全國乘用車制動(dòng)使用情況與工況研究

馮天驥 竇瑞

摘 要：本次研究運(yùn)用Link路試采集設(shè)備，采用“跟隨性”采集法，模擬不同區(qū)域消費(fèi)者制動(dòng)系統(tǒng)使用習(xí)慣，共計(jì)完成了全國38個(gè)城市的路況負(fù)荷譜采集，得到全面的制動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與匯總，總結(jié)出全國制動(dòng)的使用情況。然后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成份分析以及聚類分析等概率統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，從而得到全國的駕駛工況。這對于主機(jī)廠更好適應(yīng)中國城市的消費(fèi)者需求，對其產(chǎn)品進(jìn)行符合中國實(shí)際制動(dòng)工況進(jìn)行研發(fā)驗(yàn)證，很有參考意義。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)使用情況；制動(dòng)負(fù)荷譜采集；制動(dòng)參數(shù)分布；制動(dòng)工況；概率分布統(tǒng)計(jì)

中圖分類號：U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0001-06

Abstract： By adopting Link road test collection equipment， through the "follow" acquisition method， this study simulated the use of different areas of consumer braking system habits， thus finishing the road load spectrum collection of a total of 38 cities across the country and obtaining comprehensive braking parameter data. We made an analysis of the data and summed up the use of brake nationwide. Then， we adopted probability statistics methods to make a principal component analysis and a cluster analysis of the data collected， thus obtaining the driving conditions of the whole country. It is of great reference significance for the mainframe factory to better adapt to the needs of consumers in Chinese cities and to carry out the research and development verification of its products in line with the actual braking conditions in China.

Keywords： braking usage； braking load spectrum collection； braking parameter distribution； braking working condition； probability distribution statistics

1 研究背景與意義

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，伴隨著汽車產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，消費(fèi)者即汽車駕駛?cè)藛T對于汽車的要求越來越高，作為汽車主動(dòng)安全第一位的制動(dòng)系統(tǒng)的性能也被放到越來越重要的地位。為了滿足消費(fèi)者的使用需求，給消費(fèi)者提供一個(gè)既安全又舒適的制動(dòng)系統(tǒng)，主機(jī)廠、零部件生產(chǎn)商以及科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行消費(fèi)者使用情況與中國制動(dòng)工況調(diào)研，研究中國消費(fèi)者的制動(dòng)使用習(xí)慣、制動(dòng)器使用水平以及制定符合國內(nèi)實(shí)際路況的商品性評價(jià)工況，得到數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果從而服務(wù)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)成為了必行之路。

在制動(dòng)工況研究的進(jìn)程上，國內(nèi)明顯落后于國外。國外的部分主機(jī)廠及科研機(jī)構(gòu)在20世紀(jì)末21世紀(jì)初就已經(jīng)開始進(jìn)行其國內(nèi)的制動(dòng)路況負(fù)荷譜數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)數(shù)據(jù)作出了符合其國內(nèi)制動(dòng)使用情況的驗(yàn)證評價(jià)制動(dòng)工況，如東京工況、莫哈卡工況、北美一般工況、洛杉磯工況等。而國內(nèi)主機(jī)廠進(jìn)行制動(dòng)性能驗(yàn)證只能夠依據(jù)于GB12676、GB21670、GB2521與GB2522以及國外的一些標(biāo)準(zhǔn)，缺乏符合國內(nèi)實(shí)際制動(dòng)駕駛水平及路況情況的標(biāo)準(zhǔn)與工況。隨著國外主機(jī)廠的進(jìn)口車以及合資車在中國的銷量節(jié)節(jié)攀升，部分國外主機(jī)廠已經(jīng)進(jìn)行了中國主要大型城市的制動(dòng)負(fù)荷采集。面對消費(fèi)者需求的提高，以及日趨激烈的市場競爭，為了給國內(nèi)主機(jī)廠提供更符合國內(nèi)實(shí)際的服務(wù)與技術(shù)支持，中國汽車技術(shù)研究中心汽車工程研究院對全國38個(gè)大中型特征城市的路況進(jìn)行制動(dòng)負(fù)荷譜采集，并進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析匯總，從而得到全國主要城市的制動(dòng)系統(tǒng)使用情況與使用特點(diǎn)，并作出了制動(dòng)商品性評價(jià)工況。

