全國乘用車制動使用情況與工況研究

馮天驥 竇瑞

摘 要：本次研究運用Link路試采集設備，采用“跟隨性”采集法，模擬不同區域消費者制動系統使用習慣，共計完成了全國38個城市的路況負荷譜采集，得到全面的制動參數數據。對數據進行分析與匯總，總結出全國制動的使用情況。然后對采集到的數據進行主成份分析以及聚類分析等概率統計學方法，從而得到全國的駕駛工況。這對于主機廠更好適應中國城市的消費者需求，對其產品進行符合中國實際制動工況進行研發驗證，很有參考意義。

關鍵詞：制動使用情況；制動負荷譜采集；制動參數分布；制動工況；概率分布統計

中圖分類號：U463.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0001-06

Abstract： By adopting Link road test collection equipment， through the "follow" acquisition method， this study simulated the use of different areas of consumer braking system habits， thus finishing the road load spectrum collection of a total of 38 cities across the country and obtaining comprehensive braking parameter data. We made an analysis of the data and summed up the use of brake nationwide. Then， we adopted probability statistics methods to make a principal component analysis and a cluster analysis of the data collected， thus obtaining the driving conditions of the whole country. It is of great reference significance for the mainframe factory to better adapt to the needs of consumers in Chinese cities and to carry out the research and development verification of its products in line with the actual braking conditions in China.

Keywords： braking usage； braking load spectrum collection； braking parameter distribution； braking working condition； probability distribution statistics

1 研究背景與意義

隨著國內經濟蓬勃發展，伴隨著汽車產業的進步，消費者即汽車駕駛人員對于汽車的要求越來越高，作為汽車主動安全第一位的制動系統的性能也被放到越來越重要的地位。為了滿足消費者的使用需求，給消費者提供一個既安全又舒適的制動系統，主機廠、零部件生產商以及科研機構進行消費者使用情況與中國制動工況調研，研究中國消費者的制動使用習慣、制動器使用水平以及制定符合國內實際路況的商品性評價工況，得到數據統計結果從而服務于產品設計成為了必行之路。

在制動工況研究的進程上，國內明顯落后于國外。國外的部分主機廠及科研機構在20世紀末21世紀初就已經開始進行其國內的制動路況負荷譜數據采集，并根據數據作出了符合其國內制動使用情況的驗證評價制動工況，如東京工況、莫哈卡工況、北美一般工況、洛杉磯工況等。而國內主機廠進行制動性能驗證只能夠依據于GB12676、GB21670、GB2521與GB2522以及國外的一些標準，缺乏符合國內實際制動駕駛水平及路況情況的標準與工況。隨著國外主機廠的進口車以及合資車在中國的銷量節節攀升，部分國外主機廠已經進行了中國主要大型城市的制動負荷采集。面對消費者需求的提高，以及日趨激烈的市場競爭，為了給國內主機廠提供更符合國內實際的服務與技術支持，中國汽車技術研究中心汽車工程研究院對全國38個大中型特征城市的路況進行制動負荷譜采集，并進行后期數據分析匯總，從而得到全國主要城市的制動系統使用情況與使用特點，并作出了制動商品性評價工況。

2 研究方法

研究方法的確定主要從采集方法、采集城市與路況確定的方法以及數據采集與后期數據處理方法三個方面來進行闡述。

2.1 采集方法的確定

目前，整車實際道路采集大體上可以分為三個采集方法：平均車流統計法、車輛追蹤跟隨法、自主駕駛法。本次研究選擇車輛追蹤跟隨法為采集方法，而且考慮到測試風險、工作量、代表性以及數據可靠性，采集均用專業的試驗車駕駛員進行駕駛采集，同時不允許使用發動機制動，不采用空檔滑行，使試驗數據更加準確客觀。

2.2 采集城市與路況的確定

國內相關機構曾對全國400個城市劃分為五級。根據劃分結果，城市選取原則為：第一級城市全部選取，第二級與第三級城市結合城市氣候、客戶滿意度與故障發生率來進行選擇，第四級與第五級城市選擇其中存在代表氣候與代表工況的城市進行選擇。通過選取原則對全國城市進行篩選，共選取出38個特征采集城市。其中在區域分布上包含了東北、西北、華北、西南、沿海與中部，環境溫度上包含了寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶。

