集成式制動系統踏板感覺仿真分析

蔣帥 隋清海 郝占武 郝薈萃 史亨波

（1.中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013；2.吉林省電子信息產品檢驗研究院，長春 130000）

1 前言

隨著汽車電動化及智能化的發展，制動系統也在不斷創新變革。從燃油車普遍使用的真空助力器，到因電動車無法提供真空而發展起來的電子助力器，再到將車身穩定系統[1]和電子助力器集成到一起的集成式制動控制系統。目前，集成式制動控制（Integrated Brake Control，IBC）系統是一種新型的高度集成化的“單系統方案”電液制動系統，它無需真空，能同時實現制動助力和車身穩定控制。IBC 系統采用無刷電機和滾珠絲杠等驅動機構，按照駕駛員需求為車輛制動提供高精度的線控液壓制動力，具備高動態建壓能力，在行車及主動制動工況下可以實現更快的制動響應速度并在極限工況下提升車身穩定性。

集成式制動控制系統的踏板感覺為解耦式，輪邊的液壓波動不會對踏板感覺造成影響，在防抱死制動系統[2]（Anti-lock Brake System，ABS）作動工況下，駕駛員不會獲得粗暴的彈腳感。通過IBC 模擬器和制動主缸等部件來模擬實現駕駛員制動時所需的制動踏板力與踏板行程，IBC 的踏板感覺設計對制動駕乘體驗及保障行車安全十分重要。

本文針對集成式制動控制系統，基于AMESim建立IBC 系統主缸、踏板感覺模擬器等部件的動力學模型，進行全功能模式下和機械備份模式下的踏板感覺仿真分析及關鍵參數的敏感度分析，為集成式制動控制系統方案設計提供參考，從而獲得優異的踏板感覺。

2 集成式制動系統結構原理

2.1 IBC系統制動主缸結構原理

IBC 系統結構如圖1 所示，包含制動主缸、建壓活塞、驅動電機、傳動機構（滾珠絲杠等）、儲液罐、踏板感覺模擬器和電磁閥等零部件，具體液壓原理如圖2 所示，此時為機械備份模式，IBC 系統并未供電。IBC 系統共包含14 個電磁閥，其中ISO-1 和ISO-2為隔離閥，隔離兩回路輪邊制動壓力與駕駛員踩踏制動壓力，起到踏板感覺解耦作用；電磁閥PSV連接1腔主缸與踏板感覺模擬器，為常閉閥，車輛上電時保持常通；CV-1和CV-2為常閉電磁閥，車輛上電時保持常通，打開建壓腔，方便IBC系統電機推動建壓活塞將制動液推送到輪邊制動器進行建壓；DV為常通閥，上電自檢時使用；其余8 個電磁閥中，ISV-1～ISV-4 和OSV-1～OSV-4 分別為進液閥和出液閥，與常規車身穩定系統原理一致，用來實現ABS等功能的增減壓。

圖1 IBC系統零部件結構

圖2 IBC系統機械備份模式下工作原理

類似傳統的真空助力器主缸，IBC 系統同樣采用廣泛應用的柱塞式主缸。與傳統主缸的區別在于第1 腔預緊力低于第2 腔預緊力。傳統內燃機汽車采用真空助力器，正常工作時內部為真空狀態，在真空源突然失效的情況下，真空助力器內部仍能儲存部分真空，可以滿足駕駛員3 次制動，之后真空狀態才會消失，故傳統真空助力器車型在真空源突發失效時前3次制動仍能產生遠大于法規要求[3]的2.44 m/s2的應急制動減速度。為了模擬該特性并保證達到汽車安全完整性等級（Automotive Safety Integrity Level，ASIL）A 級標準[4]，IBC 系統需要在失效過程中產生較大的制動效能，即500 N 踏板力的減速度需要達到4.8 m/s2。為實現該目標，IBC 相比傳統車需要在以下3 個方面進行方案調整：制動主缸的缸徑設計較傳統車偏小；制動主缸的預緊力相比真空助力器（膜片回位彈簧預緊力，即失效始動力）小200～300 N，踏板比設計得偏大。踏板比稍大同樣可以保證IBC系統在全功能制動時的踏板行程不會偏短，缺點是在機械備份模式下踏板行程較長，布置上需要的踏板總行程較大，同時駕駛員在機械備份模式下會因為行程較長而感覺制動偏軟。

