汽車制動系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化

吳希玲，徐文婷，應(yīng)宇汀

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（寧波）有限公司，浙江 寧波 315300）

前言

汽車制動系統(tǒng)的主要功能是在制動時不斷降低汽車速度。同時，必須確保車輛在制動過程中不受地面坡度的影響，以便在施加制動時車輛能夠穩(wěn)定，可靠地向下滑動。汽車制動系統(tǒng)最常用車輛制動系統(tǒng)最常用的制動方法是：氣動制動[1]。 這種制動方法主要用于重型車輛動制動系統(tǒng)的重型車輛可在停車時有效隔離車輛，從而確保在行駛時減少車輛慣性障礙。在制動系統(tǒng)中，氣動系統(tǒng)的主要組件是制動閥和制動踏板。一般來講，氣動系統(tǒng)裝于汽車后輪處，同時利用強(qiáng)力彈簧控制有效地將壓力施加在車輛上。筆者重點(diǎn)探究了車輛的制動系統(tǒng)以及汽車制動系統(tǒng)的組成，并闡述了其工作原理及性能，從而可以適當(dāng)?shù)馗纳破嚨男阅堋＿@種設(shè)計(jì)提供了信息，還可以分析制動力在汽車的制動軸之間的分布，從而使汽車在制動時更一致、更穩(wěn)定，進(jìn)一步提高安全性。

1 汽車制動系統(tǒng)的主要工作原理

本文著重圍繞氣動制動進(jìn)行工作原理解釋說明。重型車行駛階段，駕駛員制動之前，車輛的前制動室和后制動室通過制動閥和快速釋放閥與外部大氣連通。車輛制動腔和車輛氣罐內(nèi)壓縮空氣有效分隔，故而能夠安全穩(wěn)定行駛。但踩下制動器后，就可以合理調(diào)控汽車制動性能。這種情況下，制動閥會直接阻隔前后制動腔。同時，與外部環(huán)境的連接允許前后的初始空氣空間與汽車儲氣罐中的壓縮空氣連通。這時，因壓縮空氣二產(chǎn)生的氣流引起車輛前后制動器和對應(yīng)車輪間摩擦，借此達(dá)到制動目標(biāo)[2]。

2 汽車制動系統(tǒng)的主要性能

首先，評估系統(tǒng)制動能力和汽車制動系統(tǒng)的恒定性。 其次，評估汽車制造方法。 動態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1 汽車制動系統(tǒng)的制動效能

系統(tǒng)制動效率核心功能在于駕駛期間高效制動和停止車輛，并使車輛保持在稀薄狀態(tài)[3]。所以，車輛制動性能最核心的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)即為縮減車輛制動所需要的距離以及時間，以達(dá)到制動性能安全標(biāo)準(zhǔn)，為行車安全提供更大保障。

2.2 汽車制動系統(tǒng)的恒定性

即車輛制動過程中保證汽車長期制動和連續(xù)維護(hù)的能力[4]。因此，連續(xù)維護(hù)性能屬于系統(tǒng)恒定性不可忽視設(shè)計(jì)要求，必須得到更多關(guān)注。

2.3 汽車制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性

眾所皆知，系統(tǒng)穩(wěn)定性占有極其關(guān)鍵地位，尤其必須保證制動時車輛不會出現(xiàn)打滑情況。因此，對汽車制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求很高，這對駕駛汽車的安全性非常重要。因此，穩(wěn)定性是必須確保的性能，并滿足汽車制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)，才能發(fā)揮應(yīng)有的作用。

2.4 關(guān)于汽車制動性相應(yīng)參數(shù)選取

本次遵照車輛制動原理，主要研究同步摩擦系數(shù)，I曲線與制動力的核心問題。研究汽車的制動性能通常涉及系統(tǒng)數(shù)字模擬，一般必須以強(qiáng)大、有效模擬程序來計(jì)算。各項(xiàng)參數(shù)如下表所示：

