轻型载货汽车液压制动系统优化设计

李同占，封万程，巨建辉

Li Tongzhan，Feng Wancheng，Ju Jianhui

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林 长春 130011）

轻型载货汽车液压制动系统优化设计

李同占，封万程，巨建辉

Li Tongzhan，Feng Wancheng，Ju Jianhui

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林 长春 130011）

在汽车制动系统设计工作中，一个重要的技术问题就是如何合理确定前后轴制动力分配，文中利用空、满载使用概率设计整车制动力分配，使整车具有良好的制动稳定性和较高的制动效能，通过制动力分配优化前后轮缸尺寸，利用应急制动要求、优化目标值确定主缸最大缸径值以及真空助力器尺寸参数。

制动性能；制动力分配；稳定性；制动效能；优化

1 优化目标值

优化设计初期通常需要设定目标值，针对不同的系统，归纳其设计经验，参照已积累的资料和数据，分析其性能和要求来确定优化目标值，因此根据已有液压制动系统性能试验数据并参考乘用车制动系统设计经验值，制定优化目标值。

a. 为使车辆的动力分配更理想，设附着系数φ在制动减速度强度（z=0.15～0.8）范围内，利用附着系数曲线尽可能接近车轮抱死需要的附着系数即 φ=z时，地面的附着条件发挥得最充分，汽车轴间制动力分配最佳；

b. 车辆满载，踏板力为200 N时，制动减速度为0.5 g；

c. 车辆满载时，在真空助力器输出拐点处制动减速度不小于0.6 g。

2 制动力分配优化

根据鲁道夫的《汽车设计及安全》得到前、后轴的附着效率为

当前、后轮同时抱死时，可以认为φf=φr=φ，由式（1）、（2）得出制动力分配比的极限关系为

式中，zmin为整车应达到的最小制动强度。

利用式（3），可以确定在0.15≤φ≤0.8的极限条件下，满载及空载制动力分配值 β的允许范围。

利用附着系数在制动强度（z=0.15～0.8）范围内，尽可能接近制动强度z，此时地面的附着条件发挥得越充分，制动力分配越合理。在车辆设计过程中还需要考虑车辆空满载使用率，可分别利用空载和满载的利用附着系数与制动强度的差值平方和乘以相应的权值。当制动强度z在0.15～0.8范围内变化时，每隔0.05取一个z值。利用曲线与理想线间差值平方和最小建立目标函数，即

为保证制动时汽车方向的稳定性和足够的制动效率，按照GB12676制动法规指定约束条件。

a. 为保证具有良好的制动稳定性，必须当 z≥0.3时，应满足

b. 为保证在低强度制动时的转向能力，当0.15≤z≤0.3时，z-0.08≤φf≤z+0.08；

c. 应使整车最小的附着系数满足Emin＞65%。

3 制动系统匹配设计

制动系统匹配设计主要包括制动主缸、轮缸缸径匹配设计和踏板比的选择。

3.1 制动主缸、轮缸缸径匹配设计

对于液压制动车辆，前后制动力分配比取决于制动器形式和轮缸缸径，通过制动器提供的制动力矩可得出

β为优化后的制动力分配值，Bf、Br为前、后制动器制动效能因数；由于轮缸缸径系列为 1/16英寸整数倍，选取前后轮缸缸径时，应使制动力分配尽量接近优化后的 β值，轻型载货汽车轮缸缸径通常从表1中选取。

表1 缸体内径的基准尺寸

对于液压制动轻型载货汽车，在真空助力失效情况下满足法规要求，即700 N踏板力作用下减速度达到2.2 m/s2。在真空助力器失效情况下，整车可提供的制动力为

制动减速度a=F/W≥2.2 m/s2

式中，Q为踏板力，该处取值700 N；W为满载车辆总质量，kg；Rv为真空助力器助力比，失效时取1；Rt为制动踏板传动比，踏板比会影响踏板行程，踏板比最好不要超过5。

通过式（6）可确定出满足法规要求的最大主缸缸径。主缸与轮缸的匹配不仅考虑车辆的制动性能，还应考虑容量匹配，主缸供液量应满足制动间隙、制动软管膨胀、制动器刚度等因素所损失的制动液。其中主缸能够提供的制动液体积为

