（车辆工程专业论文）制动踏板感觉影响因素分析以及制动意图识别研究.pdf

摘要 摘要 制动踏板感觉直接关系车辆的制动安全性和驾驶舒适性，是线控制动系统 中踏板感觉模拟器的核心内容之一。因此，本文从理论和试验两方面进行制动 踏板感觉影响因素的研究，在深入分析试验结果的基础上，进行了驾驶员制动 意图的识别和制动踏板感觉的建模工作，为智能踏板感觉模拟器的开发奠定了 基础。 首先详细介绍和分析了国内外制动踏板感觉的研究现状，明确了制动踏板 感觉研究的思路和方法。在分析液压制动系统结构和原理的基础上，结合国外 的研究成果，给出了制动踏板感觉的初步定义，探讨了制动踏板感觉的影响因 素。针对液压制动系统进行了制动踏板感觉研究的试验设计。 然后进行了制动踏板感觉影响因素的实车道路试验，获得了桑塔纳2 0 0 0 、 凯越和采用真空泵作为真空助力器真空源的电动汽车的制动踏板感觉现状，包 括踏板力一踏板位移关系、制动压强一踏板位移关系、制动压强一踏板力关系等。 分析了真空助力器、踏板速度、a b s 和真空泵真空度对制动踏板感觉的影响，还 结合真空助力器的结构和原理，分析了踏板速度影响踏板感觉的原因。 然后对制动工况进行了分类，分析了识别驾驶员制动意图的重要意义，在 试验数据的基础上，选择了踏板位移、踏板速度和参考车速作为制动意图识别 的参数，在m a t l a b 中应用b p 神经网络工具进行了驾驶员制动意图的识别，结 果表明能够很好的识别驾驶员的制动意图。 最后，利用曲面拟合的方法获得了目前液压制动系统的制动踏板感觉模型， 即踏板位移一踏板速度一踏板力的三维模型，结合驾驶员制动意图识别模块，设 计了智能制动踏板系统结构，该系统一方面给驾驶员更好的踏板感觉，另一方 面控制制动系统，提高制动安全性和舒适型。仿真结果表明，系统能够达到设 计要求。 关键词：线控制动，制动踏板感觉，制动意图识别，b p 神经网络 a b s t r a c t b r a k el , e , t a lf e e l i n gh a sg r e a ti l l f l u e l l c co nt h eb r a k es a f e t ya n db r a k ec o m f o r to f t h ev e h i e l e , a n db l d l k ep e d a lf e e l i n gi sa l s oi so n eo ft h eo o d e m e n t so ft h eb l a k e p e d a lf e e l i n gs i m u l a t o r i nt h i sp a p e rt h er e s e a r c ho nt h ei l l i h l a m f a c t o r so fb l a k e p e d a lf e e l i n gf r o mt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la s p e c t si sp r e s e n t e d b a s e d0 1 1t h e d e e pa n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t s , t h ei n f e r e n c eo f b r a k e i n t e n t i o ni sd i s c u s s e da n dt h e m o d e lo ft h eb r a k ep e d a lf e e l i n gi sb u i l t , w h i c hh a sl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h e d e v e l o p m e n to f b r a k ep e , l a lf e e l i n gs i m u l a t o r f i r s t , t h er e s e a r e h so nt h eb l a k ep e d a lf e e l i n g 勰d e s c r i b e d a n dt h ei d e a sa n d m e t h o d so ft h er c s a r c l aa r cc o l l e c t e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h eb a s i so ft h e s l r u c t t n ea n dp r i n c i p l e so ft h eh y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e m ，ap r e l i m i n a r yd e f i n i t i o no f t h eb l a k cp e d a li sg i v e nh e r e t h ei n t t