2 研究方法

研究方法的確定主要從采集方法、采集城市與路況確定的方法以及數(shù)據(jù)采集與后期數(shù)據(jù)處理方法三個(gè)方面來進(jìn)行闡述。

2.1 采集方法的確定

目前，整車實(shí)際道路采集大體上可以分為三個(gè)采集方法：平均車流統(tǒng)計(jì)法、車輛追蹤跟隨法、自主駕駛法。本次研究選擇車輛追蹤跟隨法為采集方法，而且考慮到測試風(fēng)險(xiǎn)、工作量、代表性以及數(shù)據(jù)可靠性，采集均用專業(yè)的試驗(yàn)車駕駛員進(jìn)行駕駛采集，同時(shí)不允許使用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，不采用空檔滑行，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確客觀。

2.2 采集城市與路況的確定

國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)曾對全國400個(gè)城市劃分為五級。根據(jù)劃分結(jié)果，城市選取原則為：第一級城市全部選取，第二級與第三級城市結(jié)合城市氣候、客戶滿意度與故障發(fā)生率來進(jìn)行選擇，第四級與第五級城市選擇其中存在代表氣候與代表工況的城市進(jìn)行選擇。通過選取原則對全國城市進(jìn)行篩選，共選取出38個(gè)特征采集城市。其中在區(qū)域分布上包含了東北、西北、華北、西南、沿海與中部，環(huán)境溫度上包含了寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶。

針對國內(nèi)道路的情況，將采集工況分為城市擁堵工況（機(jī)非混行，車流量大，城市繁華路段）、城市一般工況（交通信號控制，車輛按車道正常行駛，車流量一般的路段）、城郊工況（國道、省道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)連接路）、高速工況（高速公路、城市快速環(huán)線）以及特殊道路工況（砂石路、山路、涉水路、沙塵路等）。

2.3 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)后期處理方法的確定

采集設(shè)備的粗略介紹：制動(dòng)工況調(diào)研項(xiàng)目通過LINK3

802S整車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過在采集車上加裝相關(guān)設(shè)備進(jìn)行制動(dòng)參數(shù)采集。采集的數(shù)據(jù)分別為：減速度、摩擦片始末溫度、制動(dòng)次數(shù)、制動(dòng)初速與末速、環(huán)境溫濕度、踏板力與踏板行程，并在行駛一定里程后測量并記錄摩擦片與制動(dòng)盤的磨耗。

數(shù)據(jù)后期處理方法介紹：本次研究主要從以下三方面進(jìn)行論述：第一，制動(dòng)負(fù)荷指數(shù)區(qū)域?qū)Ρ纫约澳Σ疗瑝勖A(yù)估；第二，全國不同區(qū)域制動(dòng)參數(shù)的對比與使用水平分析；第三，初略的制動(dòng)商品性評價(jià)工況的制定與復(fù)現(xiàn)方法。

數(shù)據(jù)的處理主要依托于3802s自帶讀取軟件、Matlab以及Excel，對采集得到的運(yùn)動(dòng)學(xué)片段如圖1所示，按照100Hz的頻率進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)片段的分割處理，然后應(yīng)用Mtalab自行編寫的程序，對分割處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以做出各個(gè)城市各個(gè)工況下每個(gè)制動(dòng)要素的點(diǎn)狀分布統(tǒng)計(jì)圖以及概率分布直方圖，如圖2與圖3所示，這樣就可以對比不同城市不同區(qū)域的制動(dòng)使用情況。通過Excel的數(shù)據(jù)篩選功能，對全國數(shù)據(jù)分工況按照給定的條件進(jìn)行篩選，可以為制動(dòng)商品性評價(jià)工況的制定提供數(shù)據(jù)支持。

