汽車研發(fā)過程中對制動距離進行有效控制的方法的研究

孟欽定， 張文軍

（大運汽車股份有限公司， 山西 運城 044000）

引言

汽車制動性能是車輛行駛安全的重要保證，制動距離是制動性能重要的組成部分，是駕駛員可直接感知的整車性能，對評價制動系統(tǒng)的優(yōu)劣起到了關(guān)鍵性作用。作為汽車日常行駛中重要的性能指標，制動距離越來越受到重視，尤其在相關(guān)媒體新車型測評報告中占有越來越重的權(quán)重。因此，國內(nèi)外各大汽車公司，不惜花費大量的人力物力專門從事該方面的研究、調(diào)試及試驗。

目前，國內(nèi)主機廠對于制動距離的計算及分析手段還比較原始，不能精確地反應(yīng)車輛的真實情況，對制動距離的設(shè)計及控制缺乏系統(tǒng)性且標準統(tǒng)一的解決方案，大部分主機廠主要依靠后期的調(diào)校解決制動距離長等性能不足的問題。

為了能夠在整車設(shè)計階段對制動距離性能的有效把控，減少后期調(diào)校的周期及成本，本研究嘗試在設(shè)計前期及中期引入仿真分析技術(shù)，研究整車各系統(tǒng)部件的設(shè)計參數(shù)與整車性能之間的關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，從而避免由于設(shè)計后期或試驗階段才發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷及其所帶來的大量的優(yōu)化整改工作。

1 常規(guī)計算

目前國內(nèi)主機廠及設(shè)計公司對于制動距離的計算通常采用以下公式：

式中：S為制動距離；t1為制動機構(gòu)滯后時間；t2為制動力增長所需時間；v0為整車初速度；vj為減速度。

上述公式是基于理想整車模型推導(dǎo)得出的，其忽略了整車懸架、輪胎、行駛等系統(tǒng)動態(tài)特性對制動距離的影響。所以得出的計算結(jié)果與實際試驗數(shù)據(jù)對比，有較大誤差。

2 制動距離仿真

通過搭建整車仿真模型，可將很多復(fù)雜的計算公式集成到一起，通過對時間的積分，得出與實際誤差較小的仿真結(jié)果。進行整車制動距離仿真時，可以將懸架、輪胎、行駛等各系統(tǒng)動態(tài)特性考慮進去，這樣得出的仿真結(jié)果具有實時性，更加接近于現(xiàn)實。

將系統(tǒng)仿真融入到整車的開發(fā)過程中，可在設(shè)計前期對制動距離的設(shè)計目標進行可行性分析，從而避免因目標值的設(shè)置不合理導(dǎo)致的大量反復(fù)整改工作；在設(shè)計中期可通過對制動系統(tǒng)參數(shù)的仿真，提前發(fā)現(xiàn)制動系統(tǒng)的設(shè)計缺陷并解決，防患于未然。

市場上仿真類軟件較多，比如METLAB、Carsim、AMESim 等，這些軟件均可進行整車制動距離的仿真。想要對制動距離進行有效控制，軟件的選擇并不是重點，關(guān)鍵是在整車開發(fā)各階段如何應(yīng)用仿真來識別開發(fā)風(fēng)險、指引設(shè)計方向。

以下基于AMESim 對仿真在整車制動距離性能開發(fā)過程中的部分應(yīng)用進行說明。

2.1 仿真的應(yīng)用方式

仿真的目的主要有設(shè)計指引、方案驗證、問題排查等，在整車各開發(fā)階段，仿真的應(yīng)用目的是不同的。常見的應(yīng)用方式如表1 所示。

表1 仿真的常見應(yīng)用方式

2.2 仿真流程

制動距離的仿真流程如下頁圖1 所示。

2.3 仿真模型

制動距離仿真需要搭建整車模型，應(yīng)至少包含上車體、制動系統(tǒng)、減震器及輪胎、路面，電動車需包含能量回收模型，如圖2 所示。

圖1 制動距離仿真流程

圖2 某車型制動距離仿真模型

整車主要考慮軸荷分布、質(zhì)心位置、風(fēng)阻對制動距離的影響。整車模型需設(shè)定前/后軸荷、前/后簧載質(zhì)量、前/后非簧載質(zhì)量、風(fēng)阻系統(tǒng)、迎風(fēng)面積、初始速度、質(zhì)心高度等參數(shù)。