u e n e ef a c t o r so f t h eb r a k ep e d a lf e e l i n ga l ea l s o i n v e s t i g a t e da n ds o m ee x p e r i m e n t s 嗽d e s i g n e df o rt h e f u r t h e rr e s e a r e h s t h e nt h ev e h i c l er o a dt e s t i n gf o rt h eb r a k ep c d a lf e e l i n gi sc a r r i e do u t , t h e s a m p l e so f t h eb r a k ep e d a lf e e l i n gi nt h r e ec 粥黜o b t a i n e d ：t h c $ a n t a n a2 0 0 0f r o m s h a n g h a iv o l k s w a g e n , f i l ee x e e l l ef r o ms h a n g h a ig e n e r a lm o t o r sa n da l le l e c t r i c v e h i e l ew i t hav a c u u mp m n p t h es a m p l e si n e l u d et h er c l a t i o m h i pi 把, _ t - w c c np e d a l f o r c ea n dp e d a lt r a v e l ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w l 篙l lb r a k c ：p r e s s u r ca n db r a k et r a v e l ，t h e r e l a t i o n s h i ob e t w e e nb r a k ep r e s u r ea n db r a k cf o r c ec t e t h ei n f l u e n c ef a c t o r so nt h c b r a k ep e d a lf e e l i n g , i n c l u d i n gv s c i t l u mb o o s t e r , p e d a ls p e e a , a b sa n dt h ed e g r e eo f - y a c l 1 u m , a l - ( ：d i s c u s s e dh e r e o nt h eb a s i so f t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e so f t h e 、t l l c i l l m l b o o s t c l r , t h ef a c t o rp e d a ls p e e di sa n a l y z e d t h eb r a k ec o n d i t i o ni se l a s s i f i da n di t ss i g n i f i c a n c ei sp r e s e n t e d a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so ft h ed a t af r o mt h ee x p e r i m e n t , t h ep e d a ll r a v e l ，p e d a ls p e e da n dt h e r e f e r e n c es p e e do f t h ev e h i c l ea 托c l l o s e nt oi d e n t i f yt h eb r a k ei n t e l a t i o no f t h ed r i v e r t h eb pn e u r a ln e t w o r ki nm a u a bi su s e dh e r et oi d e n t i f yt h eb l - a k ci n t e n t i o n t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eb r a k ei n t e n t i o n sa mw e l li d e n t i f i e d a tl a s t , ab l a k ep e d a lf e e l i n gm o d e lo ft h eh y d r a u l i cp l 毯i s l 琳b r a k es y s t e mi s 垒幽 b u i l tu s i n gt h em e t h o do f s u r f a c ef i t t i n g , n a m e l yt h er e l a t