3 研究結(jié)果與分析

在研究成果與分析中，我們將38個(gè)城市，按照所在區(qū)域劃分為6個(gè)版塊：中部地區(qū)、沿海地區(qū)、西南地區(qū)、西北地區(qū)、華北地區(qū)以及東北地區(qū)，來進(jìn)行全國區(qū)域?qū)Ρ确治?。其中這六個(gè)區(qū)域的代表城市分別為：鄭州、深圳、重慶、蘭州、石家莊與長春。

3.1 制動(dòng)負(fù)荷指數(shù)的區(qū)域?qū)Ρ?/p>

為了研究制動(dòng)負(fù)荷情況，首先我們需要先提出來一個(gè)指數(shù)，用其來評判制動(dòng)負(fù)荷的高低，即制動(dòng)負(fù)荷指數(shù)。下面就進(jìn)行簡單的介紹：每次制動(dòng)行為都是一次典型的制動(dòng)工況，車輛在制動(dòng)力矩作用下減速，在這個(gè)過程中伴隨著能量損失。在實(shí)際駕駛過程中，會(huì)伴隨著很多次制動(dòng)，且每次制動(dòng)行為的制動(dòng)初末速是不相同的，所以每次制動(dòng)行為的能量損失也是不一樣的。為了反映某一段里程上的制動(dòng)負(fù)荷情況，我們統(tǒng)計(jì)在這一里程上發(fā)生的制動(dòng)行為的頻次以及初末速，應(yīng)用動(dòng)能定理，計(jì)算出這段里程上總的制動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能，同時(shí)除以車輛的質(zhì)量和里程，獲取單位質(zhì)量在單位里程內(nèi)的能量損失，該數(shù)即為制動(dòng)負(fù)荷指數(shù)K。其在一定程度上與單位里程上發(fā)生制動(dòng)行為的頻次也存在一定的聯(lián)系。發(fā)生的制動(dòng)行為的頻次越高，能量統(tǒng)計(jì)次數(shù)增多，在一定程度上增加制動(dòng)負(fù)荷指數(shù)K的大小。因此，該指數(shù)K越大，則反映出在該特定里程內(nèi)車輛的制動(dòng)次數(shù)頻繁，道路情況復(fù)雜，制動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷率高，工作強(qiáng)度大。

由表1與表2的數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，通過制動(dòng)頻度與制動(dòng)負(fù)荷指數(shù)數(shù)值，可以直觀的看出采集城市的制動(dòng)劇烈程度，可以側(cè)面反映出制動(dòng)器的使用情況。通過統(tǒng)計(jì)算出，全國城市擁堵工況的負(fù)荷指數(shù)為137.27，制動(dòng)頻度為7.73；城市一般工況的負(fù)荷指數(shù)為83.69，制動(dòng)頻度為2.80；城郊工況的負(fù)荷指數(shù)為78.17，制動(dòng)頻度為1.82；高速工況的負(fù)荷指數(shù)為15.22，制動(dòng)頻度為0.26。通過與各個(gè)工況的全國制動(dòng)負(fù)荷情況進(jìn)行對比，可以得到所關(guān)注城市在全國處于何種水平，有助于主機(jī)廠在售前與售后進(jìn)行針對性的調(diào)整，提高產(chǎn)品的滿意度，減少客戶抱怨。

3.2 全國不同區(qū)域制動(dòng)參數(shù)的對比

對采集的數(shù)據(jù)分區(qū)域分工況分別對制動(dòng)參數(shù)進(jìn)行對比分析，從而得到全國區(qū)域之間制動(dòng)器使用的差異性與全國整體制動(dòng)器使用水平。為了簡單化，這里只對城市擁堵工況進(jìn)行對比，總的制動(dòng)次數(shù)為37700次。具體對比結(jié)果見圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9與圖10所示。

