汽車制動儲液罐動態性能仿真分析研究

鄭玉花

(上海汽車制動系統有限公司， 上海 201821)

0 引言

汽車制動儲液罐在汽車制動系統中為車輪制動提供工作介質制動液。由于溫度等外界條件變化及車輪制動器的摩擦片磨損等原因，儲液罐中制動液的容積不是恒定不變的；且受慣性力和離心力作用，制動儲液罐內制動液液面在整車加速、減速及轉彎等動態工況下會發生傾斜，當液面傾斜至一定程度時就有可能出現某一腔液體體積過小而使制動過程失效，從而危及到駕駛員及乘客的安全。因而，對設計的制動儲液罐動態性能提出兩方面要求：一是在動態工況下必須提供足夠的制動液以保證制動安全性；另一方面應避免誤報警以保證駕駛舒適性。

為節約開發成本，不可能直接開模基于儲液罐樣件的動態性能試驗結果來修正設計；項目開發進度通常也不會預留足夠的時間來容錯。因而基于計算機的制動儲液罐動態性能的仿真分析成為設計首選。

2 制動儲液罐動態性能重要結構特征分析

由于整車布置問題，制動儲液罐外形千姿百態，設計上難以實現標準化；但通過對制動儲液罐的內部結構的深入剖析及多年儲液罐設計經驗的總結，儲液罐的動態性能的是否合格與下列結構特征(見圖1)的設計位置息息相關。

- 報警點，制動儲液罐內都按設計意圖在某一位置放置有浮子，用以實時監測罐內液面的變化。當液面降低時，浮子隨之降低，降至某一位置則會觸發報警回路的狀態改變，從而發出報警信號。報警點的位置由浮子和罐體上浮子運動的上下止點共同決定。報警點的高低直接影響著制動儲液罐動態性能。在任何整車動態工況下，不管液面如何傾斜變化，只要制動儲液罐內實際液面高于報警點，則儲液罐不會發生報警。這也是制動儲液罐動態性能仿真分析的評判基礎。

圖1 與動態性能相關的制動儲液罐重要結構特征Fig.1 Important structural characteristics related to dynamic behavior

- 最高液面， 為與主機廠制動液加注頭匹配，會給每個制動儲液罐規定最高加注液面，用以整車裝配時自動監測液量加注是否合格。最高加注液面直接決定了儲液罐內的液量多少，該液面的高低是報警點位置設計的重要基礎之一，也是在動態工況下液面傾斜后實際液位高低的重要影響因素。

- 浮子腔中心線，浮子腔中心線隨浮子腔位置而定。浮子在浮子腔內隨液面變化上下浮動，為易于設計導向結構，浮子和浮子腔形狀一般均為圓柱形。在罐體浮子導向柱的引導下，制動儲液罐的報警點只能沿浮子腔中心線上下移動。浮子腔位置和報警點的位置共同決定了動態工況下報警液面的高低，直接影響著儲液罐動態性能。

- 溢流點，與雙腔的制動主缸匹配，制動儲液罐內設有獨立的兩腔分別與制動主缸的第一腔和第二腔直接相通。儲液罐內的兩腔必然存在溢流點。一方面，如果溢流點過高，在動態工況下液位傾斜后儲液罐內液面存在分層的可能。制動液分區分層后極易導致不報警或誤報警。另一方面，如果溢流點過低，溢流點高度設定必須則不能保證儲液罐在任何工況下都能向制動系統提供足夠的液量，以保證其正常工作。

3 制動儲液罐動態性能仿真分析理論基礎

制動儲液罐動態性能仿真分析的前提之一是必須將復雜的整車動態工況下制動儲液罐液面的傾斜情況量化為計算機可以考察的傾斜角度。

動態工況下儲液罐液面傾斜角度受重力加速度和加速度的綜合影響。

以加速0.7 g時液面傾斜情況轉化為例，制動液液面傾斜角度(如圖2所示)可通過反正切進行計算：ɑ=arctan(0.7g/1g)=35°。

圖2 動態工況下制動液液面傾斜角度分解示意圖Fig.2 Sketch for inclination angle of brake fluid level under dynamic condition

以此類推，可以將所有加速、減速、轉彎等動態工況下液面傾斜角度通過數學計算的方法進行推導。根據整車實際性能需求，動態檢測加速度與液面傾斜角度關系見表1。按照行業最高標準，最高試驗減速度分別為加速0.7g；減速1.3g；轉彎1.1g。表1中黑色區域為相應工況下不需要考察的角度。

