基于 MotionView 的制动踏板机构优化

1 引言

制动系统作为汽车安全系统，制动性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性，传统方法对制动性能好坏评价还集中在基础制动系统方面，主要有：1、制动效能;2、制动效能的恒定性;3、制动时的方向稳定性。但随着道路条件的逐步改善，车辆的平均行驶速度也逐渐提高，一个不容忽视的制动系统因素被逐渐重视起来，这就是制动系统反应时间。

制动系统反应时间是指在紧急情况下，从驾驶人员脚放置到制动踏板并开始踩踏开始，到最大制动力建立起(车轮抱死)为止这一段时间。

以时速120KPH 车辆为例，当这一反应时间由0.5 秒缩短到0.2 秒，车辆的制动总距离将减少10米，这是非常可观的一个数字。这里不对驾驶人员发现情况到抬脚到踏板这一段主观时间做研究。

制动系统反应时间主要由以下几个部分组成：1、制动钳的空行程;2、制动主缸空行程;3、助力器空行程;4、消除制动踏板各机械运动副之间间隙部分。而这几部分的空行程最终是要反应到制动踏板上的，也就是说制动踏板最初的一部分行程是用来消除各子系统的空行程，车辆并没开始减速。所以，如何缩短这一段反应时间的问题就可以转化为：如何缩短这几部分的空行程所对应的踏板行程(在此称为踏板空行程)。

为了燃油的经济性及行驶安全性，上述的几种空行程在车辆行驶中是必须存在的，所以缩短踏板空行程只能从踏板本身入手，因为踏板空行程这一段踏板力并不大，所以可以采用小的踏板杠杆比来缩短踏板空行程，踏板空行程控制在8-15mm 为最佳;当踏板空行程消除之后，整个系统液压建立，因为液体的不可压缩性，此时踏板力迅速增大，而踏板行程的增加则不明显，所以希望此时踏板有大的杠杆比，以实现较小的踏板力产生较大的制动液压的功能。

经过上面的分析，问题比较清晰了。希望得到一个杠杆比变化的踏板机构，这杠杆比的变化趋势是开始杠杆比小，而过踏板空行程之后杠杆比开始变大。杠杆比的变化反应出的是踏板行程与主缸活塞行程的关系曲线，所以以下都以踏板行程与主缸行程曲线作为输出进行研究。

2 动力学模型的建立

使用前处理软件 MotionView 建立制动踏板机构的运动学模型，在建模之前需要收集一些工程数据，包括制动踏板机构各铰接点坐标，以及通过人机工程得到的一些约束数据。以某车型为例，在MotionView 中建立制动踏板机构的多体动力学模型，如图1：

图 1 MotionView中制动踏板模型

制动踏板机构模型包括一个制动踏板、两个不同形状的连杆、一个推力杆和一个活塞杆，其约束关系见图2：

图 2 各部分约束关系

制动踏板行程由人机工程得到：直线距离130mm ，模型的模拟时间为：5s ，施加在Pedal Axle处的驱动是以速度控制的，其值为：0.04353×TIME 弧度/秒。

3 问题描述

原始模型的的踏板行程与活塞行程曲线如图3 所示，踏板行程与活塞行程呈弱线性关系。随着踏板行程的增大杠杆比没有增大反而减小。图4 是拟合后的理想目标曲线。

图 3 原始曲线

图 4 目标曲线

4 DOE 分析及优化

这里将 First Knuckle、Second Knuckle、Third Knuckle 三个点的X、Z 向坐标作为设计变量，则有六个设计变量。根据仪表板、转向管柱等部件的布置，最终确定出这三个点的优化区间，表1 列出了这三个点现在的名义坐标值及其优化区间。

表 1 优化硬点坐标及其优化区间

问题的响应为原始曲线与目标曲线两条曲线对应值的差的平方和。在这里采用3 水平的部分因子设计，实验安排及分析结果如表2 。

表 2 实验安排及响应值

从DOE 分析结果可以看到：第13、25号组合是两个失效的样本点;第22号实验是一个近似的最优组合，见表3;将其代入模型验证，其结果见图3 。

表 3 根据 DOE 分析结果得到的最优组合

从图5 中可以看到，在踏板行程达到130mm 时，活塞的行程还没有达到目标行程。接下来继续做优化，由于模型较小，采用可行方向法直接在模型上进行优化，精度设为0.001 优化进程如图6 ，优化的结果见图7 。

图 5 DOE 优化后的位移关系曲线

图 6 优化迭代进程

图 7 优化迭代结果

从图7 中可以看到最优化结果为第21 号实验，为了设计方便在此修正三个点的坐标，结果见表4 。

表 4 优化后的三点坐标及其修正坐标

将修正好的坐标点导入模型进行运动学验证，其结果如图8 所示。

图 8 优化后模型运行结果

可以看出，优化的效果可接受。优化前后的模型比较见图9 。

图 9 优化前后的模型比较

5 结论

经过优化，在踏板总行程不变的情况下，踏板与活塞的形成关系发生了很大变化，趋近于理想的输出曲线。该优化在只改动三个零件的情况下，最大限度的改善了对车辆踏板的感觉，提高了制动系统反应时间，降低了事故发生几率，同时有效地降低了在紧急制动时后半程的踏板力，改善了操纵人机工程。