由圖4與圖5進(jìn)行全國整體制動(dòng)速度的分析，結(jié)果如下：全國所有地區(qū)的制動(dòng)初速基本上都小于15m/s，約占95%，其中各個(gè)地區(qū)制動(dòng)初速小于5m/s的平均值約為43%，介于5m/s與10m/s的平均值約為百分之31%，介于10m/s與15m/s的平均值約為21%；全國所有地區(qū)的制動(dòng)末速基本上都小于12m/s，約占97%，其中制動(dòng)末速小于3m/s的平均值為56%，介于4m/s與10m/s的平均值為33%，介于10m/s與15m/s的約占10%；全國所有地區(qū)的速度差值小于3m/s的部分占了很大的比例，平均值約為63%，介于4m/s與5m/s之間的平均值約為14%，其余其他期間的平均值均小于10%。所以，在主觀評價(jià)或者客觀測試時(shí)，可以把大部分的精力都放在制動(dòng)初速小于15m/s，制動(dòng)末速在小于6m/s的區(qū)間。

進(jìn)行全國區(qū)域?qū)Ρ确治觯涸谥苿?dòng)初速方面，西南地區(qū)的制動(dòng)初速較低，其次為中部地區(qū)，華北、沿海與東北地區(qū)都處于與全國平均水平持平范圍內(nèi)，西北地區(qū)略低于全國平均水平?？梢詮膫?cè)面反映出西南與中部兩個(gè)地區(qū)的擁堵情況最為嚴(yán)重，路況較為復(fù)雜，制動(dòng)使用次數(shù)較多，對制動(dòng)系統(tǒng)就會(huì)提出更高的要求；在制動(dòng)末速方面，全國所有地區(qū)的制動(dòng)末速每個(gè)劃分區(qū)域與全國平均水平差異不大，處于一個(gè)相對均衡的水平上；在速度差值方面，中部地區(qū)與西南地區(qū)速度差值較低，在小速度差值區(qū)間所在比例高于全國評價(jià)水平，西北地區(qū)與華北地區(qū)速度差值較高，沿海地區(qū)與西北地區(qū)基本上處于與全國平均水平想持平的狀態(tài)。

由圖6與圖7，我們可以進(jìn)行全國制動(dòng)能量與摩擦片溫差的分析。

圖6是每次制動(dòng)過程中所產(chǎn)生的能量的統(tǒng)計(jì)，從圖中可以明顯的看出，制動(dòng)過程中產(chǎn)生能量大小的分區(qū)呈兩極分化趨勢，即小于10Kj的低能量區(qū)與大于40Kj的高能量區(qū)。其中中部與西南地區(qū)在低能量區(qū)所占比例較高，沿海、西北、華北與東北地區(qū)在高能量區(qū)所占比例較高。能量是由速度的平方差來決定的，能量高可以從側(cè)面說明制動(dòng)初速與制動(dòng)末速之間的差值較大，若與制動(dòng)頻度結(jié)合來考慮，可以得出該城市的制動(dòng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱以及可以為制動(dòng)能量回收控制策略的制定提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖7是每次制動(dòng)過程中溫度差值的統(tǒng)計(jì)，從圖中可以看出，溫度差值基本上都集中在大于0℃小于2℃的區(qū)間內(nèi)，約占72%左右，且除了中部地區(qū)在大于0℃小于1℃這個(gè)區(qū)間與全國平均水平有差異外基本在全國平均范圍內(nèi)。其中溫度差值小于0℃的區(qū)間是因?yàn)樵诙驹诒狈匠鞘惺彝鉁囟忍幱诹阆?0℃以下，摩擦片的冷卻能力大于溫升能力造成的。了解摩擦片在不同城市與環(huán)境溫度下的溫升情況，可以在整車制動(dòng)設(shè)計(jì)前期，為其摩擦片與制動(dòng)盤的熱容性計(jì)算提供一定的參考與依據(jù)。