針對國內道路的情況，將采集工況分為城市擁堵工況（機非混行，車流量大，城市繁華路段）、城市一般工況（交通信號控制，車輛按車道正常行駛，車流量一般的路段）、城郊工況（國道、省道、鄉鎮連接路）、高速工況（高速公路、城市快速環線）以及特殊道路工況（砂石路、山路、涉水路、沙塵路等）。

2.3 數據采集與數據后期處理方法的確定

采集設備的粗略介紹：制動工況調研項目通過LINK3

802S整車數據采集系統，通過在采集車上加裝相關設備進行制動參數采集。采集的數據分別為：減速度、摩擦片始末溫度、制動次數、制動初速與末速、環境溫濕度、踏板力與踏板行程，并在行駛一定里程后測量并記錄摩擦片與制動盤的磨耗。

數據后期處理方法介紹：本次研究主要從以下三方面進行論述：第一，制動負荷指數區域對比以及摩擦片壽命預估；第二，全國不同區域制動參數的對比與使用水平分析；第三，初略的制動商品性評價工況的制定與復現方法。

數據的處理主要依托于3802s自帶讀取軟件、Matlab以及Excel，對采集得到的運動學片段如圖1所示，按照100Hz的頻率進行運動學片段的分割處理，然后應用Mtalab自行編寫的程序，對分割處理好的數據進行處理，可以做出各個城市各個工況下每個制動要素的點狀分布統計圖以及概率分布直方圖，如圖2與圖3所示，這樣就可以對比不同城市不同區域的制動使用情況。通過Excel的數據篩選功能，對全國數據分工況按照給定的條件進行篩選，可以為制動商品性評價工況的制定提供數據支持。

3 研究結果與分析

在研究成果與分析中，我們將38個城市，按照所在區域劃分為6個版塊：中部地區、沿海地區、西南地區、西北地區、華北地區以及東北地區，來進行全國區域對比分析。其中這六個區域的代表城市分別為：鄭州、深圳、重慶、蘭州、石家莊與長春。

3.1 制動負荷指數的區域對比

為了研究制動負荷情況，首先我們需要先提出來一個指數，用其來評判制動負荷的高低，即制動負荷指數。下面就進行簡單的介紹：每次制動行為都是一次典型的制動工況，車輛在制動力矩作用下減速，在這個過程中伴隨著能量損失。在實際駕駛過程中，會伴隨著很多次制動，且每次制動行為的制動初末速是不相同的，所以每次制動行為的能量損失也是不一樣的。為了反映某一段里程上的制動負荷情況，我們統計在這一里程上發生的制動行為的頻次以及初末速，應用動能定理，計算出這段里程上總的制動產生的動能，同時除以車輛的質量和里程，獲取單位質量在單位里程內的能量損失，該數即為制動負荷指數K。其在一定程度上與單位里程上發生制動行為的頻次也存在一定的聯系。發生的制動行為的頻次越高，能量統計次數增多，在一定程度上增加制動負荷指數K的大小。因此，該指數K越大，則反映出在該特定里程內車輛的制動次數頻繁，道路情況復雜，制動系統的負荷率高，工作強度大。

由表1與表2的數據對比可以發現，通過制動頻度與制動負荷指數數值，可以直觀的看出采集城市的制動劇烈程度，可以側面反映出制動器的使用情況。通過統計算出，全國城市擁堵工況的負荷指數為137.27，制動頻度為7.73；城市一般工況的負荷指數為83.69，制動頻度為2.80；城郊工況的負荷指數為78.17，制動頻度為1.82；高速工況的負荷指數為15.22，制動頻度為0.26。通過與各個工況的全國制動負荷情況進行對比，可以得到所關注城市在全國處于何種水平，有助于主機廠在售前與售后進行針對性的調整，提高產品的滿意度，減少客戶抱怨。

3.2 全國不同區域制動參數的對比

對采集的數據分區域分工況分別對制動參數進行對比分析，從而得到全國區域之間制動器使用的差異性與全國整體制動器使用水平。為了簡單化，這里只對城市擁堵工況進行對比，總的制動次數為37700次。具體對比結果見圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9與圖10所示。

