制動感覺模擬器基本原理及參數(shù)確定分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u17340制動感覺模擬器基本原理及參數(shù)確定分析案例 1190641.1制動感覺模擬器基本原理 1105061.1.1制動感覺 1136841.1.2線控制動踏板模擬器基本原理 3221491.2制動踏板模擬器參數(shù)確定 492981.1.1制動踏板主要參數(shù)確認 4235811.1.2制動模擬器參數(shù)確定 91.1制動感覺模擬器基本原理線控制動系統(tǒng)中制動感覺有著極其重要的地位，制動感覺和制動感覺模擬器相伴而生，這樣既保證了制動性能，又可以為駕駛員提供“真實”的制動感覺。在汽車的制動系統(tǒng)中，駕駛員與制動系統(tǒng)直接聯(lián)系的一項基本性能為制動踏板感覺。制動踏板感覺是指當汽車在制動時，駕駛?cè)藛T踩下制動踏板，制動踏板作為人機交互的重要部件，踏板力以及踏板位移作為人對汽車系統(tǒng)的輸入，駕駛員感受到車輛的減速度作為汽車系統(tǒng)對駕駛員的反饋，這樣就形成一個制動系統(tǒng)和駕駛員之間的閉環(huán)系統(tǒng)[6]。線控制動感覺模擬器是基于駕駛員的制動感覺而建立起來的，制動感覺的好壞直接決定著制動模擬器是否合格，同樣決定著駕駛員對車輛的制動系統(tǒng)的評價以及可能會造成駕駛員對車輛行駛狀況的錯誤判斷。1.1.1制動感覺汽車的制動感覺從狹義上來說，在汽車行駛過程中，汽車的制動踏板力與汽車減速度、汽車制動踏板行程與汽車制動減速度的關(guān)系所共同構(gòu)成汽車的制動特性。汽車制動時，駕駛?cè)藛T踩下制動踏板作為動力輸入，汽車制動踏板產(chǎn)生位移，從而實現(xiàn)汽車減速。制動踏板感覺的評價可以從5個角度來考慮：1）踏板力；2）踏板行程；3）踏板阻尼和回位滯后；4）車輛制動系統(tǒng)響應(yīng)速度；5）車輛減速度。此外，踏板感覺還和車輛的整車參數(shù)、駕駛員自身駕駛喜好以及路面天氣環(huán)境等因素有關(guān)。駕駛員感受車輛制動系統(tǒng)的“軟”、“硬”，可以說是車輛制動系統(tǒng)對駕駛?cè)藛T的重要反饋，根據(jù)這一信息，駕駛員可以了解汽車的行駛狀況，并及時做出適當?shù)牟僮?。制動系統(tǒng)評價硬性指標包括常見的制動距離、制動減速度等，同樣汽車的制動感覺也是汽車制動系統(tǒng)好、壞的體現(xiàn)。制動感覺同樣影響著駕駛?cè)藛T對車輛的評價。目前對于制動感覺主要是通過調(diào)查不同人員對于車輛的主觀評價，然后通過匯總可以得出大部分人對于車輛的主觀評價[7]。關(guān)于制動感覺主要還是通過主觀評價為主要條件，并且還從不同的系統(tǒng)特性曲線來分析和評價車輛的制動感覺，以此來完成對車輛制動感覺最后的綜合評價。由于需要根據(jù)駕駛?cè)藛T的主觀感受來對車輛的制動感覺進行評估，但是駕駛員的主觀感受還受到客觀因素、環(huán)境因素的不可避免地影響，故需要建立一個客觀、有據(jù)可依的評價體系，以此來解決汽車制動感覺的評估[8]。制動感覺指數(shù)（BFI）是在上世紀九十年代以來，由通用汽車的研發(fā)人員通過大量的調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后建立起來的。制動感覺指數(shù)（BFI）的出現(xiàn)讓汽車制動系統(tǒng)不再只依賴于制動距離的硬性條件來評價，同樣可以通過駕駛?cè)藛T的主觀感受來評價制動系統(tǒng)的好、壞，當然它們都是汽車制動系統(tǒng)評價體系不可或缺的一項。制動感覺指數(shù)（BFI）實驗評價體系的建立是希望能夠客觀的反映汽車制動踏板感覺，并且將之作為制動系統(tǒng)的一項基本評價指標。制動感覺指數(shù)（BFI）實驗過程操作簡單、具有可重復(fù)性，如表2-1所示為制動感覺指數(shù)（BFI）的具體參考指標[9]。