液壓制動系統(tǒng)踏板感覺影響因素分析

摘要：制動踏板感覺直接影響到車輛的駕駛舒適性和駕駛員對制動過程的信心，進而影響制動安全性，文章通過對液壓制動系統(tǒng)乘用車在制動過程中的理論分析和主客觀評價測試，介紹了影響踏板感覺的相關因素，提出了改進踏板感覺的方法。

關鍵詞：制動系統(tǒng)；踏板感覺；影響因素

中圖分類號：U463.521 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）08-0092-03

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和汽車保有量的節(jié)節(jié)攀升，制動性能作為汽車的重要安全性能其關注度也越來越高，而其中的制動踏板感覺尤為如此。根據(jù)JD Power的反饋，對汽車制動踏板感覺方面反映最多的問題主要有制動力不足、制動偏軟、剎車不夠靈敏等，所以本文通過對制動踏板感覺影響因素的理論分析，并結合實際車輛進行主客觀試驗，對所得的數(shù)據(jù)進行分析和比較，提出了改進踏板感覺的方法，為汽車液壓制動系統(tǒng)的設計開發(fā)，特別是踏板感覺的優(yōu)化改進提供了有效的方法。

1 制動踏板感覺的影響因素

1.1 制動踏板感覺定義

在汽車液壓制動系統(tǒng)中，制動踏板通過杠桿機構與真空助力器及制動主缸相連。駕駛員在踩下制動踏板以后，一方面制動踏板克服機構間隙和阻力，在真空助力器的作用下，推動主缸活塞運動，使管路油壓升高推動制動分泵并使得摩擦片和制動盤間產(chǎn)生制動力矩，進而在輪胎與路面的相互作用下形成對車輛的制動力并最終使車輛減速；另一方面，駕駛員通過踩制動踏板反饋得到的踏板位移和踏板力信號獲得一定的制動踏板感覺，再加上身體感受到的車輛速度、制動減速度，聽覺上的制動噪音以及車輛動態(tài)等諸多因素，共同構成了完整的制動踏板感覺。

制動踏板感覺是駕駛員在車輛制動工況下身體感官上的綜合感覺，由制動系統(tǒng)零部件以及制動系統(tǒng)與整車匹配所決定。而在這個過程中，制動踏板機構通過踏板力及踏板位移傳遞給駕駛員的反饋尤為重要。我們可以通過研究踏板力與制動減速度的關系、踏板行程與制動減速度的關系來評價踏板感覺的優(yōu)劣。這也是本文研究的重點。

1.2 制動踏板感覺關系曲線

從上述有關踏板感覺定義可以知道，踏板力與減速度關系曲線、踏板行程與制動減速度關系曲線是描述制動踏板感覺的有效方法，因此定義這兩種關系曲線是研究踏板感覺的基礎。

目前國內外的一些主機廠及制動系統(tǒng)的集成供應商在這一方面做了很多基礎性的研究和積累，提出了各自的關于踏板感覺的關系曲線的標準。根據(jù)試驗及研究發(fā)現(xiàn)，有效的研究制動踏板感覺關系曲線，需要在一定的踏板輸入條件下才能較為準確的反映一般使用工況下的踏板感覺。通過試驗和仿真驗證，我們認為，以100～150 N/s的踏板輸入條件來進行制動踏板感覺的試驗和仿真計算，結果最符合實際的制動工況和體現(xiàn)駕駛員的感覺。

由圖中可以看出，一般定義踏板力、踏板行程與制動減速度關系曲線都會定義一個范圍，規(guī)定同一減速度下的踏板力、踏板行程上限和下限值。由圖中可以看出，A廠商的定義是比較嚴格的，通過試驗也發(fā)現(xiàn)，該曲線能較好的反映駕駛員的制動踏板感覺，因此，以下分析會采用A廠商的曲線作為參照。

