電液復合制動系統(tǒng)踏板感覺及其影響因素

劉 楊，孫澤昌，冀文斌

（1.同濟大學 新能源汽車工程中心，上海201804；2.同濟大學 汽車學院，上海201804）

0 引 言

制動踏板感覺是電液復合制動系統(tǒng)的重要研究內容之一，其直接關系到車輛制動安全和駕駛舒適性。國內外廠商及科研院所針對不同的電液復合制動系統(tǒng)，提出了各式的踏板感覺模擬器，按其踏板力－行程特性是否可調分為被動式和主動式。被動式模擬器踏板力－行程特性不可調節(jié)，多通過特殊設計的機械結構實現，文獻［1－4］采用彈簧和橡膠體實現了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)非線性踏板感覺的模擬；文獻［5－6］分別利用直列彈簧組和并列彈簧組設計了踏板感覺模擬器；文獻［7］通過可變節(jié)流機構改變通流截面積以提供合適的制動感覺。主動式模擬器踏板力－行程特性能夠進行調整，一般設計有控制單元和執(zhí)行機構，結構復雜，文獻［8］提出的電子輔助制動系統(tǒng)設計了踏板力補償器，優(yōu)化了踏板感覺；文獻［9］提出了單神經元自適應PID 控制策略以改善制動踏板舒適性；文獻［10］制定了踏板特性跟隨策略，通過控制模擬器油缸進、出電磁閥以模擬目標踏板特性。國內外還對影響制動踏板感覺因素進行了深入研究，文獻［11－13］分別研究了活塞摩擦特性、制動軟管及其他組件對制動踏板感覺的影響；文獻［14］利用主成分分析法得到了理想的制動力、踏板行程和響應時間曲線；文獻［15－16］分析了液壓組件和踏板動作對滯回損失及系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。

作者針對自行開發(fā)的采用一體式主缸的電液復合制動系統(tǒng)，分析了不同模式下踏板力傳遞路徑，并提出了采用組合式彈簧的踏板感覺模擬器；利用AMESim 軟件仿真分析了踏板力－行程特性的影響因素及其程度，為踏板感覺模擬器及一體式制動主缸設計提供指導；最后，對提出的電液復合制動系統(tǒng)的踏板特性進行了試驗驗證。

1 系統(tǒng)結構及踏板力傳遞路徑分析

1.1 復合制動系統(tǒng)結構

電液復合制動系統(tǒng)由一體式制動主缸、微型液壓源、制動輪缸、制動踏板、液壓調節(jié)單元和復合制動協(xié)調控制單元等組成，如圖1所示，其中，一體式制動主缸實現了制動踏板輸入力和制動輪缸壓力的解耦，同時為司機制動操作提供合適的踏板反饋；復合制動協(xié)調控制單元采集司機踏板信號，解析司機制動需求，通過CAN（Controller area network）總線得到當前可用電動機再生制動力及輪缸壓力狀態(tài)，根據車輛運行狀態(tài)和路面信息分配前、后軸制動力及電、液制動力；液壓調節(jié)單元根據液壓制動力控制指令實時調整各輪缸壓力。

1.2 踏板力傳遞路徑分析

圖1 電液復合制動系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of electro－h(huán)ydraulic brake system

所設計的一體式制動主缸的結構如圖2 所示。正常模式下，常閉式電磁閥打開，微型液壓源產生高壓液，當踩下制動踏板時，在推桿活塞作用下制動液經常閉式電磁閥進入踏板感覺模擬器，踏板感覺模擬器提供合適的反饋力；當電氣失效或部件故障時，常閉式電磁閥關閉，推桿活塞推動制動液作用于助力活塞及串聯雙腔主缸前、后腔活塞，并將制動液壓入制動輪缸產生緊急制動力。失效模式下，助力活塞與推桿活塞的“杠桿效應”放大了踏板輸入力，起到助力作用。當撤掉踏板力時，制動踏板在推桿回位彈簧作用下復位。