i o n s h i ob e t w e e np e d a z t r a v e l ， p e d a ls p e e da n dp e d a lf o r c e c o m b i n i n gt h em o d u l eo fi d e n t i f i c a t i o no ft h eb r a k e i n t e n t i o n , ai n t e l l i g e n tb r a k ep e d a ls y s t e mi sd e s i g n e d o nt h eo i i ch a n d ，ab e t t e rb r a k e p e d a lf e e l i n gi so b t a i n e d ，o nt h eo t h e rh a n dt h eb r a k es a f e t ya n db r a k ec o m f o r ta r e i m p r o v e d t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o ns h o w st h a t 9t h es y s t e mr e q u i r e m e n t s 啪b e a c h i e v e d k e yw o r d s ：b r a k eb yw i r e , b r a k ep e d a lf e e l i n g , b r a k ei n t e n t i o n , b pn l u a ln e t w o r k h i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第l 章绪论 1 1 问题来源与研究意义 第1 章绪论 在传统的液压制动系统中，踏板通过杠杆机构与真空助力器及制动主缸相 连。踩下制动踏板，克服机构间隙以后在真空助力器的作用下，推动主缸活塞 运动，管路油压升高并推动制动分泵。由于鲥隙、真空助力、油压系统特性以 及系统阻尼的作用，不同制动工况下驾驶员踩踏板的力、行程和速度各不相同， 另一方面驾驶员从踏板力和踏板行程来感觉车辆的制动强度，再加上车辆的制 动减速度，使驾驶员能够根据车辆状态反馈进一步调整车辆状态。 图1 1 为制动过程中的人车控制系统，一方面，驾驶员在人车闭环系统中 起着主动控制的作用，另一方面驾驶员也必须能够准确及时的接受车辆的反馈， 包括踏板力、车辆减速度等，并作出进一步调整【埘。驾驶员通过制动踏板获得 的踏板力的大小是车辆反馈的重要组成部分，这对于驾驶员的主观感受和车辆 速度控制有着重要的意义。直接影响到车辆的主动安全性。为了提高驾驶舒适 性和安全性，降低长时侧驾驶疲劳，必须研究制动踏板感觉在制动过程中的作 用和变化情况，确定影响踏板感觉的因素，并有针对性的加以改进 图1 1 制动过程中的人一车控制系统 随着电子技术的发展，线控系统( x - b y - w i r e ) 在汽车上得到越来越多的应 用。该技术来源于飞机制造，基本思想就是用电子控制系统代替机械控制系 第1 章绪论 统，减轻重量，如线控转向( s t e e r - b y - w t r e ) ，线控制动( b r a k 曲弘w i r e ) ，电 子节气门e t c s ( e l 嘶，i c t h r o t t l e c o n t r o ls y s t e m ) 等。 采用线控技术可以降低部件的复杂性，减少液压与机械控制装黄，减少杠 杆、轴承等金属连接件，减轻重量，降低油耗和制造成本。还有重要的一点， 由于电线走向布置的灵活性，因此汽车操纵部件的布置也具有灵活性，提高了 汽车设计的自由空间，而且线控系统易于与未来高级汽车动态控制系统的其他 子系统进行整合，因此具有良好的发展前景。 在传统的液压制动系统中，踏板机构将驾驶员的作用力放大并通过机械机 构传递到车轮制动盘上。而在线控制动中，驾驶员的制动意图不再是通过机械 装置传递到车轮上，而是通过导线电信号的方式，同时制动能量也不再直接由 驾驶员提供。在电液复合制动系统中【划，由于同时存在液压和电机再生制动两 种制动方式，在日常行驶时的中低强度制动时，以电机再生制动方式提供制动 力，而在紧急制动时，液压制动和电机制动同时作用。 对于线控制动系统来说，由于取消了制动踏板和液压主缸的直接连接，必 须采用一个特定的装置踏板力模拟器来模拟制动踏板感觉，保证给驾驶员 一定的反馈信息。为了使线控制动的车辆拥有和传统车辆同样的踏板感觉，也 必须进行这方面的研究，作为线控制动系统的一个标杆( b e n c h m a r k ) 。此外， 在传统制动系统中，好的制动踏板感觉是车辆良好性能的必要条件，是车辆用 户满意度的一个重要指标。因此从这两方面来说都必须对制动踏板感觉进行深 入的研究 关于本课题能检索到的研究资料有限，并且国内的研究尚处于空白状态， 因此，本课题首先将用较大篇幅介绍制动踏板感觉的研究现状，从而为后继研 究打下广阔而坚实的基础。 