機械備份模式下PSV 閥處于關閉狀態，制動液不會進入踏板模擬器。制動液從主缸1 腔經ISO-1電磁閥分別流經ISV-1 和ISV-2 電磁閥進入左前制動器和右后制動器，主缸2腔同理。IBC系統主缸的工作過程為：第1 階段，因第1 腔內的回位彈簧預緊力小于第2 腔回位彈簧預緊力，故第1 腔先被壓縮建壓，作用在第1 腔活塞上的推力推動第1 腔活塞組件向前運動，在消除第1 腔空行程后第1 腔開始建壓；第2 階段，制動液繼續推動活塞，此時第2 腔內制動液未被壓縮，當作用在第2 腔上的彈簧力和壓力大于第2 腔彈簧預緊力及摩擦力時，第2 腔活塞開始移動，在消除第2 腔空行程后第2 腔開始建壓。相比傳統主缸工作過程，2 個腔的空行程并不是同時消除的，故IBC 系統的總成空行程為2 個腔空行程之和，大于傳統主缸空行程。機械備份情況下，因為2 個腔彈簧預緊力存在差值，第1 腔活塞先運動，需要壓力增長到克服第2 腔預緊力，然后第2腔活塞開始運動，壓力增加導致推桿輸入端產生階躍力。

全功能模式下IBC 系統的踏板感覺為解耦式，如圖3所示。

圖3 IBC系統全功能模式下工作原理

全功能模式下IBC 系統工作過程為：車輛上電時PSV 和CV 電磁閥通電，保持常通狀態，隨著駕駛員踩下制動踏板，推桿位移達到0.4 mm 時，ISO隔離閥關閉，第2腔制動液在經過補償孔后會封閉在第2腔中，因此第2 腔行程較短，此時踏板感覺由第1 腔和第2 腔制動主缸、電磁閥、模擬器等零部件來實現，不同于傳統車以制動器、助力器、踏板等零部件系統匹配來實現的踏板感覺[5]，如圖4所示。此時輪邊制動器壓力由IBC電機經傳動機構推動建壓活塞將制動液經CV-1 電磁閥分別流經ISV-1 和ISV-2電磁閥（另一回路經CV-2電磁閥分別流經ISV-3和ISV-4電磁閥）推送到輪邊制動器產生。

圖4 IBC系統踏板感覺執行結構示意

2.2 模擬器結構原理

踏板模擬器是用來模擬駕駛員制動踏板感覺的關鍵零部件。模擬器方案設計的優劣直接影響駕駛員的制動腳感。

模擬器按照內部結構不同，可分為碟簧式模擬器和螺旋彈簧+橡膠式模擬器。碟簧式模擬器使用多個碟簧通過同向或者反向串聯疊加構成，溫度敏感性較好，缺點是剛度較大，相比螺旋彈簧需要更大的彈簧預緊力。

本文使用的模擬器為螺旋彈簧+橡膠式模擬器。相比碟簧，螺旋彈簧剛度較低，更易模擬傳統真空助力器踏板感覺。彈簧+橡膠式模擬器的大彈簧和小彈簧通過一定預緊力及彈簧座串聯壓縮在一起，保持一定行程間隙，橡膠彈簧固定在模擬器殼體上，如圖5所示。

圖5 IBC彈簧+橡膠式模擬器結構示意

另外，按照模擬器彈簧端是否存在制動液，可以分為干式模擬器和濕式模擬器。干式模擬器通常在彈簧端存在通氣孔，氣孔需要防水，對模擬器密封性要求較高，通常需對模擬器孔壁進行陽極氧化。如果沒有通氣孔，踩下制動時會壓縮密閉空氣，密閉空氣具有剛性，影響踏板感覺，壓力升高時存在空氣經過密封圈進入模擬器的風險，模擬器進入空氣會造成踏板感覺變差。使用通氣孔的缺點是如果存在制動液泄漏，制動液會從通氣孔流出。濕式模擬器的模擬端彈簧和橡膠等元件浸沒在制動液中，即使存在微小漏液，也會回流到儲液罐中。

