真空助力器對(duì)轎車(chē)制動(dòng)性能影響的分析

張振鼎 劉彥君 謝東明

(1.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心；2.北京現(xiàn)代汽車(chē)有限公司）

為了減輕汽車(chē)駕駛員的體力消耗，提高汽車(chē)制動(dòng)性能，汽車(chē)上廣泛采用真空助力式液壓制動(dòng)系統(tǒng)，即在液壓制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的真空度產(chǎn)生助力，使真空助力器在正常工作時(shí)，兼用人力和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力作為制動(dòng)能源；在真空助力器失效時(shí)，靠駕駛員的體力仍能有效進(jìn)行制動(dòng)[1]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于真空助力器的助力比等技術(shù)內(nèi)容研究較多，但關(guān)于真空助力器對(duì)不同制動(dòng)踏板力條件下的整車(chē)制動(dòng)性能影響的研究則較少。文章選取13輛轎車(chē)，進(jìn)行了真空助力器正常工作及失效時(shí)，各種制動(dòng)踏板力條件下的制動(dòng)管路壓力測(cè)量，獲取了轎車(chē)管路壓力建立特性及真空助力器助力比特性[2]。同時(shí)對(duì)這些車(chē)型進(jìn)行了真空助力器正常工作與失效時(shí)充分發(fā)出的整車(chē)制動(dòng)減速度和制動(dòng)距離進(jìn)行了測(cè)量，獲取真空助力器對(duì)整車(chē)制動(dòng)性能的影響[3]。為后續(xù)轎車(chē)制動(dòng)性能的設(shè)計(jì)提供了參考。

1 真空助力器工作原理簡(jiǎn)述

圖1示出某車(chē)型制動(dòng)助力系統(tǒng)總成。系統(tǒng)總成是由后端的真空助力器與前端的制動(dòng)主缸組成。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其進(jìn)氣道內(nèi)的壓力會(huì)低于大氣壓力，從而形成一定的真空度，這種壓力差會(huì)通過(guò)真空管吸入真空助力器前腔的空氣，使得助力器前腔氣壓低于大氣壓力，當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，助力器的后腔進(jìn)氣控制閥打開(kāi)，后腔充氣至大氣壓，壓力大于前腔形成壓力差，形成對(duì)制動(dòng)主缸推桿向前的推力，推動(dòng)制動(dòng)主缸內(nèi)的液體進(jìn)入制動(dòng)管路形成車(chē)輪制動(dòng)力。所以制動(dòng)踏板只需要發(fā)出較小的制動(dòng)踏板力推動(dòng)真空助力器控制閥推桿，即可打開(kāi)真空助力器內(nèi)后腔進(jìn)氣控制閥，形成真空助力，以較小的制動(dòng)踏板力，獲取較高的制動(dòng)管路壓力和制動(dòng)減速度，有效地縮短了制動(dòng)距離，提高了安全性。

圖1 某車(chē)型制動(dòng)助力系統(tǒng)總成

2 真空助力器對(duì)制動(dòng)管路壓力的影響

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了準(zhǔn)確獲取真空助力器對(duì)制動(dòng)管路壓力的影響，采用了制動(dòng)壓力傳感器、踏板力傳感器、道路試驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行本次對(duì)比試驗(yàn)，獲取真空助力器正常工作和失效時(shí)的制動(dòng)踏板力與制動(dòng)管路壓力關(guān)系。測(cè)量設(shè)備參數(shù)，如表1所示。

表1 制動(dòng)管路壓力測(cè)量設(shè)備參數(shù)表[4]

在每次測(cè)量前，需通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)壓力源對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

將壓力傳感器通過(guò)三通，串聯(lián)于制動(dòng)管路的硬管與軟管聯(lián)接處[5]，并將制動(dòng)踏板力計(jì)安裝于制動(dòng)踏板上，如圖2所示。

圖2 壓力傳感器安裝位置圖

2.2 真空助力器正常工作時(shí)的制動(dòng)管路壓力特性

文章選取13輛轎車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，待真空助力器正常工作后，采用100 N的制動(dòng)踏板力觸發(fā)制動(dòng)系統(tǒng)，并以100 N的間隔逐步加大制動(dòng)踏板力，直至踏板力達(dá)到1 000 N，測(cè)量在不同踏板力條件下的制動(dòng)管路壓力。13輛轎車(chē)在真空助力器正常工作時(shí)，不同制動(dòng)踏板力條件下的制動(dòng)管路壓力，如圖3所示。

圖3 13輛轎車(chē)在真空助力器正常工作時(shí)的管路壓力特性曲線(xiàn)圖

從圖3可知，制動(dòng)踏板力達(dá)到100 N時(shí)，13輛轎車(chē)的制動(dòng)管路壓力均達(dá)到了3.0 MPa以上（樣車(chē)8由于裝備了制動(dòng)輔助系統(tǒng)，管路壓力達(dá)到了9.0 MPa）。

制動(dòng)踏板力達(dá)到500 N時(shí)（GB 21670—2008標(biāo)準(zhǔn)允許制動(dòng)試驗(yàn)采用的最大制動(dòng)踏板力），13輛轎車(chē)的制動(dòng)管路壓力均達(dá)到了7.3～12.5 MPa。

