汽车制动储液罐动态性能仿真分析研究

郑玉花

(上海汽车制动系统有限公司， 上海 201821)

0 引言

汽车制动储液罐在汽车制动系统中为车轮制动提供工作介质制动液。由于温度等外界条件变化及车轮制动器的摩擦片磨损等原因，储液罐中制动液的容积不是恒定不变的；且受惯性力和离心力作用，制动储液罐内制动液液面在整车加速、减速及转弯等动态工况下会发生倾斜，当液面倾斜至一定程度时就有可能出现某一腔液体体积过小而使制动过程失效，从而危及到驾驶员及乘客的安全。因而，对设计的制动储液罐动态性能提出两方面要求：一是在动态工况下必须提供足够的制动液以保证制动安全性；另一方面应避免误报警以保证驾驶舒适性。

为节约开发成本，不可能直接开模基于储液罐样件的动态性能试验结果来修正设计；项目开发进度通常也不会预留足够的时间来容错。因而基于计算机的制动储液罐动态性能的仿真分析成为设计首选。

2 制动储液罐动态性能重要结构特征分析

由于整车布置问题，制动储液罐外形千姿百态，设计上难以实现标准化；但通过对制动储液罐的内部结构的深入剖析及多年储液罐设计经验的总结，储液罐的动态性能的是否合格与下列结构特征(见图1)的设计位置息息相关。

- 报警点，制动储液罐内都按设计意图在某一位置放置有浮子，用以实时监测罐内液面的变化。当液面降低时，浮子随之降低，降至某一位置则会触发报警回路的状态改变，从而发出报警信号。报警点的位置由浮子和罐体上浮子运动的上下止点共同决定。报警点的高低直接影响着制动储液罐动态性能。在任何整车动态工况下，不管液面如何倾斜变化，只要制动储液罐内实际液面高于报警点，则储液罐不会发生报警。这也是制动储液罐动态性能仿真分析的评判基础。

图1 与动态性能相关的制动储液罐重要结构特征Fig.1 Important structural characteristics related to dynamic behavior

- 最高液面， 为与主机厂制动液加注头匹配，会给每个制动储液罐规定最高加注液面，用以整车装配时自动监测液量加注是否合格。最高加注液面直接决定了储液罐内的液量多少，该液面的高低是报警点位置设计的重要基础之一，也是在动态工况下液面倾斜后实际液位高低的重要影响因素。

- 浮子腔中心线，浮子腔中心线随浮子腔位置而定。浮子在浮子腔内随液面变化上下浮动，为易于设计导向结构，浮子和浮子腔形状一般均为圆柱形。在罐体浮子导向柱的引导下，制动储液罐的报警点只能沿浮子腔中心线上下移动。浮子腔位置和报警点的位置共同决定了动态工况下报警液面的高低，直接影响着储液罐动态性能。

- 溢流点，与双腔的制动主缸匹配，制动储液罐内设有独立的两腔分别与制动主缸的第一腔和第二腔直接相通。储液罐内的两腔必然存在溢流点。一方面，如果溢流点过高，在动态工况下液位倾斜后储液罐内液面存在分层的可能。制动液分区分层后极易导致不报警或误报警。另一方面，如果溢流点过低，溢流点高度设定必须则不能保证储液罐在任何工况下都能向制动系统提供足够的液量，以保证其正常工作。

3 制动储液罐动态性能仿真分析理论基础

制动储液罐动态性能仿真分析的前提之一是必须将复杂的整车动态工况下制动储液罐液面的倾斜情况量化为计算机可以考察的倾斜角度。

动态工况下储液罐液面倾斜角度受重力加速度和加速度的综合影响。

以加速0.7 g时液面倾斜情况转化为例，制动液液面倾斜角度(如图2所示)可通过反正切进行计算：ɑ=arctan(0.7g/1g)=35°。

图2 动态工况下制动液液面倾斜角度分解示意图Fig.2 Sketch for inclination angle of brake fluid level under dynamic condition

以此类推，可以将所有加速、减速、转弯等动态工况下液面倾斜角度通过数学计算的方法进行推导。根据整车实际性能需求，动态检测加速度与液面倾斜角度关系见表1。按照行业最高标准，最高试验减速度分别为加速0.7g；减速1.3g；转弯1.1g。表1中黑色区域为相应工况下不需要考察的角度。

4 制动储液罐动态性能仿真分析准则 —— 距离比较法

传统的制动储液罐动态性能仿真分析准则为容积比较法，即动态工况下，如果报警点所在液面以下的制动液容积小于最高液面容积去掉67%消耗容积，则可判定动态性能合格；反之，则不合格，需要修正设计。但储液罐外形千差万别，同样的富余容积在不同储液罐里所呈现的液面高度差是不同的。所以储液罐设计合格性判断很大程度上需依赖设计人员的经验。所以在此，我们引入直观的距离比较法(如图3所示)进行储液罐动态性能合格性判断。