3 IBC系統制動踏板感覺仿真

根據IBC 系統的主缸、模擬器等部件的物理結構，在AMESim 軟件搭建IBC 系統的踏板感覺動態仿真模型，如圖6所示。

圖6 IBC模擬器結構示意

此模型主要包含2 個部分。第1 部分是柱塞式串聯制動主缸的動力學模型，其中包含主缸的可變容腔模型，用來模擬主缸隨踏板行程的制動液體積的變化，主缸的2 腔壓力面模型和空行程通過液壓元件設計庫中的圓孔閥芯來實現，主缸中彈簧及導桿部件使用彈簧阻尼模塊和間隙限位模塊并聯來實現仿真，其中間隙限位模塊可以實現導桿的初始限位作用，從而保證彈簧的預緊力。第2 部分是模擬器的動態模型，使用節流孔來模擬連接主缸和模擬器間的電磁閥PSV，模擬器活塞在活塞孔內運動時會形成可變容積，使用機械元件庫中的彈簧及彈簧限位元件分別模擬大小彈簧、橡膠彈簧及對應的行程間隙。由于橡膠具有變剛度特性需要使用變剛度，因此外特性使用有限元分析獲得。

模型主要參數如表1所示。

表1 IBC系統動力學模型參數

3.1 仿真結果

如圖7 所示，模型輸入的踏板力前4 s 從0 增加到500 N，后4 s 踏板力從500 N 降低至0，模擬駕駛員一次正常的踩、松制動踏板過程。

圖8所示為仿真模型輸出制動踏板力和踏板行程仿真曲線，從曲線上可以明顯觀察出制動踏板感覺的不同剛度變化，來滿足不同階段駕駛員的制動意圖，同時在駕駛員踩、松踏板過程中存在一定的滯回特性，即相同踏板行程下踩、松的制動踏板力存在一定的差值。

圖8 IBC系統踏板感覺模型仿真結果

結合模型的仿真過程對具體工作過程進行分析，如圖9和圖10所示。

圖9 IBC仿真模型位移運動分析結果

圖10 IBC仿真模型建壓過程仿真結果

IBC的輸入推桿與第1腔活塞相連，故推桿位移即為第1 腔活塞位移。此工況下IBC 內部各部件的運動順序如下：駕駛員踩制動踏板克服第1 腔回位彈簧預緊力后推桿開始運動，隨后模擬器活塞開始運動，最后第2 腔活塞開始運動。制動踏板經過空行程后，第1 腔產生制動壓力（此時第2 腔尚未建立壓力），由于第2腔活塞的彈簧以及模擬器中的彈簧存在預緊力，此時第1 腔壓力不足以推動第2 腔活塞及模擬器活塞，需要駕駛員繼續踩制動踏板建立更高的壓力才能推動模擬器，此時踏板力存在小階躍變化，而模擬器在運動過程中的壓力克服第2 腔活塞彈簧預緊力，從而使第2 腔活塞運動，由于CSV電磁閥關閉，第2 腔活塞經過空行程后會因制動液的不可壓縮性而很快停止，但第2 腔壓力會隨駕駛員的制動輸入而不斷增大。

模擬器活塞在制動壓力作用下開始移動，在小彈簧間隙內，由小彈簧K1模擬助力器克服始動力后產生跳躍液壓助力點前的踏板力反饋，此時踏板剛度較低，踏板力較輕，駕駛員可以較輕松地獲得所需的制動減速度。當活塞與大彈簧K3 的彈簧座接觸后，小彈簧不再壓縮，K3的剛度開始發揮作用，且K3 的剛度大于小彈簧K1 的剛度，此段可以模擬駕駛員踩踏制動踏板真空助力器達到克服始動力后產生跳躍液壓助力點后接觸到制動壓力產生腳感的過程，是正常中度制動踏板剛度階段的體現。最后，活塞頂桿與橡膠彈簧K2 接觸，模擬真空助力器助力達到最大值后無法繼續提供助力時踏板變硬的感覺[6]。

