液压制动系统踏板感觉影响因素分析

摘要：制动踏板感觉直接影响到车辆的驾驶舒适性和驾驶员对制动过程的信心，进而影响制动安全性，文章通过对液压制动系统乘用车在制动过程中的理论分析和主客观评价测试，介绍了影响踏板感觉的相关因素，提出了改进踏板感觉的方法。

关键词：制动系统；踏板感觉；影响因素

中图分类号：U463.521 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）08-0092-03

随着汽车工业的不断发展和汽车保有量的节节攀升，制动性能作为汽车的重要安全性能其关注度也越来越高，而其中的制动踏板感觉尤为如此。根据JD Power的反馈，对汽车制动踏板感觉方面反映最多的问题主要有制动力不足、制动偏软、刹车不够灵敏等，所以本文通过对制动踏板感觉影响因素的理论分析，并结合实际车辆进行主客观试验，对所得的数据进行分析和比较，提出了改进踏板感觉的方法，为汽车液压制动系统的设计开发，特别是踏板感觉的优化改进提供了有效的方法。

1 制动踏板感觉的影响因素

1.1 制动踏板感觉定义

在汽车液压制动系统中，制动踏板通过杠杆机构与真空助力器及制动主缸相连。驾驶员在踩下制动踏板以后，一方面制动踏板克服机构间隙和阻力，在真空助力器的作用下，推动主缸活塞运动，使管路油压升高推动制动分泵并使得摩擦片和制动盘间产生制动力矩，进而在轮胎与路面的相互作用下形成对车辆的制动力并最终使车辆减速；另一方面，驾驶员通过踩制动踏板反馈得到的踏板位移和踏板力信号获得一定的制动踏板感觉，再加上身体感受到的车辆速度、制动减速度，听觉上的制动噪音以及车辆动态等诸多因素，共同构成了完整的制动踏板感觉。

制动踏板感觉是驾驶员在车辆制动工况下身体感官上的综合感觉，由制动系统零部件以及制动系统与整车匹配所决定。而在这个过程中，制动踏板机构通过踏板力及踏板位移传递给驾驶员的反馈尤为重要。我们可以通过研究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踏板感觉的优劣。这也是本文研究的重点。

1.2 制动踏板感觉关系曲线

从上述有关踏板感觉定义可以知道，踏板力与减速度关系曲线、踏板行程与制动减速度关系曲线是描述制动踏板感觉的有效方法，因此定义这两种关系曲线是研究踏板感觉的基础。

目前国内外的一些主机厂及制动系统的集成供应商在这一方面做了很多基础性的研究和积累，提出了各自的关于踏板感觉的关系曲线的标准。根据试验及研究发现，有效的研究制动踏板感觉关系曲线，需要在一定的踏板输入条件下才能较为准确的反映一般使用工况下的踏板感觉。通过试验和仿真验证，我们认为，以100～150 N/s的踏板输入条件来进行制动踏板感觉的试验和仿真计算，结果最符合实际的制动工况和体现驾驶员的感觉。

由图中可以看出，一般定义踏板力、踏板行程与制动减速度关系曲线都会定义一个范围，规定同一减速度下的踏板力、踏板行程上限和下限值。由图中可以看出，A厂商的定义是比较严格的，通过试验也发现，该曲线能较好的反映驾驶员的制动踏板感觉，因此，以下分析会采用A厂商的曲线作为参照。

1.3 制动踏板感觉影响因素分析

通过制动系统仿真分析，结合不同车型不同工况的制动试验，在获得了一系列液压制动系统的踏板特性基础数据的基础上，提出了以下影响踏板感觉的因素。

①制动系统效能。制动系统的匹配设计是获得后续车辆良好的制动踏板感觉的基础。只有总体制动效能满足使用要求，才能获得良好甚至优秀的制动踏板感觉。这里包括了前后卡钳缸径、制动盘（鼓）有效半径、摩擦片摩擦系数、制动主缸缸径与行程、真空助力器助力比、制动踏板杠杠比等的良好的匹配设计。

②真空度影响。助力器的真空度也是影响制动踏板感觉的重要因素。助力器的特性只有在足够的真空度条件下才能发挥作用，而目前的一些发动机由于本身的设计及机车匹配及其他标定的需要往往无法提供制动系统需要的足够的真空源，特别是在高原使用工况下，真空度问题会更加凸显。因此，在进行制动系统设计及试验匹配中要考虑真空度的因素。目前一些车辆会使用电子或机械真空泵来解决该问题。

③真空助力器的特性参数。真空助力器的一些关键参数是影响踏板感觉的重要因素。通过提高助力器的助力比可以降低同样制动减速度下的踏板力，优化踏板感觉；通过降低助力器的始动力、提高助力器的跳跃值，可以提高制动系统的反应速度，优化初期踏板力，使助力器在更小的力下提供更大的管路压力，以提供更大的制动减速度，优化踏板感觉。

④系统空行程及变形量。制动系统的空行程及在受力下的变形量会影响制动踏板感觉。空行程包括了踏板与助力器连接的间隙、主缸与助力器的空行程、摩擦片与制动的间隙等。系统变形包括了在建压情况下踏板及防火墙在受力下的变形量、制动主缸与助力器的变形量、制动硬管及制动软管的膨胀量、卡钳的刚度及摩擦片的压缩量等。