表2-1制動感覺指數(shù)參數(shù)權(quán)重（%）目標值計算方法踏板預(yù)置力（N）713超過目標值每4.45Ｎ，減1.25％制動初始點踏板力（N）727超過目標值每4.45Ｎ，減1.25％制動初始點踏板行程（mm）2523超過目標值每1.5ｍｍ，減1.5％正常制動至0.5g時的踏板力（N）1280超過目標值每4.45Ｎ，減1.25％正常制動至0.5g時的踏板行程（mm）1230超過目標值每5ｍｍ，減1.25％，不足目標值每1.5ｍｍ，減1.25％踏板力線性度指數(shù)120.85~1.05超過或不足目標值每0.025，均減1.25%滿載最大制動減速度時制動踏板力（N）25245*MaxDecel+7/3超過目標值每17.8Ｎ，減1.25％踏板預(yù)置力是制動系統(tǒng)中，雖然駕駛員踩下制動踏板，但是制動力矩尚未作用在制動車輪上，車輛此時尚未進行制動。從制動踏板力和制動踏板位移關(guān)系可以看出，制動踏板預(yù)置力是指踏板的初始起始位置，制動器尚未工作時的踏板力。1.1.2線控制動踏板模擬器基本原理制動踏板模擬器是評價車輛綜合性能不可或缺的一項指標，是汽車制動系統(tǒng)需要考慮的一方面。汽車不僅僅是人們的代步工具，現(xiàn)在人們在方便的同時還追求汽車的舒適性，電動汽車制動性能的好壞不單單是考核汽車制動性，還要對汽車制動感覺進行評價。制動感覺主要影響因素包括制動踏板力的大?。ㄖ苿犹ぐ宸答伣o駕駛員的制動力）、制動踏板位移的大?。{駛員踩踏制動踏板時的深度）、制動減速度的大小。當車輛進行制動時，駕駛員踩下制動踏板，制動系統(tǒng)開始工作，車輛開始進行制動，駕駛員可感受到明顯的制動減速度，并且制動反饋給駕駛員的制動力隨著制動位移的增加而增加。電控制動系統(tǒng)制動過程中，制動力的大小與制動執(zhí)行機構(gòu)不存在相互物理連接，線控制動系統(tǒng)實現(xiàn)了制定踏板和制動執(zhí)行機構(gòu)之間的解耦。制動踏板和制動器執(zhí)行機構(gòu)通過制動踏板位移傳感器輸出的電信號，制動系統(tǒng)的連接方式通過電線連接在一起，使得制動系統(tǒng)能夠和其他電控系統(tǒng)相互配合，能夠更加準確、快速的判斷汽車實施狀況。線控制動時，車輛的電子控制單元（ECU）通過車輛踏板位移傳感器傳出的電子信號識別駕駛員的制動意圖，電子控制單元（ECU）通過計算并作出一定的制動準備，以便實現(xiàn)快速制動。而傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中，制動執(zhí)行機構(gòu)的制動力主要是通過駕駛員踩在制動踏板上力的大小決定的。圖2-1兩種制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2-1所示，傳統(tǒng)制動踏板機構(gòu)和線控制動踏板機構(gòu)工作的基本流程[4]，傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中，通過制動管路實現(xiàn)了制動踏板和車輪制動器之間的連接；電控制動系統(tǒng)中，電子控制器（ECU）通過電線實現(xiàn)了制動踏板和車輪制動器之間的連接。隨著汽車行業(yè)的日益進步與發(fā)展，人們生活水平的日益提高，車輛制動性能的好壞不再是唯一的硬性條件，駕駛員還要追求汽車制動舒適性。制動踏板操作舒適性在汽車設(shè)計過程的作用日益凸顯出來。制動踏板是駕駛員和制動系統(tǒng)交互的重要部件，制動踏板反饋給駕駛員腳部力的大小影響著操作舒適性，駕駛員踩踏制動踏板的角度及制動踏板的形狀都影響著制動舒適性。理想的制動踏板布局可以使駕駛員長時間駕駛汽車而不感到不適，會有較好的操縱體驗感。制動踏板的形狀和空間布置直接影響駕駛員的操作性和舒適性。1.2制動踏板模擬器參數(shù)確定1.1.1制動踏板主要參數(shù)確認制動感覺壓電元件調(diào)節(jié)式制動踏板機構(gòu)主要是由制動踏板、制動踏板支架、制動踏板模擬器、制動模擬器調(diào)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)等部件組成制動踏板基本原理圖如圖2-2所示，制動踏板在制動過程中變化情況簡單分析。