全国乘用车制动使用情况与工况研究

冯天骥 窦瑞

摘 要：本次研究运用Link路试采集设备，采用“跟随性”采集法，模拟不同区域消费者制动系统使用习惯，共计完成了全国38个城市的路况负荷谱采集，得到全面的制动参数数据。对数据进行分析与汇总，总结出全国制动的使用情况。然后对采集到的数据进行主成份分析以及聚类分析等概率统计学方法，从而得到全国的驾驶工况。这对于主机厂更好适应中国城市的消费者需求，对其产品进行符合中国实际制动工况进行研发验证，很有参考意义。

关键词：制动使用情况；制动负荷谱采集；制动参数分布；制动工况；概率分布统计

中图分类号：U463.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）01-0001-06

Abstract： By adopting Link road test collection equipment， through the "follow" acquisition method， this study simulated the use of different areas of consumer braking system habits， thus finishing the road load spectrum collection of a total of 38 cities across the country and obtaining comprehensive braking parameter data. We made an analysis of the data and summed up the use of brake nationwide. Then， we adopted probability statistics methods to make a principal component analysis and a cluster analysis of the data collected， thus obtaining the driving conditions of the whole country. It is of great reference significance for the mainframe factory to better adapt to the needs of consumers in Chinese cities and to carry out the research and development verification of its products in line with the actual braking conditions in China.

Keywords： braking usage； braking load spectrum collection； braking parameter distribution； braking working condition； probability distribution statistics

1 研究背景與意义

随着国内经济蓬勃发展，伴随着汽车产业的进步，消费者即汽车驾驶人员对于汽车的要求越来越高，作为汽车主动安全第一位的制动系统的性能也被放到越来越重要的地位。为了满足消费者的使用需求，给消费者提供一个既安全又舒适的制动系统，主机厂、零部件生产商以及科研机构进行消费者使用情况与中国制动工况调研，研究中国消费者的制动使用习惯、制动器使用水平以及制定符合国内实际路况的商品性评价工况，得到数据统计结果从而服务于产品设计成为了必行之路。

在制动工况研究的进程上，国内明显落后于国外。国外的部分主机厂及科研机构在20世纪末21世纪初就已经开始进行其国内的制动路况负荷谱数据采集，并根据数据作出了符合其国内制动使用情况的验证评价制动工况，如东京工况、莫哈卡工况、北美一般工况、洛杉矶工况等。而国内主机厂进行制动性能验证只能够依据于GB12676、GB21670、GB2521与GB2522以及国外的一些标准，缺乏符合国内实际制动驾驶水平及路况情况的标准与工况。随着国外主机厂的进口车以及合资车在中国的销量节节攀升，部分国外主机厂已经进行了中国主要大型城市的制动负荷采集。面对消费者需求的提高，以及日趋激烈的市场竞争，为了给国内主机厂提供更符合国内实际的服务与技术支持，中国汽车技术研究中心汽车工程研究院对全国38个大中型特征城市的路况进行制动负荷谱采集，并进行后期数据分析汇总，从而得到全国主要城市的制动系统使用情况与使用特点，并作出了制动商品性评价工况。

2 研究方法

研究方法的确定主要从采集方法、采集城市与路况确定的方法以及数据采集与后期数据处理方法三个方面来进行阐述。

2.1 采集方法的确定

目前，整车实际道路采集大体上可以分为三个采集方法：平均车流统计法、车辆追踪跟随法、自主驾驶法。本次研究选择车辆追踪跟随法为采集方法，而且考虑到测试风险、工作量、代表性以及数据可靠性，采集均用专业的试验车驾驶员进行驾驶采集，同时不允许使用发动机制动，不采用空档滑行，使试验数据更加准确客观。

2.2 采集城市与路况的确定

国内相关机构曾对全国400个城市划分为五级。根据划分结果，城市选取原则为：第一级城市全部选取，第二级与第三级城市结合城市气候、客户满意度与故障发生率来进行选择，第四级与第五级城市选择其中存在代表气候与代表工况的城市进行选择。通过选取原则对全国城市进行筛选，共选取出38个特征采集城市。其中在区域分布上包含了东北、西北、华北、西南、沿海与中部，环境温度上包含了寒温带、中温带、暖温带、亚热带、热带。

