基于某SUV車型的制動系統正向選型方法

吳新宇 馬廣 王建 孫喜冬 劉易寒

（長城汽車股份有限公司技術中心；河北省汽車工程技術研究中心）

制動系統是汽車中不可或缺的一個子系統，關系行車安全，匹配優良的制動系統可減少普通工況下ABS介入的幾率，提升其使用壽命，提高行車安全性。但是目前制動系統參數多參照標桿車型選取。因此，文章旨在完成上述要求的同時，提出一種制動系統正向選型匹配的方法。

1 整車基本參數

某SUV車型整車基本參數，如表1所示。

表1 某SUV整車基本參數

2 制動系統匹配基本思路

2.1 制動力分配系數及制動回路的選取

根據GB21670—2008[1]規定：在車輛所有載荷狀態下，制動強度（Z）處于0.15～0.8時，后軸附著系數利用曲線不應位于前軸上方；當附著系數（k）在0.2～0.8時，Z≥0.1+0.7（k-0.2）。同時，作為生產一致性檢查時的替代要求，當Z在0.15～0.8時，后軸曲線應位于直線Z=0.9k以下。

則根據文獻[1]可得如下不等式[2]。

式中：Z——制動強度，g（g=9.8 m/s2）；

β——制動力分配系數；

h——質心高度，mm；

L——軸距，mm；

Lf，Lr——質心至前后軸的距離，mm。

由式（1）～（4），同時根據整車基本參數可得β的取值空間為0.67～0.93。

該車型空載狀態前軸荷所占比例達60%，空滿載狀態軸荷轉移較大。為保證空滿載條件下附著系數利用率的最佳化，初步選取β=0.7。

考慮該SUV車型定位，同時考慮性能穩定性，選取X型雙回路制動系統。

2.2 同步附著系數的選取及驗證

同步附著系數計算公式如下[3]：

根據空滿載整車參數，結合式（5），可得空滿載同步附著系數分別為：μ0滿=0.97，μ0空=0.623。

該車型定位城市SUV，路面附著系數較高，建議空載狀態μ0在0.6～0.8，同時為保證滿載狀態下在地面附著系數（μ）為0.8的路面上具有盡可能大的附著系數利用率，應保證 μ0≤1.1。

經上述校核，所選擇的β滿足要求。

2.3 輪缸尺寸的選擇

為達到良好的制動效果，同時容易匹配ABS，該車型選取四輪浮鉗盤式制動。根據滿載質量，初步選擇前后均為單缸浮動鉗。則有：

式中：Ff，Fr——前后輪制動器制動力，亦前輪制動周緣力，N；

R——車輪滾動半徑，mm；

df，dr——前后制動鉗缸徑，mm；

rf，rr——前后輪制動器有效制動半徑，mm；

f——摩擦片摩擦系數；

BFf，BFr——前制動器效能因數；

p——管路液壓，MPa。

對整車進行受力分析，如圖1所示。

在前后輪同時抱死時，有：

式中：Fz——整車重量，N；

Fμf——前輪地面制動力，N。

取滿載前后輪同時抱死時（假定不受路面附著系數影響）的地面制動力 Fμf作為式（6）中的 Ff。

又因為，前后輪同時抱死時，有：

代入整車參數，可得：Ff=9 918.3 N。

為合理利用管路承壓能力，同時防止管路壓強過大造成較大的踏板行程，一般在全力制動時保證管路壓強在10 MPa[4]附近或更小。因滿載時μ0=0.97，令式（6）中 p=9.7 MPa。

根據滿載時整車重量，同時防止因摩擦因數取值過大造成不必要的制動噪聲、振動及制動盤的磨損，取前后輪摩擦因數均為0.38。因盤式制動器有BF=2f，因此，前后制動器效能因數分別為：BFf=0.76，BFr=0.76。

據經驗數據，前制動器有效制動半徑所占輪胎外直徑比例為17%～19%，后制動器有效制動半徑所占輪胎外直徑比例為15.5%～19%。依據增加制動器有效制動半徑以減小制動鉗缸徑的思路，令前后制動器有效制動半徑所占輪胎外直徑比例分別為17.5%，18%。同時根據GB2978—2008[5]查詢輪胎205/60 R16所對應的輪胎外直徑為352 mm。因此，前后制動器有效制動半徑分別取114，118 mm。

