中文译文

2009-01-3043

预测轿车制动踏板感觉的制动系仿真

Andrew J. Day, Hon Ping Ho and Khalid Hussain

University of Bradford

Allan Johnstone

Honda R&D Europe (UK) Ltd

Copyright 2009 SAE International

摘要

本文针对制动系性能、影响制动踏板“感觉”的制动系组件设计参数，用仿真建模软件AMESim进行了仿真，特别是针对制动系的内部组件进行了线性及非线性建模。开发了结合制动踏板、助力器、制动主缸、制动管路以及卡钳的轿车制动系仿真模型，用它来预测制动系的响应，辅助设计出具有一定踏板力/踏板行程范围的制动系，实现良好的踏板“感觉”。强调了制动系组件的重要性，尤其是制动主缸、卡钳密封环的变形以及助力器的工作特性对于踏板力/踏板行程特性的影响。研究了以上三部分对踏板“感觉”的潜在作用，并且对AMESim模型的仿真结果用实验数据加以了验证。该模型可以在设计阶段提供制动系响应的精确预测，从而节省开发时间和成本。

引言

由于安全法规的要求，制动性能已经成为对汽车制造商和消费者来说的一个着重考虑的因素，越来越多的影响到驾驶员与制动踏板之间相互作用的复杂系统层出不穷[1, 2]。制动系的特性通常是以驾驶员者从踏板“感觉”这方面进行评价的，制造商和消费者所关心的重要的一点就是行车制动时踩踏板的“感觉”。因为制动踏板“感觉”不仅给了驾驶员一个制动动态和性能的感觉[3]，还给了驾驶员者提供了一个制动系性能的反馈[4]。

国际法规给出了制动效能的定义，如ECE第13条的规定[5,6]。最近关于驾驶员对踏板感觉以及如何将这种“感觉”参数化的研究已经显著增加，例如，通过测量踏板行程、驱动力这样的参数来进行研究[1,7,8]。影响踏板力和踏板行程的变量可分为两个独立的关系：第一是踏板行程和踏板力之间的关系；第二是驾驶员的意图与实现的减速度之间的关系[4,9,10]。

制动系组件特性的不同将造成踏板“感觉”上很大的差异。在设计阶段，制动系各组件的规格选定是一个重要的环节。制动系内部组件的线性以及非线性特性是影响制动特性和踏板“感觉”的关键因素。在当今竞争激烈的市场条件下，提高制动系效率非常重要的一点就是要从组件特性的角度来理解踏板力和踏板行程[11,12]。本文通过给出一个包括组件特性的轿车液压制动系的经过验证的仿真模型来预测踏板“感觉”，达到增进对踏板“感觉”的科学理解的目的。

实验台试验

图1：制动系统实验台

本研究基于一套取自某款中级轿车的制动系统，组建成如图1所示实验台。 它包括：助力器1、中心阀主缸2、制动管路压力控制阀3、前后制动盘和卡钳4和5、制动踏板6。实验台用于测量制动系的动态特性，尽可能精确和一致。利用它可以评价不同组件特性，比如去除助力器，来精确地建立起该组件和制动踏板特性之间的联系。可以通过去除某些组件，或者用制动管路压力控制阀来隔离回路中的不同部分。

主缸和卡钳的密封

在任何液压系统中，活塞的密封效率对液压的产生以及利用这一压力进行精确控制都是至关重要的。单个车轮所需要的较高的液体压力必须要有非常有效的密封才行[13]。在如此高的液体压力作用下，密封件和缸壁之间的摩擦力是很大的，同时会产生密封变形。这将导致在制动系统起作用时有额外的液体位移或体积损失，而这将会对制动相应、制动踏板力以及踏板行程产生影响[14]。

活塞密封性能的影响因素有：密封材料特性、接触面的摩擦系数以及蜜蜂间的几何形状。以往对密封变形和体积变化都是用的对称轴有限元分析进行预测计算的。之后将称轴有限元模型转化为AEMSim仿真软件来对制动踏板行程进行预测计算。制动过程中，制动液的位移对动态制动性能是有影响的，而增加活塞的行程也就意味着将转移更多的制动液并需要更长的制动行程。[14]

随着制动液的位移，密封的摩擦、制动管路在压力下变形、密封变形、制动软管的扩张、以及垫片的变形都将导致体积损失。图2给出了两种不同情况下制动系统的踏板行程特性，从图中可以看出，相比于仅带有主缸的制动系统没有助力器的制动系统需要更长的踏板行程。一旦加入其他更多组件时，液体的位移将会更加大，这是因为各组件之间的间隙及组件变形产生的。（从图2中低于15bar的圆圈内可以看出）

