汽车制动系统的性能分析和优化

吴希玲，徐文婷，应宇汀

（中汽研汽车检验中心（宁波）有限公司，浙江 宁波 315300）

前言

汽车制动系统的主要功能是在制动时不断降低汽车速度。同时，必须确保车辆在制动过程中不受地面坡度的影响，以便在施加制动时车辆能够稳定，可靠地向下滑动。汽车制动系统最常用车辆制动系统最常用的制动方法是：气动制动[1]。 这种制动方法主要用于重型车辆动制动系统的重型车辆可在停车时有效隔离车辆，从而确保在行驶时减少车辆惯性障碍。在制动系统中，气动系统的主要组件是制动阀和制动踏板。一般来讲，气动系统装于汽车后轮处，同时利用强力弹簧控制有效地将压力施加在车辆上。笔者重点探究了车辆的制动系统以及汽车制动系统的组成，并阐述了其工作原理及性能，从而可以适当地改善汽车的性能。这种设计提供了信息，还可以分析制动力在汽车的制动轴之间的分布，从而使汽车在制动时更一致、更稳定，进一步提高安全性。

1 汽车制动系统的主要工作原理

本文着重围绕气动制动进行工作原理解释说明。重型车行驶阶段，驾驶员制动之前，车辆的前制动室和后制动室通过制动阀和快速释放阀与外部大气连通。车辆制动腔和车辆气罐内压缩空气有效分隔，故而能够安全稳定行驶。但踩下制动器后，就可以合理调控汽车制动性能。这种情况下，制动阀会直接阻隔前后制动腔。同时，与外部环境的连接允许前后的初始空气空间与汽车储气罐中的压缩空气连通。这时，因压缩空气二产生的气流引起车辆前后制动器和对应车轮间摩擦，借此达到制动目标[2]。

2 汽车制动系统的主要性能

首先，评估系统制动能力和汽车制动系统的恒定性。 其次，评估汽车制造方法。 动态系统的稳定性。

2.1 汽车制动系统的制动效能

系统制动效率核心功能在于驾驶期间高效制动和停止车辆，并使车辆保持在稀薄状态[3]。所以，车辆制动性能最核心的设计标准即为缩减车辆制动所需要的距离以及时间，以达到制动性能安全标准，为行车安全提供更大保障。

2.2 汽车制动系统的恒定性

即车辆制动过程中保证汽车长期制动和连续维护的能力[4]。因此，连续维护性能属于系统恒定性不可忽视设计要求，必须得到更多关注。

2.3 汽车制动系统的稳定性

众所皆知，系统稳定性占有极其关键地位，尤其必须保证制动时车辆不会出现打滑情况。因此，对汽车制动系统的稳定性要求很高，这对驾驶汽车的安全性非常重要。因此，稳定性是必须确保的性能，并满足汽车制动系统设计中的标准，才能发挥应有的作用。

2.4 关于汽车制动性相应参数选取

本次遵照车辆制动原理，主要研究同步摩擦系数，I曲线与制动力的核心问题。研究汽车的制动性能通常涉及系统数字模拟，一般必须以强大、有效模拟程序来计算。各项参数如下表所示：

表1 汽车制动性分析车型参数表

3 汽车制动系统性能故障模式

制动系统核心操作机构，真空助力器，制动器、总泵、管道，ABS液压/控制单元，制动液。如果控制机构操作有误，管路受损泄漏，制动间隙设置有误，电磁阀密封性较差，ABS控制单元异常或相关零件损坏，制动故障，制动故障，并且会发生制动故障[5]。诸如偏差，制动阻力/噪音等问题。下文主要研究不同故障具体情况与起因。

3.1 液压制动失效

行车途中，即便踩住制动踏板，仍无法形成有效制动，就算不断进行制动，依旧没有直观减速效果。对此类故障而言，具体原因并不单一，经归纳整理说明如下：1）主或轮缸密封件遭受破坏或磨损；2）制动管损坏或接头松动；3）主缸制动液不足；4）移动踏板已断开与主缸的机械连接；5）真空放大器故障或泄漏；6）ABS液压单元固定阀卡住[6]。

