投身汽车工业 创新制动研究

吴 彪 李 桐

1886年1月，世界上第一辆汽车诞生，它被称为“改变世界的机器”。汽车发明以后，人的活动范围半径由每天几公里、十公里，扩展到了几十公里、上百公里。汽车的发明、生产和应用，使得人类生活有了巨大的改变。历经时代的变迁，如今，汽车已经是人类日常生活不可或缺的重要组成部分。

1956年，中国第一辆解放牌卡车下线，结束了中国不能自己制造汽车的历史。60多年来，从自力更生到合资建厂，再到自主研发，如今中国已经成为世界上汽车产销量最多的国家。但是，市场换不来核心技术，有钱也买不来核心技术，必须自主创新、自立自强，这是中国汽车工业乃至全国各行各业的共识和使命。汽车的安全性核心在于行止有度，无论是加速驱动，还是减速制动，都是汽车的基础性核心技术，都是我国建设汽车强国的重大技术需求。作为自主开发制动系统的科研工作者，张立军及其研究团队就一直前行在中国汽车行业创新开拓的一线。

宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。2020年，由张立军作为第一负责人研发的项目“全频段汽车制动系统动态设计与评价关键技术及应用”获得了上海市科技进步奖一等奖。该项目聚焦“评价诊断难”和“设计控制难”技术要害，获得发明专利16项、行业标准6项、实用新型68项等成果；近3年实现直接新增产值132.25亿元、利润11.9亿元，经济效益显著，为祖国汽车工业的发展提供了坚实的技术支撑。

张立军（左一）指导学生开展研究

科研聚焦汽车摩擦制动

为国而研，为民而创。张立军团队的工作一直在围绕着祖国的重大科研需求展开。特别是在“中国制造2025”的大背景下，汽车行业“强基”产品的设计与研发，也是国家汽车工业发展的重要组成部分。从2003年起，他就和研究团队针对“全频段汽车制动系统动态设计与评价关键技术及应用”展开了十余年的科研探索。

汽车制动系统是汽车最重要的系统之一，特别是近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现得越来越明显。当前，我国的交通安全形势不容乐观，主要问题就包括道路交通事故发生率持续上升。根据相关资料报道，以10万人作为统计单位，中国作为全球人口最多的发展中国家，交通死亡率为18.8，高于中等收入国家18.5的平均水平，更是高收入国家9.3比例的一倍。车辆的制动系统便是导致交通事故的重要因素之一。

张立军（左三）被授予“中国汽车工程学会会士”

同时，随着公路业的迅速发展和车流密度的日益增大，人们对车辆安全性、可靠性的要求越来越高，为保证人身和车辆的安全，必须为汽车配备十分可靠的制动系统。而张立军团队所致力的“全频段汽车制动系统动态设计与评价关键技术及应用”项目就是针对汽车的摩擦制动器而展开的。

“事实上，摩擦制动器和汽车发动机的地位是同等的。发动机使汽车的速度、运输效率不断提高，而制动器是保障汽车安全的核心器件。”张立军说。从这一角度而言，摩擦制动器在汽车及其他交通装备的安全方面，发挥了核心作用。而张立军及其科研团队所做的研究工作，就是针对摩擦制动器在整个工作过程中产生的动态现象进行分析，掌握它的规律，提出有效的解决方案，并在行业中进行应用。

在张立军的介绍下，记者了解到：如果制动系统设计不合理的话，汽车制动器在基于摩擦原理的工作场景之下，就会产生很多附加效应，尤其是在动力学不匹配的情况下，会产生严重的振动和噪声问题。“一方面危害汽车的制动性能，另一方面，它会使汽车驾驶员或乘客产生负面的心理主观感受，从而影响其驾驶状态及驾乘舒适性，不仅对汽车行驶的安全性造成影响，同时也会对整个汽车品牌的质量品质以及产品的接受度造成影响。”他说。

特别是近些年来，随着人们对汽车品质和用户体验要求的日益提高，超低频制动踏板感觉（0-5H z）、低频制动抖动（0-200Hz）、中频制动颤振（50-1kHz）与高频制动尖叫（1k-16kHz）四大疑难问题一直位列汽车用户质量抱怨前列，是全球全行业前沿技术难题。在这一背景下，张立军团队一直在为解决领域内存在的问题而不断攻关探索。

十余年探索攻关有所成

汽车工业发展的大潮滚滚而来，在张立军看来，过去的十几年中，中国的汽车行业已经实现了飞速发展。不同时期、不同阶段汽车工业所面对的行业问题也不同，而作为多年来扎根在这一领域的科研人，他和研究团队理应肩负起使命，面对汽车行业的“硬骨头”展开全方位探索攻关。

功夫不负有心人。在“全频段汽车制动系统动态设计与评价关键技术及应用”项目的支撑下，张立军及其科研团队针对汽车制动系统“评价诊断难”和“设计控制难”技术要害，完全独立自主攻克了面向对象的全频段汽车制动系统动态设计与评价关键技术，总体技术国际先进，部分国际首创。