由圖8、圖9與圖10，我們可以對影響踏板感覺三要素，即踏板力、踏板行程與減速度進(jìn)行對比分析。

圖8是踏板力平均值的統(tǒng)計(jì)。可以看出在踏板力分布方面全國各個(gè)分區(qū)之間還是存在著比較大的差異性的。從圖8可以看出，大部分的制動(dòng)踏板力平均值集中在大于10N小于25N的區(qū)間內(nèi)，約占總體的75%到80%，但各個(gè)分段內(nèi)各個(gè)區(qū)域的分布差異性也較大。

圖9為踏板行程最大值的統(tǒng)計(jì)。從圖中可以看出踏板行程最大值的分布主要集中在10-25mm的區(qū)間內(nèi)，所占比例約為75%。在區(qū)域差異性上，華北與東北地區(qū)在與其他區(qū)域進(jìn)行對比上，存在很大的差異性，東北地區(qū)尤為甚之，在大于30mm的區(qū)間內(nèi)，東北地區(qū)所占比例為58.28%，差異明顯。

圖10是制動(dòng)減速度最大值的統(tǒng)計(jì)。從圖中可以明顯看出，減速度主要集中于小于0.3g的區(qū)間內(nèi)，其中0.1-0.2g的區(qū)間約占總體的50%，小于0.1g約占總體的30%，0.2-0.3g約占總體的20%，且整個(gè)采集過程中并沒有出現(xiàn)超過0.5g的大減速度制動(dòng)。

通過對上述制動(dòng)參數(shù)的對比分析，可以看出各個(gè)制動(dòng)參數(shù)在消費(fèi)者正常使用過程中所能達(dá)到使用水平范圍，而國內(nèi)、日本與德國的主觀評價(jià)方法也是大部分集中在中高速下的大制動(dòng)力大減速度下的制動(dòng)性能評測上，通過對數(shù)據(jù)的深入分析與研究，調(diào)整主觀評價(jià)項(xiàng)目所占比重，從而在制動(dòng)使用頻率高的范圍內(nèi)找到更多可以優(yōu)化的問題點(diǎn)，從而提高制動(dòng)系統(tǒng)品質(zhì)。

3.3 制動(dòng)商品性評價(jià)工況的制定與復(fù)現(xiàn)方法

本次制動(dòng)工況的調(diào)研與采集共分為城市擁堵、城市擁堵早高峰、城市擁堵晚高峰、城市一般、城郊與高速共計(jì)6個(gè)工況，通過對每次制動(dòng)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各個(gè)參數(shù)的分析，并將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分工況匯總，這樣就可以形成制動(dòng)運(yùn)動(dòng)片段數(shù)據(jù)庫，如圖11所示。

因評價(jià)工況的復(fù)現(xiàn)與驗(yàn)證的方法為通過制動(dòng)慣量臺(tái)架進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，所以對每個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)片段進(jìn)行分解，只需要提取出制動(dòng)初速、制動(dòng)末速、制動(dòng)減速度以及整個(gè)制動(dòng)過程所占時(shí)間即可。對每個(gè)工況的運(yùn)動(dòng)學(xué)片段進(jìn)行概率上的各個(gè)參數(shù)區(qū)域的概率分布統(tǒng)計(jì)，就可以得到每個(gè)取值范圍所占比例，如圖12所示。

然后通過與實(shí)際采集過程中制動(dòng)發(fā)生的情況進(jìn)行組合，即可得到一個(gè)模擬的制動(dòng)過程的簡化描述以及制動(dòng)過程中的車速隨時(shí)間的變化曲線，如圖13與14所示。