图1 车轮受力简图

3.2 液压制动不灵分析

当驾驶员踩踏制动踏板时，汽车无法正常减速或及时停车，各车轮制动作用较差，制动距离与时间都较长。结合实际情况归纳梳理可知，此类故障发生原因如下：1）制动管路内存在气泡；2）主/轮缸，活塞等产生明显磨损；3）制动油管受损泄漏；4）踏板空转太长；5）制动间隙超出正常水平，且自动调控机构失效；6）主缸出/回油阀密封性较差，或活塞回油弹簧预紧力不足；7）制动盘或摩擦片存在油污；8）真空助力器异常；9）停车制动器没有充分释放；10）增压阀遭到阻塞。

3.3 液压制动拖滞分析

踩踏制动踏板时，部分或全部车轮制动作用不能立即释放。该故障将导致制动鼓变热，车辆将变得脆弱且难以启动。当踩下制动踏板时，汽车无法立即减速或停止，每个车轮的制动效果均不清楚，制动距离和制动时间也很长，控制机制差，主缸或轮缸活塞卡死，制动管路堵塞，停车制动器未完全释放，制动盘发生变形，间隙自动调控机构操作有误，轮毂轴承润滑存在问题。

3.4 液压制动跑偏分析

所谓制动偏差，即左/右车轮制动力各异，或制动力出现时间各异，使得汽车用过高制动力或过早制动作用朝侧面行车。结合实际情况来看，此类故障起因非常多，经归纳整理具体如下：1）各车轮制动间隙各异，摩擦垫的磨损程度不一致；2）两侧胎压不同，磨损程度不一致；3）制动管路的一侧泄漏，凹槽的堵塞导致制动液流动不良或有空气；4）制动轮缸一侧不好，有泄漏或发粘问题；5）制动盘一侧粘油或变形，摩擦垫一侧粘油；6）制动底板或钳支架固定螺栓一侧松弛；7）增压阀一侧遭到阻塞。

3.5 制动噪声分析

制动期间将同步形成高/低频声音，前者一般为110/dB；低频振动不利于维护制动稳定性。更恶劣表现在于，制动噪声不利于保证乘客的舒适度，缩短部件的使用寿命，并损坏承重部件，甚至引发重大安全问题。制动声机制非常复杂，经归纳整理具体如下：1）刹车结构；2）环境因素；3）摩擦副特性；4）制动条件[7]。

4 汽车制动系统故障出现原因

4.1 空气压力异常

汽车制动系统中气压异常的主要原因如下：一是汽车内空气压缩机的运行状态，不能正常工作；二是空气压缩机的运转状态不正常。另一个是制动控制阀管泄漏或是空气通道被阻塞且空气压缩系统异常[8]。

4.2 制动摩擦力矩下降

汽车制动系统故障时，制动摩擦力矩不足主要表现在以下几个方面：制动鼓与制动蹄之间的距离不合理；闸瓦质量不合格；闸瓦接触面积太小；活动鞋铆钉强度不够；制动蹄摩擦片严重磨损；制动鼓产生凹槽。制动凸轮轴和衬套松动或严重磨损。这些因素均会造成制动摩擦扭矩变小，从而引起系统失效问题。

5 汽车制动系统的优化设计

5.1 汽车制动系统中气压动力制动主要优化内容

在改善车辆气动制动时，应当全面掌握系统工作模式。一般情况下，若不考虑漏气现象，那么系统前/后空气储存器间压力可理解成恒定压力源，借此设计与建模基本制动组件[9]，具体有双室制动阀；制动室继动阀与气动管路。

首先，双室制动阀是系统核心控制部件，行驶阶段能够把制动踏板制动信号转变成压力信号。 行车期间，其工作过程能够划分为三个阶段：第一，增压；第二，保压；第三，泄压。在其建模阶段，重点采用与制动阀动力学有关参数，具体包含制动阀弹簧刚度；活塞回弹刚度与排气间隙。

其次，继动阀核心作用在于使制动阀与制动气室有效相连。其组件为4个管接头：出/进气口，控制进/排气口。

最后，系统内气压制动功能为气压传输通道。系统优化阶段，核心宗旨在于有效增加车辆制动压力后，保证和制动速度间处于最佳关系。设计建模阶段，应选择节气门系统固有关键优化内容定义所需各项参数。