2 制动感觉优化方法

为进一步探讨制动踏板感觉各种影响因素在制动过程中对车辆制动和驾驶员操作及信心的影响，通过在一些车型上进行了实车测试、分析和理论计算，提出了优化制动踏板感觉的一些方法。

由图3、图4可以看出，该车的制动踏板感觉，在踏板行程方面基本能满足限值要求，在踏板力方面则已经低于踏板力下限要求，在制动过程中踏板力会明显偏重，达到同样的制动减速度需要的踏板力会更大，驾驶员会明显感觉制动偏软，制动信心不足。该车经过主观评价也证实，属于制动偏软车辆。

为优化该车的制动踏板感觉，可以在下几个方面进行优化。

2.1 提高制动效能优化制动踏板感觉

鉴于该车踏板力偏重，达到同样的制动减速度需要的踏板力会更大，可以通过提高整车的制动效能来优化踏板感觉。提高制动效能该车采用了以下方案：将车辆前卡钳的缸径由Φ57 mm改为Φ60 mm缸径，同时将前制动有效半径由116.5 mm改为120 mm；为匹配前制动器的更改，同时将后制动有效半径由120 mm改为125 mm。通过这些参数的调整重新进行了分析，图5和图6是更改后的制动踏板感觉关系曲线。

由图5和图6可以看出，提高制动效能后，制动踏板行程没有太大变化，而踏板力明显的有变好的趋势，在同样的制动减速度的条件下需要的踏板力已经很小，基本接近了限值范围的上限，属于较理想的范围，较改进前有了30%以上的提升。

针对该优化方案进行了主观评价，一致认为该方案制动踏板感觉优秀，踏板行程适中，踏板力小，制动反应迅速，制动信心强，效果显著。

2.2 优化助力器特性改善制动踏板感觉

由于提高制动效能需要改动的制动系统及相关零部件较多，在无法调整制动器的情况下我们也可以通过优化真空助力器的参数来改善制动踏板感觉。由图3可知，在制动过程中制动踏板力明显偏大，因此可以通过调整真空助力器特性来进行改进：

①调整真空助力器的助力比。由图7可以看出，提高助力器的助力比可以在保持输入力不变的前提下提高输出压力，即可在踏板力不变的情况下提高制动系统管路压力，进而增大制动减速度。从理论上讲，只要助力器的能力足够，在保证拐点压力的前提下，助力比越大越能提高制动踏板感觉。

②调整真空助力器的始动力和跳跃值。除了提高助力比外，亦可通过调整真空助力器的始动力和跳跃值来调整初始的踏板感觉，提高初期制动反应速度和降低初期踏板力。通过降低始动力可以降低初期的踏板力，从而提升制动初始踏板感，为后期的踏板感提供好的基础。通过计算和分析，结合目前的助力器的制造能力，始动力控制在40～70 N则较好。通过提高跳跃值可以提高初始的管路压力，从而为初始的制动减速度提供良好的基础，提高踏板感。当然，跳跃值如果过高，则容易出现制动两段感，使前期的踏板减速度过高带来不好的制动踏板感。通过主观评价，我们认为将跳跃值控制在17～23 bar容易出现比较好的踏板感。

因此，在图3所示车辆的基础上，通过调整真空助力器的特性来进行优化，将助力比由6.0调整为7.5，将始动力控制在40～70 N，将跳跃值控制在17～21 bar。

由图8和图9可以看出，调整真空助力器的特性后，制动踏板行程没有太大变化，而踏板力则明显的有变好的趋势，虽然没有如图5所示提高制动效能的方案变化大，但在同样制动减速度条件下需要的踏板力也是不大的，较改进前也有质的提升。

针对该优化方案也进行了主观评价，一致认为该方案制动踏板感觉良好，踏板行程适中，踏板力适中，制动反应也很迅速，制动信心较强，效果明显。

2.3 其他优化制动踏板感觉方法

除上述的几种改善踏板感觉的方法外，也可以通过提高发动机真空度、改善踏板与防火墙的刚度、减少踏板与助力器连接的间隙、提高助力器的刚度、减少软管的膨胀量、减少系统空行程与间隙等方法来优化制动踏板感觉。当然，有些方法虽然可以优化制动踏板感觉，但有可以会带来其他一些诸如磨损加剧、寿命降低、成本提高的问题，需要在优化过程中考虑并加以平衡，保证制动系统的安全性和可靠性。

3 结 语

制动踏板感觉是车辆制动性能的重要组成部分，直接影响到车辆的驾驶舒适性和安全性，影响到驾驶员的制动操作及信心。通过上面的分析和验证，提出了影响制动踏板感觉的因素，并提出了一些改进优化踏板感觉的方法，这些方法建立在理论设计的基础上，并将用户感受结合起来，为踏板感优化提供了一些方向，可用于指导制动系统匹配特别是制动踏板感的优化，使车辆更适合市场的需求和用户的需求。

参考文献：

[1] 刘惟信.汽车制动系的结构分析与设计计算[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2] 方泳龙.制动理论与设计[M].北京：国防工业出版社，2005.

[3] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2003.

[4] B.布勒伊尔，K.比尔（德）.刘希恭译.制动技术手册[M].北京：机械工业出版社，2011.