鄭玉花

(上海汽車制動(dòng)系統(tǒng)有限公司， 上海 201821)

0 引言

汽車制動(dòng)儲(chǔ)液罐在汽車制動(dòng)系統(tǒng)中為車輪制動(dòng)提供工作介質(zhì)制動(dòng)液。由于溫度等外界條件變化及車輪制動(dòng)器的摩擦片磨損等原因，儲(chǔ)液罐中制動(dòng)液的容積不是恒定不變的；且受慣性力和離心力作用，制動(dòng)儲(chǔ)液罐內(nèi)制動(dòng)液液面在整車加速、減速及轉(zhuǎn)彎等動(dòng)態(tài)工況下會(huì)發(fā)生傾斜，當(dāng)液面傾斜至一定程度時(shí)就有可能出現(xiàn)某一腔液體體積過(guò)小而使制動(dòng)過(guò)程失效，從而危及到駕駛員及乘客的安全。因而，對(duì)設(shè)計(jì)的制動(dòng)儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能提出兩方面要求：一是在動(dòng)態(tài)工況下必須提供足夠的制動(dòng)液以保證制動(dòng)安全性；另一方面應(yīng)避免誤報(bào)警以保證駕駛舒適性。

為節(jié)約開發(fā)成本，不可能直接開?；趦?chǔ)液罐樣件的動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)結(jié)果來(lái)修正設(shè)計(jì)；項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度通常也不會(huì)預(yù)留足夠的時(shí)間來(lái)容錯(cuò)。因而基于計(jì)算機(jī)的制動(dòng)儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能的仿真分析成為設(shè)計(jì)首選。

2 制動(dòng)儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能重要結(jié)構(gòu)特征分析

由于整車布置問(wèn)題，制動(dòng)儲(chǔ)液罐外形千姿百態(tài)，設(shè)計(jì)上難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化；但通過(guò)對(duì)制動(dòng)儲(chǔ)液罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深入剖析及多年儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，儲(chǔ)液罐的動(dòng)態(tài)性能的是否合格與下列結(jié)構(gòu)特征(見圖1)的設(shè)計(jì)位置息息相關(guān)。

- 報(bào)警點(diǎn)，制動(dòng)儲(chǔ)液罐內(nèi)都按設(shè)計(jì)意圖在某一位置放置有浮子，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)罐內(nèi)液面的變化。當(dāng)液面降低時(shí)，浮子隨之降低，降至某一位置則會(huì)觸發(fā)報(bào)警回路的狀態(tài)改變，從而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。報(bào)警點(diǎn)的位置由浮子和罐體上浮子運(yùn)動(dòng)的上下止點(diǎn)共同決定。報(bào)警點(diǎn)的高低直接影響著制動(dòng)儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能。在任何整車動(dòng)態(tài)工況下，不管液面如何傾斜變化，只要制動(dòng)儲(chǔ)液罐內(nèi)實(shí)際液面高于報(bào)警點(diǎn)，則儲(chǔ)液罐不會(huì)發(fā)生報(bào)警。這也是制動(dòng)儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能仿真分析的評(píng)判基礎(chǔ)。

圖1 與動(dòng)態(tài)性能相關(guān)的制動(dòng)儲(chǔ)液罐重要結(jié)構(gòu)特征Fig.1 Important structural characteristics related to dynamic behavior

- 最高液面， 為與主機(jī)廠制動(dòng)液加注頭匹配，會(huì)給每個(gè)制動(dòng)儲(chǔ)液罐規(guī)定最高加注液面，用以整車裝配時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)液量加注是否合格。最高加注液面直接決定了儲(chǔ)液罐內(nèi)的液量多少，該液面的高低是報(bào)警點(diǎn)位置設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)之一，也是在動(dòng)態(tài)工況下液面傾斜后實(shí)際液位高低的重要影響因素。

- 浮子腔中心線，浮子腔中心線隨浮子腔位置而定。浮子在浮子腔內(nèi)隨液面變化上下浮動(dòng)，為易于設(shè)計(jì)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，浮子和浮子腔形狀一般均為圓柱形。在罐體浮子導(dǎo)向柱的引導(dǎo)下，制動(dòng)儲(chǔ)液罐的報(bào)警點(diǎn)只能沿浮子腔中心線上下移動(dòng)。浮子腔位置和報(bào)警點(diǎn)的位置共同決定了動(dòng)態(tài)工況下報(bào)警液面的高低，直接影響著儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能。

