【《制动感觉模拟器基本原理及参数确定探析案例》5900字】

制动感觉模拟器基本原理及参数确定分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u17340制动感觉模拟器基本原理及参数确定分析案例 1190641.1制动感觉模拟器基本原理 1105061.1.1制动感觉 1136841.1.2线控制动踏板模拟器基本原理 3221491.2制动踏板模拟器参数确定 492981.1.1制动踏板主要参数确认 4235811.1.2制动模拟器参数确定 91.1制动感觉模拟器基本原理线控制动系统中制动感觉有着极其重要的地位，制动感觉和制动感觉模拟器相伴而生，这样既保证了制动性能，又可以为驾驶员提供“真实”的制动感觉。在汽车的制动系统中，驾驶员与制动系统直接联系的一项基本性能为制动踏板感觉。制动踏板感觉是指当汽车在制动时，驾驶人员踩下制动踏板，制动踏板作为人机交互的重要部件，踏板力以及踏板位移作为人对汽车系统的输入，驾驶员感受到车辆的减速度作为汽车系统对驾驶员的反馈，这样就形成一个制动系统和驾驶员之间的闭环系统[6]。线控制动感觉模拟器是基于驾驶员的制动感觉而建立起来的，制动感觉的好坏直接决定着制动模拟器是否合格，同样决定着驾驶员对车辆的制动系统的评价以及可能会造成驾驶员对车辆行驶状况的错误判断。1.1.1制动感觉汽车的制动感觉从狭义上来说，在汽车行驶过程中，汽车的制动踏板力与汽车减速度、汽车制动踏板行程与汽车制动减速度的关系所共同构成汽车的制动特性。汽车制动时，驾驶人员踩下制动踏板作为动力输入，汽车制动踏板产生位移，从而实现汽车减速。制动踏板感觉的评价可以从5个角度来考虑：1）踏板力；2）踏板行程；3）踏板阻尼和回位滞后；4）车辆制动系统响应速度；5）车辆减速度。此外，踏板感觉还和车辆的整车参数、驾驶员自身驾驶喜好以及路面天气环境等因素有关。驾驶员感受车辆制动系统的“软”、“硬”，可以说是车辆制动系统对驾驶人员的重要反馈，根据这一信息，驾驶员可以了解汽车的行驶状况，并及时做出适当的操作。制动系统评价硬性指标包括常见的制动距离、制动减速度等，同样汽车的制动感觉也是汽车制动系统好、坏的体现。制动感觉同样影响着驾驶人员对车辆的评价。目前对于制动感觉主要是通过调查不同人员对于车辆的主观评价，然后通过汇总可以得出大部分人对于车辆的主观评价[7]。关于制动感觉主要还是通过主观评价为主要条件，并且还从不同的系统特性曲线来分析和评价车辆的制动感觉，以此来完成对车辆制动感觉最后的综合评价。由于需要根据驾驶人员的主观感受来对车辆的制动感觉进行评估，但是驾驶员的主观感受还受到客观因素、环境因素的不可避免地影响，故需要建立一个客观、有据可依的评价体系，以此来解决汽车制动感觉的评估[8]。制动感觉指数（BFI）是在上世纪九十年代以来，由通用汽车的研发人员通过大量的调查数据统计分析后建立起来的。制动感觉指数（BFI）的出现让汽车制动系统不再只依赖于制动距离的硬性条件来评价，同样可以通过驾驶人员的主观感受来评价制动系统的好、坏，当然它们都是汽车制动系统评价体系不可或缺的一项。制动感觉指数（BFI）实验评价体系的建立是希望能够客观的反映汽车制动踏板感觉，并且将之作为制动系统的一项基本评价指标。制动感觉指数（BFI）实验过程操作简单、具有可重复性，如表2-1所示为制动感觉指数（BFI）的具体参考指标[9]。