1.3 制動踏板感覺影響因素分析

通過制動系統(tǒng)仿真分析，結合不同車型不同工況的制動試驗，在獲得了一系列液壓制動系統(tǒng)的踏板特性基礎數(shù)據(jù)的基礎上，提出了以下影響踏板感覺的因素。

①制動系統(tǒng)效能。制動系統(tǒng)的匹配設計是獲得后續(xù)車輛良好的制動踏板感覺的基礎。只有總體制動效能滿足使用要求，才能獲得良好甚至優(yōu)秀的制動踏板感覺。這里包括了前后卡鉗缸徑、制動盤（鼓）有效半徑、摩擦片摩擦系數(shù)、制動主缸缸徑與行程、真空助力器助力比、制動踏板杠杠比等的良好的匹配設計。

②真空度影響。助力器的真空度也是影響制動踏板感覺的重要因素。助力器的特性只有在足夠的真空度條件下才能發(fā)揮作用，而目前的一些發(fā)動機由于本身的設計及機車匹配及其他標定的需要往往無法提供制動系統(tǒng)需要的足夠的真空源，特別是在高原使用工況下，真空度問題會更加凸顯。因此，在進行制動系統(tǒng)設計及試驗匹配中要考慮真空度的因素。目前一些車輛會使用電子或機械真空泵來解決該問題。

③真空助力器的特性參數(shù)。真空助力器的一些關鍵參數(shù)是影響踏板感覺的重要因素。通過提高助力器的助力比可以降低同樣制動減速度下的踏板力，優(yōu)化踏板感覺；通過降低助力器的始動力、提高助力器的跳躍值，可以提高制動系統(tǒng)的反應速度，優(yōu)化初期踏板力，使助力器在更小的力下提供更大的管路壓力，以提供更大的制動減速度，優(yōu)化踏板感覺。

④系統(tǒng)空行程及變形量。制動系統(tǒng)的空行程及在受力下的變形量會影響制動踏板感覺。空行程包括了踏板與助力器連接的間隙、主缸與助力器的空行程、摩擦片與制動的間隙等。系統(tǒng)變形包括了在建壓情況下踏板及防火墻在受力下的變形量、制動主缸與助力器的變形量、制動硬管及制動軟管的膨脹量、卡鉗的剛度及摩擦片的壓縮量等。

2 制動感覺優(yōu)化方法

為進一步探討制動踏板感覺各種影響因素在制動過程中對車輛制動和駕駛員操作及信心的影響，通過在一些車型上進行了實車測試、分析和理論計算，提出了優(yōu)化制動踏板感覺的一些方法。

由圖3、圖4可以看出，該車的制動踏板感覺，在踏板行程方面基本能滿足限值要求，在踏板力方面則已經(jīng)低于踏板力下限要求，在制動過程中踏板力會明顯偏重，達到同樣的制動減速度需要的踏板力會更大，駕駛員會明顯感覺制動偏軟，制動信心不足。該車經(jīng)過主觀評價也證實，屬于制動偏軟車輛。

為優(yōu)化該車的制動踏板感覺，可以在下幾個方面進行優(yōu)化。

2.1 提高制動效能優(yōu)化制動踏板感覺

鑒于該車踏板力偏重，達到同樣的制動減速度需要的踏板力會更大，可以通過提高整車的制動效能來優(yōu)化踏板感覺。提高制動效能該車采用了以下方案：將車輛前卡鉗的缸徑由Φ57 mm改為Φ60 mm缸徑，同時將前制動有效半徑由116.5 mm改為120 mm；為匹配前制動器的更改，同時將后制動有效半徑由120 mm改為125 mm。通過這些參數(shù)的調整重新進行了分析，圖5和圖6是更改后的制動踏板感覺關系曲線。

由圖5和圖6可以看出，提高制動效能后，制動踏板行程沒有太大變化，而踏板力明顯的有變好的趨勢，在同樣的制動減速度的條件下需要的踏板力已經(jīng)很小，基本接近了限值范圍的上限，屬于較理想的范圍，較改進前有了30%以上的提升。