懸架主要考慮剛度及阻尼對制動距離的影響。懸架模型需設(shè)定前/后懸架質(zhì)量、前/后懸架剛度（非線性）、前/后懸架阻尼（非線性）等。

輪胎與地面主要考慮動態(tài)滾動半徑、附著系數(shù)對制動距離的影響。輪胎模型需設(shè)定輪胎靜/動摩擦系數(shù)、輪胎自由半徑、輪胎滾動半徑、輪胎額定載荷、輪胎剛度及阻尼、抓地力系數(shù)等參數(shù)。

踏板主要考慮踏板與助力器相對運動過程中杠桿比的變化及效率的變化對制動距離的影響；前圍板主要考慮結(jié)構(gòu)剛度對制動距離的影響。踏板模型需設(shè)定踏板臂結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、銷軸摩擦系數(shù)及阻尼、回位簧剛度及初始回位力等參數(shù)。

助力器主要考慮真空度、始動力、跳躍值、助力比、拐點等對制動距離的影響。助力器需設(shè)定助力器彈簧、橡膠閥、活塞、反饋盤等參數(shù)。

主缸需配合助力器考慮對制動距離的影響。主缸模型需設(shè)定缸徑、回位簧、行程、注油孔等參數(shù)。

制動管路主要考慮軟管對制動距離的影響。管路模型需設(shè)定管徑、壁厚、長度、材料模量等參數(shù)。

制動器主要考慮卡鉗、摩擦片結(jié)構(gòu)參數(shù)對制動距離的影響。制動器模型需設(shè)定缸徑、摩擦系數(shù)、制動半徑、密封圈、卡鉗剛性等參數(shù)。

2.4 仿真參數(shù)

仿真參數(shù)的輸入應(yīng)參考以下原則：對制動距離仿真結(jié)果影響大的參數(shù)應(yīng)力求準確、詳細，影響小的參數(shù)盡量簡化。常規(guī)仿真參數(shù)如表2 所示。

表2 某車型制動距離仿真參數(shù)匯總表

2.5 仿真項目

2.5.1 制動距離目標值可行性的仿真分析

在該分析項中，主要目的是為了驗證在整車開發(fā)初期對制動距離設(shè)定的目標值是否合理、有效、可行。通過仿真，可以輸出相關(guān)系統(tǒng)的期望性能，尤其是輪胎的縱滑曲線，可以作為后期輪胎匹配開發(fā)的依據(jù)，如圖3 所示。

圖3 某車型期望的輪胎縱滑特性曲線

2.5.2 多工況制動距離的仿真分析

該分析項應(yīng)處于制動距離目標可行性分析之后，伴隨其之后的整個制動系統(tǒng)設(shè)計過程，不斷完善制動系統(tǒng)參數(shù)的匹配，保證制動距離性能得到有效控制。該分析項也可用于后期多方案優(yōu)化對比，為工程師提供優(yōu)化思路。某車型制動距離仿真結(jié)果如圖4 所示。

3 結(jié)語

在整車研發(fā)過程中引入仿真技術(shù)，可實時觀察并分析制動踏板輸入到制動鉗輸出的整個回路中任意一部件的動態(tài)響應(yīng)，了解整個系統(tǒng)的動態(tài)特性，找到影響制動距離的主要因素。通過仿真有助于工程師在設(shè)計階段對制動距離的性能進行直觀且有效的評估、把控，減少后期試驗次數(shù)，縮短研發(fā)周期，降低成本，為未來制動系統(tǒng)的開發(fā)提供了一種全新且有效的設(shè)計思路和手段。

圖4 某車型制動距離仿真結(jié)果