汽車制動(dòng)踏板行程的研究與案例分析

吳勛

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汽車制動(dòng)踏板行程的研究與案例分析

吳勛

（北京長(zhǎng)安汽車工程技術(shù)研究有限責(zé)任公司，北京 100000）

文章結(jié)合液壓制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論計(jì)算和制動(dòng)器樣件需液量、制動(dòng)管路膨脹量的測(cè)量結(jié)果，詳細(xì)論述了液壓制動(dòng)系統(tǒng)的踏板行程與管路壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將制動(dòng)踏板全行程分解為三部分：制動(dòng)踏板自由行程、建壓行程以及穩(wěn)壓行程，在進(jìn)行樣車踏板感測(cè)試時(shí)，分別在制動(dòng)主缸出口和前、后制動(dòng)器入口處安裝壓力傳感器，根據(jù)動(dòng)、靜態(tài)測(cè)試結(jié)果和主觀評(píng)價(jià)結(jié)果分析踏板行程是否滿足設(shè)計(jì)要求。為液壓制動(dòng)系統(tǒng)的踏板行程設(shè)計(jì)或優(yōu)化提供了依據(jù)。

踏板感；踏板行程；空行程；真空助力器；減速度

前言

隨著汽車在生活中的普及，人們對(duì)汽車功能性的需求逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)產(chǎn)品性能的追求，在滿足功能及安全的前提下，性能的好壞直接影響了汽車的產(chǎn)品力。以往對(duì)汽車制動(dòng)系統(tǒng)的要求主要體現(xiàn)在法規(guī)要求，包括緊急制動(dòng)距離、制動(dòng)踏板力、管路失效、助力失效以及熱衰退后的制動(dòng)效能要求等，隨著汽車消費(fèi)人群觀念的成熟，越來(lái)越多的用戶能夠感受到在制動(dòng)效能滿足要求的情況下，制動(dòng)踏板的反饋感相差很大，這種差異就是由于不同的踏板感設(shè)定導(dǎo)致的，匹配效果理想的制動(dòng)踏板感覺(jué)會(huì)讓駕駛者在任何工況下都能快速且輕松的將踏板踩到自己需求的位置，使車輛按自己的主觀意愿減速。為了達(dá)到這種效果，制動(dòng)系統(tǒng)工程師就必須對(duì)制動(dòng)踏板感覺(jué)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)與匹配。

決定制動(dòng)踏板感的三個(gè)主要因素是車輛減速度、踏板力和踏板位移，踏板感的匹配就是針對(duì)這三個(gè)因素的兩兩對(duì)應(yīng)關(guān)系開(kāi)展，本文結(jié)合液壓制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和實(shí)際零部件的特性對(duì)踏板行程和管路壓力進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算及分解，再根據(jù)實(shí)車客觀測(cè)試結(jié)果，利用實(shí)測(cè)管路壓力和減速度的關(guān)系，進(jìn)而得到行程與減速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為制動(dòng)踏板行程的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)。

在設(shè)計(jì)踏板行程前，需要明確踏板行程的設(shè)計(jì)目標(biāo)，假定車輛能夠達(dá)到的最大減速度為1g，就需要對(duì)1g以內(nèi)的所有減速度對(duì)應(yīng)的踏板行程都規(guī)定一個(gè)范圍，這就需要專業(yè)的評(píng)價(jià)人員根據(jù)主觀評(píng)價(jià)來(lái)確定。目前某國(guó)外著名汽車公司針對(duì)制動(dòng)踏板感已有明確的標(biāo)準(zhǔn)范圍，規(guī)定了車輛在0.1-1g減速度時(shí)分別對(duì)應(yīng)適當(dāng)?shù)奶ぐ逍谐?，在這個(gè)范圍內(nèi)，才能帶給客戶最理想的踏板感覺(jué)。

如圖1所示，accel為車輛加速度，PT為踏板位移。圖中曲線為兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系的目標(biāo)范圍。

圖1 踏板位移VS減速度

1 制動(dòng)踏板行程計(jì)算

制動(dòng)踏板行程包括踏板銷軸的間隙、真空助力器的自由行程、前后分泵的需液量、軟管的膨脹量、制動(dòng)器需液量等因素引起的踏板行程總和。

1.1 排量驗(yàn)算

前腔的制動(dòng)液排量為：

后腔的制動(dòng)液排量為：

單只回路所需排量為：

式中：V1/ V2為主缸前/后腔的制動(dòng)液排量，L1/ L2為主缸前/后腔的活塞總行程，△為自由行程（mm），d為主缸直徑（mm），1為分泵缸徑（mm），1為制動(dòng)器間隙（mm），V1為軟管的膨脹量，V2為制動(dòng)器需液量。