表1 汽車制動性分析車型參數(shù)表

3 汽車制動系統(tǒng)性能故障模式

制動系統(tǒng)核心操作機(jī)構(gòu)，真空助力器，制動器、總泵、管道，ABS液壓/控制單元，制動液。如果控制機(jī)構(gòu)操作有誤，管路受損泄漏，制動間隙設(shè)置有誤，電磁閥密封性較差，ABS控制單元異常或相關(guān)零件損壞，制動故障，制動故障，并且會發(fā)生制動故障[5]。諸如偏差，制動阻力/噪音等問題。下文主要研究不同故障具體情況與起因。

3.1 液壓制動失效

行車途中，即便踩住制動踏板，仍無法形成有效制動，就算不斷進(jìn)行制動，依舊沒有直觀減速效果。對此類故障而言，具體原因并不單一，經(jīng)歸納整理說明如下：1）主或輪缸密封件遭受破壞或磨損；2）制動管損壞或接頭松動；3）主缸制動液不足；4）移動踏板已斷開與主缸的機(jī)械連接；5）真空放大器故障或泄漏；6）ABS液壓單元固定閥卡住[6]。

圖1 車輪受力簡圖

3.2 液壓制動不靈分析

當(dāng)駕駛員踩踏制動踏板時，汽車無法正常減速或及時停車，各車輪制動作用較差，制動距離與時間都較長。結(jié)合實(shí)際情況歸納梳理可知，此類故障發(fā)生原因如下：1）制動管路內(nèi)存在氣泡；2）主/輪缸，活塞等產(chǎn)生明顯磨損；3）制動油管受損泄漏；4）踏板空轉(zhuǎn)太長；5）制動間隙超出正常水平，且自動調(diào)控機(jī)構(gòu)失效；6）主缸出/回油閥密封性較差，或活塞回油彈簧預(yù)緊力不足；7）制動盤或摩擦片存在油污；8）真空助力器異常；9）停車制動器沒有充分釋放；10）增壓閥遭到阻塞。

3.3 液壓制動拖滯分析

踩踏制動踏板時，部分或全部車輪制動作用不能立即釋放。該故障將導(dǎo)致制動鼓變熱，車輛將變得脆弱且難以啟動。當(dāng)踩下制動踏板時，汽車無法立即減速或停止，每個車輪的制動效果均不清楚，制動距離和制動時間也很長，控制機(jī)制差，主缸或輪缸活塞卡死，制動管路堵塞，停車制動器未完全釋放，制動盤發(fā)生變形，間隙自動調(diào)控機(jī)構(gòu)操作有誤，輪轂軸承潤滑存在問題。

3.4 液壓制動跑偏分析

所謂制動偏差，即左/右車輪制動力各異，或制動力出現(xiàn)時間各異，使得汽車用過高制動力或過早制動作用朝側(cè)面行車。結(jié)合實(shí)際情況來看，此類故障起因非常多，經(jīng)歸納整理具體如下：1）各車輪制動間隙各異，摩擦墊的磨損程度不一致；2）兩側(cè)胎壓不同，磨損程度不一致；3）制動管路的一側(cè)泄漏，凹槽的堵塞導(dǎo)致制動液流動不良或有空氣；4）制動輪缸一側(cè)不好，有泄漏或發(fā)粘問題；5）制動盤一側(cè)粘油或變形，摩擦墊一側(cè)粘油；6）制動底板或鉗支架固定螺栓一側(cè)松弛；7）增壓閥一側(cè)遭到阻塞。

3.5 制動噪聲分析

制動期間將同步形成高/低頻聲音，前者一般為110/dB；低頻振動不利于維護(hù)制動穩(wěn)定性。更惡劣表現(xiàn)在于，制動噪聲不利于保證乘客的舒適度，縮短部件的使用壽命，并損壞承重部件，甚至引發(fā)重大安全問題。制動聲機(jī)制非常復(fù)雜，經(jīng)歸納整理具體如下：1）剎車結(jié)構(gòu)；2）環(huán)境因素；3）摩擦副特性；4）制動條件[7]。