4 敏感度分析

基于第3 節的IBC 系統踏板感覺動力學模型進行IBC 系統的模擬器缸徑、主缸彈簧及模擬器彈簧剛度等部件參數對踏板感覺的影響研究[7]，實現IBC系統方案的正向設計開發。

4.1 模擬器缸徑敏感度分析

采用3 種不同模擬器缸徑進行仿真分析，發現模擬器缸徑對踏板感覺影響較大，缸徑越大，對應的踏板行程越長，且對踏板剛度影響越大，如圖11所示。由于模擬器缸徑的大小和行程需要與主缸的排液量對應，過大的模擬器容積易造成主缸行程觸底，而模擬器仍未到達設計行程，這在設計中應避免，故設計IBC 模擬器時應先根據主缸的排量確認模擬器的缸徑及行程，可以通過調節彈簧剛度實現踏板感覺微調。

圖11 IBC系統踏板感覺隨模擬器活塞缸徑變化趨勢

4.2 主缸彈簧剛度敏感度分析

研究不同的主缸彈簧剛度對踏板感覺的影響，如圖12 所示，主缸彈簧剛度越大，相同踏板行程下的踏板力越大，整個制動踏板感覺越硬，彈簧剛度＜5 N/mm 時踏板感覺一致性較好，當主缸彈簧剛度＞10 N/mm 時，踏板感覺較大程度偏離原狀態，故主缸彈簧剛度不宜超過此值。

圖12 IBC系統踏板感覺隨主缸彈簧剛度變化趨勢

4.3 模擬器彈簧剛度敏感度分析

4.3.1 小彈簧剛度敏感度分析

采用3種不同模擬器小彈簧剛度進行踏板感覺仿真分析，對比結果如圖13所示。

圖13 IBC系統踏板感覺隨小彈簧剛度變化趨勢

模擬器小彈簧剛度影響踏板行程范圍為12～28 mm的剛度，此范圍行程對應的減速度為0.3g以下，即影響低于0.3g輕制動的踏板剛度，對于輕制動踏板力反饋有明顯改善效果。

4.3.2 大彈簧剛度敏感度分析

采用3種不同模擬器大彈簧剛度進行踏板感覺仿真分析，對比結果如圖14所示。

圖14 IBC系統踏板感覺隨大彈簧剛度變化趨勢

模擬器大彈簧剛度影響踏板行程＞30 mm 范圍的剛度，即中等制動的踏板剛度。大彈簧剛度越低，中等制動以上踏板力越小，此處可以根據踏板力目標進行剛度微調，需要注意的是，此處剛度發生變化后需要校核最后一段剛度的變化。

4.4 模擬器彈簧間隙敏感度分析

不同的小彈簧間隙對踏板感覺的影響如圖15所示。模擬器小彈簧間隙越大，初段踏板力死區（踏板力變化較小階段對應的踏板行程）越大，為保證踏板感覺不至于偏軟，此處的間隙不宜＞4 mm。

圖15 IBC系統踏板感覺隨小彈簧間隙變化趨勢

5 結束語

本文從集成式制動控制系統的物理結構原理出發，基于AMESim 建立IBC 系統主缸、踏板感覺模擬器等部件的動力學模型，進行全功能下的踏板感覺仿真，分析了IBC 系統的制動原理及過程。通過IBC 模型中的模擬器缸徑、主缸彈簧剛度、模擬器彈簧剛度和彈簧間隙等部件參數對踏板感覺的關鍵參數的敏感度分析，得出關鍵參數的設定對踏板感覺的影響。后續可根據整車制動踏板感覺目標進行正向分解，從而獲得優異的制動踏板感覺。