軟管膨脹量計(jì)算：

1.2 一定液壓下對(duì)應(yīng)的主缸活塞行程的計(jì)算

制動(dòng)器發(fā)揮制動(dòng)效能，是通過(guò)液壓提供動(dòng)力，車輛發(fā)生一定的減速度時(shí)，制動(dòng)管路內(nèi)都對(duì)應(yīng)一定的液壓值，此時(shí)的液壓值是靠主缸的活塞移動(dòng)擠壓管路中的液體而產(chǎn)生，此時(shí)的踏板行程與主缸活塞行程的關(guān)系就是制動(dòng)踏板杠桿比的關(guān)系。

式中：P為踏板行程，L為主缸活塞行程，a為制動(dòng)踏板杠桿比。

式中：與V需相等，為制動(dòng)系統(tǒng)的總的需液量，d為主缸缸徑，空為主缸推桿的空行程，1/2為前后分泵的面積，1/2為前后制動(dòng)器的間隙，V1為軟管膨脹量，V2為前后四個(gè)制動(dòng)器總的需液量。

表1 軟管在不同液壓時(shí)的需液量

表2 前后制動(dòng)器在不同液壓時(shí)的需液量

1.3 踏板行程與車輛減速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

在已知制動(dòng)管路壓力的條件下，根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)理論（包括分泵直徑、有效制動(dòng)半徑、制動(dòng)器效能因數(shù)、輪胎滾動(dòng)半徑及路面附著系數(shù)等參數(shù)），可計(jì)算出車輛相應(yīng)的減速度，本文不在贅述。

還可以通過(guò)客觀測(cè)試的方法，利用管壓傳感器得到管壓與減速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用來(lái)修正計(jì)算時(shí)由于軸荷轉(zhuǎn)移量、制動(dòng)器效能因數(shù)和路面附著系數(shù)等誤差帶來(lái)的計(jì)算結(jié)果的誤差。

2 踏板行程與管路壓力關(guān)系的實(shí)例分析

2.1 動(dòng)態(tài)踏板感測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)方法：在某一恒定初始車速下，以踏板力由0牛開(kāi)始勻速增加的方式逐漸踩下制動(dòng)踏板，直到車輛停止，初始車速和踏板力增速的選擇，以能保證車輛在停止前減速度能達(dá)到0.8g以上為前提。試驗(yàn)過(guò)程中采集參數(shù)包括減速度、踏板力、踏板行程和管壓等。結(jié)果如圖2。

圖2 踏板行程對(duì)比

結(jié)果分析：騾車與參考車相比，在同樣0.2g減速度時(shí)，騾車的踏板行程要比參考車的踏板行程大20mm左右，在同樣0.7G減速時(shí)，還是相差20mm左右，可以判斷在管壓建立以后，騾車的行程增長(zhǎng)是沒(méi)有問(wèn)題的，騾車的行程偏長(zhǎng)的原因就在于初期管壓建立之前，也就是通常所說(shuō)的空行程過(guò)長(zhǎng)。

2.2 排查原因

針對(duì)騾車進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試，通過(guò)分解測(cè)試確定真空助力器建壓行程和前后制動(dòng)器間隙對(duì)制動(dòng)踏板空行程的貢獻(xiàn)量。

測(cè)試方法：車輛靜止，提供助力，分別在工況1、2、3踩下制動(dòng)踏板，踏板力由0N逐漸增加到800N左右，測(cè)量參數(shù)包括管壓、踏板行程、踏板力。見(jiàn)圖3。

測(cè)試工況：

工況1-車輛制動(dòng)系統(tǒng)正常工作；（雙管路、有助力）

工況2-主缸前腔管路正常工作，后腔直接封閉；（單管路、有助力）

工況3-主缸前后腔都封閉。（無(wú)管路、有助力）

圖3 騾車-踏板位移與主缸輸出壓力關(guān)系

根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出表3數(shù)據(jù)。

表3 前后制動(dòng)器間隙對(duì)制動(dòng)踏板空行程的貢獻(xiàn)量

建壓空行程（7.4mm）=助力器（5.9mm）+管路及制動(dòng)器（1.5mm）

1.5MPa行程（12.2mm）=助力器（7.9mm）+管路及制動(dòng)器（4.3mm）

助力器建壓空行程（5.9mm）過(guò)大。零部件理論值是3mm以下。見(jiàn)圖4。轎車要求一般在0.7-1.8mm。

制動(dòng)器初始間隙導(dǎo)致空行程1.5mm，較為理想。

圖4 真空助力器參數(shù)