制动踏板是汽车驾驶五大操纵件之一，使用频次非常高。驾驶人掌控水平直接影响着汽车驾驶安全。针对制动踏板感觉的主客观评价指标间关联性差、系统结构参数与客观指标间的关联性差两大难题，张立军团队自主建立了基于层次分析法的制动踏板感觉静/动态主客观指标互联关系，国际首创气-液-固多相非线性参数化制动系统踏板感觉与制动感觉预测模型及设计匹配技术，模型预测精度超90%，成功实现了客观评价试验对主观评价试验的有效替代。

汽车抖动影响着整车驾驶的舒适性，其中制动抖动是各大汽车厂的科研难题。针对制动热抖动试验与评价方法缺失、预测模型计算量大及控制不力等难题，他们构建了制动器、底盘角、整车多层次试验规范和评价方法，自主建立了集成制动器热机耦合模型与摩擦振动模型的联合仿真技术，以及系统结构参数匹配和驱动转矩主动补偿的制动抖动控制方法，形成了系统的制动热抖动试验规范，模型预测精度达到90%以上，百车故障率大幅降低。

汽车制动器摩擦颤振是一种在极低车速和较低制动压力下，由制动器摩擦振动激发的非线性噪声问题。针对制动颤振作用机制不清和控制措施附加质量大的难题，团队首创了制动颤振台架和道路试验规范及非线性非稳态特征提取与评价方法，率先提出制动器小尺度粘滑振动和悬架系统大尺度弓形变形的双作用颤振耦合机理并建立面向对象的多维多尺度仿真模型，由此在国际上首创微附加质量的被动控制方法和无附加质量的制动/驱动主动控制方法，首次将预测精度提高到90%以上，几十克级质量控制效果与国外附加13.3kg的控制效果相当。

汽车制动噪声是在汽车制动这一特定条件下产生的噪声，大型车辆，尤其是公交客车是这一环境污染的主要来源。针对制动尖叫的时变性和不确定性评价与预测难题，团队创新提出了高频摩擦振动条件下的系统动态摩擦系数概念和辨识方法，创新建立了制动尖叫时变性评价指标体系与高效率制动尖叫瞬态仿真模型，以及制动尖叫不确定性评价指标体系、制动尖叫不确定性有限元预测模型和稳健性设计方法，制动尖叫计算效率提高2万倍以上，尖叫发生率降低超过40.7%。与国内外同类技术相比，总体技术指标达到国际先进水平，部分技术国际首创。

“将科研成果落地生根”一直是张立军团队前行的动力与目标。在这一目标的驱使下，他们积极与国内的相关汽车企业合作。项目成果在6家整车企业和9家制动系统/器企业大规模推广应用，极大地推动了我国汽车行业的制动系统自主核心技术的开发能力和市场竞争力。近3年实现直接新增产值200亿元以上，取得了良好的社会与经济效益。

难忘的科研攻关之路

“走属于自己团队独有的科研之路。”一直以来，张立军始终认为，科学研究的灵魂在于将科研成果与实际相结合，这样才是有温度、有意义的科学研究。

十几年的科研攻关过程，张立军及其科研团队所研发的项目充分体现了学校基础研究与企业合作的结合，其立足点都是来自行业的前沿问题，以及企业产品开发的需求。“这其中最为难忘的还是我们在这一过程中有一些新的发现或者新的技术突破，并在企业转化应用中逐渐得到认可。”他说。

在制动踏板感觉的相关研究中，以往的研究者基本上通过道路试验进行前期探索，而张立军团队在进行相关研究时，增加了台架试验和系统建模的分析环节，将道路试验的核心特征和结果在台架试验与电脑仿真上进行在线贯通。在这一改进措施的基础上，他们打破了原来道路试验凭经验修改结果的状态，将其直接与产品的优化开发相结合，直击问题，并给出了更多的问题解决路线，而企业也可以在这一基础上，根据他们的资源成本选择最佳方案，可谓一举两得。

除此之外，在汽车制动颤振研究中，原来大多数企业只是在制动器上做文章，比如修改制动器的材料配方、制动器的结构等，但是这一过程花费的时间和经济成本巨大。针对这一现状，张立军团队通过不断攻关，提出了对驱动系统中引起速度变化的相关软件进行调节。“在这其中，我们只需做一个小的代码修改，成本非常低，而且花费时间很短，就将原来汽车制动器中所存在的问题从源头上进行了消除。”他说。

教师节团队合影

除此之外，张立军团队还发现了车桥系统的预变性（或弓形效应），即车辆启动刹车程序后，其前轮和后轮之间的轮距会缩小，产生往前冲的态势，启动的时候会通过力的释放起到瞬间加速的作用。为了避免这一情况，张立军团队开始通过调节压力装置，使车辆处于松弛状态，从而避免了车辆弓形附加效应的出现。