由圖4與圖5進行全國整體制動速度的分析，結果如下：全國所有地區的制動初速基本上都小于15m/s，約占95%，其中各個地區制動初速小于5m/s的平均值約為43%，介于5m/s與10m/s的平均值約為百分之31%，介于10m/s與15m/s的平均值約為21%；全國所有地區的制動末速基本上都小于12m/s，約占97%，其中制動末速小于3m/s的平均值為56%，介于4m/s與10m/s的平均值為33%，介于10m/s與15m/s的約占10%；全國所有地區的速度差值小于3m/s的部分占了很大的比例，平均值約為63%，介于4m/s與5m/s之間的平均值約為14%，其余其他期間的平均值均小于10%。所以，在主觀評價或者客觀測試時，可以把大部分的精力都放在制動初速小于15m/s，制動末速在小于6m/s的區間。

進行全國區域對比分析：在制動初速方面，西南地區的制動初速較低，其次為中部地區，華北、沿海與東北地區都處于與全國平均水平持平范圍內，西北地區略低于全國平均水平。可以從側面反映出西南與中部兩個地區的擁堵情況最為嚴重，路況較為復雜，制動使用次數較多，對制動系統就會提出更高的要求；在制動末速方面，全國所有地區的制動末速每個劃分區域與全國平均水平差異不大，處于一個相對均衡的水平上；在速度差值方面，中部地區與西南地區速度差值較低，在小速度差值區間所在比例高于全國評價水平，西北地區與華北地區速度差值較高，沿海地區與西北地區基本上處于與全國平均水平想持平的狀態。

由圖6與圖7，我們可以進行全國制動能量與摩擦片溫差的分析。

圖6是每次制動過程中所產生的能量的統計，從圖中可以明顯的看出，制動過程中產生能量大小的分區呈兩極分化趨勢，即小于10Kj的低能量區與大于40Kj的高能量區。其中中部與西南地區在低能量區所占比例較高，沿海、西北、華北與東北地區在高能量區所占比例較高。能量是由速度的平方差來決定的，能量高可以從側面說明制動初速與制動末速之間的差值較大，若與制動頻度結合來考慮，可以得出該城市的制動強度的強弱以及可以為制動能量回收控制策略的制定提供數據基礎。

圖7是每次制動過程中溫度差值的統計，從圖中可以看出，溫度差值基本上都集中在大于0℃小于2℃的區間內，約占72%左右，且除了中部地區在大于0℃小于1℃這個區間與全國平均水平有差異外基本在全國平均范圍內。其中溫度差值小于0℃的區間是因為在冬季在北方城市室外溫度處于零下10℃以下，摩擦片的冷卻能力大于溫升能力造成的。了解摩擦片在不同城市與環境溫度下的溫升情況，可以在整車制動設計前期，為其摩擦片與制動盤的熱容性計算提供一定的參考與依據。

由圖8、圖9與圖10，我們可以對影響踏板感覺三要素，即踏板力、踏板行程與減速度進行對比分析。

圖8是踏板力平均值的統計。可以看出在踏板力分布方面全國各個分區之間還是存在著比較大的差異性的。從圖8可以看出，大部分的制動踏板力平均值集中在大于10N小于25N的區間內，約占總體的75%到80%，但各個分段內各個區域的分布差異性也較大。

圖9為踏板行程最大值的統計。從圖中可以看出踏板行程最大值的分布主要集中在10-25mm的區間內，所占比例約為75%。在區域差異性上，華北與東北地區在與其他區域進行對比上，存在很大的差異性，東北地區尤為甚之，在大于30mm的區間內，東北地區所占比例為58.28%，差異明顯。

圖10是制動減速度最大值的統計。從圖中可以明顯看出，減速度主要集中于小于0.3g的區間內，其中0.1-0.2g的區間約占總體的50%，小于0.1g約占總體的30%，0.2-0.3g約占總體的20%，且整個采集過程中并沒有出現超過0.5g的大減速度制動。