4 汽車制動系統(tǒng)故障出現(xiàn)原因

4.1 空氣壓力異常

汽車制動系統(tǒng)中氣壓異常的主要原因如下：一是汽車內(nèi)空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，不能正常工作；二是空氣壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)不正常。另一個是制動控制閥管泄漏或是空氣通道被阻塞且空氣壓縮系統(tǒng)異常[8]。

4.2 制動摩擦力矩下降

汽車制動系統(tǒng)故障時，制動摩擦力矩不足主要表現(xiàn)在以下幾個方面：制動鼓與制動蹄之間的距離不合理；閘瓦質(zhì)量不合格；閘瓦接觸面積太小；活動鞋鉚釘強(qiáng)度不夠；制動蹄摩擦片嚴(yán)重磨損；制動鼓產(chǎn)生凹槽。制動凸輪軸和襯套松動或嚴(yán)重磨損。這些因素均會造成制動摩擦扭矩變小，從而引起系統(tǒng)失效問題。

5 汽車制動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 汽車制動系統(tǒng)中氣壓動力制動主要優(yōu)化內(nèi)容

在改善車輛氣動制動時，應(yīng)當(dāng)全面掌握系統(tǒng)工作模式。一般情況下，若不考慮漏氣現(xiàn)象，那么系統(tǒng)前/后空氣儲存器間壓力可理解成恒定壓力源，借此設(shè)計(jì)與建模基本制動組件[9]，具體有雙室制動閥；制動室繼動閥與氣動管路。

首先，雙室制動閥是系統(tǒng)核心控制部件，行駛階段能夠把制動踏板制動信號轉(zhuǎn)變成壓力信號。 行車期間，其工作過程能夠劃分為三個階段：第一，增壓；第二，保壓；第三，泄壓。在其建模階段，重點(diǎn)采用與制動閥動力學(xué)有關(guān)參數(shù)，具體包含制動閥彈簧剛度；活塞回彈剛度與排氣間隙。

其次，繼動閥核心作用在于使制動閥與制動氣室有效相連。其組件為4個管接頭：出/進(jìn)氣口，控制進(jìn)/排氣口。

最后，系統(tǒng)內(nèi)氣壓制動功能為氣壓傳輸通道。系統(tǒng)優(yōu)化階段，核心宗旨在于有效增加車輛制動壓力后，保證和制動速度間處于最佳關(guān)系。設(shè)計(jì)建模階段，應(yīng)選擇節(jié)氣門系統(tǒng)固有關(guān)鍵優(yōu)化內(nèi)容定義所需各項(xiàng)參數(shù)。

5.2 整體參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)車輛標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化制動系統(tǒng)參數(shù)所涉及的八個因素：1）首先，確定制動系統(tǒng)的布局和制動系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)；2）按照汽車參數(shù)與系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，給出最優(yōu)制動力分配系數(shù)；3）相應(yīng)制動強(qiáng)度條件下，按照相同車型最大制動壓力，判斷各輪缸直徑；4）按照卡鉗變形，制動盤/制動液壓力，制動襯塊及其壓力，鋼管/軟管變形，判斷主缸最大工作容積；5）按照主缸直徑及其活塞行程區(qū)間規(guī)范系列，判斷兩者直徑；6）按照主缸直徑與最大制動壓力，給出與之相符增壓器系列范圍；7）按照增壓器系列范圍，采用恰當(dāng)踏板杠桿比；8）全面剖析最終制動力分配系數(shù)，主/輪缸直徑、活塞行程與踏板杠桿比。

5.3 典型零部件結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1）制動結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具體內(nèi)容包含如下：其一，卡鉗輕量化設(shè)計(jì)，通過運(yùn)算與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)研究，使其固有頻率處于正常區(qū)間內(nèi)，降低或去除其和相應(yīng)零件間出現(xiàn)共振幾率；其二，盡可能讓制動盤厚度差與截面跳動次數(shù)變少，盡量去除制動期間各底盤子系統(tǒng)共振幾率；其三，降低或去除中高頻制動噪聲；其四，調(diào)控摩擦系數(shù)隨溫變可靠性。2）利用模擬與實(shí)驗(yàn)研究方式，由旁通閥至中心閥類型，優(yōu)化主缸活塞密封圈與復(fù)位彈簧，或進(jìn)液方式，延長活塞工作壽命。