式中，L1为主缸行程。

轮缸需液量为

式中，δ为制动间隙。

在制动器设计完成时应对其进行有限元分析，计算不同制动力矩下制动器反应到轮缸推出方向的变形量，计算出其相应的需液量，方法同上，需液量为Δ2。

制动软管膨胀量由试验获得，得出不同管路压力下的膨胀系数，根据管路布置得出制动系统软管长度，计算出膨胀量Δ3。主缸供液量应满足

3.2 踏板传动比确定

将得到的主缸轮缸匹配方案代回式（6），根据应急制动要求，可得出相应踏板传动比方案。

利用踏板力与制动减速度的关系、踏板行程与制动减速度的关系评价制动（踏板）感觉的优劣，找出具有最优踏板感觉的制动系统匹配方案。

3.3 真空助力器性能确定

通过优化目标值b项要求，即踏板力为200 N时制动减速度为0.5 g，该项要求可确定真空助力器助力比

通过优化目标值 c项要求确定真空助力器容量。

4 实例分析

某轻型液压制动载货汽车前、后制动器采用相同形式，前、后制动器制动效能参数一致，车辆整体参数见表2。

表2 整车参数

根据整车参数，利用Matlab软件中的fmincon函数对式（4）求解，空载优化程序出现错误，这主要是由于整车空、满载质量差异较大，设计开发时主要考虑满足整车满载时的制动力分配的合理性，由于成本关系后桥制动力没有调整机构（感载比例阀等），故在空载时后桥制动力较强，从而使空载曲线不满足法规要求，但不影响整车的满载制动性能。在只考虑满载情况下，得出最优制动力分配比为0.627，由此得出前、后轮缸缸径有以下组合方式，见表3。

表3 轮缸匹配方案

轻型载货汽车踏板比最大不应超过5，假设传动比为5，将表3中2种前、后轮缸缸径方案代入式（6），得出满足应急制动的最大主缸缸径分别为31.55 mm和32.30 mm，由于缸径采用1/16 in一刻度，主缸缸径只能选取 30.16 mm 和31.75 mm。同理将得出的主缸缸径与轮缸缸径的4种匹配方案代回式（6），可得出 4种踏板比，结果见表4。

表4 主缸缸径与轮缸缸径匹配方案

车辆制动过程中减速度会给驾驶员最直观的感觉，制动减速度越大制动信心越强；因此可以通过对比踏板力与制动减速度的关系、踏板行程与制动减速度的关系来评价制动（踏板）感觉的优劣。

图1 踏板力与减速度关系曲线

图2 踏板行程与减速度关系曲线

由图1、图2可以看出，方案4在相同踏板力情况下制动减速度大，相同减速度时踏板行程最小，驾驶员不会感觉制动偏软，制动信心不足等问题，因此选择方案4，该方案制动踏板感觉优秀，踏板行程小，踏板力小，制动反应迅速，制动信心强，效果显著。

轻型载货汽车制动系统优化前、后整体参数见表5。

表5 制动系统优化前、后参数

对优化后液压制动系统参数进行理论验算，图 3显示优化后的前、后轴利用附着系数曲线更接近制动强度曲线，前、后轮缸缸径的改善使整车的制动力分配系数更加接近同步附着系数，有效避免了前轴或后轴提前抱死。优化后制动主缸缸径的减小和真空助力器倍率的提高，使得相同踏板力下制动管路压强增高，如图 4所示，制动效能显著提高；优化后的制动系统利用附着系数接近制动强度，由图 5可以看出地面的附着条件发挥得充分，汽车制动分配系数合理程度高。

图3 制动强度与利用附着系数关系

图4 踏板力与管路压力关系

图5 附着系数与附着系数利用率的关系

5 总 结

在设计轻型载货汽车的制动力分配比时，其优化结果满足GB 12676制动法规对汽车制动力分配的要求，在各种制动强度下整车制动效率较高；通过优化的制动力分配比选定前后制动器参数，使制动力分配系数接近同步附着系数；通过对比踏板力与制动减速度的关系、踏板行程与制动减速度的关系来评价制动（踏板）感觉的优劣，得出最优踏板比；该优化设计方法对轻型载货汽车液压制动系统的设计选型具有指导意义。

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U469.21： U463.52+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.05.005

1002-4581（2016）05-0014-05

2016-04-26