1 2 研究现状综述 国外一些科研机构和大学在制动踏板感觉方面进行了深入的研究，研究内 容归纳起来可以分为三个方面：什么是制动踏板感觉，如何将驾驶员主观感觉 与车辆中影响踏板感觉的客观参数联系起来，即什么样的踏板感觉才是好的踏 板感觉，以及踏板模拟器的开发思路；研究方法以试验为主，并进行统计分析 和归纳。 2 第1 章绪论 1 2 1 制动踏板感觉 图1 2 和1 3 为d a i r o u 和p r i e z 等人通过试验得到制动踏板特性曲线【4 l 。其 中横坐标s p 为踏板位移，纵坐标f p 为踏板力。 s p 图1 2 踏板特性曲线圈1 3 不同车型的踏板特性曲线对比 d a i r o u 和p r i e z 将踏板力踏板位移曲线斜率定义为踏板刚度，由图可见踏 板特性曲线前后斜率明显不同，在前半段踏板刚度较小，这是由于真空助力器 工作的缘故，后半段踏板刚度就明显增大了。此外，由于踏板机构的阻尼作用 使踏板特性存在明显的滞后特性。在j a m e sw z e h n d e ri i 等人的研究中也有类 似的踏板特性曲线【7 l 。福特公司的j o a q u i ma d ea r r u d ap e r e i r a 在开发n e wf i e s t a 车型的过程中，对四个竞争车型的制动踏板感觉作了对比试验四，发现踏板特 性曲线基本相同，只是在具体细节上不通制造商有不同的追求，如图1 3 由于制动踏板感觉是驾驶员的主观评价，如何将这种主观感受与试验所得 的制动系统客观变量联系起来，什么样的制动踏板感觉才是最佳的踏板感觉。 是制动踏板感觉研面临的一个重要问题。 在文献【5 】中，p e t e rk a p p e l m a n n 提到，当驾驶员踩下制动踏板，制动系统 中建立起一定的油压，并使得车辆减速。驾驶员感受到制动减速度并决定下一 步的踩踏板动作，继续踩踏板还是抬起踏板，踩踏板的力度重还是轻。p e t e r k a p p e l m a n n 由此提出这样一个问题，驾驶员是根据哪一个参数进行踩踏板的决 策，是踏板力还是踏板位移? 在这一点上，以前的学者有着不同甚至完全相反 的看法。m a n f r e db u r c k h a r d t l l 7 】认为：车辆的制动减速度应该仅仅依赖于制动踏 板力；而r a p h a e lj u l 堪l 贝u 认为：在制动过程中驾驶员能够对制动减速度而不 是制动踏板力进行判断。究竟哪一种说法正确，可以通过试验进行验证。p e t e r 3 第1 章绪论 k a p p e l m a n n 随后进行的试验证明，踏板位移和制动压力问存在良好的比例关 系，因此可以肯定，踏板位移或者制动压力能够归为一种制动减速度，而踏板 力不是。其原因可以如下解释：驾驶员能对制动减速度而不是制动踏板力做出 判断。当驾驶员根据当前的车况判断出需要减速时，脚踩制动踏板，然后根据 他的经验来判断制动减速度是否已经和期望值相符合。制动踏板力是和车辆相 关的，因此对于新的、未习惯的车上，首先需要进行“学习”，这里体现了人的 自适应特性，该特性使驾驶员能够很快地适应新的车辆。在恒定制动减速度下 制动踏板力往往不能保持恒定值。在随后进行的实车试验中，根据试验中驾驶 员的说法，在小制动减速度条件下期望有较长的踏板位移，而在大制动强度条 件下较短的踏板位移是比较好的。 1 2 2 踏板感觉的主观评价 文献e 6 】中e b e r t 和k a a t z 给出了一种所谓“制动感觉指数( b f i ，b r a k ef e e l i n g i n d e x ) ”的经验方法，建立了制动感觉主观评价与踏板力、踏板位移、制动器 响应时间等物理量的关系。驾驶员主观评价通过实车试验获得，即驾驶员通过 不同的行驶工况试验对车辆的踏板特性进行打分，1 分为最差，l o 分为最好； 并以客观测量变量作为自变量，以主观评价评分作为应变量，建立解析方程。 把测量的制动系统物理量带入该方程，所得结果应该与驾驶员的主观评价一致。 通过这种方法将驾驶员的感受通过客观变量不同的权重组合反映出来。b f i 指 数由踏板回位弹簧预应力、踏板力、踏板位移和制动器响应时问为参数在不同 的制动减速度下综合计算得到。确定b f i 的计算方法见表l 表中每一个参数都 有相应的权重，并且每辆车都有该参数的一个标准值。当试验测量值与标准值 产生偏差时，根据下表对得分进行相应的调整( 增加或减少) 。 如果一个b f i 指数对应的主观评价为8 分的话，那么可以认为踏板感觉是 好的。文献【6 】中把试验车辆分为紧凑型轿车、运动型轿车、中级轿车及小巴士 等几类。以紧凑型轿车为例，如图1 4 ，评价8 分对应的b f i 指数为6 2 分，回 归出b f i 指数一踏板感觉曲线，即图中的直线。如果某点与该回归曲线越远， 说明主观评价与客观测量的偏差越大。 4 第1 章绪论 图1 4 主观评价与b f i 关系图 b f i 指数方法计算简单且参数易于确定，但存在的困难在于制动器响应时 间较难获得。