针对国内道路的情况，将采集工况分为城市拥堵工况（机非混行，车流量大，城市繁华路段）、城市一般工况（交通信号控制，车辆按车道正常行驶，车流量一般的路段）、城郊工况（国道、省道、乡镇连接路）、高速工况（高速公路、城市快速环线）以及特殊道路工况（砂石路、山路、涉水路、沙尘路等）。

2.3 数据采集与数据后期处理方法的确定

采集设备的粗略介绍：制动工况调研项目通过LINK3

802S整车数据采集系统，通过在采集车上加装相关设备进行制动参数采集。采集的数据分别为：减速度、摩擦片始末温度、制动次数、制动初速与末速、环境温湿度、踏板力与踏板行程，并在行驶一定里程后测量并记录摩擦片与制动盘的磨耗。

数据后期处理方法介绍：本次研究主要从以下三方面进行论述：第一，制动负荷指数区域对比以及摩擦片寿命预估；第二，全国不同区域制动参数的对比与使用水平分析；第三，初略的制动商品性评价工况的制定与复现方法。

数据的处理主要依托于3802s自带读取软件、Matlab以及Excel，对采集得到的运动学片段如图1所示，按照100Hz的频率进行运动学片段的分割处理，然后应用Mtalab自行编写的程序，对分割处理好的数据进行处理，可以做出各个城市各个工况下每个制动要素的点状分布统计图以及概率分布直方图，如图2与图3所示，这样就可以对比不同城市不同区域的制动使用情况。通过Excel的数据筛选功能，对全国数据分工况按照给定的条件进行筛选，可以为制动商品性评价工况的制定提供数据支持。

3 研究结果与分析

在研究成果与分析中，我们将38个城市，按照所在区域划分为6个版块：中部地区、沿海地区、西南地区、西北地区、华北地区以及东北地区，来进行全国区域对比分析。其中这六个区域的代表城市分别为：郑州、深圳、重庆、兰州、石家庄与长春。

3.1 制动负荷指数的区域对比

为了研究制动负荷情况，首先我们需要先提出来一个指数，用其来评判制动负荷的高低，即制动负荷指数。下面就进行简单的介绍：每次制动行为都是一次典型的制动工况，车辆在制动力矩作用下减速，在这个过程中伴随着能量损失。在实际驾驶过程中，会伴随着很多次制动，且每次制动行为的制动初末速是不相同的，所以每次制动行为的能量损失也是不一样的。为了反映某一段里程上的制动负荷情况，我们统计在这一里程上发生的制动行为的频次以及初末速，应用动能定理，计算出这段里程上总的制动产生的动能，同时除以车辆的质量和里程，获取单位质量在单位里程内的能量损失，该数即为制动负荷指数K。其在一定程度上与单位里程上发生制动行为的频次也存在一定的联系。发生的制动行为的频次越高，能量统计次数增多，在一定程度上增加制动负荷指数K的大小。因此，该指数K越大，则反映出在该特定里程内车辆的制动次数频繁，道路情况复杂，制动系统的负荷率高，工作强度大。

由表1与表2的数据对比可以发现，通过制动频度与制动负荷指数数值，可以直观的看出采集城市的制动剧烈程度，可以侧面反映出制动器的使用情况。通过统计算出，全国城市拥堵工况的负荷指数为137.27，制动频度为7.73；城市一般工况的负荷指数为83.69，制动频度为2.80；城郊工况的负荷指数为78.17，制动频度为1.82；高速工况的负荷指数为15.22，制动频度为0.26。通过与各个工况的全国制动负荷情况进行对比，可以得到所关注城市在全国处于何种水平，有助于主机厂在售前与售后进行针对性的调整，提高产品的满意度，减少客户抱怨。

