基于Pro/E的商用車制動踏板性能優化

張軍，張宇，田博，郭冬妮，劉明明

(中國第一汽車股份有限公司技術中心，吉林長春 130011)

基于Pro/E的商用車制動踏板性能優化

張軍，張宇，田博，郭冬妮，劉明明

(中國第一汽車股份有限公司技術中心，吉林長春 130011)

商用車制動踏板性能對于整車制動性能有直接影響。國內商用車制動踏板設計方法處于起步階段，設計時通常采用對標估算等方法確定制動踏板結構，導致某重卡市場反饋制動踏板力大，踏板感覺差。針對該問題，運用Pro/E軟件結合試驗數據開發了考慮制動踏板比隨制動踏板運動而變化的計算方法，計算精度高。通過調整制動踏板關鍵尺寸從而調整踏板比，并優化制動閥曲線，有效解決了制動踏板力大的問題，提高車輛安全。

商用車;制動踏板;性能優化;Pro/E軟件

0 引言

商用車制動踏板性能對于整車制動性能有直接影響。制動踏板總成是整個制動系統的促動者，在制動系統中有很重要的作用。制動過程控制是靠不斷調節踏板力和踏板行程實現的。駕駛員通過制動踏板來感知車輛制動減速度的大小，控制車輛的制動強度，合理的制動踏板性能可以讓駕駛員對車輛有更好的操縱性。因此，在設計階段一定要合理匹配制動踏板性能。對某重卡進行市場調研及道路試驗時反饋：制動踏板力大，主觀評價踏板感覺差。這是由于傳統計算方法沒有考慮制動踏板運動過程， 導致車輛常用減速度時制動踏板比小且變化范圍大，從而導致制動踏板力大，計算誤差大。作者運用Pro/E軟件開發了考慮制動踏板比隨制動踏板運動而變化的計算方法，可更加精確地應用于制動踏板設計開發過程中。

1 制動踏板比傳統計算方法

制動踏板比的傳統計算方法是不考慮制動踏板運動過程且制動踏板處于初始位置時，如圖1所示，計算公式如下：

(1)

式中：A為制動踏板力作用線到旋轉軸中心的距離(mm)；B為頂桿力作用線到旋轉軸中心的距離(mm)。

制動踏板力F的計算公式：

(2)

式中：Fv為制動閥頂桿力(N)。

圖1 傳統制動踏板比計算示意圖

對于車輛來說，整車總重力、整車前后軸荷分配、整車前后制動力分配、前后制動器及管路壓力等確定的情況下，要想通過制動踏板總成的設計來達到性能指標的要求，就只能通過合理匹配制動踏板比和采用合適的制動閥實現。制動閥頂桿力確定時，制動踏板比越小，制動踏板力越大。

利用以上經驗公式，計算得到某重卡制動踏板比為6.6。

以上方法雖簡便易行，但是沒有考慮制動踏板運動過程中踏板比的變化，經驗公式的計算存在較大誤差。目前制動踏板設計目標為車輛制動減速度達到5 m/s2時，制動踏板行程為40～60 mm，制動踏板力為100～160 N；達到最大管路壓力時，制動踏板力為200～300 N。

2 制動踏板三維模型的建立與仿真

某重卡經主觀評價和用戶反饋存在制動踏板力大的問題。怎么查找原因呢？因此，迫切需要一種直接模擬制動踏板運動過程中制動踏板力變化的計算方法。下面采用Pro/E三維軟件進行建模仿真和驗證。

利用Pro/E三維軟件建立制動踏板總成模型，首先繪制各個零部件的三維實體模型。踩下制動踏板的過程中，頂桿隨制動踏板臂在制動閥中壓縮活塞運動。踏板支架、旋轉軸、制動閥之間無相對位移運動，一般作為剛性連接處理。裝配過程中除了要保證各部件的位置關系，還要定義相應的運動副，先將以制動踏板臂和踏板支架、旋轉軸等剛性連接為主體的兩部分進行 “銷”“槽”裝配連接，然后頂桿與裝配好的總成再進行“銷”“槽”裝配連接。伺服電動機的運動軸設置在旋轉軸上，然后設置伺服電動機曲線，讓制動踏板勻速轉動，以模擬制動踏板的運動過程。裝配好的制動踏板三維模型作為后續制動踏板運動過程中數據采集的基礎，制動踏板三維模型的定義過程分別如圖2—5所示。

圖2 制動踏板三維仿真模型(初始位置)

圖3 運動部件“銷”“槽”裝配設置

圖4 伺服電動機定義

圖5 伺服電動機曲線

將在三維模型中定義運動過程中需要關注的數據A和B、制動踏板行程L、頂桿行程s作為特征在模型樹中創建，以便在運動仿真結束后獲得它們與時間的對應曲線。制動踏板仿真模型的運動過程為連續變化的過程，在運動過程中，各個連接點位置隨制動踏板的位置變化而變化，從而實現運動仿真。運行三維仿真模型后，結果如圖6所示。