2.3 需液量計(jì)算

雜合車需液量測(cè)試結(jié)果滿足要求，排除需液量原因。

表4 需液量

3 踏板行程過(guò)長(zhǎng)的原因分析

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)踏板行程的影響因素

圖5 零件參數(shù)對(duì)踏板行程的影響

3.2空行程大產(chǎn)生的原因分析

圖6 空行程的構(gòu)成因素

3.3 液體壓縮率與管路膨脹率導(dǎo)致行程大的原因

A）制動(dòng)管路中的液體壓縮率過(guò)大導(dǎo)致行程大：

制動(dòng)液品質(zhì)；（高沸點(diǎn)，低壓縮率的制動(dòng)液為好制動(dòng)液的標(biāo)準(zhǔn)）

制動(dòng)液里面有殘留氣體，導(dǎo)致了制動(dòng)液的高壓縮率。反映到了建立相應(yīng)減速度需要更大的主缸制動(dòng)液排量，從而導(dǎo)致了更大的空行程。

B）制動(dòng)管路中的高膨脹率導(dǎo)致空行程大：

制動(dòng)管路總體膨脹率主要受到橡膠管的膨脹率影響，而導(dǎo)致行程放大的因素主要體現(xiàn)在制動(dòng)管路的低壓膨脹率上。

4 結(jié)論

本文通過(guò)制動(dòng)踏板行程的計(jì)算及樣車的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，將影響踏板行程的因素進(jìn)行了分解，得出以下結(jié)論：

計(jì)算踏板行程時(shí)，軟管的膨脹率和制動(dòng)器的需液量是非常重要的參數(shù)，這些參數(shù)一般是通過(guò)實(shí)際測(cè)試得到的，只有在這些參數(shù)準(zhǔn)確的前提下計(jì)算踏板行程才是可行的。

制動(dòng)踏板的空行程影響因素眾多，占比比較大的就是真空助力器自身的空行程和始動(dòng)力，對(duì)空行程的控制要重點(diǎn)關(guān)注零部件的各項(xiàng)技術(shù)要求是否達(dá)標(biāo)。

踏板行程的設(shè)定在前期設(shè)計(jì)時(shí)就需要重點(diǎn)關(guān)注，主缸、分泵的缸徑選擇，制動(dòng)器參數(shù)的確定，踏板杠桿比的確定都對(duì)最終的制動(dòng)踏板行程有影響。

建議：確定制動(dòng)器與主缸參數(shù)前，需要對(duì)踏板行程進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，結(jié)合實(shí)際測(cè)試與評(píng)價(jià)結(jié)果，確定踏板行程在目標(biāo)范圍內(nèi)，才能最終確定制動(dòng)器與主缸的參數(shù)。

[1] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì).[M]清華大學(xué)出版社.北京,2001,第一版.

[2] 余志生.汽車?yán)碚?[M]機(jī)械工業(yè)出版社,北京,2000,第三版.

[3] 張洪欣.汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué).[M]上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1996.

[3] GB21670-2008 乘用車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法.

[4] GB 12676-1999汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),性能和試驗(yàn)方法.

Research for Brake Pedal Stroke of Vichcle and Case analysis

Wu Xun

（Bei Jing Chang'an Auto Research&Design Department, Beijing 100000）

The relation of Pedal Stroke and Hydraulic pressure was introduced. Pedal stroke was divide into three parts: idle travel, build up travel and stable travel. Three pressure sensors should fixed on the master cylinder, front and rear brake caliper when testing for pedal feel. According to the result of subjective and objective evaluation, confirm the performance of pedal feel satisfy the target. It provide a guidance for optimizing braking performance.

Pedal feel; Pedal stroke; Idle stroke; Vacuum booster; Deceleration

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1671-7988(2018)24-219-04

U467

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1671-7988(2018)24-219-04

U467

吳勛，長(zhǎng)安汽車北京研究院，工程師，研究方向：車輛動(dòng)力學(xué)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.079