3.2 全国不同区域制动参数的对比

对采集的数据分区域分工况分别对制动参数进行对比分析，从而得到全国区域之间制动器使用的差异性与全国整体制动器使用水平。为了简单化，这里只对城市拥堵工况进行对比，总的制动次数为37700次。具体对比结果见图4、图5、图6、图7、图8、图9与图10所示。

由图4与图5进行全国整体制动速度的分析，结果如下：全国所有地区的制动初速基本上都小于15m/s，约占95%，其中各个地区制动初速小于5m/s的平均值约为43%，介于5m/s与10m/s的平均值约为百分之31%，介于10m/s与15m/s的平均值约为21%；全国所有地区的制动末速基本上都小于12m/s，约占97%，其中制动末速小于3m/s的平均值为56%，介于4m/s与10m/s的平均值为33%，介于10m/s与15m/s的约占10%；全国所有地区的速度差值小于3m/s的部分占了很大的比例，平均值约为63%，介于4m/s与5m/s之间的平均值约为14%，其余其他期间的平均值均小于10%。所以，在主观评价或者客观测试时，可以把大部分的精力都放在制动初速小于15m/s，制动末速在小于6m/s的区间。

进行全国区域对比分析：在制动初速方面，西南地区的制动初速较低，其次为中部地区，华北、沿海与东北地区都处于与全国平均水平持平范围内，西北地区略低于全国平均水平。可以从侧面反映出西南与中部两个地区的拥堵情况最为严重，路况较为复杂，制动使用次数较多，对制动系统就会提出更高的要求；在制动末速方面，全国所有地区的制动末速每个划分区域与全国平均水平差异不大，处于一个相对均衡的水平上；在速度差值方面，中部地区与西南地区速度差值较低，在小速度差值区间所在比例高于全国评价水平，西北地区与华北地区速度差值较高，沿海地區与西北地区基本上处于与全国平均水平想持平的状态。

由图6与图7，我们可以进行全国制动能量与摩擦片温差的分析。

图6是每次制动过程中所产生的能量的统计，从图中可以明显的看出，制动过程中产生能量大小的分区呈两极分化趋势，即小于10Kj的低能量区与大于40Kj的高能量区。其中中部与西南地区在低能量区所占比例较高，沿海、西北、华北与东北地区在高能量区所占比例较高。能量是由速度的平方差来决定的，能量高可以从侧面说明制动初速与制动末速之间的差值较大，若与制动频度结合来考虑，可以得出该城市的制动强度的强弱以及可以为制动能量回收控制策略的制定提供数据基础。

图7是每次制动过程中温度差值的统计，从图中可以看出，温度差值基本上都集中在大于0℃小于2℃的区间内，约占72%左右，且除了中部地区在大于0℃小于1℃这个区间与全国平均水平有差异外基本在全国平均范围内。其中温度差值小于0℃的区间是因为在冬季在北方城市室外温度处于零下10℃以下，摩擦片的冷却能力大于温升能力造成的。了解摩擦片在不同城市与环境温度下的温升情况，可以在整车制动设计前期，为其摩擦片与制动盘的热容性计算提供一定的参考与依据。

由图8、图9与图10，我们可以对影响踏板感觉三要素，即踏板力、踏板行程与减速度进行对比分析。

图8是踏板力平均值的统计。可以看出在踏板力分布方面全国各个分区之间还是存在着比较大的差异性的。从图8可以看出，大部分的制动踏板力平均值集中在大于10N小于25N的区间内，约占总体的75%到80%，但各个分段内各个区域的分布差异性也较大。

图9为踏板行程最大值的统计。从图中可以看出踏板行程最大值的分布主要集中在10-25mm的区间内，所占比例约为75%。在区域差异性上，华北与东北地区在与其他区域进行对比上，存在很大的差异性，东北地区尤为甚之，在大于30mm的区间内，东北地区所占比例为58.28%，差异明显。

图10是制动减速度最大值的统计。从图中可以明显看出，减速度主要集中于小于0.3g的区间内，其中0.1-0.2g的区间约占总体的50%，小于0.1g约占总体的30%，0.2-0.3g约占总体的20%，且整个采集过程中并没有出现超过0.5g的大减速度制动。

