方法有很多：提高摩擦因數、增大有效作用半徑、加大輪缸缸徑、減小主缸缸徑等。通過與標桿車和競品車的管路壓強對比發現，該車的管路壓強較低，可以采用減小主缸缸徑的辦法來提高管路壓強。該車主缸缸徑為22.22 mm，理論計算表明，將主缸缸徑減小為20.64 mm時，同一踏板力下的管路壓強是原狀態的1.16倍，此時的前后軸制動力分別為10 076.0 N和3 198.1 N，前后軸所提供的制動力均比所需制動力大，滿足要求。

1.3 整改措施及試驗驗證

1.3.1 調整主缸缸徑

輪缸缸徑減小會造成制動踏板的行程過長，但由于該車踏板行程較小，僅為44 mm。通過計算分析，將主缸的缸徑改小更為合理，當其為20.64 mm時，踏板行程變成51 mm，滿足設計要求。因此確定方案是將主缸缸徑改為20.64 mm。

1.3.2 樣車的試驗驗證

將調整主缸缸徑的樣車進行制動性能試驗，整改前后的制動性能試驗數據見表2。

表2 整改前后制動性能數據對比

表中試驗數據結果表明，制動管路壓強雖然達到了整改要求，整車的制動距離有所下降，但與技術標準要求仍有較大差距。

1.3.3 試驗數據分析

制動距離由制動過程的兩個階段決定：制動器起作用階段和持續制動階段［1］。圖2為該車和標桿車的制動減速度時間歷程對比曲線。

從曲線可以看出，兩車在制動起作用階段耗時相同，而在持續制動階段，該車的制動減速度明顯比標桿車小，這點從兩車的MFDD也能看出來。在試驗時，仍然出現需要很大的踏板力才能觸發ABS工作，表明此時的制動器制動力還是不足。

由前面的（2）、（3）公式可知，制動器制動力由制動襯塊的壓緊力、摩擦因數和有效作用半徑決定。其中制動襯塊的壓緊力和有效作用半徑的實測值和理論值相符，制動力不足可能與制動襯塊的摩擦因數有關，因為制動襯塊的摩擦因數隨車速、襯塊表面壓力和溫度的變化而變化，而我們的理論計算值是一個確定值。

為了驗證以上分析是否正確，我們將該車的制動襯塊進行了臺架性能測試，結果如圖3。

從圖中可以看出，該制動襯塊的摩擦系數隨壓力的升高而降低，尤其是在初速度為120 km/h時，摩擦系數下降趨勢很明顯，在8 MPa的壓強時，摩擦系數已經下降到0.3。實際試驗時的管路壓強在11 MPa左右，理論計算，在11 MPa的管路壓強下，摩擦系數必須不小于0.34才能滿足要求。很顯然，該制動襯塊不能滿足要求。

1.3.4 制動襯塊的改進及試驗驗證

結合分析結果，我們要求制動襯塊廠家對襯塊進行整改，提出要求，在初速度為120 km/h，壓強為11MPa時，襯塊的摩擦系數不能低于0.35。整改后的制動襯塊的臺架性能結果如圖4。

從圖中可以看出，新制動襯塊在壓強小于4 MPa時，摩擦系數隨壓強的升高而升高，在壓強大于4 MPa時，摩擦系數比較穩定，但新制動襯塊對速度比較敏感，其摩擦系數隨速度的升高而降低，初速度120 km/h時的摩擦系數比初速度40 km/h時低0.1～0.14，在8 MPa壓強下摩擦系數為0.36，滿足設計要求。

對整改后制動襯塊進行樣車試驗，具體試驗數據見表3。

從表中可看出，試驗的結果非常理想，該車的制動距離與標桿車相當，比競品車平均縮短了12.2%，完全滿足設計要求。

2 結論

整車制動能力不足的原因有很多，本文通過理論分析和試驗相結合的方法，找出了制動系統管路壓力偏低和制動襯塊性能不佳是導致整車制動距離偏長的主要原因，并提出減小主缸缸徑和改善制動襯塊性能的兩項整改方案。樣車經試驗驗證整改方案可行有效，使整車制動距離偏長的問題得已解決。

表3 整改完成后的數據對比

試驗能檢驗理論分析是否正確，而理論分析能讓試驗更有針對性。在解決實際問題時，我們必須要查清原因對癥下藥，制定最有效的措施。本文中應用理論分析和試驗驗證的思路、方法，為我們今后進行類似的性能提升項目具有一定的借鑒意義和指導作用。

［1］余志生.汽車理論［M］.機械工業出版社，2000.

［2］GB 21670－2008，乘用車制動系統技術要求及試驗方法［S］.