乘用车制动系统开发-20140613

Braking System Development
制动系统开发
4.制动系统零部件的开发
在完成子系统零部件的布置之后，就要开始各零部件的结构设计了。零部件结构设计需要关注材料、工 艺、成本、强度、刚度、模态等等方面。 比如转向节的设计。 在完成了卡钳、制动盘、轴承、轮辋等零部件的布置后，
1）CAD 软件设计出最大轮廓的转向节优化空间；
B 制动踏板要求的行程
踏 板 杠 杆 比
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踏板机构杠杆比的计算要点。
4. 制动主缸与人机控制联络--帮助力 在确定踏板杠杆比之后，踏板的 输出力也已知。
A 踏板输出力
B 主缸所需的推力
帮 助 力 （ 助 力 比 ）
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助力比，取决于反馈盘 面积比
至此 系统性的匹配工作基本结束。
助力器推杆行程
A B
C
D
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系统匹配工作结束 确定的参数 1.前后卡钳缸径 2.前后摩擦系数 3.前后有效半径 4. 制动主缸直径 5. 踏板机构杠杆比 6.助力器助力比 7 .助力器尺寸。 带着这些参数接下来该选取合适的零部件或者重新开发零部件，进入子系统布置阶段。
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2.1 制动系统开发理论计算-基础制动
Fbf u Ff
Fb u m g
h
Fbr u Fr
Fbf Fbr Fb
联立上式可以得出前后地面制动力与地面附着 系数的关系如下
A
B
m g B m a h m g A m a h Ff Fr ( A B) ( A B) ( A B) ( A B)
制动系统开发
1.液压制动系统简介
2.制动系统开发理论计算 3.子系统的开发 4.制动系统零部件的开发 5.制动系统客观试验 6.制动系统主观评价
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1.液压来自百度文库动系统简介
液压制动系统是将驾驶人员施加到制动踏板上 的力放大，并助力后反应到制动主缸，由制动主缸 建立起整个制动管路的压力，压力将推动执行机构 （制动器）限制车轮的转动而实现制动。
3.子系统的开发---基础制动系统
3.1 前后制动钳的布置 A 圆周方向布置 卡钳在轮辋内圆周布置上，最佳位置为时针4：30 优点： 1.从力学角度分析，这样的布置制动时对轴 承的径向载荷最小。 2.从卡钳冷却角度，这个布置对卡钳迎风也 较好，且降低了质心。 缺点： 1.卡钳位置过低，车轮泥水更容易灌入。 2.对转向节臂的位置影响较大（转向节臂前
1. 基础制动与制动主缸的联络----卡钳与主缸 现已知卡钳缸径（或需液量）可选出主缸直径（因为主缸为直径-行程系列化产品,行程一般为18+18）
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2. 基础制动与制动主缸的联络---轮缸压力与主缸推力 现已知了主缸直径、主缸行程；基础制动系统的压力-减速度曲线，可以推导出主缸推力与制动减 速度曲线。
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典型工况分析-低附着路面 在附着系数等于0.3的路 面上制动，随着制动器制动 力的增加，当实际制动力与 0.3的f线相交后，前轮抱死， 此后前后轮的地面制动力沿 0.3的f线变化，前轮地面制 动力略有增加（重量前移）。 后轮地面制动力按实际制动 器制动力大幅增加，当0.3f 线与理想制动力相交，后轮 也抱死，制动器制动力再增 加已无意义。
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3.2 踏板机构布置 A/B/C 踏板的平面布置有法规及人机要求，不在此次讨论范围，这里主要来讨论踏板机构踏板机构转点， 推点的设计。
R 转点 P 推点 X(-20,20) Z(-20,20) X(-20,20) Z(-20,20)