图2：制动踏板行程

主缸密封的有限元分析

利用ABAQUS对主缸密封变形进行了轴对称有限元分析（FEA）。轴对称有限元分析模型由以下三部分组成：主缸密封、活塞和缸体。

正如以上阐述的那样，制动液的位移与密封变形有内在的联系，密封变形对低压制动系统将产生很大影响。这将导致液压缸容积的变化，进而影响踏板行程和液体位移。故对称轴有限元分析往往用于计算密封件在压力作用下的体积变化。图3和图4分别给出加压前后密封件的情况。从图4可以看出，密封件左侧（大气侧）比右侧（液体侧）的位移要大。本模型着重从密封件的变形来估算液压缸的容积变化，对密封件右侧（液体侧）进行了研究。

图3：密封件未变形时的横截面

图4：密封件变形后的横截面

卡钳密封的有限元分析

卡钳活塞和密封环的轴对称有限元分析用于计算密封件加压后由于密封变形产生的密封体积的变化。图5和图6分别给出了变形前后的卡钳密封情况。从图6可以看出，密封件右侧（液体侧）比左侧（大气侧）的位移要大，并且可以看到设计了密封槽倒角的效果。这个倒角对密封件的变形来说是一个重要的影响因素，因而也成为液压缸内液体体积变化的一个影响因素。因而往往用密封件右侧（液体侧）的节点位移来对卡钳内液体的体积变化进行分析计算。

图5：未变形的卡钳密封件

图6：变形后的卡钳密封件

用密封变形有限元分析主缸和卡钳的AMESim模型

图7给出了制动施加系统的AMESim模型，由一个主缸和四个卡钳组成，用踏板行程、管路压力以及输入的力三个参数来预测密封件的体积变化对制动操纵的影响，分别以以下五个配置方案来进行。

? ? ? ? ?

仅有主缸

仅有主缸和前卡钳 仅有主缸和后卡钳 有主缸和前后卡钳

除助力器以外的整个系统

同样对踏板行程以及液体位移有影响的还有系统中的间隙、阻尼力和密封件的变形。在主缸内有三处密封，第一处位于主缸活塞处，其他两处在二级活塞处，并且制动卡钳处还各有一处密封（单级活塞滑动卡钳式）。所有这些都包含在

AMESim模型中，为了对密封件的变形进行模拟仿真，在AMESim模型主缸中有两个“变体积”的活塞，另两个是对前后卡钳的（如图7所示）。以往是用的ABAQUS对称轴密封变形的数据来计算体积变化与液体压力之间的关系。这里转化成用数据将变体积活塞化成单元的AMESim模型进行分析。

图7：AMESim有变体积活塞密封的中心阀主缸和卡钳模型

如图8所示，AMESim所预算的主缸内压力与制动踏板行程之间的关系表明，研究上将密封变形和液体的阻尼力纳入考虑范围是十分有必要的，这样为的是得到精确的AMESim模型。从图8中可以看到，试验所测量到的最大踏板行程为4.8mm，但预算出来的最大踏板行程约为2.4mm。图8中给出的AMESim模型的预算值是不包括密封变形、阻尼力以及系统间隙的，而这正是其结果比测量踏板行程短的原因。

图8：实验数据与AMESim模型预测缸内压力与踏板行程关系的对比

（不考虑密封体积变化、阻尼力和间隙）

如图9所示，我们可以看出，随着制动系统中添加更多的组件，踏板行程有所增加，例如曲线1给出的，当模型中仅仅考虑主缸时，踏板行程约为10mm。但是，在同样踏板力的作用下，曲线5给出的考虑了出去助力器以外的整个系统组件下的模型，踏板行程约为52mm这两者是有显著差异的，当把密封件的变形再考虑进模型时，AMESim模型预测的数值与实验数据非常接近。

图9：实验与AMESim模型预测缸内压力与踏板行程关系的对比

（针对不同系统）

图10：实验与AMESim模型预测缸内压力与踏板力关系的对比

阀门的参数也同时显示出了限压特性。从图9中可以看出，在初始阶段（压力小于10bar）时，曲线4给出的包括主缸、一个前卡钳、一个后卡钳的模型，其预算结果与实验数据稍有不同。在FEA模型中用的是弹性材料的线性各向同性特性，而这样（假设）会影响缸内压力的预算值。由于较高密封性材料刚度负荷较低，踏板行程特性、踏板力特性都将会变化。正如图10所示的缸内压力和踏板力关系的曲线，AMESim模型方针结果与实验结果比较一致。