除此之外，在试验中发现，试车员对于高档轿车、运动型轿车和 紧凑型轿车的踏板感觉期望是完全不同的，在确定b f i 指数时，不同车型的参 数标准值是完全不同的，比如主观评价同样为8 分，不同车型的b f i 指数可能 差异很大。但是他们没有给出计算b f i 指数的方程，没有给出不同车型参数标 准值的具体数值，也没有定义小强度、中等强度和大强度制动的大小。 表1 1b f i 权重 参数权霞得分调整方法 踏板网位弹簧预戍力5 每超t t l i 磅得分减少i 小强度制动t 况下的踏板力 5 每超i l i 磅得分减少i 小强度制动t 况下的踏板位移2 0 每超i ji 英寸得分减少2 中等制功强度t 况下的踏板力 1 0 每超出1 磅得分减少1 中等崩动强度工况下的踏板位移l o 每超出2 英寸得分减少2 每水足i 英寸得分减少i 人强度制动t 况下的踏板力 2 0 每超出i 磅得分减少i 制功器响应时间3 0 每超出1 秒得分减少1 5 由于制动系统的阻尼和滞后特性，以及真空助力器的物理特性，踩制动踏 扳速度不同的情况下踏板特性也有较大差异。德国b o s c h 公司的t e m p l e 研究了 在不同的踩踏板速度条件下制动踏板感觉的评价方法 s q l 】。在实车试验中，若 干个试车员在不同的车上进行两次直线制动试验，边界条件如表1 2 所示。 5 第1 章绪论 表1 2 制动t 况边界条件 踩踏板初始车速踏板力变化率制动减速 速度 ( k m ，l i )( n ，s ) 度( m s 2 ) 慢4 8 34 4 2 5 3 o4 5 7 快 9 6 61 3 3 4 1 5 6 o7 6 2 下图表示了踏板力踏板位移之间的关系，该曲线所包围的面积即为驾驶员 对踏板所的做的功w p 。由于测量精度的关系，曲线的头和尾处不计入计算。 曲线的斜率为踏板的刚度c p 。 ：ii ：嚣等 即 # i l ih “g 。 p 999p9 茜恕 驾专臻 f c p 6 缺 q 馒 图1 5 踏板力一踏板位移关系以及踏板功的计算图1 6 踏板感觉评价区域 为获得不同的制动减速度，驾驶员踩踏板所做的功也是不一样的，正如曲 线下方所包围的面积不一样。通过对驾驶员实车试验的主观评价统计分析表明， 踏板感觉和车型无关，驾驶员踩踏板所做的功w p 和踏板的刚度c p 必须保持在 某区域内，处于该区域的车辆具有良好的制动踏板感觉。t e m p l e 得到了快踩踏 板和慢踩踏板两种情况下踏板功一踏板刚度的目标区域图，如图1 6 所示。 g o e k t a n 通过若干台架试验研究了最优踏板特性【i m ，试验结果见图1 7 。每 条曲线包围的面积表示踏板的迟滞。在台架上模拟5 种不同的踏板特性，由试 车员从制动响应速度、制动减速度可定量性和踩踏板舒适度等方面作出评价， 并选出最满意的特性曲线。根据试验结果，g o e k t a n 得到了一条最优踏板特性 曲线，即图中的粗实线。但他只给出了踩下踏板的曲线，而没有给出放松踏板 的特性曲线。 6 第1 章绪论 图1 7g o e k t a n 得到的最优踏板特性图 1 8k i t s c h k e 得到的最优踏板特性 德国的m i t s c h k e 也作了类似的研究1 1 3 1 ，5 种踏板特性曲线如图1 8 所示。 图中的斜线区域为试验中制动踏板力所区域，阴影区域为当时流行的3 4 款车的 踏板特性覆盖区域。由3 3 名不同年龄、性别和驾驶经验的人进行实车试验，评 价标准为：快的制动响应速度，良好踏板力可定量性，小的车辆减速度超调。 通过试验，试车员一致认为，上图中的特性曲线3 是最佳的踏板特性曲线。 虽然曲线1 的响应速度最快，曲线4 、5 有着最小的制动减速度超调，但是显然 曲线3 兼顾了这两方面的因素。曲线3 比前面g o e k t a n 所获得的最优曲线略为 平坦，但比当时大多量产车的特性曲线都要陡峭。 m i t s c h k e 还提出了一个问题，即如何来实现这样一个最优的踏板特性。由 于在轻微到中等强度制动的情况下，更好的踏板力可定量性和可调整性是最重 要的，而在大强度紧急制动情况下，制动响应时间要尽可能短，因此最理想的 情况就是踏板的刚度要能随着踩踏板的速度改变而改变，m i t s c h k e 给出了一种 踏板特性随踩踏板速度变化的制动踏板特性示意图，见图1 9 。 圈1 9 踏板速度对踏板特性的要求 7 第1 章绪论 从图中可以看出，踏板的刚度和踩踏板的速度成正比，踩踏板速度越快， 刚度越大；对于同样的踏板行程，踩踏板的速度越大，踏板力也应该越大。这 种与情况相适应的制动踏板与试车员们的说法一致，即在小制动减速度条件下 需要较长的踏板位移，而在大强度紧急制动情况下较短的踏板位移是比较好的。 把上图加以推广，即可得到下面的结论：随着踩踏板速度的增加，踏板的特性 曲线应该变得更为陡峭，并且所获得的制动减速度必须和踏板力成正比。 k a r l h e i n zb i l l 等人在试验车辆了设计开发了一套踏板特性可调制动系统【2 1 ， 通过车载微处理器存储和调整以获得不同的踏板特性，并进行实车试验。