由于设计人机H点一般固定，所以与之对 应的踏点也是固定的。一个踏板机构中可动的 将是转点R ，和推点P ，如何设置这两个或者 其中一个点的位置对踏板机构至关重要，他直 接决定踏板行程-加速度 以及踏板力-减速度 两个关系，这里涉及到优化设计理论。 目前常用的方法是多因子单目标的优化方 法。简单来说如左图所示，让转点及推点X Z 方向（整车坐标）在给定的范围内（各因子范 围可不同）步进变化，将踏点的行程作为输入 ，将推杆末端的行程作为输出。设置一理想的 踏点-推杆输出点行程曲线伟伟目标。在整个因 子变化过程中寻找出最接近目标曲线的一条实 际曲线，并将该实际曲线所对应的点坐标作为 设计输入。Hyper Works Hyper study 或者 ADAMS insight 均可做为优化工具。
a Fb m
Fbf m( gB ugh) u ( A B)
Fbr m( gA ugh) u ( A B)
假设制动时车轮完全抱死，整车制动力就等于地 面附着力
对同一车辆来说，上两式中，只有u为变量， 取不同的u值便可得到不同Fbf和Fbr值。这便 是理想制动力分配曲线。
满载理想制动力分配曲线 满载同步附着系数
U=1.0
Ff
B . 在满足A 的前提下，不断的调节前 后1.轮缸直径,2有效半径,3摩擦系数（ 尽量取中值）来调节实际曲线斜率，终 极目标是让空载同步附着系数落在（ 0.4-0.6）满载落在（0.7-0.9) 可分 别取中值0.5 0.8
空载同步附着系数
Ff
实际制动力分配曲线 R线组
理想制动力分配曲线
F线组
前轮地面制 动力增量
前轮制动器 制动力增量
后轮制动器制动 力亦地面制动力 增量
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典型工况分析-高附着路面
后轮制动器制 动力增量
实际制动力分配曲线 R线组
理想制动力分配曲线
F线组
后轮地面制动 力增量（负值 ）
Fbf
4 ( p pt f ) Af u f Re f R
4 ( p pt r ) Ar ur Re r Fbr R
Fbf :前轮制动器制动力 Fbr : 后轮制动器制动力 p: 制动管路压力，抱死压力控制在12Mpa以下,
Ptf\Ptr : 前后卡钳启动压力（选定初始卡钳之后，此参数可询问供应商或假设一个初始值（0.5bar左右）
空满载理想制动力分配曲 线差异
有乘用车车能做到这两点吗？No
但还是要尽力去做到两条线接近。 方程式赛车勉强可以，且方程 式赛车使用在单一附着系数路面工 作，所以方程式赛车不必匹配ABS 系统。
空载理想制动力分配曲线
Ff
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制动系统开发 实际制动力分配曲线（制动器制动力）
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制动系统开发 3 前后制动钳的布置 B 轴向布置
制动盘中 心尽量靠 近轴承中 心
作用在制动盘上的切向力 轴承附加弯矩
轴承中心
摩擦力力臂
只有将制动盘中心与轴承中心重合，摩擦力力臂才能为0， 轴承才不会有附加弯矩。对轴承寿命有益
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H 点
踏点
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3.3 制动控制模块布置 目前的制动控制模块主要是ABS 或者ESP(ESC)模块，模块的布置位置并没有严格的要求。但应做到 1. 靠近主缸 2. 液面低于储液罐液面（包括连接主缸-模块的制动管最高点） 3.远离热源 4. 防止淋雨（插接件插接口要防止积水） 5. 尽量放置在纵梁等NVH性能较稳定的部件之上 6. 管路易于安装，本身易于拆装
3. 前后摩擦块摩擦系数 摩擦块开发重要参数
减速度
4. 管路压力与制动力或制动减速度关系曲线
压力
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2.2制动系统开发理论计算
原则：车有异，人相同 世面车型千差万别，但对于同一区域的驾驶者却无不同，所以对踏板力，踏板行程这一要求，不同 车辆应有相同的要求。