5.2 整体参数优化

依据车辆标准优化制动系统参数所涉及的八个因素：1）首先，确定制动系统的布局和制动系统的具体设计；2）按照汽车参数与系统技术标准，给出最优制动力分配系数；3）相应制动强度条件下，按照相同车型最大制动压力，判断各轮缸直径；4）按照卡钳变形，制动盘/制动液压力，制动衬块及其压力，钢管/软管变形，判断主缸最大工作容积；5）按照主缸直径及其活塞行程区间规范系列，判断两者直径；6）按照主缸直径与最大制动压力，给出与之相符增压器系列范围；7）按照增压器系列范围，采用恰当踏板杠杆比；8）全面剖析最终制动力分配系数，主/轮缸直径、活塞行程与踏板杠杆比。

5.3 典型零部件结构改进

1）制动结构优化，具体内容包含如下：其一，卡钳轻量化设计，通过运算与实验模态研究，使其固有频率处于正常区间内，降低或去除其和相应零件间出现共振几率；其二，尽可能让制动盘厚度差与截面跳动次数变少，尽量去除制动期间各底盘子系统共振几率；其三，降低或去除中高频制动噪声；其四，调控摩擦系数随温变可靠性。2）利用模拟与实验研究方式，由旁通阀至中心阀类型，优化主缸活塞密封圈与复位弹簧，或进液方式，延长活塞工作寿命。

5.4 汽车制动系统中气压动力制动的主要优化设计

系统设计优化阶段，选择了三组仿真数据以获得最佳设计，而后对结果进行比较与分析，最终做出准确判断。 关键分析数据包括延长的空气制动器填充时间和延长的空气制动器释放时间，还有系统对最大恒定气压影响。

5.4.1 增大压力响应率

当前，卡车对压力的响应时间通常在0.5至0.9秒之间。 该速度使叉车制动非常远，并影响车辆的制动安全性，必须得到优化调整。

通过优化改进的空气制动模型的参数，制动阀下部腔室的弹簧刚度和继动阀反射刚度，将直接决定泵送与膨胀阶段充气延迟，最终改变制动阀下部开度。回位弹簧刚度、继动阀返回值都为10N/mm。 增加排气时间过程中，排气延迟取决于下部排气腔与继动阀两者排气间隙，故而取制动阀下方的排气腔间隙为1.5mm。 排气门间隙值为1.5毫米。

5.4.2 改善对极端压力反应

合理优化模型参数，系统最大压力响应比不但受前制动腔体积直接影响，同时与制动阀毛细管弹性以及上制动阀端口之间的距离有关。

通过分析优化模型不难发现，优化后压力响应速度能够减小至0.3～0.5s，最终大幅改善压力响应速度，效果非常理想。

6 总结

众所皆知，车辆制动系统主要作用在于维护行驶安全，因此性能优劣决定着行驶安全性与稳定性。随着时间不断推移，社会发展越来越快，汽车保有量逐渐增多，安全性、舒适性、稳定性等等成为人们普遍关注的话题，因此本课题提出有着明显必要性，未来必然吸引更多目光与关注。站在维修者角度来看，工作难点在于有效确定与解决系统故障；站在设计者角度来看，核心方向在于怎样围绕故障出发，让系统设计获得更多理论支撑，全面增强系统稳定性与可靠性。本文利用故障分析、诊断等信息，面向系统设计完成合理优化，获得了一些重要结论与成果，大致实现预期优化目标，克服了实践阶段许多问题，在改善系统性能方面现实价值十分显著，值得更深入研究与重视。 1）按照错误情况界定故障模式；2）通过错误树搜索故障组件，同时完成有效定位；3）对刹车声而言，可按照其频率与种类判断其位置；4）优化系统总体参数与部件结构，使可靠性得到大幅改善；5）下一步重点是对各种故障模式进行定量分析，顺应时代发展趋势与要求，引入更多新的技术与方法，围绕现阶段种种故障、问题出发，通过科学有效定量分析，提出更合理、更完善解决方案，尽量规避或降低各类故障发生可能性，为人们出行安全提供更大保障，也为社会长治久安奠定良好基础。