制動踏板感影響因素及量化控制

孫建濤，劉浪，崔洋，易東旭

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

隨著中國經濟和汽車行業的發展，國內汽車銷量快速增長，2016年中國占世界汽車銷量的28%，銷量達到2 800多萬輛，中國已成為世界最大的汽車市場。同時，隨著汽車保有量的增加，中國的駕駛員數量也逐年增加，截止到2015年，我國機動車駕駛人達到3.3億，其中汽車駕駛人超過2.8億。隨著駕駛人駕駛年限增加和駕駛人對汽車的深度了解，對車輛性能提出更高的要求，在滿足部件功能的情況下，對駕乘感受也越來越重視。制動系統作為駕駛過程中最頻繁操作的系統之一，在滿足功能和安全的前提下，主觀感受也同等重要。

良好的制動踏板感受是優秀車輛的必要條件，是用戶滿意度的一個重要指標，應能滿足絕大多數駕駛員主觀感受的要求。制動踏板感受與客觀數據相結合，形成可實施的踏板感目標。踏板感是多因素綜合影響的結果，且每個影響因素的貢獻度不同，又相互制約，因此研究踏板感的影響因素及其量化控制，是制動系統工程師面對的重要課題。

1 踏板感目標

在傳統液壓制動系統中，制動踏板通過杠桿機構與真空助力器帶主缸總成相連，駕駛員在踩下制動踏板后，一方面，制動踏板克服機構間隙，在真空助力器的作用下，推動主缸活塞運動，使管路油壓升高推動制動分泵并使得制動片和制動盤間產生制動力矩，進而在輪胎-路面的相互作用下形成對車輛運動方向相反的制動，最終使車輛減速或停止；另一方面，駕駛員通過踩踏制動踏板，根據反饋得到踏板力和踏板位移信號，進而獲得一定的制動踏板感受，再加上身體感受到車輛制動減速度、聽覺上的制動噪聲以及視覺上的車輛減速度等諸多因素，共同構成了完整的制動感受。制動感受是車輛在制動情況下駕駛員身體感官上的綜合感受，由制動系統零部件以及制動系統與整車匹配所決定；而踏板感受則側重于制動踏板機構給駕駛員右腳的反饋作用，通過踏板特性曲線，即踏板力-踏板位移曲線來描述。因此可以認為制動踏板感受是制動感受的組成部分，好的制動踏板感受不一定會有好的制動感受(比如制動噪聲、制動抖動、制動距離過長等)，但是好的制動感受必須要求有好的踏板感受。

從上述有關制動踏板感受定義可以知道，踏板力與減速度關系曲線、踏板行程與減速度關系曲線是描述制動踏板感受的有效方法，因此定義這兩種關系曲線是研究踏板感受的基礎。國內外一些主機廠在這一方面做了很多基礎性的研究和積累，提出了各自的踏板感受標準。根據對駕駛員踩踏制動踏板速度對比分析，認為以100～150 N/s的踩踏速度進行試驗和仿真模擬，更能準確反映一般使用工況下的踏板感受。

通過研究積累和對標車踏板感客觀數據測試，結合主觀評價，得出較優的制動踏板感目標區域，如圖1和圖2所示。

踏板感被整車、懸架及制動系統等零部件共同影響，需要找出制動踏板感的影響因素，以便通過量化控制影響因素來滿足踏板感目標。文中主要介紹制動系統相關的影響因素。

2 踏板感影響因素分析

對踏板力與減速度關系、踏板行程與減速度關系進行研究，通過整車參數和制動系統理論計算，結合對標車主觀評價和經驗參數進行分析，得出如下踏板感的影響因素。

制動踏板力主要與以下因素相關：

(1)制動踏板杠桿比；(2)真空助力器助力比；(3)制動主缸缸徑；(4)前、后卡鉗缸徑；(5)前、后制動盤有效半徑；(6)前、后摩擦片摩擦因數；(7)真空助力器真空度；(8)制動系統各零部件力傳遞效率。

制動踏板行程主要與以下因素相關：

(1)制動踏板杠桿比；(2)真空助力器空行程；(3)制動主缸缸徑；(4)前、后制動器盤片間隙；(5)前、后制動器卡鉗所需液量；(6)前、后摩擦片摩擦因數；(7)前、后軟管所需液量。

通過對以上影響因素分析，可以得出影響踏板力和踏板行程的主要共同影響因素：(1)制動踏板杠桿比；(2)制動主缸缸徑；(3)前、后卡鉗缸徑；(4)前、后制動盤有效半徑；(5)前、后摩擦片摩擦因數。

主要共同影響因素對踏板力和踏板行程的影響趨勢見表1。

表1 各主要影響因素對踏板力和踏板行程的影響趨勢

從表1可以看出，各影響因素對踏板感的影響結果不完全相同，且相互制約，因此，找出每個影響因素對踏板力和踏板行程的貢獻度非常重要。

3 踏板力和踏板行程影響因素貢獻度分析

踏板力和踏板行程的影響因素較多，若要模型準確仿真，需要準確知道各因素對仿真結果的影響量。因此引入貢獻度分析，即每個影響因素在自身參數發生變化的情況下，對結果的影響量。以下通過單因子法分析，即各影響因素增加5%，得到的結果分析對比如圖3—圖4所示(負值表示踏板力減小或踏板行程減小的趨勢變化)。

從圖3中可以看出，制動系統零部件所需液量與踏板力關聯度為0；從圖4中可以看出，主缸缸徑和制動踏板杠桿比對踏板行程影響較大，系統中各因素均對踏板行程有影響。

以下為各影響因素貢獻度排序(按照從大到小的貢獻度排序)。

(1)踏板力：主缸缸徑；車質量；輪胎滾動半徑；后摩擦因數，后盤有效半徑；后卡鉗缸徑；前摩擦因數，前盤有效半徑；助力器助力比；踏板杠桿比；前卡鉗缸徑。

(2)踏板行程：踏板杠桿比；前卡鉗所需液量；車質量；輪胎滾動半徑；后卡鉗所需液量；主缸所需液量；制動軟管長度，制動軟管所需液量；制動軟管長度，制動軟管所需液量；ABS所需液量；助力器助力比；質心高度；后卡鉗缸徑；后摩擦因數，后盤有效半徑；前卡鉗缸徑；前摩擦因數，前盤有效半徑；主缸缸徑。

結合某款B級高檔轎車的制動系統匹配，根據影響因素及影響因素的貢獻度，得出制動系統的不同方案，并尋求滿足踏板感目標的最優組合。其中，整車參數如表2所示，制動系統參數如表3所示。

表2 整車參數

表3 制動系統參數

通過制動系統仿真軟件，對各方案進行分析，結合制動系統踏板感目標，得出結果如圖5—圖6所示。

各方案對比結果如表4所示。

表4 各方案對比

從以上對比方案分析：目前方案踏板行程偏長，不滿足目標要求；方案A和方案C有提升；方案B有效平衡踏板力和踏板行程，方案最優。

通過對影響因素貢獻度的分析，可以讓制動系統工程師對各因素的影響量進行量化，從而更好地指導制動系統匹配設計工作。

4 結束語

制動工況為車輛使用最頻繁的工況之一，直接體現客戶感受，間接體現車輛品質。具有良好的制動踏板感，駕駛員能輕松控制車輛減速或停止，所以較優的制動踏板感也是各主機廠的一致追求。通過對影響踏板感的各因素分析并進行排序，為制動工程師找到踏板感的主要影響因素，從而對關鍵因素進行控制，使車輛容易達到較優的制動踏板感。