由以上數據，根據式（6）得：df=48.8 mm。為保證足夠的設計余量，同時結合公司現有制動器型號，取df=54 mm。

由式（6）～（8）得：dr=34.7 mm，最后取 dr=34 mm。將上述參數，代入式（11）：

驗證得：新參數下，β=0.709，μ0滿=1.018，μ0空=0.623，均符合μ0的選取要求。

2.4 制動盤的選擇

制動盤直徑主要考慮因素為滿足有效制動半徑及布置空間，制動盤的厚度主要考慮滿足熱容量的需求，一般應保證15次連續制動后不發生制動熱衰退。結合整車質量，前制動盤采用通風盤，后制動盤采用實心盤。經實際布置校核及采用workbench[6]熱容量分析，確定前制動盤直徑及厚度分別為266，22 mm；后制動盤直徑及厚度分別為285，9 mm。

制動盤熱容量分析結果，如圖2所示。

經實際校核，15次連續制動后，前后制動盤最高溫度分別為461，504℃，均滿足熱容量需求。因此可以保證在連續制動情況下不會發生熱衰退。

2.5 主缸尺寸的選取

主缸尺寸的確定應確保在任何工況下均能夠提供足夠的制動力。

滿載工況下，在μ=1的路面上，總是前輪先抱死。在前輪先抱死時，Z的計算式，如式（12）所示。

根據滿載情況下整車參數及式（9）和（12）得：Ff=10 285.5 N。

主缸受力分析圖，如圖3所示[7]。

因主缸輸出制動液壓強由踏板力提供，故：

式中：d主——主缸直徑，mm；

is——真空助力器助力比；

ip——踏板杠桿比；

P'——此工況下制動管路壓力，MPa；

Fp——踏板力，N；

η——制動效率。

因該車型為城市小型SUV，為保證踏板力不致過大，取Fp=160 N，η=0.9。為保證其具有較小的踏板行程，取 ip=3，is=6。

根據式（6）和式（13），并結合上述參數，得：P'=8.22 MPa≤10 MPa，滿足選取要求；主缸直徑d主=20.042 mm。取d主=20.64 mm。

2.6 真空助力器的選取

該車型所用真空度PV=66.67 kPa，真空助力器膜片直徑為dS，故根據真空助力器提供最大助力結合真空助力器助力比，有：

由此可得：dS=209.2 mm。因此，該車型助力器選擇9英寸單膜片真空助力器。

2.7 EPB電機所需夾緊力

隨著人們對操縱舒適性的需求，配置EPB已成必然。根據文獻[1]的要求：駐車制動系應能使滿載車輛在坡度為20%的上下坡道上保持靜止；在12°的坡道上進行計算。

整車駐坡受力分析，如圖4所示。

在μ=0.8的路面上，在12°的坡道上，單側車輪路面所能提供制動力（Fμrm）及駐坡所需制動力（Fμr）分別為：

經校核，該狀態下 Fμr=1 518 N＜Fμrm=2 999 N，由力矩平衡，有：

式中：R'——輪胎靜載半徑，mm；

N——電機夾緊力，N。

根據文獻[5]可得：R'=299mm。由此可得：N=5061N。即該車型所需EPB電機夾緊力為5 061 N，即可滿足法規最小要求，實際選取時會相應增大電機功率以保證在摩擦系數減小時仍能滿足駐坡需求。

3 參數驗證

在μ=0.8的路面上制動時，不考慮ABS介入情況下，滿載狀態下總是前輪先抱死，空載狀態下總是后輪先抱死。

根據文獻[1]，以100 km/h的初速度進行制動時，制動距離（S）應小于 70 m，制動減速度（a）應大于6.43 m/s2。應急制動時，以500 N的踏板力進行制動，制動減速度應大于2.44 m/s2，制動距離應小于168 m。

校核2種狀態，具體結果如下：

1）正常狀態行車制動。

①滿載狀態：a=7.16 m/s2，S=64.98 m，Fp=112.36 N；

②空載狀態：a=7.65 m/s2，S=61.54 m，Fp=89.81 N。

因此，在正常制動時，均滿足法規要求，且踏板力適中。

2）應急制動。

①滿載狀態—回路失效：a=3.174 m/s2，S=140.9 m；

②滿載狀態助力器失效：a=4.179 m/s2，S=103.4 m；

③空載狀態—回路失效：a=3.623 m/s2，S=125.9 m；

④空載狀態助力器失效：a=5.585 m/s2，S=80.2 m。

因此，在應急制動時，均能滿足法規要求。

4 結論

文章以某城市SUV車型為基礎，依據國標要求，結合經驗數據，并通過布置校核及workbench熱容量仿真，完成了基礎制動系統的正向選型。經驗證分析，該基礎制動系統符合法規要求，從而驗證了匹配方法的正確性及有效性。