通过 驾驶员调查问卷分析，提出了“智能制动踏板”的感念，即在不同工况下，好 的制动踏板感觉对踏板力、踏板位移、踏板空行程、阻尼、滞后等系统参数的 要求，见表1 3 。 表1 3 智能制动踏板 制功踏板特性 制动工况踏板力踏板位移阻尼滞后放大系数制动压强阶跃 f p f ( x 口) ( a f p )d z d f p p ( a z ) 调节制动1 日标制动 紧急制动 2 羽， 停车制功4 麓羽刁 强稠芷鬻蕊较走a - , 较小，奎 苎l ，驾驶员预见性调节车速， 2 踩下踏板过程； 3 抬起踏板过程； 4 用制动踏板而非手刹形式进行停车时，比如将车辆停在坡道上 1 2 3 制动踏板感觉模拟器的开发 在获得好的踏板感觉即踏板感觉模拟方面，也有很多科研机构做了相关的 研究和分析。 文献【3 】中f o r d 公司在进行b 级车n e wf i e s t a 开发过程了，针对制动踏板 感觉进行了专门的研究和改进，他们认为好的踏板感觉主要体现在较小的踏板 力、较小的踏板位移、较大的制动减速度、良好的可调性和抗衰退能力。研究 人员通过对真空助力器、摩擦片和制动盘、控制阀等部件进行了优化和改进。 8 第1 章绪论 与四辆竞争车型的对比测试表明，n e wf i e s t a 制动踏板感觉优化工作达到了预 先的设计目标。 德尔福汽车底盘部门在线控制动的研究中【7 l ，为了获得和传统汽车近似或 者更好的制动踏板感觉，设计了两套机械踏板感觉模拟机构，一套为压缩空气、 弹簧机构，一套为变刚度橡胶弹簧，通过机构参数的调整，获得与液压制动系 统近似的踏板力一踏板位移关系特性，从部件的角度对踏板感觉进行了模拟。 通过试验对比发现，开发的两套制动踏板模拟器均能较好的模拟传统内燃机汽 车的踏板特性。这为我们开发制动感觉模拟器提供了一条思路。 图1 1 0 压缩空气与弹簧踏板感觉模拟器 图1 1 1 变刚度橡胶弹簧踏板感觉模拟器”1 在德国l l m e n a u 技术大学控制工程系的研究中【6 l ，d a v i dge b e r t 等人认为 在线控制动系统中，踏板的运动几乎是完全独立的，最理想的结果是踏板感觉 和传统液压制动的车辆完全相同。作者d a v i dge b e r t 针对制动踏板理想的动力 学特性做一个简化模型，可以满足某些特殊要求，比如踏板力，踏板行程等， 9 第1 章绪论 以获得参考踏板特性曲线。然后，利用相应的液压系统，包括电动机泵、伺服 阀、不同的活塞缸等，并采用闭环的控制策略，来跟随参考踏板特性曲线。试 验结果证明，此控制器可以作为线控制动中的踏板模拟器。这为踏板感觉模拟 器的研究和开发提供了一条新的思路。 在文献【1 5 】中，主要探讨了制动衬片摩擦材料对踏板感觉的影响，发现制 动衬片对踏板感觉有着比其他因素更为微妙( s u b t l e ) 的影响，但这种微妙影响 是可以测量的。通过文献【1 5 】中的调查，将制动感觉分为下面几种：硬的( s t i i f ) ， 软而有弹性的( s p o n g y ) ，糊状的( m u s h y ) ，软的( s o f t ) 。通过测量发现，尽管 不同的摩擦材料对踏板力踏板行程、减速度踏板力、减速度踏板行程有影响， 但驾驶员往往感觉不到这种区别。通过分析发现，造成这种情况的原因可能是 因为试验时没有将制动衬片的影响因素完全隔离出来，或者是因为这种影响太 微小而使驾驶员无法觉察到。 戴姆勒克莱斯勒的工程师使用s b c ( s e n s o t r o n i eb r a k ec o n t r o l ，传感器制动 控制) 成功设计出一种新型制动系统，不仅完全满足动态操纵性和舒适性，还 能进一步提高e s p 和b a s 的性能i 嘲。 图1 1 2s b c 结构示意图 如图1 1 2 所示，s b c 用一个驱动单位替换了传统的真空助力器。该单元包 括踏板行程传感器，用来模拟理想踏板感觉的模拟器和一个用于人力辅助制动 的小制动缸。模拟器与制动器在液压管路上分开，以保证踏板力、踏板位置的 关系不受制动器状态的影响。通过台架试验与各种车辆驾驶员进行对比试验可 以获得理想的踏板感觉，并得出踏板力、踏板行程和车辆减速度之间的关系。 由于在传统制动器中制动系统大小、车重、真空助力器的大小和功率，以及排 1 0 第1 章绪论 量、制动器构件的刚度和阻尼都强烈影响着踏板感觉。通过对驾驶员操纵制动 器的模拟，可以在s b c 的软件中存放理想踏板特性曲线以及制动规律。在s b c 中踏板特性曲线通过由踏板模拟器控制液压系统来实现。它是有活塞压缩一个 非线性弹簧，从而来模拟制动特性曲线的各个区域。制动减速度会根据存储于 电子装置中的减速度控制规律来决定。主观上，如果踏板力高，而产生的减速 度小，则称之为制动“迟钝”，而反之，则称为制动“敏感”。因此，通过选择 合适的踏板力一踏板行程特性曲线和与之相应的减速控制规律就可以实现理想 的踏板感觉。 