Af\Ar : 前后卡钳活塞面积（卡钳为系列化产品，只需参考Benchmark 及轮辋的尺寸来选定一个初始尺寸（ 51、54、57…..) Uf\Ur : 前后卡钳摩擦块摩擦系数（0.32-0.4） Ref\Rer: 前后卡钳制动有效半径（根据轮辋及卡钳尺寸，并参考Benchmark,并考虑三化原则设定或选定一 个初始值） R : 车轮滚动半径，一般乘用车前后轮滚动半径都相同。
前轮制动器制 动力亦地面制 动力增量
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制动系统开发 基础制动匹配完成之后我们可以锁定如下参数 1. 前后制动钳缸径（系列化卡钳中选定） 有了前后制动钳缸径，可进一步获得卡钳所需液量曲线（一般由 供应商试验得出）
2. 前后制动有效半径 有效半径是制动盘设计的重要参数之一
在 A、 u、 Re、 确定初始值之后，取液压P（0-12Mpa)计算出对应的前后轮制动器制动力 ，并叠加到理想制动力曲线图中。
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制动系统开发 A . 要保证12Mpa时的制动器制动 力大于至少1.0的地面附着力，如 果不满足，可同时增大1.前后轮 缸2.摩擦系数 3. 有效半径（优 先排序）
在附着系数等于0.9的路 面上制动，随着制动器制动力 的增加，超过同步附着系数仍 未有车轮抱死。当实际制动力 与0.9的r线相交后，后轮抱死， 此后前后轮的地面制动力沿0.9 的r线变化，后轮地面制动力有 所减小（重量前移）。前轮地 面制动力按实际制动器制动力 大幅增加，当0.9r线与理想制 动力相交，前轮也抱死，制动 器制动力再增加已无意义。
2）前处理，明确转向节用料，网格划分；材料赋予，设计空间非设计空间区分；载荷工况提取（MBD)约 束设置，优化目标设定； 3）提交解算，优化结果解析；
4）模型重建，利用优化结果作为参考CAD 软件重新设计出转向节模型
5）重建模型的验证，CAE 软件将重建的模型进行详细分析；
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置 或者顶置）
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只有将卡钳布置在4:30位置时 摩擦块对 制 动盘的作用力与合力方向共线反向，合力 最小，轴承载荷最小。
正压力Fz
正压力Fz与地面制动 力Fx的合力
地面制动力Fx=FzXu
Fb平移到轮心处
摩擦块对制动盘的摩 擦力Fb=Fx X Re/Rr
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4.制动系统零部件的开发
设计空间CAD 软件
优化设计前 处理-CAE 软件
优化设计-Hyper Works-Opstruct
模型重建CAD 软件
模型验证CAE 软件
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减速度
轮缸压力
主缸压力
轮缸压力 = 主缸压力
轮缸推力 = 主缸压力X 活塞面积 主缸压力
主缸活塞推力
轮缸压力
3. 制动主缸与人机控制联络 ---主缸行程与踏板行程 目前已知了活塞总行程+ 主缸空行程+助力器空行 程=助力器推杆行程 基于人机工程的要求， 制动踏板的行程有要求 （<=130mm）
A 助力器推杆所需行程
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Fbf m( gB ugh) u ( A B)
Fbr m( gA ugh) u ( A B)
Fr
满载理想制动力分配曲线
最理想状况，空满载理想制动 力曲线完全重合。这样空满载同步 附着系数都可以取到最常用附着系 数点，要做到空满载重合，这里需 要做到 1.空满载前后轴荷比例相同（即质 心在整车X 方向位置不变） 2.空满载车辆质心高度相同。
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4. 助力器的选择 现已确定了助力比以及先前已确定的主缸行程，分析助力器的特性曲线，我们可以选择出合适的助力 器
最大帮助力，取决于助 力器尺寸
助 力 器 输 出 力
对于同一个助力器，助力比和助 力 行程是相互矛盾的，大助力比意味着短 的助力行程， 所以一般的原则是先确定助力比， 再通过行程来决定助力器尺寸（不同助 力器可以有相同的助力比，但最大帮助 力不同）。