圖6 制動踏板三維仿真結果及數據采集結果

根據采集的數據可獲得A值、B值以及制動踏板行程L、頂桿行程s的曲線，分別如圖7—10所示。

圖7 A值曲線

圖8 B值曲線

圖9 制動踏板行程L曲線

圖10 頂桿行程s曲線

將三維仿真模型中采集的數據導入公式(1)中可得制動踏板比隨制動踏板行程的變化曲線，如圖11所示。

圖11 優化前制動踏板比變化曲線

由制動踏板比的變化曲線可知：制動踏板比從最小6.6到最大7.5，制動踏板比偏小，而且變化范圍大。整個踩踏過程中制動踏板比都比較小，所以制動踏板力比較大。根據制動閥臺架靜特性試驗曲線，如圖12所示，結合制動踏板力計算公式(3)可得不同頂桿行程時的制動踏板力Fi的理論計算曲線：

(3)

式中：Fvi為不同頂桿行程時制動閥頂桿力(N)。

圖12 優化前制動閥靜特性曲線

如圖13所示，根據仿真結果及制動踏板性能曲線，結合道路試驗數據，車輛的制動減速度達到5 m/s2時，制動踏板比為6.9，制動踏板行程為71 mm,制動踏板力為240 N，最大管路壓力時制動踏板力為305 N,均未達到設計要求。對比國外樣車，車輛減速度達到5 m/s2時制動踏板比達到了7.5～8.3。

圖13 優化前制動踏板性能曲線

3 制動踏板性能優化

綜合制動踏板三維仿真數據并結合試驗數據分析可知：原車制動踏板力大的主要原因是制動踏板比小，變化范圍大，且制動閥頂桿力大。因此，需要從制動踏板結構和制動閥曲線兩個方面進行優化以減小制動踏板力。

3.1 制動踏板關鍵尺寸優化

對制動踏板結構進行優化，如圖14所示，調節制動踏板總成關鍵運動尺寸，從而調節制動踏板比及其變化范圍，提高制動踏板比。制動踏板比的大小與圖14中旋轉軸中心到制動閥中心距離C、頂桿銷軸運動軌跡半徑D和旋轉軸中心到制動閥安裝平面高度E有關，而制動踏板比的變化則與頂桿銷軸點初始安裝夾角θ1的選擇相關。

圖14 制動踏板關鍵運動尺寸簡化模型

優化前后制動踏板關鍵運動尺寸數據如表1所示。

優化后制動踏板比從最小7.8到最大8.2，明顯提高了制動踏板比，且改善了制動踏板比變化穩定性，如圖15所示。

圖15 優化后制動踏板比變化曲線

通過優化制動踏板關鍵運動尺寸，使得制動踏板比由原來的6.9提高到8.1，且改善了制動踏板比的穩定性，減小了制動踏板力。

3.2 制動閥曲線優化

制動閥的性能主要與閥體上下腔活塞直徑、橡膠彈簧剛度、進氣通道的通徑和排氣開度有關，通過優化這些參數得到優化后的制動閥性能曲線，如圖16所示。

優化后的制動閥在相同頂桿位移下頂桿力更小，而輸出制動氣壓更高，制動減速度更大，如圖17所示。

圖16 優化后制動閥靜特性曲線

圖17 優化后制動踏板性能曲線

根據優化后的制動踏板結構和制動閥曲線，如圖17所示，車輛的制動減速度達到5 m/s2時，制動踏板比為8，制動踏板行程為46.8 mm，制動踏板力為118 N，最大管路壓力時制動踏板力為250 N,均達到設計要求。經道路試驗主觀評價，制動踏板感覺良好。

4 結束語

研究了考慮制動踏板比隨制動踏板運動而變化的Pro/E三維仿真計算方法，與傳統經驗公式計算相比，它具有以下優點：

(1)能方便地計算各種復雜結構的制動踏板模型；

(2)考慮了制動踏板比隨制動踏板運動而變化的過程，計算精度高。

經試驗驗證可知，Pro/E三維仿真方法計算結果更加準確。將該方法應用于工程設計，可以更加準確地設計制動踏板性能，減小制動踏板力，提高車輛安全。

【1】沈言行.汽車設計手冊[M].長春:長春汽車研究所,1998.

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【3】劉少軍,羅以嬌.商用車常規制動踏板感覺研究[J].汽車科技，2013(3)：36-39. LIU S J,LUO Y J.Research of Commercial Vehicle on Brake Pedal Feeling[J].Automobile Technology,2013(3)：36-39.

Performance Optimization of Commercial Vehicle Brake Pedal Based on Pro/E

ZHANG Jun, ZHANG Yu, TIAN Bo, GUO Dongni, LIU Mingming

(Research & Development Center, China FAW Co., Ltd.,Changchun Jilin 130011,China)

Commercial vehicle brake pedal performance can influence the vehicle braking performance directly. The brake pedal design method of the commercial vehicle is in the initial stage. Engineers usually use estimating method to determine the brake pedal structure, resulting large brake pedal force and poor pedal feel in a heavy truck market feedback. According to this problem, the calculation method considering the change of brake pedal ratio with the motion process of the brake pedal was explored with Pro/E software combined with test data, and the calculation accuracy was high. Therefore, the brake pedal ratio was adjusted by adjusting the key sizes of the brake pedal, and the brake valve performance curves were optimized. So the problem of the large brake pedal force is solved effectively and the vehicle safety is improved.

Commercial vehicle; Brake pedal; Performance optimization; Pro/E software

2017-02-26

張軍(1982—)，碩士，工程師，從事汽車底盤設計。E-mail：zhangjun@rdc.faw.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.004

U463.5

A

1674-1986(2017)05-019-04