4 制動儲液罐動態性能仿真分析準則 —— 距離比較法

傳統的制動儲液罐動態性能仿真分析準則為容積比較法，即動態工況下，如果報警點所在液面以下的制動液容積小于最高液面容積去掉67%消耗容積，則可判定動態性能合格；反之，則不合格，需要修正設計。但儲液罐外形千差萬別，同樣的富余容積在不同儲液罐里所呈現的液面高度差是不同的。所以儲液罐設計合格性判斷很大程度上需依賴設計人員的經驗。所以在此，我們引入直觀的距離比較法(如圖3所示)進行儲液罐動態性能合格性判斷。

表1 動態檢測液面傾斜角度要求

圖3中，

液面1：在某動態工況下報警點所在制動液液面；該液面過設計報警點且平行于傾斜角度，可以在計算機三維數模中找到并畫出來。

液面2：儲液罐在動態工況下的真實液面；動態工況下真實液面的搜尋可以基于等體積原則：即盡管整車動態工況千變萬化，但罐體內腔所裝液體在同一時間內都是一個固定值；根據工程經驗，67%的消耗容積(如果沒有客戶特殊要求)作為安全余量，通常以最高液面容積去除67%的消耗容積作為搜尋基礎體積，以保證設計可靠性。借助計算機強大的自動計算能力，運用二分法原理實現快速進行搜尋。

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液面2獲得后，通過比較兩個液面的垂直距離——液面差來判斷動態性能是否合格。

如果液面差，

液面2—液面1>0(如圖3所示)，說明真實液面高于報警點所在液面，則表示動態工況下是安全的，儲液罐將不會誤報警；

圖3 距離比較法儲液罐動態仿真分析示意圖Fig.3 Sketch for distance comparison method of dynamic simulation

液面2—液面1<0，說明真實液面低于報警點所在液面，則表示動態工況下將不安全，儲液罐將會發生誤報警，影響駕駛舒適性。

5 制動儲液罐動態性能仿真分析的計算機自動實現

制動儲液罐通常為全新設計，從無到有，在設計定型前不可避免需對設計進行多次修改；即便是基于現有產品進行外形修改，也不得不對整個產品動態性能重新進行仿真分析。當前情況下，企業對汽車制動儲液罐動態性能的仿真分析均通過設計人員手動操作CATIA軟件來實現，分析過程中存在以下問題：

(1) 基于表1，對制動儲液罐設計過程中需驗證的動態工況就多達42種，涉及參數較多，如果全由設計工程師手動仿真分析，其任務量之多可想而知，而且極易遺漏，且分析的準確性也難以保證；

(3) 仿真分析過程中，各參數需要設計人員逐一選擇并通過手動操作CATIA軟件實現，缺乏一套有效的參數選擇的人機交互界面，因而參數在選取過程中極易出錯；

(4) 每次仿真分析過程中涉及的參數及結果均需要保存，手動仿真分析缺乏一套完整的結果保存方法，導致設計人員在修改設計過程中調看結果效率低下；

(5) 仿真分析結果合格與否的判斷對設計工程師經驗依賴性大。

為提高儲液罐設計質量和效率、降低儲液罐設計工程師的工作負荷，同時便于培訓新人，我們基于Dassault Systemes公司的Catia V5進行二次開發，開發制動儲液罐設計校核軟件，使得儲液罐動態性能仿真分析可以計算機自動實現。

本軟件可作為Catia插件在儲液罐數模設計完成時直接調用，根據交互界面(如圖4所示)指導選取儲液罐動態分析所需特征參數。

圖4 儲液罐動態性能仿真分析參數設定
Fig.4 Parameter setting for dynamic simulation of brake fluid reservoir

儲液罐設計校核軟件基于等體積原則，運用二分法原理搜尋真實液面，并自動切割儲液罐內部容積數模，獲得真實液面和報警點所在液面的垂直距離，按照距離比較準則自動判定分析結果是否合格(如圖5所示)并自動存儲分析結果。

該儲液罐設計校核軟件采用距離比較法對動態性能進行自動分析判斷，整個仿真分析過程簡單直觀，如圖6所示。

液面在報警點上方-安全Brake fluid level 2mm above the switch point-Safe

液面與報警點重合-風險Brake fluid level coincides with the switch point-Risk

液面在報警點下方-誤報警Brake fluid level lower than the switch point-Wrong warning

圖6 制動儲液罐動態性能仿真分析數模顯示
Fig.6 Model show for simulation analysis of brake fluid reservoir dynamic behavior

6 結語

動態性能是汽車制動儲液罐設計成敗的關鍵，插件式設計校核軟件實現了儲液罐動態性能的自動仿真分析，并將設計校核效率提高近30%，且標準化了儲液罐動態性能仿真分析流程。