圖2-2制動踏板 （2-1） （2-2） （2-3）由式（2-1）~（2-3）經(jīng)過推到可以得出 （2-4）在（2-4）公式中，i為制動杠桿比，F(xiàn)為制動模擬器給制動踏板的推力，F(xiàn)p為駕駛員施加在制動踏板的力，為制動踏板與鉛垂線的夾角，為制動踏板與鉛垂線初始夾角，為模擬器輸入力與推桿夾角，c為踏板結(jié)構(gòu)尺寸，x踏板行程，l為制動踏板總長度，l1為踏板結(jié)構(gòu)尺寸，l2為推桿尺寸，H點為制動踏板旋轉(zhuǎn)中心，Q為制動模擬器“U”型叉與制動踏板桿接觸點。 （2-5）由于在制動過程中制動踏板杠桿比i基本變化不大，制動踏板杠桿比還可以通過式2-5計算。制動踏板總度采用300mm，杠桿比i的大小取5[14]。本次的制動踏板總長度為300mm，所以可以得出踏板結(jié)構(gòu)尺寸l1為60mm。圖2-3踏板彎矩圖制動桿的彎矩圖如圖2-3所示，圖中的l2制動推桿接觸點H到制動踏板面中心的距離。踏板桿的最大彎矩計算公式如下 （2-6）可以將制動踏板桿的截面看作矩形，高度為制動踏板桿的厚度d，寬度為制動踏板桿的寬度為m，則抗彎截面系數(shù)計算公式如下 （2-7）踏板桿最大應(yīng)力截面的正應(yīng)力計算公式如下 （2-8）由公式2-6至公式2-8可以看出，制動踏板在Q點的彎矩最大，彈性形變的最大值在制動踏板面上，為了防止制動踏板在Q點的應(yīng)力過大以及制動踏板面變形較大，在保證材料及杠桿比不變的情況下盡量減小l1、l2，還可以通過增加制動桿寬度或厚度來降低Q點出的應(yīng)力大小。當增加寬度時不僅會提高材料利用率還可以減少踏板桿質(zhì)量。制動踏板的高度d即制動踏板桿厚度為7mm，制動踏板安裝孔內(nèi)控直徑為16mm，外孔直徑為32mm。駕駛員對制動踏板施加的力的方向或者說制動踏板面與水平之間的夾角同樣需要進行確定。為了設(shè)計出理想的角度，需要對制動踏板機構(gòu)及其駕駛員進行必要的受力分析[10]。以駕駛員長時間踩制動踏板為例，駕駛員腳部長時間以后跟為支點，支撐腳掌的旋轉(zhuǎn)，駕駛員腳掌的旋轉(zhuǎn)角度影響著駕駛員的舒適度。腳掌過高或者過低都會讓腳部和小腿肌肉處于緊繃狀態(tài)，長時間處于這種不適當?shù)淖藙輹柜{駛員下肢感到疲勞，影響駕駛員的制動反應(yīng)時間、安全等問題。圖2-4駕駛員下肢受力分析駕駛員的下肢受力分析如圖2-4所示，駕駛員踩下制動踏板時，駕駛員腳掌與制動踏板接觸在一起，駕駛員腳掌以腳后跟為支點對車輛進行制動。駕駛員下肢受到的力主要有三種：駕駛員的體重、外界對駕駛員的作用力、肌肉作用力。在圖2-4中，F(xiàn)1為制動踏板對駕駛員的反饋力（A點為腳掌與制動踏板的作用點）、F2為駕駛員腳掌重心所受的力（B點為腳掌重力的簡化中心）、F3為地面支撐腳部的支撐作用力、F4為地板對駕駛員的摩擦作用力（將腳踝關(guān)節(jié)點用C點代替）、F5為小腿的重心所受到的重力（D點為駕駛員小腿的重力簡化中心）、F6為駕駛員上肢對膝關(guān)節(jié)的作用力（E點為駕駛員的膝關(guān)節(jié)簡化中心）[11]。L1、L2、L5、L6分別為力F1、F2、F5、F6到點O的力臂長度。通過上述力的分析，可以得出駕駛員的受力情況，并利用力矩平衡的原理可以得出駕駛員腳踝處的力矩大小M的計算公式 （2-9）當駕駛員踩下制動踏板后，F(xiàn)1、F2、F5、F6、L5、L6的數(shù)值可以得到確定。在制動過程中，L1的數(shù)值會隨著制動踏板位置變化而變化，L2的數(shù)值會隨著θ的變化呈現(xiàn)成正比，由此可以看出駕駛員所受的踝關(guān)節(jié)力矩M的大小主要和制動踏板位置以及駕駛員腳掌踝角角度密切相關(guān)。