通過對6個(gè)工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，就可以得到一個(gè)包含大部分實(shí)際制動(dòng)使用情況的模擬工況，如圖15所示。

通過臺(tái)架工況對全國制動(dòng)使用情況的匯總，可以通過臺(tái)架采集到試驗(yàn)車制動(dòng)器的磨損情況、摩擦片性能、耐久、噪聲與抖動(dòng)以及熱衰退性能，可以為主機(jī)廠以及零部件供應(yīng)商提供其產(chǎn)品的實(shí)際性能情況，但該工況目前僅進(jìn)行在試驗(yàn)室研發(fā)驗(yàn)證階段，還有許多問題需要進(jìn)一步提高與完善，并沒有達(dá)到對外使用的水平，目前所做的測試均為試驗(yàn)內(nèi)部驗(yàn)證，尚未達(dá)到JASO C406、北美一般工況以及SAE J2521等成熟工況，有待提高與推廣。

4 成果應(yīng)用與展望

通過本次調(diào)研的數(shù)據(jù)采集、分析與研究，意義以及成果應(yīng)用如下：

（1）可以直觀的得到全國消

費(fèi)者制動(dòng)器使用特點(diǎn)與使用水平，直觀的看到各個(gè)制動(dòng)參數(shù)實(shí)際使用過程中所占比重，有助于主機(jī)廠以及零部件供應(yīng)商在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證以及主觀評價(jià)中有側(cè)重點(diǎn)的開展工作。通過消費(fèi)者制動(dòng)使用情況與主觀評價(jià)結(jié)合起來，得到一項(xiàng)新的主觀評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)有的制動(dòng)主觀評價(jià)體系，已經(jīng)為國內(nèi)多家主機(jī)廠提供過主觀評價(jià)服務(wù)，目前已經(jīng)形成兩種不同的評價(jià)體系：專業(yè)級與普遍駕駛級。

（2）通過數(shù)據(jù)計(jì)算，可以得到采集城市的制動(dòng)負(fù)荷情況，制動(dòng)負(fù)荷情況可以反應(yīng)出制動(dòng)過程中的能量以及劇烈程度，通過制動(dòng)能量，也可以對摩擦片進(jìn)行使用壽命的預(yù)估。

（3）通過對特征片段的分析處理與匯

總，然后進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)以及參數(shù)的組合，得到中國乘用車商品性評價(jià)臺(tái)架工況，通過臺(tái)架工況可以對制動(dòng)器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，比國外的一些臺(tái)架工況更符合中國國情。

（4）還有幾項(xiàng)研究本文沒有贅述：通過能量統(tǒng)計(jì)，可以為新能源汽車以及混合動(dòng)力汽車的能量回收系統(tǒng)的利用控制策略的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持，提高利用率；可以通過對踏板速度的統(tǒng)計(jì)，為BA輔助系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

還存在許多不足以及還需要深入研究的部分：

（1）在工況方面：臺(tái)架工況的分類并不明顯，沒有對試驗(yàn)的驗(yàn)證工況進(jìn)行分類；沒有找到科學(xué)的道路試驗(yàn)付現(xiàn)方法，因?yàn)闊o法對駕駛員制動(dòng)時(shí)的踏板力、踏板行程與制動(dòng)過程中的減速度合理的進(jìn)行控制，無法對整個(gè)制動(dòng)過程科學(xué)的控制，可以采用駕駛機(jī)器人來取代駕駛員，目前正在調(diào)研中。

（2）采集的范圍還不夠廣泛。目前只針對了全國大中型城市進(jìn)行了采集，小城市覆蓋率并不高，且區(qū)域范圍內(nèi)西部地方覆蓋率也比較低。

（3）采集試驗(yàn)車單一性上存在著些許不足。為了保證采集的一致性，本次采集車全程為同一輛SUV車型，并沒有進(jìn)行更換，且沒有用轎車進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，以形成對比。

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