真空助力器的特性

如图11所示，它从踏板输出力和踏板行程特性方面给出了制动助力器内部组件的分析结果。从图11中可以看出，非反应式制动踏板行程与真空阀弹簧刚度有关；行程距离取决于阀的运动作用。助力真空阀的弹簧刚度与空气阀弹簧刚度对踏板行程特性以及踏板力有很大的影响。例如，真空阀弹簧刚度对非反应式制动踏板行程的影响是：在真空阀关闭后就形成了高压，踩下非反应式踏板，真空阀便随之关闭，压力开始上升，踩下踏板后的线性关系是受空气阀弹簧刚度影响的。这是因为有力作用后真空阀便关闭，同时缸腔通向大气而达到大气压力。当踏板释放后压力减小，弹簧的回复力使得压力快速降低。这时，比较非反应式

踏板释放后与踏板作用阶段可以看出，当松开踏板后，真空阀的拐点来的较快，这是由回位弹簧和阀弹簧的作用决定的。

图11：制动助力器内部组件分析

整个制动系的AMESim模型

如图12所示，在制动主缸和卡钳AMESim模型的基础上加上了制动助力模型。这一模型用于制动系统特性的研究，并且将其预测结果与实验台实验的结果数据进行对比。

空气阀弹簧刚度对踏板力与踏板行程特性有很大的影响，如图13所示，它给出了不同刚度的空气阀弹簧的AMESim助力模型的预测结果。这些预测值是在一个给定的恒定不变的真空阀弹簧刚度和不同空气阀弹簧刚度的基础上进行的。非反应式制动踏板行程和真空阀关闭后的刚度对制动踏板力以及踏板行程特性有决定性的作用。正如上面所讲到的那样，真空阀关闭后所建立起来的压力是受到空气阀弹簧刚度影响的。这是因为较高的空气阀弹簧刚度可以更快地关闭真空阀。AMESim模型的预测结果图给出了不同刚度空气阀弹簧对结果的影响，以及可以通过改变空气阀弹簧刚度来对制动系统进行改进。如图13所给出的A曲线，模拟的变化的空气阀弹簧刚度下的预测结果与实验数据较好地吻合，这也证实了AMESim模型的精确性。因此，AMESim模型可以成功的预测不同空气阀弹簧刚度对踏板力以及踏板行程特性的影响。

图12：AMESim助力器、主缸和卡钳模型

图13：不同空气阀弹簧刚度下踏板力与踏板行程间的关系

增加空气阀弹簧刚度可以实现踏板力和踏板行程特性的优化，比如：在踏板力不变的情况下，将空气阀弹簧刚度增加300N/m，可以使得踏板行程减少约2mm。与此相反，如果将空气弹簧刚度减小500N/m，那么在同样的输出力作用下，踏板行程将增加10mm。换句话说，通过增加空气弹簧刚度，踏板力以及踏板行程特性可以得到改善，这是因为驾驶员可以感到制动时踏板行程缩短了。

在更大程度上增加空气弹簧刚度，增加1200N/m，如图13中的曲线D所示，踏板力及踏板行程特性的曲线斜率大幅增加，同时非反应式制动踏板行程缩短了2mm。因为空气阀弹簧和真空阀弹簧是通过推杆联系起来的，故而随着空气阀弹簧大大增加，将会对真空阀的运动产生影响。所以，非反应式制动踏板行程减少2mm可能反过来引起制动系统在制动初始阶段过于灵敏。这可能是的驾驶员感觉刹车“太快”了。

结论

AMESim模型和FEA模型的仿真结果与实验所测得的数据吻合较好。从这点上可以下如下结论：结合轴对称有限元分析（FEA）和液压系统仿真的建模方法，提供了一个有效的、精确描述系统的单个组件及系统本身特性的方法。

在制动液压力作用下，主缸内密封件的变形对踏板行程与作用踏板力、踏板行程以及提供的制动驱动力大小是非常重要的。因此，可以总结出，主缸活塞密封对踏板行程特性与踏板力关系上有非常重要的影响。

这些预测证实了在设计中，助力空气阀弹簧刚度可以用来“调节”踏板行程特性以及踏板力大小，这将是一个有效的方法。刚度较大的空气阀弹簧使得真空阀更快的关闭，从而使得大气压进入缸内提供助力。用初始空气阀弹簧刚度的实验验证了助力器的AMESim模型。

致谢

作者在此衷心感谢本田研发中心对本研究工作的支持，并感谢其对论文发表的应允。

参考文献

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