- 溢流點(diǎn)，與雙腔的制動(dòng)主缸匹配，制動(dòng)儲(chǔ)液罐內(nèi)設(shè)有獨(dú)立的兩腔分別與制動(dòng)主缸的第一腔和第二腔直接相通。儲(chǔ)液罐內(nèi)的兩腔必然存在溢流點(diǎn)。一方面，如果溢流點(diǎn)過(guò)高，在動(dòng)態(tài)工況下液位傾斜后儲(chǔ)液罐內(nèi)液面存在分層的可能。制動(dòng)液分區(qū)分層后極易導(dǎo)致不報(bào)警或誤報(bào)警。另一方面，如果溢流點(diǎn)過(guò)低，溢流點(diǎn)高度設(shè)定必須則不能保證儲(chǔ)液罐在任何工況下都能向制動(dòng)系統(tǒng)提供足夠的液量，以保證其正常工作。

3 制動(dòng)儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能仿真分析理論基礎(chǔ)

制動(dòng)儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能仿真分析的前提之一是必須將復(fù)雜的整車動(dòng)態(tài)工況下制動(dòng)儲(chǔ)液罐液面的傾斜情況量化為計(jì)算機(jī)可以考察的傾斜角度。

動(dòng)態(tài)工況下儲(chǔ)液罐液面傾斜角度受重力加速度和加速度的綜合影響。

以加速0.7 g時(shí)液面傾斜情況轉(zhuǎn)化為例，制動(dòng)液液面傾斜角度(如圖2所示)可通過(guò)反正切進(jìn)行計(jì)算：ɑ=arctan(0.7g/1g)=35°。

圖2 動(dòng)態(tài)工況下制動(dòng)液液面傾斜角度分解示意圖Fig.2 Sketch for inclination angle of brake fluid level under dynamic condition

以此類推，可以將所有加速、減速、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)態(tài)工況下液面傾斜角度通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算的方法進(jìn)行推導(dǎo)。根據(jù)整車實(shí)際性能需求，動(dòng)態(tài)檢測(cè)加速度與液面傾斜角度關(guān)系見表1。按照行業(yè)最高標(biāo)準(zhǔn)，最高試驗(yàn)減速度分別為加速0.7g；減速1.3g；轉(zhuǎn)彎1.1g。表1中黑色區(qū)域?yàn)橄鄳?yīng)工況下不需要考察的角度。

4 制動(dòng)儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能仿真分析準(zhǔn)則 —— 距離比較法

傳統(tǒng)的制動(dòng)儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能仿真分析準(zhǔn)則為容積比較法，即動(dòng)態(tài)工況下，如果報(bào)警點(diǎn)所在液面以下的制動(dòng)液容積小于最高液面容積去掉67%消耗容積，則可判定動(dòng)態(tài)性能合格；反之，則不合格，需要修正設(shè)計(jì)。但儲(chǔ)液罐外形千差萬(wàn)別，同樣的富余容積在不同儲(chǔ)液罐里所呈現(xiàn)的液面高度差是不同的。所以儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)合格性判斷很大程度上需依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)。所以在此，我們引入直觀的距離比較法(如圖3所示)進(jìn)行儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能合格性判斷。

表1 動(dòng)態(tài)檢測(cè)液面傾斜角度要求

圖3中，

液面1：在某動(dòng)態(tài)工況下報(bào)警點(diǎn)所在制動(dòng)液液面；該液面過(guò)設(shè)計(jì)報(bào)警點(diǎn)且平行于傾斜角度，可以在計(jì)算機(jī)三維數(shù)模中找到并畫出來(lái)。

液面2：儲(chǔ)液罐在動(dòng)態(tài)工況下的真實(shí)液面；動(dòng)態(tài)工況下真實(shí)液面的搜尋可以基于等體積原則：即盡管整車動(dòng)態(tài)工況千變?nèi)f化，但罐體內(nèi)腔所裝液體在同一時(shí)間內(nèi)都是一個(gè)固定值；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，67%的消耗容積(如果沒(méi)有客戶特殊要求)作為安全余量，通常以最高液面容積去除67%的消耗容積作為搜尋基礎(chǔ)體積，以保證設(shè)計(jì)可靠性。借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的自動(dòng)計(jì)算能力，運(yùn)用二分法原理實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)行搜尋。

下樓梯的時(shí)侯，他看著自己快速更替的腳步，想到了摔倒這個(gè)詞。滑？翻滾？撞擊？居然走了幾步？大難不死？見紅？低劣的敘述吧，我信不信重要嗎？是啊，奇怪的摔倒已經(jīng)顯得不重要了。他的心底只有一塊田。田讓他變成了一位平和的農(nóng)夫。為此他的心情和腳步一樣輕松。他掏出手機(jī)，啟動(dòng)按鍵。與此同時(shí)，他看見了那位醫(yī)生。他放棄了詢問(wèn)病情原委的打算。不重要了。醫(yī)生也看見了他，他們錯(cuò)肩而過(guò)。他朝她頷首示意。她的笑快速而詭異。