通過對上述制動參數的對比分析，可以看出各個制動參數在消費者正常使用過程中所能達到使用水平范圍，而國內、日本與德國的主觀評價方法也是大部分集中在中高速下的大制動力大減速度下的制動性能評測上，通過對數據的深入分析與研究，調整主觀評價項目所占比重，從而在制動使用頻率高的范圍內找到更多可以優化的問題點，從而提高制動系統品質。

3.3 制動商品性評價工況的制定與復現方法

本次制動工況的調研與采集共分為城市擁堵、城市擁堵早高峰、城市擁堵晚高峰、城市一般、城郊與高速共計6個工況，通過對每次制動所采集到的數據進行各個參數的分析，并將所有數據進行分工況匯總，這樣就可以形成制動運動片段數據庫，如圖11所示。

因評價工況的復現與驗證的方法為通過制動慣量臺架進行復現，所以對每個運動學片段進行分解，只需要提取出制動初速、制動末速、制動減速度以及整個制動過程所占時間即可。對每個工況的運動學片段進行概率上的各個參數區域的概率分布統計，就可以得到每個取值范圍所占比例，如圖12所示。

然后通過與實際采集過程中制動發生的情況進行組合，即可得到一個模擬的制動過程的簡化描述以及制動過程中的車速隨時間的變化曲線，如圖13與14所示。

通過對6個工況的數據進行總結，就可以得到一個包含大部分實際制動使用情況的模擬工況，如圖15所示。

通過臺架工況對全國制動使用情況的匯總，可以通過臺架采集到試驗車制動器的磨損情況、摩擦片性能、耐久、噪聲與抖動以及熱衰退性能，可以為主機廠以及零部件供應商提供其產品的實際性能情況，但該工況目前僅進行在試驗室研發驗證階段，還有許多問題需要進一步提高與完善，并沒有達到對外使用的水平，目前所做的測試均為試驗內部驗證，尚未達到JASO C406、北美一般工況以及SAE J2521等成熟工況，有待提高與推廣。

4 成果應用與展望

通過本次調研的數據采集、分析與研究，意義以及成果應用如下：

（1）可以直觀的得到全國消

費者制動器使用特點與使用水平，直觀的看到各個制動參數實際使用過程中所占比重，有助于主機廠以及零部件供應商在產品開發設計、試驗驗證以及主觀評價中有側重點的開展工作。通過消費者制動使用情況與主觀評價結合起來，得到一項新的主觀評價標準，結合現有的制動主觀評價體系，已經為國內多家主機廠提供過主觀評價服務，目前已經形成兩種不同的評價體系：專業級與普遍駕駛級。

（2）通過數據計算，可以得到采集城市的制動負荷情況，制動負荷情況可以反應出制動過程中的能量以及劇烈程度，通過制動能量，也可以對摩擦片進行使用壽命的預估。

（3）通過對特征片段的分析處理與匯

總，然后進行概率統計以及參數的組合，得到中國乘用車商品性評價臺架工況，通過臺架工況可以對制動器進行臺架試驗驗證，比國外的一些臺架工況更符合中國國情。

（4）還有幾項研究本文沒有贅述：通過能量統計，可以為新能源汽車以及混合動力汽車的能量回收系統的利用控制策略的優化提供數據支持，提高利用率；可以通過對踏板速度的統計，為BA輔助系統提供數據支持。

還存在許多不足以及還需要深入研究的部分：

（1）在工況方面：臺架工況的分類并不明顯，沒有對試驗的驗證工況進行分類；沒有找到科學的道路試驗付現方法，因為無法對駕駛員制動時的踏板力、踏板行程與制動過程中的減速度合理的進行控制，無法對整個制動過程科學的控制，可以采用駕駛機器人來取代駕駛員，目前正在調研中。

（2）采集的范圍還不夠廣泛。目前只針對了全國大中型城市進行了采集，小城市覆蓋率并不高，且區域范圍內西部地方覆蓋率也比較低。

（3）采集試驗車單一性上存在著些許不足。為了保證采集的一致性，本次采集車全程為同一輛SUV車型，并沒有進行更換，且沒有用轎車進行采集數據，以形成對比。

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