圖2 一體式制動主缸示意圖Fig.2 Schematic diagram of integrated master cylinder

不同工作模式下，踏板力經各自傳遞路徑作用于不同對象，因此，將分別研究正常和失效模式下制動踏板感覺及其影響因素。

2 模型搭建

2.1 正常模式

2.1.1 目標踏板力－行程曲線

不論系統(tǒng)處于純液壓制動、純再生制動或復合系統(tǒng)制動狀態(tài)，踏板感覺模擬器應能夠提供與傳統(tǒng)車輛一致的踏板感覺。原型車采用帶真空助力器的傳統(tǒng)制動系統(tǒng)，其踏板力－行程曲線如圖3所示，其中，OA 為消除制動系統(tǒng)各組件間隙并初始建立壓力階段，AB 為真空助力器助力作用階段，BC 為助力結束后推桿直接作用于制動主缸階段［3，6］。踏板力－行程曲線可近似為三段不同斜率和長度的折線，可根據車輛類型、目標人群和法規(guī)限制進行調整。電液復合制動系統(tǒng)踏板特性以圖3所示的理想制動力－行程曲線為設計目標。

圖3 理想踏板力－行程特性曲線Fig.3 Ideal pedal force－stroke curve

2.1.2 正常模式簡化模型

為降低成本和開發(fā)難度，設計了組合彈簧式的被動模擬器，對理想踏板力－行程特性曲線各段斜率和行程進行模擬，其結構如圖4所示。踏板感覺模擬器工作過程如下：第一階段，模擬器活塞壓縮彈簧1和彈簧2直至彈簧1完全壓入U 型帽，此時，彈簧1和彈簧2變形量分別為L0和L1；第二階段時，僅彈簧2發(fā)生變形，此階段彈簧2變形量為L2；第三階段時，同時壓縮彈簧2和彈簧3，最大變形量為L3。

圖4 踏板感覺模擬器結構圖Fig.4 Structure diagram of pedal feel simulator

結合上述分析，正常模式時系統(tǒng)可以簡化為圖5所示的結構，下面對關鍵模型進行說明。

圖5 正常模式時系統(tǒng)簡化模型Fig.5 Simplified model under normal mode

推桿活塞運動微分方程式為：

式中：mr、xr、Ar分別為活塞推桿活塞質量、位移和截面積；Fp為踏板輸入力；cr為等效阻尼系數；kr、Frs0分別為回位彈簧的剛度和預緊力；pr為電磁閥入口壓力。

常閉式電磁閥常開，可等效為一個節(jié)流閥口，其流量特性為：

式中：Q、Cv、Av分別是電磁閥的流量、流量系數和最大開口通流截面積；ρ 為制動液密度；ps為電磁閥出口壓力。

模擬器活塞位移xs可通過推桿活塞位移xr得到：

式中：As為模擬器活塞截面積。

模擬器活塞運動學方程為：

式中：i為不同壓縮階段，i＝1，2，3；ki為不同階段時彈簧等效剛度；cs為阻尼系數。

不同壓縮階段，彈簧等效剛度ki可由以下公式求取：

式中：ks1、ks2、ks3分別是直列式彈簧1、2 和并列式彈簧3的剛度。

2.2 失效模式

失效時，常閉式電磁閥關閉，系統(tǒng)簡化后模型如圖6所示。此時，在滿足司機緊急制動時制動力需求前提下，進行踏板力－行程特性研究，應滿足《GB 7258－2012機動車運行安全技術條件》、《QCT311－2008汽車液壓制動主缸性能要求及試驗方法》等法規(guī)要求。