通过对上述制动参数的对比分析，可以看出各个制动参数在消费者正常使用过程中所能达到使用水平范围，而国内、日本与德国的主观评价方法也是大部分集中在中高速下的大制动力大减速度下的制动性能评测上，通过对数据的深入分析与研究，调整主观评价项目所占比重，从而在制动使用频率高的范围内找到更多可以优化的问题点，从而提高制动系统品质。

3.3 制动商品性评价工况的制定与复现方法

本次制动工况的调研与采集共分为城市拥堵、城市拥堵早高峰、城市拥堵晚高峰、城市一般、城郊与高速共计6个工况，通过对每次制动所采集到的数据进行各个参数的分析，并将所有数据进行分工况汇总，这样就可以形成制动运动片段数据库，如图11所示。

因评价工况的复现与验证的方法为通过制动惯量台架进行复现，所以对每个运动学片段进行分解，只需要提取出制动初速、制动末速、制动减速度以及整个制动过程所占时间即可。对每个工况的运动学片段进行概率上的各个参数区域的概率分布统计，就可以得到每个取值范围所占比例，如图12所示。

然后通过与实际采集过程中制动发生的情况进行组合，即可得到一个模拟的制动过程的简化描述以及制动过程中的车速随时间的变化曲线，如图13与14所示。

通过对6个工况的数据进行总结，就可以得到一个包含大部分实际制动使用情况的模拟工况，如图15所示。

通过台架工况对全国制动使用情况的汇总，可以通过台架采集到试验车制动器的磨损情况、摩擦片性能、耐久、噪声与抖动以及热衰退性能，可以为主机厂以及零部件供应商提供其产品的实际性能情况，但该工况目前仅进行在试验室研发验证阶段，还有许多问题需要进一步提高与完善，并没有达到对外使用的水平，目前所做的测试均为试验内部验证，尚未达到JASO C406、北美一般工况以及SAE J2521等成熟工况，有待提高与推广。

4 成果应用与展望

通过本次调研的数据采集、分析与研究，意义以及成果应用如下：

（1）可以直观的得到全国消

费者制动器使用特点与使用水平，直观的看到各个制动参数实际使用过程中所占比重，有助于主机厂以及零部件供应商在产品开发设计、试验验证以及主观评价中有侧重点的开展工作。通过消费者制动使用情况与主观评价结合起来，得到一项新的主观评价标准，结合现有的制动主观评价体系，已经为国内多家主机厂提供过主观评价服务，目前已经形成两种不同的评价体系：专业级与普遍驾驶级。

（2）通过数据计算，可以得到采集城市的制动负荷情况，制动负荷情况可以反应出制动过程中的能量以及剧烈程度，通过制动能量，也可以对摩擦片进行使用寿命的预估。

（3）通过对特征片段的分析处理与汇

总，然后进行概率统计以及参数的组合，得到中国乘用车商品性评价台架工况，通过台架工况可以对制动器进行台架试验验证，比国外的一些台架工况更符合中国国情。

（4）还有几项研究本文没有赘述：通过能量统计，可以为新能源汽车以及混合动力汽车的能量回收系统的利用控制策略的优化提供数据支持，提高利用率；可以通过对踏板速度的统计，为BA辅助系统提供数据支持。

还存在许多不足以及还需要深入研究的部分：

（1）在工况方面：台架工况的分类并不明显，没有对试验的验证工况进行分类；没有找到科学的道路试验付现方法，因为无法对驾驶员制动时的踏板力、踏板行程与制动过程中的减速度合理的进行控制，无法对整个制动过程科学的控制，可以采用驾驶机器人来取代驾驶员，目前正在调研中。

（2）采集的范围还不够广泛。目前只针对了全国大中型城市进行了采集，小城市覆盖率并不高，且区域范围内西部地方覆盖率也比较低。

（3）采集试验车单一性上存在着些许不足。为了保证采集的一致性，本次采集车全程为同一辆SUV車型，并没有进行更换，且没有用轿车进行采集数据，以形成对比。

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