針對該優(yōu)化方案進行了主觀評價，一致認為該方案制動踏板感覺優(yōu)秀，踏板行程適中，踏板力小，制動反應迅速，制動信心強，效果顯著。

2.2 優(yōu)化助力器特性改善制動踏板感覺

由于提高制動效能需要改動的制動系統(tǒng)及相關零部件較多，在無法調整制動器的情況下我們也可以通過優(yōu)化真空助力器的參數(shù)來改善制動踏板感覺。由圖3可知，在制動過程中制動踏板力明顯偏大，因此可以通過調整真空助力器特性來進行改進：

①調整真空助力器的助力比。由圖7可以看出，提高助力器的助力比可以在保持輸入力不變的前提下提高輸出壓力，即可在踏板力不變的情況下提高制動系統(tǒng)管路壓力，進而增大制動減速度。從理論上講，只要助力器的能力足夠，在保證拐點壓力的前提下，助力比越大越能提高制動踏板感覺。

②調整真空助力器的始動力和跳躍值。除了提高助力比外，亦可通過調整真空助力器的始動力和跳躍值來調整初始的踏板感覺，提高初期制動反應速度和降低初期踏板力。通過降低始動力可以降低初期的踏板力，從而提升制動初始踏板感，為后期的踏板感提供好的基礎。通過計算和分析，結合目前的助力器的制造能力，始動力控制在40～70 N則較好。通過提高跳躍值可以提高初始的管路壓力，從而為初始的制動減速度提供良好的基礎，提高踏板感。當然，跳躍值如果過高，則容易出現(xiàn)制動兩段感，使前期的踏板減速度過高帶來不好的制動踏板感。通過主觀評價，我們認為將跳躍值控制在17～23 bar容易出現(xiàn)比較好的踏板感。

因此，在圖3所示車輛的基礎上，通過調整真空助力器的特性來進行優(yōu)化，將助力比由6.0調整為7.5，將始動力控制在40～70 N，將跳躍值控制在17～21 bar。

由圖8和圖9可以看出，調整真空助力器的特性后，制動踏板行程沒有太大變化，而踏板力則明顯的有變好的趨勢，雖然沒有如圖5所示提高制動效能的方案變化大，但在同樣制動減速度條件下需要的踏板力也是不大的，較改進前也有質的提升。

針對該優(yōu)化方案也進行了主觀評價，一致認為該方案制動踏板感覺良好，踏板行程適中，踏板力適中，制動反應也很迅速，制動信心較強，效果明顯。

2.3 其他優(yōu)化制動踏板感覺方法

除上述的幾種改善踏板感覺的方法外，也可以通過提高發(fā)動機真空度、改善踏板與防火墻的剛度、減少踏板與助力器連接的間隙、提高助力器的剛度、減少軟管的膨脹量、減少系統(tǒng)空行程與間隙等方法來優(yōu)化制動踏板感覺。當然，有些方法雖然可以優(yōu)化制動踏板感覺，但有可以會帶來其他一些諸如磨損加劇、壽命降低、成本提高的問題，需要在優(yōu)化過程中考慮并加以平衡，保證制動系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3 結 語

制動踏板感覺是車輛制動性能的重要組成部分，直接影響到車輛的駕駛舒適性和安全性，影響到駕駛員的制動操作及信心。通過上面的分析和驗證，提出了影響制動踏板感覺的因素，并提出了一些改進優(yōu)化踏板感覺的方法，這些方法建立在理論設計的基礎上，并將用戶感受結合起來，為踏板感優(yōu)化提供了一些方向，可用于指導制動系統(tǒng)匹配特別是制動踏板感的優(yōu)化，使車輛更適合市場的需求和用戶的需求。

參考文獻：

[1] 劉惟信.汽車制動系的結構分析與設計計算[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2] 方泳龍.制動理論與設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[3] 余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[4] B.布勒伊爾，K.比爾（德）.劉希恭譯.制動技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.