圖6 失效模式時系統(tǒng)簡化模型Fig.6 Simplified model under failure mode

輸入踏板力經助力后作用于傳統(tǒng)制動主缸，定義助力比Br為：

式中：Ab為助力活塞截面積。

其余部件建模與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)類似，可參見文獻［13，15］。

3 仿真結果及影響因素分析

液壓調節(jié)單元、制動管路和制動器等來自原型車傳統(tǒng)制動系統(tǒng)，參數不可調節(jié)。上述建模過程中可以看出，活塞阻尼系數、推桿回位彈簧預緊力、電磁閥最大通流面積和助力比等參數是影響活塞運動（即踏板力－行程特性曲線）的可調節(jié)因素。正常模式下行車制動時踏板力輸入曲線如圖7所示，其踏板力施加和釋放時間各為3s，最大踏板力為150N，踏板速度可達0.046m／s［14］；失效模式下緊急制動時，踏板力輸入曲線形狀與圖7類似，施加和釋放時間為0.8s，最大踏板力設定為450N。

為量化上述參數對制動踏板感覺的影響，利用踏板力－行程曲線滯回損失［15］、踏板初始動作踏板力、踏板力撤掉時踏板位移和踏板最大行程等參數對仿真結果進行評價。

圖7 踏板力輸入曲線Fig.7 Pedal force input curve

3.1 活塞阻尼系數

推桿活塞、助力活塞和模擬器活塞阻尼系數取決于密封形式、缸體材料選型及表面處理工藝等。參照密封圈推薦參數，只考慮活塞阻尼系數為變量時，從0 以300 N／（m·s－1）為間隔點至1200N／（m·s－1）時，踏板力－行程曲線仿真結果和滯回損失分別如圖8和表1所示。隨著阻尼系數的增大，踏板力－行程曲線滯回損失和踏板力撤掉時的踏板位移逐步增大。當阻尼系數過大時，不僅造成踏板感覺與理想踏板力－行程曲線偏離，且踏板回位時間變長，影響踏板感覺和制動安全。

圖8 活塞阻尼系數變化時踏板力－行程曲線Fig.8 Pedal force－stroke curves under different damping coefficients

表1 活塞阻尼系數對滯回損失的影響Table 1 Hysteresis losses under different damping coefficients

3.2 推桿回位彈簧預緊力

只考慮推桿回位彈簧預緊力為變量，從0以間隔點20N 至100N 時，踏板力－行程曲線仿真結果如圖9所示。隨著推桿回位彈簧預緊力的增加，踏板初始動作時所需踏板力和踏板回位時踏板力亦不斷增加。推桿回位彈簧預緊力較小時（如無預緊力），撤掉踏板力時，踏板位移為0.007 m，不能及時回位；較大時（如100N），踏板初始動作所需踏板力接近30N，影響司機制動心理預期。合適的推桿回位彈簧預緊力（如40N），不僅可以提供較合適的初始踏板力，還能保證踏板快速回位。

圖9 推桿回位彈簧預緊力變化時踏板力－行程曲線Fig.9 Pedal force－stroke curves under different return spring preload forces

3.3 電磁閥最大通流面積

由式（2）可知，電磁閥常開時流量特性與電磁閥最大通流面積Av成正比，只考慮電磁閥最大通流面積為變量，從0.2mm2以間隔點0.3mm2至1.7mm2時［17］，踏板力－行程曲線仿真結果和滯回損失分別如圖10和表2所示。隨著電磁閥最大通流面積的增加，踏板力－行程曲線滯回損失和踏板力撤掉時踏板位移均顯著減小。當Av≥0.8 mm2時，滯回損失降低趨勢減緩，踏板力－行程曲線接近重合。

表2 電磁閥通流面積對滯回損失的影響Table 2 Hysteresis losses under different valve flow areas

3.4 助力比

圖10 電磁閥最大通流面積變化時踏板力－行程曲線Fig.10 Pedal force－stroke curves under different valve flow areas

