基于某SUV車型的制動系統(tǒng)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(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

制動系統(tǒng)是汽車中不可或缺的一個子系統(tǒng)，關(guān)系行車安全，匹配優(yōu)良的制動系統(tǒng)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(tǒng)參數(shù)多參照標(biāo)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(tǒng)正向選型匹配的方法。

1 整車基本參數(shù)

某SUV車型整車基本參數(shù)，如表1所示。

表1 某SUV整車基本參數(shù)

2 制動系統(tǒng)匹配基本思路

2.1 制動力分配系數(shù)及制動回路的選取

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

則根據(jù)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(shù)；

h——質(zhì)心高度，mm；

L——軸距，mm；

Lf，Lr——質(zhì)心至前后軸的距離，mm。

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

該車型空載狀態(tài)前軸荷所占比例達(dá)60%，空滿載狀態(tài)軸荷轉(zhuǎn)移較大。為保證空滿載條件下附著系數(shù)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(wěn)定性，選取X型雙回路制動系統(tǒng)。

2.2 同步附著系數(shù)的選取及驗證

同步附著系數(shù)計算公式如下[3]：

根據(jù)空滿載整車參數(shù)，結(jié)合式（5），可得空滿載同步附著系數(shù)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(shù)較高，建議空載狀態(tài)μ0在0.6～0.8，同時為保證滿載狀態(tài)下在地面附著系數(shù)（μ）為0.8的路面上具有盡可能大的附著系數(shù)利用率，應(yīng)保證 μ0≤1.1。

經(jīng)上述校核，所選擇的β滿足要求。

2.3 輪缸尺寸的選擇

為達(dá)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(jù)滿載質(zhì)量，初步選擇前后均為單缸浮動鉗。則有：

式中：Ff，F(xiàn)r——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(shù)；

BFf，BFr——前制動器效能因數(shù)；

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(shù)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(shù)，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(jù)滿載時整車重量，同時防止因摩擦因數(shù)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(shù)均為0.38。因盤式制動器有BF=2f，因此，前后制動器效能因數(shù)分別為：BFf=0.76，BFr=0.76。

據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，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(jù)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(jù)GB2978—2008[5]查詢輪胎205/60 R16所對應(yīng)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(shù)據(jù)，根據(jù)式（6）得：df=48.8 mm。為保證足夠的設(shè)計余量，同時結(jié)合公司現(xiàn)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(shù)，代入式（11）：

驗證得：新參數(shù)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(yīng)保證15次連續(xù)制動后不發(fā)生制動熱衰退。結(jié)合整車質(zhì)量，前制動盤采用通風(fēng)盤，后制動盤采用實心盤。經(jīng)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(jié)果，如圖2所示。

經(jīng)實際校核，15次連續(xù)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(xù)制動情況下不會發(fā)生熱衰退。

2.5 主缸尺寸的選取

主缸尺寸的確定應(yīng)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(jù)滿載情況下整車參數(shù)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(jù)式（6）和式（13），并結(jié)合上述參數(shù)，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(jù)真空助力器提供最大助力結(jié)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(jù)文獻[1]的要求：駐車制動系應(yīng)能使?jié)M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(cè)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(jīng)校核，該狀態(tài)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(jù)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(guī)最小要求，實際選取時會相應(yīng)增大電機功率以保證在摩擦系數(shù)減小時仍能滿足駐坡需求。

3 參數(shù)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(tài)下總是前輪先抱死，空載狀態(tài)下總是后輪先抱死。

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

校核2種狀態(tài)，具體結(jié)果如下：

1）正常狀態(tài)行車制動。

①滿載狀態(tài)：a=7.16 m/s2，S=64.98 m，F(xiàn)p=112.36 N；

②空載狀態(tài)：a=7.65 m/s2，S=61.54 m，F(xiàn)p=89.81 N。

因此，在正常制動時，均滿足法規(guī)要求，且踏板力適中。

2）應(yīng)急制動。

①滿載狀態(tài)—回路失效：a=3.174 m/s2，S=140.9 m；

②滿載狀態(tài)助力器失效：a=4.179 m/s2，S=103.4 m；

③空載狀態(tài)—回路失效：a=3.623 m/s2，S=125.9 m；

④空載狀態(tài)助力器失效：a=5.585 m/s2，S=80.2 m。

因此，在應(yīng)急制動時，均能滿足法規(guī)要求。

4 結(jié)論

文章以某城市SUV車型為基礎(chǔ)，依據(jù)國標(biāo)要求，結(jié)合經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并通過布置校核及workbench熱容量仿真，完成了基礎(chǔ)制動系統(tǒng)的正向選型。經(jīng)驗證分析，該基礎(chǔ)制動系統(tǒng)符合法規(guī)要求，從而驗證了匹配方法的正確性及有效性。