表1 动态检测液面倾斜角度要求

图3中，

液面1：在某动态工况下报警点所在制动液液面；该液面过设计报警点且平行于倾斜角度，可以在计算机三维数模中找到并画出来。

液面2：储液罐在动态工况下的真实液面；动态工况下真实液面的搜寻可以基于等体积原则：即尽管整车动态工况千变万化，但罐体内腔所装液体在同一时间内都是一个固定值；根据工程经验，67%的消耗容积(如果没有客户特殊要求)作为安全余量，通常以最高液面容积去除67%的消耗容积作为搜寻基础体积，以保证设计可靠性。借助计算机强大的自动计算能力，运用二分法原理实现快速进行搜寻。

下楼梯的时侯，他看着自己快速更替的脚步，想到了摔倒这个词。滑？翻滚？撞击？居然走了几步？大难不死？见红？低劣的叙述吧，我信不信重要吗？是啊，奇怪的摔倒已经显得不重要了。他的心底只有一块田。田让他变成了一位平和的农夫。为此他的心情和脚步一样轻松。他掏出手机，启动按键。与此同时，他看见了那位医生。他放弃了询问病情原委的打算。不重要了。医生也看见了他，他们错肩而过。他朝她颔首示意。她的笑快速而诡异。

液面2获得后，通过比较两个液面的垂直距离——液面差来判断动态性能是否合格。

如果液面差，

液面2—液面1>0(如图3所示)，说明真实液面高于报警点所在液面，则表示动态工况下是安全的，储液罐将不会误报警；

图3 距离比较法储液罐动态仿真分析示意图Fig.3 Sketch for distance comparison method of dynamic simulation

液面2—液面1<0，说明真实液面低于报警点所在液面，则表示动态工况下将不安全，储液罐将会发生误报警，影响驾驶舒适性。

5 制动储液罐动态性能仿真分析的计算机自动实现

制动储液罐通常为全新设计，从无到有，在设计定型前不可避免需对设计进行多次修改；即便是基于现有产品进行外形修改，也不得不对整个产品动态性能重新进行仿真分析。当前情况下，企业对汽车制动储液罐动态性能的仿真分析均通过设计人员手动操作CATIA软件来实现，分析过程中存在以下问题：

(1) 基于表1，对制动储液罐设计过程中需验证的动态工况就多达42种，涉及参数较多，如果全由设计工程师手动仿真分析，其任务量之多可想而知，而且极易遗漏，且分析的准确性也难以保证；

(3) 仿真分析过程中，各参数需要设计人员逐一选择并通过手动操作CATIA软件实现，缺乏一套有效的参数选择的人机交互界面，因而参数在选取过程中极易出错；

(4) 每次仿真分析过程中涉及的参数及结果均需要保存，手动仿真分析缺乏一套完整的结果保存方法，导致设计人员在修改设计过程中调看结果效率低下；

(5) 仿真分析结果合格与否的判断对设计工程师经验依赖性大。

为提高储液罐设计质量和效率、降低储液罐设计工程师的工作负荷，同时便于培训新人，我们基于Dassault Systemes公司的Catia V5进行二次开发，开发制动储液罐设计校核软件，使得储液罐动态性能仿真分析可以计算机自动实现。

本软件可作为Catia插件在储液罐数模设计完成时直接调用，根据交互界面(如图4所示)指导选取储液罐动态分析所需特征参数。

图4 储液罐动态性能仿真分析参数设定
Fig.4 Parameter setting for dynamic simulation of brake fluid reservoir

储液罐设计校核软件基于等体积原则，运用二分法原理搜寻真实液面，并自动切割储液罐内部容积数模，获得真实液面和报警点所在液面的垂直距离，按照距离比较准则自动判定分析结果是否合格(如图5所示)并自动存储分析结果。

该储液罐设计校核软件采用距离比较法对动态性能进行自动分析判断，整个仿真分析过程简单直观，如图6所示。

液面在报警点上方-安全Brake fluid level 2mm above the switch point-Safe

液面与报警点重合-风险Brake fluid level coincides with the switch point-Risk

液面在报警点下方-误报警Brake fluid level lower than the switch point-Wrong warning

图6 制动储液罐动态性能仿真分析数模显示
Fig.6 Model show for simulation analysis of brake fluid reservoir dynamic behavior

6 结语

动态性能是汽车制动储液罐设计成败的关键，插件式设计校核软件实现了储液罐动态性能的自动仿真分析，并将设计校核效率提高近30%，且标准化了储液罐动态性能仿真分析流程。