失效模式下，助力比成為影響制動踏板感覺和行車安全的重要參數。只考慮助力比為變量，輪缸壓力與助力比仿真結果如圖11所示，可以看出輪缸壓力與助力比成線性關系，較大的助力比能夠獲得更大的輪缸壓力，有利于實現緊急制動。當助力比變化時，踏板力－行程曲線仿真結果如圖12所示，踏板最大行程隨著助力比的增大而增大，當助力比過大時，不僅踏板最大行程易超出法規(guī)限制，而且助力活塞直徑過大，不利于一體式主缸整體設計及裝配。

圖11 輪缸最大壓力與助力比關系Fig.11 Wheel cylinder maximum pressure vs.booster ratio

圖12 助力比變化時踏板力－行程曲線Fig.12 Pedal－stroke curves under different booster ratios

3.5 一體式主缸基本設計參數

通過仿真研究了不同參數對不同模式下踏板力－行程曲線的影響，結合制動主缸設計標準和器件選型手冊，踏板感覺模擬器及一體式制動主缸關鍵參數設計如下：推桿活塞面積為615.4mm2；模擬器活塞面積為530.7mm2；串聯雙腔主缸直徑為25.4 mm；電磁閥最大通流面積為1.37 mm2；推桿回位彈簧預緊力為41.2N；助力比為1.56。

4 臺架試驗

為考核作者開發(fā)的踏板感覺模擬器及一體式制動主缸踏板力－行程特性，在如圖13 所示的硬件在環(huán)仿真平臺上開展了臺架試驗，該試驗臺由汽車及其關鍵部件模型、基于xPC 目標機－主機的實時平臺［18］和電液復合制動系統(tǒng)硬件組成，其中，電液復合制動系統(tǒng)硬件包括采用原型車的制動器、制動管路、制動踏板、液壓調節(jié)單元，一體式制動主缸和復合制動協(xié)調控制單元等，電液復合制動系統(tǒng)臺架部件的參數如下：制動踏板杠桿比為3.92；前軸輪缸直徑為50.8 mm；后軸輪缸直徑為20.0mm；前軸制動器間隙為0.15 mm；后軸制動器間隙為0.3mm；管路直徑為4.0mm。

圖13 試驗臺架Fig.13 Test bench

以系統(tǒng)仿真時踏板力輸入曲線為目標曲線，踩下及釋放制動踏板，實時記錄踏板力和行程傳感器的輸出，正常模式和失效模式下踏板力－行程特性曲線分別如圖14、圖15所示。正常模式下，踏板初始動作時踏板力為9N，踏板力－行程試驗曲線滯回損失為11.5%，踏板行程最大為0.052 m，與目標曲線相比，踏板行程小于0.04 m 時曲線滯回損失相對較大，但總體呈現出三段不同斜率和長度的折線，變化趨勢一致；與正常模式相比，失效模式時踏板力－行程曲線呈現兩段不同斜率曲線，由于制動管路和制動盤間隙等因素的影響，滯回損失增大至15.3%，踏板行程增大至0.095m，符合法規(guī)要求。

圖14 正常模式下的踏板力－行程曲線Fig.14 Pedal force－stoke curve under normal mode

圖15 失效模式下的踏板力－行程曲線Fig.15 Pedal force－stoke curve under failure mode

模型仿真及臺架試驗表明，所開發(fā)的踏板感覺模擬器及一體式制動主缸能夠提供良好的踏板感覺，滿足設計需求。

5 結束語

提出了基于一體式制動主缸的電液復合制動系統(tǒng)結構，并分析了正常模式和失效模式下踏板力的傳遞路徑。采用3個不同規(guī)格彈簧設計了組合彈簧式踏板感覺模擬器，利用AMESim 分別建立了正常模式和失效模式下的系統(tǒng)簡化模型，并仿真分析了活塞阻尼系數、推桿回位彈簧預緊力、電磁閥最大通流面積和助力比等參數對踏板力－行程曲線的影響。臺架試驗表明，作者提出的電液復合制動系統(tǒng)正常模式和失效模式下踏板力－行程特性曲線均滿足設計需求。

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