1 引言

制動(dòng)系統(tǒng)作為汽車安全系統(tǒng)，制動(dòng)性能的好壞直接影響到汽車行駛的安全性，傳統(tǒng)方法對制動(dòng)性能好壞評價(jià)還集中在基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)方面，主要有：1、制動(dòng)效能;2、制動(dòng)效能的恒定性;3、制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。但隨著道路條件的逐步改善，車輛的平均行駛速度也逐漸提高，一個(gè)不容忽視的制動(dòng)系統(tǒng)因素被逐漸重視起來，這就是制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。

制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間是指在緊急情況下，從駕駛?cè)藛T腳放置到制動(dòng)踏板并開始踩踏開始，到最大制動(dòng)力建立起(車輪抱死)為止這一段時(shí)間。

以時(shí)速120KPH 車輛為例，當(dāng)這一反應(yīng)時(shí)間由0.5 秒縮短到0.2 秒，車輛的制動(dòng)總距離將減少10米，這是非常可觀的一個(gè)數(shù)字。這里不對駕駛?cè)藛T發(fā)現(xiàn)情況到抬腳到踏板這一段主觀時(shí)間做研究。

制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間主要由以下幾個(gè)部分組成：1、制動(dòng)鉗的空行程;2、制動(dòng)主缸空行程;3、助力器空行程;4、消除制動(dòng)踏板各機(jī)械運(yùn)動(dòng)副之間間隙部分。而這幾部分的空行程最終是要反應(yīng)到制動(dòng)踏板上的，也就是說制動(dòng)踏板最初的一部分行程是用來消除各子系統(tǒng)的空行程，車輛并沒開始減速。所以，如何縮短這一段反應(yīng)時(shí)間的問題就可以轉(zhuǎn)化為：如何縮短這幾部分的空行程所對應(yīng)的踏板行程(在此稱為踏板空行程)。

為了燃油的經(jīng)濟(jì)性及行駛安全性，上述的幾種空行程在車輛行駛中是必須存在的，所以縮短踏板空行程只能從踏板本身入手，因?yàn)樘ぐ蹇招谐踢@一段踏板力并不大，所以可以采用小的踏板杠桿比來縮短踏板空行程，踏板空行程控制在8-15mm 為最佳;當(dāng)踏板空行程消除之后，整個(gè)系統(tǒng)液壓建立，因?yàn)橐后w的不可壓縮性，此時(shí)踏板力迅速增大，而踏板行程的增加則不明顯，所以希望此時(shí)踏板有大的杠桿比，以實(shí)現(xiàn)較小的踏板力產(chǎn)生較大的制動(dòng)液壓的功能。

經(jīng)過上面的分析，問題比較清晰了。希望得到一個(gè)杠桿比變化的踏板機(jī)構(gòu)，這杠桿比的變化趨勢是開始杠桿比小，而過踏板空行程之后杠桿比開始變大。杠桿比的變化反應(yīng)出的是踏板行程與主缸活塞行程的關(guān)系曲線，所以以下都以踏板行程與主缸行程曲線作為輸出進(jìn)行研究。

2 動(dòng)力學(xué)模型的建立

使用前處理軟件 MotionView 建立制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，在建模之前需要收集一些工程數(shù)據(jù)，包括制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)各鉸接點(diǎn)坐標(biāo)，以及通過人機(jī)工程得到的一些約束數(shù)據(jù)。以某車型為例，在MotionView 中建立制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)的多體動(dòng)力學(xué)模型，如圖1：

圖 1 MotionView中制動(dòng)踏板模型

制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)模型包括一個(gè)制動(dòng)踏板、兩個(gè)不同形狀的連桿、一個(gè)推力桿和一個(gè)活塞桿，其約束關(guān)系見圖2：

圖 2 各部分約束關(guān)系

制動(dòng)踏板行程由人機(jī)工程得到：直線距離130mm ，模型的模擬時(shí)間為：5s ，施加在Pedal Axle處的驅(qū)動(dòng)是以速度控制的，其值為：0.04353×TIME 弧度/秒。

3 問題描述

原始模型的的踏板行程與活塞行程曲線如圖3 所示，踏板行程與活塞行程呈弱線性關(guān)系。隨著踏板行程的增大杠桿比沒有增大反而減小。圖4 是擬合后的理想目標(biāo)曲線。

圖 3 原始曲線

圖 4 目標(biāo)曲線

4 DOE 分析及優(yōu)化

這里將 First Knuckle、Second Knuckle、Third Knuckle 三個(gè)點(diǎn)的X、Z 向坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，則有六個(gè)設(shè)計(jì)變量。根據(jù)儀表板、轉(zhuǎn)向管柱等部件的布置，最終確定出這三個(gè)點(diǎn)的優(yōu)化區(qū)間，表1 列出了這三個(gè)點(diǎn)現(xiàn)在的名義坐標(biāo)值及其優(yōu)化區(qū)間。

表 1 優(yōu)化硬點(diǎn)坐標(biāo)及其優(yōu)化區(qū)間

問題的響應(yīng)為原始曲線與目標(biāo)曲線兩條曲線對應(yīng)值的差的平方和。在這里采用3 水平的部分因子設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)安排及分析結(jié)果如表2 。

表 2 實(shí)驗(yàn)安排及響應(yīng)值

從DOE 分析結(jié)果可以看到：第13、25號組合是兩個(gè)失效的樣本點(diǎn);第22號實(shí)驗(yàn)是一個(gè)近似的最優(yōu)組合，見表3;將其代入模型驗(yàn)證，其結(jié)果見圖3 。

表 3 根據(jù) DOE 分析結(jié)果得到的最優(yōu)組合

從圖5 中可以看到，在踏板行程達(dá)到130mm 時(shí)，活塞的行程還沒有達(dá)到目標(biāo)行程。接下來繼續(xù)做優(yōu)化，由于模型較小，采用可行方向法直接在模型上進(jìn)行優(yōu)化，精度設(shè)為0.001 優(yōu)化進(jìn)程如圖6 ，優(yōu)化的結(jié)果見圖7 。

圖 5 DOE 優(yōu)化后的位移關(guān)系曲線

圖 6 優(yōu)化迭代進(jìn)程

圖 7 優(yōu)化迭代結(jié)果

從圖7 中可以看到最優(yōu)化結(jié)果為第21 號實(shí)驗(yàn)，為了設(shè)計(jì)方便在此修正三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，結(jié)果見表4 。

表 4 優(yōu)化后的三點(diǎn)坐標(biāo)及其修正坐標(biāo)

將修正好的坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)驗(yàn)證，其結(jié)果如圖8 所示。

圖 8 優(yōu)化后模型運(yùn)行結(jié)果

可以看出，優(yōu)化的效果可接受。優(yōu)化前后的模型比較見圖9 。

圖 9 優(yōu)化前后的模型比較

5 結(jié)論

經(jīng)過優(yōu)化，在踏板總行程不變的情況下，踏板與活塞的形成關(guān)系發(fā)生了很大變化，趨近于理想的輸出曲線。該優(yōu)化在只改動(dòng)三個(gè)零件的情況下，最大限度的改善了對車輛踏板的感覺，提高了制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，降低了事故發(fā)生幾率，同時(shí)有效地降低了在緊急制動(dòng)時(shí)后半程的踏板力，改善了操縱人機(jī)工程。