圖2-5人體舒適角度示意圖人體主要是由頭、身體、大腿、小腿、腳等組成，踝角為小腿中心線與腳掌平面所形成的角度，踝角的最佳舒適角度推薦一般為85°~110°之間，這樣既可以保證駕駛員的駕駛體驗，不容易使駕駛員感到疲勞從而影響駕駛員的反應(yīng)速度，還可以保證駕駛員的人生安全，提高駕駛效率。選用95百分位的男體模型進行人機校核，如圖2-5所示為人體舒適角度示意圖，應(yīng)該在滿足人體舒適性的前提下，同時看制動踏板的布局設(shè)計是否合理。表2-2人體舒適角度身體部位最佳舒適角度軀干角度α/（°）95~120膝關(guān)節(jié)角度β/（°）95~135踝關(guān)節(jié)角度θ/（°）85~110通過人機協(xié)同工作的分析對比發(fā)現(xiàn)，駕駛員的坐姿舒適性是汽車人機交互的重要組成部分，我們采用模擬假人的各部件角度如下表2-2所示[12]。軀干角度為95°~120°、膝關(guān)節(jié)角度為95°~135°、踝角角度推薦為85°~110°，這樣的角度基本符合人體的最佳舒適度，駕駛員的行車疲勞可以得到很好的緩解。在設(shè)計的最佳舒適角度中可以看出，我們需要對制動踏板的角度進行修改如圖2-3所示，圖2-6為制動踏板改進后的角度。在現(xiàn)有的生產(chǎn)車型中駕駛員的踝角角度為73°，這樣與最佳舒適角度進行比較可以看到低于角度推薦值，故可能是導(dǎo)致駕駛員踩踏制動踏板時駕駛員腳部舒適性較差的主要原因。圖2-6踏板改進對比圖汽車的人機舒適性的交互評價受到多種因素的影響，或者環(huán)境因素、或者心理因素、或者天氣因素等等都是不可控的因素影響著。因此，廣泛的調(diào)查是必不可少的一項重要環(huán)節(jié)，這樣可以很好的了解到消費者的使用體驗。通過楊騰輝寫的汽車顯控界面功效學(xué)制動踏板主觀評價可以得出如表2-3所示的踏板尺寸推薦設(shè)計范圍[13]。表中MT表示手動擋變速器；AT表示自動擋變速器。本文對制動踏板的踏板基本尺寸寬度為110mm、長度為60mm、制動踏板與水平線的夾角為35°。表2-3制動踏步推薦設(shè)計范圍名稱單位推薦值制動踏板面寬度mmMT：45~55AT：100~110制動踏板面長度mm≧50最大操縱力N≦5001.1.2制動模擬器參數(shù)確定制動感覺模擬器是由彈簧壓力來為駕駛員提供相應(yīng)的制動壓力，以此來模擬實際制動踏板的制動壓力，電子控制中心（ECU）可以通過電子信號計算出精確的汽車行駛狀況，通過計算可以得出相應(yīng)的制動壓力，然后輸出電子信號控制汽車每個車輪的制動力。以某A0級乘車為例，可以看出車輛制動踏板力和車輛制動踏板位移的一系列數(shù)據(jù)，如表2-4所示，并且繪制相應(yīng)的制動踏板位移和制動踏板力之間的關(guān)系曲線圖，如圖2-7所示。表2-4某A0級別轎車制動踏板力和制動踏板位移之間的實驗數(shù)據(jù)匯總表踏板位移/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圖2-7某A0級轎車制動踏板位移和制動力關(guān)系曲線由上圖2-7可以看出AB段是車輛開始制動的時候，此時液壓助力系統(tǒng)已經(jīng)開始工作，并且此時的汽車制動狀況屬于中小強度制動，可以使用彈簧剛度模擬車輛的制動力和制動踏板位移之間的關(guān)系。BC段屬于汽車大強度制動時，駕駛員深踩車輛制動踏板由此可以看出制動強度較大，并且此時的液壓助力器停止工作，此時的制動踏板力與制動踏板位移之間的關(guān)系已經(jīng)與AB段的斜率已經(jīng)產(chǎn)生明顯的差異。由此可以得出當汽車大強度制動時，由另外一個彈簧模擬汽車的制動力和制動踏板位移之間的關(guān)系。其中OA段的時候車輛還未開始進行制動，此時的制動踏板制動力和制動踏板位移之間的曲率很小，因此不需要不需要對其進行制動模擬。制動模擬器的制動踏板位移x與制動推桿輸出力F之間的關(guān)系公式可以表示為 （2-10）模擬器輸出的力F經(jīng)過制動踏板杠桿比i傳遞至制動踏板，此時制動踏板力和制動模擬器輸出的力之間的關(guān)系式為 （2-11）此時，相對應(yīng)的制動踏板位移