表2-1制动感觉指数参数权重（%）目标值计算方法踏板预置力（N）713超过目标值每4.45Ｎ，减1.25％制动初始点踏板力（N）727超过目标值每4.45Ｎ，减1.25％制动初始点踏板行程（mm）2523超过目标值每1.5ｍｍ，减1.5％正常制动至0.5g时的踏板力（N）1280超过目标值每4.45Ｎ，减1.25％正常制动至0.5g时的踏板行程（mm）1230超过目标值每5ｍｍ，减1.25％，不足目标值每1.5ｍｍ，减1.25％踏板力线性度指数120.85~1.05超过或不足目标值每0.025，均减1.25%满载最大制动减速度时制动踏板力（N）25245*MaxDecel+7/3超过目标值每17.8Ｎ，减1.25％踏板预置力是制动系统中，虽然驾驶员踩下制动踏板，但是制动力矩尚未作用在制动车轮上，车辆此时尚未进行制动。从制动踏板力和制动踏板位移关系可以看出，制动踏板预置力是指踏板的初始起始位置，制动器尚未工作时的踏板力。1.1.2线控制动踏板模拟器基本原理制动踏板模拟器是评价车辆综合性能不可或缺的一项指标，是汽车制动系统需要考虑的一方面。汽车不仅仅是人们的代步工具，现在人们在方便的同时还追求汽车的舒适性，电动汽车制动性能的好坏不单单是考核汽车制动性，还要对汽车制动感觉进行评价。制动感觉主要影响因素包括制动踏板力的大小（制动踏板反馈给驾驶员的制动力）、制动踏板位移的大小（驾驶员踩踏制动踏板时的深度）、制动减速度的大小。当车辆进行制动时，驾驶员踩下制动踏板，制动系统开始工作，车辆开始进行制动，驾驶员可感受到明显的制动减速度，并且制动反馈给驾驶员的制动力随着制动位移的增加而增加。电控制动系统制动过程中，制动力的大小与制动执行机构不存在相互物理连接，线控制动系统实现了制定踏板和制动执行机构之间的解耦。制动踏板和制动器执行机构通过制动踏板位移传感器输出的电信号，制动系统的连接方式通过电线连接在一起，使得制动系统能够和其他电控系统相互配合，能够更加准确、快速的判断汽车实施状况。线控制动时，车辆的电子控制单元（ECU）通过车辆踏板位移传感器传出的电子信号识别驾驶员的制动意图，电子控制单元（ECU）通过计算并作出一定的制动准备，以便实现快速制动。而传统制动系统中，制动执行机构的制动力主要是通过驾驶员踩在制动踏板上力的大小决定的。图2-1两种制动系统结构原理如图2-1所示，传统制动踏板机构和线控制动踏板机构工作的基本流程[4]，传统制动系统中，通过制动管路实现了制动踏板和车轮制动器之间的连接；电控制动系统中，电子控制器（ECU）通过电线实现了制动踏板和车轮制动器之间的连接。随着汽车行业的日益进步与发展，人们生活水平的日益提高，车辆制动性能的好坏不再是唯一的硬性条件，驾驶员还要追求汽车制动舒适性。制动踏板操作舒适性在汽车设计过程的作用日益凸显出来。制动踏板是驾驶员和制动系统交互的重要部件，制动踏板反馈给驾驶员脚部力的大小影响着操作舒适性，驾驶员踩踏制动踏板的角度及制动踏板的形状都影响着制动舒适性。理想的制动踏板布局可以使驾驶员长时间驾驶汽车而不感到不适，会有较好的操纵体验感。制动踏板的形状和空间布置直接影响驾驶员的操作性和舒适性。1.2制动踏板模拟器参数确定1.1.1制动踏板主要参数确认制动感觉压电元件调节式制动踏板机构主要是由制动踏板、制动踏板支架、制动踏板模拟器、制动模拟器调节驱动机构等部件组成制动踏板基本原理图如图2-2所示，制动踏板在制动过程中变化情况简单分析。图2-2制动踏板 （2-1） （2-2） （2-3）由式（2-1）~（2-3）经过推到可以得出 （2-4）在（2-4）公式中，i为制动杠杆比，F为制动模拟器给制动踏板的推力，Fp为驾驶员施加在制动踏板的力，为制动踏板与铅垂线的夹角，为制动踏板与铅垂线初始夹角，为模拟器输入力与推杆夹角，c为踏板结构尺寸，x踏板行程，l为制动踏板总长度，l1为踏板结构尺寸，l2为推杆尺寸，H点为制动踏板旋转中心，Q为制动模拟器“U”型叉与制动踏板杆接触点。 （2-5）由于在制动过程中制动踏板杠杆比i基本变化不大，制动踏板杠杆比还可以通过式2-5计算。制动踏板总度采用300mm，杠杆比i的大小取5[14]。本次的制动踏板总长度为300mm，所以可以得出踏板结构尺寸l1为60mm。图2-3踏板弯矩图制动杆的弯矩图如图2-3所示，图中的l2制动推杆接触点H到制动踏板面中心的距离。踏板杆的最大弯矩计算公式如下 （2-6）可以将制动踏板杆的截面看作矩形，高度为制动踏板杆的厚度d，宽度为制动踏板杆的宽度为m，则抗弯截面系数计算公式如下 （2-7）踏板杆最大应力截面的正应力计算公式如下 （2-8）由公式2-6至公式2-8可以看出，制动踏板在Q点的弯矩最大，弹性形变的最大值在制动踏板面上，为了防止制动踏板在Q点的应力过大以及制动踏板面变形较大，在保证材料及杠杆比不变的情况下尽量减小l1、l2，还可以通过增加制动杆宽度或厚度来降低Q点出的应力大小。当增加宽度时不仅会提高材料利用率还可以减少踏板杆质量。制动踏板的高度d即制动踏板杆厚度为7mm，制动踏板安装孔内控直径为16mm，外孔直径为32mm。驾驶员对制动踏板施加的力的方向或者说制动踏板面与水平之间的夹角同样需要进行确定。为了设计出理想的角度，需要对制动踏板机构及其驾驶员进行必要的受力分析[10]。以驾驶员长时间踩制动踏板为例，驾驶员脚部长时间以后跟为支点，支撑脚掌的旋转，驾驶员脚掌的旋转角度影响着驾驶员的舒适度。脚掌过高或者过低都会让脚部和小腿肌肉处于紧绷状态，长时间处于这种不适当的姿势会使驾驶员下肢感到疲劳，影响驾驶员的制动反应时间、安全等问题。图2-4驾驶员下肢受力分析驾驶员的下肢受力分析如图2-4所示，驾驶员踩下制动踏板时，驾驶员脚掌与制动踏板接触在一起，驾驶员脚掌以脚后跟为支点对车辆进行制动。驾驶员下肢受到的力主要有三种：驾驶员的体重、外界对驾驶员的作用力、肌肉作用力。在图2-4中，F1为制动踏板对驾驶员的反馈力（A点为脚掌与制动踏板的作用点）、F2为驾驶员脚掌重心所受的力（B点为脚掌重力的简化中心）、F3为地面支撑脚部的支撑作用力、F4为地板对驾驶员的摩擦作用力（将脚踝关节点用C点代替）、F5为小腿的重心所受到的重力（D点为驾驶员小腿的重力简化中心）、F6为驾驶员上肢对膝关节的作用力（E点为驾驶员的膝关节简化中心）[11]。L1、L2、L5、L6分别为力F1、F2、F5、F6到点O的力臂长度。通过上述力的分析，可以得出驾驶员的受力情况，并利用力矩平衡的原理可以得出驾驶员脚踝处的力矩大小M的计算公式 （2-9）当驾驶员踩下制动踏板后，F1、F2、F5、F6、L5、L6的数值可以得到确定。在制动过程中，L1的数值会随着制动踏板位置变化而变化，L2的数值会随着θ的变化呈现成正比，由此可以看出驾驶员所受的踝关节力矩M的大小主要和制动踏板位置以及驾驶员脚掌踝角角度密切相关。图2-5人体舒适角度示意图人体主要是由头、身体、大腿、小腿、脚等组成，踝角为小腿中心线与脚掌平面所形成的角度，踝角的最佳舒适角度推荐一般为85°~110°之间，这样既可以保证驾驶员的驾驶体验，不容易使驾驶员感到疲劳从而影响驾驶员的反应速度，还可以保证驾驶员的人生安全，提高驾驶效率。选用95百分位的男体模型进行人机校核，如图2-5所示为人体舒适角度示意图，应该在满足人体舒适性的前提下，同时看制动踏板的布局设计是否合理。