1 2 4 制动意图识别 日本丰田公司h i r o a k iy o s h i d a 等人研究发现【”，在5 0 次被调查的单车道碰 撞事故中，7 8 的驾驶员没有以最大的制动力进行制动；为了验证上述结果， 在随后设计的试验中，让8 2 名年龄在1 8 - 7 0 岁的驾驶员参与试验，结果表明， 在路面突然出现障碍物而紧急制动时，4 7 的驾驶员没有以足够大的踏板力进 行制动，其中甚至有一些年轻并且经验丰富的驾驶员。h i r o a k iy o s h i d a 为此开 发了制动辅助系统，在识别出驾驶员的紧急制动意图后，制动辅助系统提供最 大的制动力，以确保制动安全 图1 1 3 不同工况下的驾驶员制动操作 如图1 1 3 ，通过分析不同工况下驾驶员的操作动作发现，可以利用踏板位 移和踏板速度进行驾驶员制动意图识别。 在b o s c h 公司开发的制动辅助系统中【加】，在缓慢制动时液压传动装置的放 大比例为6 ，而在紧急制动时放大比例为2 3 ，以提高在紧急制动时的安全性。 踏板位移 第1 章绪论 而判别紧急制动的参数为驾驶员踩踏板的速度，当踏板速度达到某一门槛值时， 制动辅助系统被激活。目前该制动辅助系统已经在国产的东风标志3 0 7 车型上 得到了应用。 从以上两个例子可以发现，识别紧急制动并采取相应的控制措旌能够有效 提高制动安全性，因此，可以利用驾驶员在制动踏板上的输入进行制动意图的 识别工作。 1 2 5 文献综述小结 通过分析目前制动踏板感觉的研究以及基于制动踏板信号输入的制动意图 识别，可以得出以下结论： 1 制动踏板感觉的核心内容为，利用制动过程中可测的制动系统客观物理 量来评价驾驶员的主观感觉； 2 制动踏板感觉是驾驶员的主观感受，因此，分析制动踏板感觉的方法主 要是试验研究与统计分析相结合； 3 不同的驾驶偏好和不同的制动工况下，对踏板感觉的要求也有所不同； 4 对于踏板感觉模拟器的开发，可以采用弹簧阻尼系统来模拟液压制动 系统的踏板感觉，也可以采用可控系统来获得软件可调的制动踏板感觉模拟系 统； 5 制动意图对于提高制动安全性有着十分重要的意义，利用驾驶员在制动 踏板上的输入是进行制动意图识别的重要手段 1 3 本文研究内容与技术路线 本文从试验入手，在试验数据的基础上进行理论分析和研究，获得传统液 压制动系统的踏板感觉，探讨传统液压制动系统中影响制动踏板感觉的主要因 素，并研究在新的复合制动条件下，如何实现制动意图的识别。因此本研究主 要分为以下几个部分： 1 通过制动系统试验得到车辆传统液压制动系统的踏板行程踏板力、管 路压强踏板行程、车辆减速度踏板行程关系； 2 以试验数据为基础，详细探讨制动踏板感觉的特征和定义，分析影响制 1 2 第1 章绪论 动踏板感觉的因素； 3 根据实验数据建立制动踏板感觉模型，以获得目前液压制动系统制动踏 板感觉的基本现状，为制动踏板感觉模拟器的开发打下基础； 4 在试验数据的基础上进行制动意图的识别，即基于制动踏板信号进行制 动意图分析与识别，研究驾驶员制动意图与制动力需求、制动舒适性、制动效 率等丑标之间的关系，并以制动踏板感觉模型为基础，一方面优化制动踏板感 觉，另一方面提高制动安全性。 本文的技术路线如图1 1 4 ，首先从理论上分析了制动踏板感觉的影响因素， 随后进行了试验研究，在分析试验数据的基础上，一方面进行了基于制动踏板 输入信号的制动意图识别，另一方面建立了制动踏板感觉的理论模型；最后， 在前二者的基础上提出智能制动踏板系统的概念。 图1 1 4 技术路线 1 3 第2 章制动踏板感觉试验研究 第2 章制动踏板感觉影响因素分析与试验设计 2 1 制动踏板感觉的影响因素 在传统液压制动系统中，制动踏板通过杠杆机构与真空助力器，进而与制 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，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，进而在轮胎一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制动 减速度，听觉上的制动噪音以及车辆减速度等诸多因素，共同构成了完整的制 动感觉。 制动感觉是车辆制动情况下驾驶员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楚车匹配所决定，而踏板感觉则侧重于制动踏板机构给驾 驶员右脚的反馈作用，通过踏板特性曲线即踏板力一踏板位移曲线来描述。因此 可以认为踏板感觉是制动感觉的组成部分，好的制动踏板感觉不一定会有好的 制动感觉( 比如制动噪音，制动抖动，制动容量不足导致制动距离过长等) ，但 是好的制动感觉必须要求好的踏板感觉。 因此，从狭义上来说，踏板感觉可以定义为踏板机构的踏板力一踏板位移关 系，这也是本文研究的重点。 影响踏板感觉的因素很多，有些因素又可以互相影响，如图2 1 ，制动踏板 感觉的影响因素主要可以分为两类： 踏板机构 ( 1 ) 踏板位移 ( 2 ) 踏板力 ( 3 ) 踏板阻尼 ( 4 ) 制动控制系统 车辆和环境因素 ( 1 ) 制动减速度 ( 2 ) 车辆参数 1 4 第2 章制动踏板感觉试验研究 ( 3 ) 驾驶员因素 ( 4 ) 环境因素 里一，一里一， 图2 1 制动踏板感觉影响冈素 研究制动踏板感觉可以在以下六个参数的基础上进行： 1 ) 踏板位移； 2 ) 踏板力； 3 ) 踏板阻尼； 4 ) 车辆制动时的响应速度； 5 ) 车辆减速度； 6 ) 车辆减速度可调性。 