液面2獲得后，通過(guò)比較兩個(gè)液面的垂直距離——液面差來(lái)判斷動(dòng)態(tài)性能是否合格。

如果液面差，

液面2—液面1>0(如圖3所示)，說(shuō)明真實(shí)液面高于報(bào)警點(diǎn)所在液面，則表示動(dòng)態(tài)工況下是安全的，儲(chǔ)液罐將不會(huì)誤報(bào)警；

圖3 距離比較法儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)仿真分析示意圖Fig.3 Sketch for distance comparison method of dynamic simulation

液面2—液面1<0，說(shuō)明真實(shí)液面低于報(bào)警點(diǎn)所在液面，則表示動(dòng)態(tài)工況下將不安全，儲(chǔ)液罐將會(huì)發(fā)生誤報(bào)警，影響駕駛舒適性。

5 制動(dòng)儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能仿真分析的計(jì)算機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)

制動(dòng)儲(chǔ)液罐通常為全新設(shè)計(jì)，從無(wú)到有，在設(shè)計(jì)定型前不可避免需對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行多次修改；即便是基于現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行外形修改，也不得不對(duì)整個(gè)產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能重新進(jìn)行仿真分析。當(dāng)前情況下，企業(yè)對(duì)汽車制動(dòng)儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能的仿真分析均通過(guò)設(shè)計(jì)人員手動(dòng)操作CATIA軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，分析過(guò)程中存在以下問(wèn)題：

(1) 基于表1，對(duì)制動(dòng)儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)過(guò)程中需驗(yàn)證的動(dòng)態(tài)工況就多達(dá)42種，涉及參數(shù)較多，如果全由設(shè)計(jì)工程師手動(dòng)仿真分析，其任務(wù)量之多可想而知，而且極易遺漏，且分析的準(zhǔn)確性也難以保證；

(3) 仿真分析過(guò)程中，各參數(shù)需要設(shè)計(jì)人員逐一選擇并通過(guò)手動(dòng)操作CATIA軟件實(shí)現(xiàn)，缺乏一套有效的參數(shù)選擇的人機(jī)交互界面，因而參數(shù)在選取過(guò)程中極易出錯(cuò)；

(4) 每次仿真分析過(guò)程中涉及的參數(shù)及結(jié)果均需要保存，手動(dòng)仿真分析缺乏一套完整的結(jié)果保存方法，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員在修改設(shè)計(jì)過(guò)程中調(diào)看結(jié)果效率低下；

(5) 仿真分析結(jié)果合格與否的判斷對(duì)設(shè)計(jì)工程師經(jīng)驗(yàn)依賴性大。

為提高儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率、降低儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)工程師的工作負(fù)荷，同時(shí)便于培訓(xùn)新人，我們基于Dassault Systemes公司的Catia V5進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)制動(dòng)儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)校核軟件，使得儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能仿真分析可以計(jì)算機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

本軟件可作為Catia插件在儲(chǔ)液罐數(shù)模設(shè)計(jì)完成時(shí)直接調(diào)用，根據(jù)交互界面(如圖4所示)指導(dǎo)選取儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)分析所需特征參數(shù)。

圖4 儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能仿真分析參數(shù)設(shè)定
Fig.4 Parameter setting for dynamic simulation of brake fluid reservoir

儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)校核軟件基于等體積原則，運(yùn)用二分法原理搜尋真實(shí)液面，并自動(dòng)切割儲(chǔ)液罐內(nèi)部容積數(shù)模，獲得真實(shí)液面和報(bào)警點(diǎn)所在液面的垂直距離，按照距離比較準(zhǔn)則自動(dòng)判定分析結(jié)果是否合格(如圖5所示)并自動(dòng)存儲(chǔ)分析結(jié)果。

該儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)校核軟件采用距離比較法對(duì)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行自動(dòng)分析判斷，整個(gè)仿真分析過(guò)程簡(jiǎn)單直觀，如圖6所示。

液面在報(bào)警點(diǎn)上方-安全Brake fluid level 2mm above the switch point-Safe

液面與報(bào)警點(diǎn)重合-風(fēng)險(xiǎn)Brake fluid level coincides with the switch point-Risk

液面在報(bào)警點(diǎn)下方-誤報(bào)警Brake fluid level lower than the switch point-Wrong warning

圖6 制動(dòng)儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能仿真分析數(shù)模顯示
Fig.6 Model show for simulation analysis of brake fluid reservoir dynamic behavior

6 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)態(tài)性能是汽車制動(dòng)儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵，插件式設(shè)計(jì)校核軟件實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能的自動(dòng)仿真分析，并將設(shè)計(jì)校核效率提高近30%，且標(biāo)準(zhǔn)化了儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)性能仿真分析流程。