表2-2人体舒适角度身体部位最佳舒适角度躯干角度α/（°）95~120膝关节角度β/（°）95~135踝关节角度θ/（°）85~110通过人机协同工作的分析对比发现，驾驶员的坐姿舒适性是汽车人机交互的重要组成部分，我们采用模拟假人的各部件角度如下表2-2所示[12]。躯干角度为95°~120°、膝关节角度为95°~135°、踝角角度推荐为85°~110°，这样的角度基本符合人体的最佳舒适度，驾驶员的行车疲劳可以得到很好的缓解。在设计的最佳舒适角度中可以看出，我们需要对制动踏板的角度进行修改如图2-3所示，图2-6为制动踏板改进后的角度。在现有的生产车型中驾驶员的踝角角度为73°，这样与最佳舒适角度进行比较可以看到低于角度推荐值，故可能是导致驾驶员踩踏制动踏板时驾驶员脚部舒适性较差的主要原因。图2-6踏板改进对比图汽车的人机舒适性的交互评价受到多种因素的影响，或者环境因素、或者心理因素、或者天气因素等等都是不可控的因素影响着。因此，广泛的调查是必不可少的一项重要环节，这样可以很好的了解到消费者的使用体验。通过杨腾辉写的汽车显控界面功效学制动踏板主观评价可以得出如表2-3所示的踏板尺寸推荐设计范围[13]。表中MT表示手动挡变速器；AT表示自动挡变速器。本文对制动踏板的踏板基本尺寸宽度为110mm、长度为60mm、制动踏板与水平线的夹角为35°。表2-3制动踏步推荐设计范围名称单位推荐值制动踏板面宽度mmMT：45~55AT：100~110制动踏板面长度mm≧50最大操纵力N≦5001.1.2制动模拟器参数确定制动感觉模拟器是由弹簧压力来为驾驶员提供相应的制动压力，以此来模拟实际制动踏板的制动压力，电子控制中心（ECU）可以通过电子信号计算出精确的汽车行驶状况，通过计算可以得出相应的制动压力，然后输出电子信号控制汽车每个车轮的制动力。以某A0级乘车为例，可以看出车辆制动踏板力和车辆制动踏板位移的一系列数据，如表2-4所示，并且绘制相应的制动踏板位移和制动踏板力之间的关系曲线图，如图2-7所示。表2-4某A0级别轿车制动踏板力和制动踏板位移之间的实验数据汇总表踏板位移/mm踏板力/N踏板位移/mm踏板力/N踏板位移/mm踏板力/N0.000.0044.1681.7570.7525025.0005.0048.06100.0073.0130031.1029.1053.71125.0075.2735036.7650.0058.33145.4277.5340041.4175.0059.37150.0079.7945041.7876.6368.49200.0081.05500图2-7某A0级轿车制动踏板位移和制动力关系曲线由上图2-7可以看出AB段是车辆开始制动的时候，此时液压助力系统已经开始工作，并且此时的汽车制动状况属于中小强度制动，可以使用弹簧刚度模拟车辆的制动力和制动踏板位移之间的关系。BC段属于汽车大强度制动时，驾驶员深踩车辆制动踏板由此可以看出制动强度较大，并且此时的液压助力器停止工作，此时的制动踏板力与制动踏板位移之间的关系已经与AB段的斜率已经产生明显的差异。由此可以得出当汽车大强度制动时，由另外一个弹簧模拟汽车的制动力和制动踏板位移之间的关系。其中OA段的时候车辆还未开始进行制动，此时的制动踏板制动力和制动踏板位移之间的曲率很小，因此不需要不需要对其进行制动模拟。制动模拟器的制动踏板位移x与制动推杆输出力F之间的关系公式可以表示为 （2-10）模拟器输出的力F经过制动踏板杠杆比i传递至制动踏板，此时制动踏板力和制动模拟器输出的力之间的关系式为 （2-11）此时，相对应的制动踏板位移