车辆减速度可调性是指在车辆制动时，驾驶员能够根据道路交通条件的变 化，进一步踩下踏板增加车辆减速度，或者抬起制动踏板减少车辆减速度，即 可以通过调节踏板力或者踏板迅速准确地调节车辆减速度。 2 2 液压伺服制动系统概述 汽车制动系的分类有多种，其中一种以制动能源来划分：以驾驶员的肌体 作为惟一制动能源的制动系称为人力制动系；完全依靠发动机的动力转化而成 1 5 第2 章制动踏板感觉试验研究 的气压或者液压形式的势能进行制动的为动力制动系；兼用人力和发动机进行 制动的制动系称为伺服制动系刚 伺服制动系是在人力液压制动系的基础上加设一套动力伺服系统而形成 的，即兼用人力和发动机作为制动能源的制动系。在正常情况下，制动能量大 部分由动力伺服系统供给，而在动力伺服系统失效时，还可全靠驾驶员供给( 即 由伺服制动转变为人力制动) 。伺服制动系中有一种阻力式( 直接操纵式) 的， 制动真空助力器就是这种制动系的一个重要组成部分，驾驶员通过制动踏板机 构直接操纵真空助力器，真空助力器将制动踏板力放大后输出作用在制动主缸 的输入端，从而可以获得更高的压力或者降低对驾驶员踏板力的作用。 带制动双管路主缸真空助力器已经被广泛应用于轿车、小客车、轻型载货 汽车上。在真空助力器中，是通过前后气室之阃的压力差来产生助力的。在总 质量在1 1 1 3 5 吨以上的轿车和装载制动在6 吨以下的轻、中型火车中，一 般采用发动机来产生真空。真空助力器的前后腔之间的压差作用在助力膜片托 板上，通过橡胶反馈盘平衡作用后产生一定的助力比，达到减轻输入力的效果。 下图为某型轿车真空助力伺服制动系统示意图。 图2 2 轿车真空助力伺服制动系统示意图 驾驶员通过制动踏板机构直接控制制动系统，同时从制动踏板上获得力和 位移等信号的反馈。因此，进行制动系统试验是研究制动踏板感觉的直接途径 2 3 制动踏板感觉影响因素试验设计 这部分主要进行制动踏板感觉的实验研究，通过不同车型不同工况的制动 1 6 第2 章制动踏板感觉试验研究 试验，获得液压制动系统的踏板特性，为建立传统汽车液压制动系统的制动踏 板感觉模型提供数据基础。 为了使试验数据具有代表性，这里选用了上海大众汽车有限公司生产的桑 塔纳2 0 0 0 ( s a n t a n a2 0 0 0 ) 和上海通用汽车有限公司生产的凯越( e x c e l l e ) 车 型进行试验，这是目前国内市场上技术成熟、使用范围广泛、保有量大的两个 车型，能够体现液压制动系统的制动踏板感觉现状；此外，还使用了电动汽车， 该车使用燃料电池或者蓄电池取代传统内燃机，真空助力器的真空源由真空泵 提供，为制动踏板感觉的研究提供参考。 试验中测量不同工况下车辆制动过程中制动踏板特性，即踏板力、踏板位 移、制动压强、车速等物理量，并获得踏板位移一踏板力、管路压强一踏板位移、 车辆减速度一踏板力等关系，因此，需要测量的物理量有四个：踏板力f ( n ) ， 踏板位移s ( 姗) ，制动管路压强p ( m p a ) ，车辆速度v ( k i n h ) 。 测量仪器及规格如下表。 表2 1 测量仪器及规格 测最信号测试仪器数量测试仪器规格 踏板力f ( n )踏板力传感器l罱程o - 1 0 0 0 n ，输出o - 5 v 踏板位移s ( m )拉线式位移传感器 l 量程0 一l o o m m ，输出0 5 v 制动管路压强p ( m p a )压力变送器 l 量程o - 2 0 m p a ，输出o - 5 v 车辆速度v ( 陆h ) 非接触式车速传感器 l 下图为测点布置示意图。 图2 6 传感器测点布置示意图 1 7 第2 章制动踏板感觉试验研究 传感器安装如下图所示。 图2 7 踏板力传感器和位移传感器安装图 图2 8 压力变送器安装图 1 8 第2 章制动踏板感觉试验研究 图2 9 非接触式车速传感器安装图 本试验使用北京东方振动和噪声技术研究所的i n v 3 0 6 型智能信号采集和处 理分析系统，以及d a s p 软件平台。 为了获得不同制动工况下的踏板感觉，根据驾驶员驾驶习惯设计了多种试 验工况，包括不同踩制动踏板速度、车速、a b s 是否作用等。 1 考虑真空助力器对制动踏板感觉的影响 2 考虑车速对制动踏板感觉的影响 3 考虑踩踏板速度对制动踏板感觉的影响 4 考虑a b s 对制动踏板感觉的影响 5 考虑电动汽车真空度对制动踏板感觉的影响 2 4 本章小结 本章首先通过分析和综合，给出了制动踏板感觉的定义，并从踏板机械结 构和车辆、环境等方面详细探讨了制动踏板感觉的影响因素。通过分析液压制 动系统的结构，指出了制动踏板感觉的来源。最后根据制动踏板感觉的定义以 及液压伺服制动系统的结构，进行了研究制动踏板感觉的试验设计，即测量不 同制动工况下的四个物理量：踏板位移、踏板力、制动管路压强和车辆速度， 选用了桑塔纳2