然而将创新成果应用到实际的过程中，并不是一帆风顺的。因为企业在过往的生产制造过程中，已经形成了自己的一套理论制作方法。而将改进的新方法在展开利用的过程中，很多企业一开始并没有接受这些建议。在这一现状下，张立军团队也做了大量的论证与说服工作，并最终将这些新方法成功应用其中。“在这一过程中，我印象最深的就是我们团队在精细化研究理论分析中所体现的实力，最终实现了目标。”张立军说。能将科研成果，真正造福于企业、进而造福于社会，便是张立军团队最为骄傲的事情。

矢志开拓的科研旅程

树由其果实而得名。“有科学认知、有技术开发、有技术的转移和应用，科研团队做的工作也相对比较完整，对于奖项的获得及业内的认可也是一个水到渠成的过程。”一直以来，对于团队获得的成果，张立军始终抱着一种谦虚的心态。

在张立军看来，在团队正确科研方向的前提下，将科学研究面向经济主战场以及行业重大产品的需求，从根本上解决科研问题，建立团队核心竞争力或者学术影响力，这与国家所倡导的自主创新、提高核心竞争力、解决“卡脖子”问题的初衷是一致的，而这也与他多年来的科研积淀息息相关。

回顾自己的科研之路，张立军与车辆工程专业的结缘还要追溯到20世纪90年代。1996年，他顺利从同济大学机械工程学院汽车工程系毕业，获得了汽车设计与制造专业学士学位。在此之后，他又在同济大学机械工程学院汽车工程系、同济大学汽车学院进行研究生以及博士阶段的学习，最终获得同济大学车辆工程专业工学博士学位。从本科来到同济就读到留校任教，不知不觉三十载光阴匆匆即逝。

多年来，张立军长期奋战在汽车系统动力学分析与控制领域的科研和教学第一线。从最初专注于车辆工程领域的研究到结构动力学领域的跨越，21世纪之后，张立军又参与到新能源汽车动力学版块研究中，在相关领域积累了丰富的经验。

近5年来，张立军主持国家科技部电动汽车试点专项计划课题、国家自然科学基金面上项目、上海汽车工业发展基金课题、德国舍弗勒汽车集团和上汽大众汽车有限公司等课题共10项，发表SCI/E I等论文48篇，申请和授权发明专利25项和16项，获得软件著作权11件，国内外学术特邀报告3次，在领域内做出了诸多优秀的科研成果，并产生了一定的团队影响力。

展望未来，张立军团队的科研使命仍然艰巨。2020年，国务院办公厅印发了《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》，要求深入实施发展新能源汽车国家战略，推动我国新能源汽车产业高质量可持续发展，加快建设汽车强国。在张立军看来，我国对新能源汽车的重视程度很高。一直发展到现在，我国在新能源汽车版块中，不管是车型的数量、产销量还是应用规模以及基础设计、相关的基础设施，在全球范围内都处于前列。对于后续中国新能源汽车的发展重点，张立军主要将此分为三个版块：第一是车本身的动力版块，即所谓的三电（电池、电机、电控）；第二为能源基础设施端，怎样从可再生能源中构建一套发电、制氢等为核心载体的储能体系，对将来电动汽车的大规模商业化应用非常重要；第三，汽车电动化之后，会对整个车的结构带来根本性的革命。在这一现状下，车身等都应该进行新结构、新材料的升级换代以及进一步优化。

而在汽车的智能化方面，张立军认为其也可以与汽车的底盘或动力系统结合起来，因为不管是底盘还是动力系统，都是天然的执行器。而在新能源汽车的相关研究中，张立军就是从动力系统出发展开研究的。“因为我是做动力学出身的，对汽车本身的结构设计和优化设计与控制相结合等方面也做了大量工作，未来我也希望能将此与汽车的智能化贯通起来，将自己的研究领域进行拓展。”张立军说。

祖国汽车行业的崛起是一代代科研人共同努力的结果。作为博士生导师，张立军始终将培养汽车行业的后备青年科研人才作为自己的职责。对于学生的培养，他始终认为：学生拥有对未来的明确目标以及对科学研究的绝对专注度是极为必要的。只有在这样的研究锤炼下，他们才会在自己的专属领域中扎稳脚跟，真正做到脚踏实地，进而将科研成果落地，造福社会。

矢志不渝科研路，孜孜不倦筑梦行。转眼间，张立军在同济已经接近30个年头。一个地方，两种身份——学生、老师，三件事——学习、工作、生活，和别人自我介绍时，张立军经常会用这样的一、二、三来形容自己。如今回首望来，他每一步都走得如此扎实与笃定。

30年来，把像张立军一样的科研工作者紧紧联系在一起的，是创造新中国汽车工业这个朴实而又伟大的理想。这理想深藏于内心，却又如火一般炽热纯粹。未来，他仍会和团队成员们一起投身于中国汽车工业发展的大潮中，前行不辍。