5.4 汽車制動系統(tǒng)中氣壓動力制動的主要優(yōu)化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化階段，選擇了三組仿真數(shù)據(jù)以獲得最佳設(shè)計(jì)，而后對結(jié)果進(jìn)行比較與分析，最終做出準(zhǔn)確判斷。 關(guān)鍵分析數(shù)據(jù)包括延長的空氣制動器填充時間和延長的空氣制動器釋放時間，還有系統(tǒng)對最大恒定氣壓影響。

5.4.1 增大壓力響應(yīng)率

當(dāng)前，卡車對壓力的響應(yīng)時間通常在0.5至0.9秒之間。 該速度使叉車制動非常遠(yuǎn)，并影響車輛的制動安全性，必須得到優(yōu)化調(diào)整。

通過優(yōu)化改進(jìn)的空氣制動模型的參數(shù)，制動閥下部腔室的彈簧剛度和繼動閥反射剛度，將直接決定泵送與膨脹階段充氣延遲，最終改變制動閥下部開度。回位彈簧剛度、繼動閥返回值都為10N/mm。 增加排氣時間過程中，排氣延遲取決于下部排氣腔與繼動閥兩者排氣間隙，故而取制動閥下方的排氣腔間隙為1.5mm。 排氣門間隙值為1.5毫米。

5.4.2 改善對極端壓力反應(yīng)

合理優(yōu)化模型參數(shù)，系統(tǒng)最大壓力響應(yīng)比不但受前制動腔體積直接影響，同時與制動閥毛細(xì)管彈性以及上制動閥端口之間的距離有關(guān)。

通過分析優(yōu)化模型不難發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后壓力響應(yīng)速度能夠減小至0.3～0.5s，最終大幅改善壓力響應(yīng)速度，效果非常理想。

6 總結(jié)

眾所皆知，車輛制動系統(tǒng)主要作用在于維護(hù)行駛安全，因此性能優(yōu)劣決定著行駛安全性與穩(wěn)定性。隨著時間不斷推移，社會發(fā)展越來越快，汽車保有量逐漸增多，安全性、舒適性、穩(wěn)定性等等成為人們普遍關(guān)注的話題，因此本課題提出有著明顯必要性，未來必然吸引更多目光與關(guān)注。站在維修者角度來看，工作難點(diǎn)在于有效確定與解決系統(tǒng)故障；站在設(shè)計(jì)者角度來看，核心方向在于怎樣圍繞故障出發(fā)，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)獲得更多理論支撐，全面增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性。本文利用故障分析、診斷等信息，面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成合理優(yōu)化，獲得了一些重要結(jié)論與成果，大致實(shí)現(xiàn)預(yù)期優(yōu)化目標(biāo)，克服了實(shí)踐階段許多問題，在改善系統(tǒng)性能方面現(xiàn)實(shí)價值十分顯著，值得更深入研究與重視。 1）按照錯誤情況界定故障模式；2）通過錯誤樹搜索故障組件，同時完成有效定位；3）對剎車聲而言，可按照其頻率與種類判斷其位置；4）優(yōu)化系統(tǒng)總體參數(shù)與部件結(jié)構(gòu)，使可靠性得到大幅改善；5）下一步重點(diǎn)是對各種故障模式進(jìn)行定量分析，順應(yīng)時代發(fā)展趨勢與要求，引入更多新的技術(shù)與方法，圍繞現(xiàn)階段種種故障、問題出發(fā)，通過科學(xué)有效定量分析，提出更合理、更完善解決方案，盡量規(guī)避或降低各類故障發(fā)生可能性，為人們出行安全提供更大保障，也為社會長治久安奠定良好基礎(chǔ)。