在真空助力器正常工作時(shí)，以500 N的制動(dòng)踏板力進(jìn)行100 km/h初速度的制動(dòng)試驗(yàn)，13輛轎車(chē)的平均制動(dòng)減速度（MFDD）值均達(dá)到了7.92 m/s2以上，滿(mǎn)足GB 21670—2008標(biāo)準(zhǔn)要求的MFDD限值（不小于6.43 m/s2）要求，如表2所示。

表2 13輛轎車(chē)在真空助力器正常工作時(shí)的平均制動(dòng)減速度（MFDD）值

制動(dòng)踏板力達(dá)到1 000 N時(shí)，13輛轎車(chē)的制動(dòng)管路壓力均達(dá)到了9.4～13.2 MPa。

當(dāng)制動(dòng)踏板力達(dá)到100 N時(shí)，13輛轎車(chē)的管路壓力均值達(dá)4.6 MPa，管路壓力升高速度為4.6 MPa/100 N；隨著踏板力升高至400N，管路壓力逐步升高到8.6MPa，管路壓力升高速度放緩為0.9 MPa/100 N；管路壓力從400 N升至1 000 N過(guò)程中，管路壓力升高進(jìn)一步逐步放緩，升高速度從0.9MPa/100N逐步降為0.2MPa/100N。

2.3 真空助力器失效時(shí)的制動(dòng)管路壓力特性

將發(fā)動(dòng)機(jī)與真空助力器的聯(lián)接口斷開(kāi)，使真空助力器失效，如圖4所示。采用100 N的制動(dòng)踏板力觸發(fā)制動(dòng)系統(tǒng)，并以100 N的間隔逐步加大，直至踏板力達(dá)到1 000 N，測(cè)量13輛轎車(chē)在不同踏板力條件下的制動(dòng)管路壓力，如圖5所示。從圖5可知，制動(dòng)踏板力達(dá)到100 N時(shí)，13輛轎車(chē)的制動(dòng)管路壓力均未達(dá)到1.0 MPa，制動(dòng)器無(wú)明顯制動(dòng)，試驗(yàn)轎車(chē)無(wú)明顯制動(dòng)跡象。轎車(chē)充分發(fā)出的MFDD小于0.1 m/s2。

圖4 某車(chē)型真空助力器與真空管聯(lián)接口斷開(kāi)圖

圖5 13輛轎車(chē)在真空助力器失效時(shí)的管路壓力特性曲線(xiàn)圖

隨著制動(dòng)踏板力的增加，制動(dòng)管路壓力開(kāi)始緩慢均勻上升，當(dāng)制動(dòng)踏板力達(dá)到500 N（GB 21670—2008標(biāo)準(zhǔn)允許制動(dòng)試驗(yàn)采用的最大制動(dòng)踏板力）時(shí)，13輛轎車(chē)的制動(dòng)管路壓力達(dá)到2.4～4.4 MPa。

真空助力器失效時(shí)，以500 N的制動(dòng)踏板力進(jìn)行100 km/h初速度的制動(dòng)試驗(yàn)，整車(chē)MFDD值在3.13～5.33 m/s2范圍內(nèi)，滿(mǎn)足GB 21670—2008標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)急制動(dòng)MFDD限值的要求（不小于2.44m/s2）。表3示出13輛轎車(chē)在真空助力器失效時(shí)的整車(chē)MFDD值。

表3 13輛轎車(chē)在真空助力器失效時(shí)的整車(chē)平均制動(dòng)減速度（MFDD）值

當(dāng)制動(dòng)踏板力繼續(xù)增加達(dá)到1 000 N時(shí)，13輛轎車(chē)的制動(dòng)管路壓力達(dá)到了5.5～8.4 MPa。低于各轎車(chē)真空助力器正常工作時(shí)，制動(dòng)踏板力500 N條件下的管路壓力。

13輛轎車(chē)的制動(dòng)管路壓力均值顯示，100 N時(shí)管路壓力均值僅為0.4 MPa，隨著制動(dòng)踏板力增加到1 000 N，管路壓力逐步增加至6.6 MPa。但真空助力器失效時(shí)，制動(dòng)管路壓力與制動(dòng)踏板力的相關(guān)性較好，整個(gè)過(guò)程制動(dòng)管路壓力均值升高速度穩(wěn)定，維持在0.67 MPa/100 N左右，在制動(dòng)踏板力較小時(shí)（500 N以下），制動(dòng)踏板力每增加100 N，管路壓力升高速度均低于真空助力器正常工作時(shí)的管路壓力升高速度。

3 真空助力器助力比特性分析

以13輛轎車(chē)管路壓力均值作為研究對(duì)象，研究真空助力器正常工作與失效時(shí)的管路壓力比值，獲取在各踏板力情況下的真空助力比特性，如表4所示。在制動(dòng)踏板力為100 N時(shí)，真空助力器的助力比最大，達(dá)到了11.5；隨后快速降低，在常用的制動(dòng)踏板力200～500 N范圍內(nèi)，助力比為2.8～6.7；制動(dòng)踏板力超過(guò)500 N后，助力比維持在2.0左右。

表4 13輛轎車(chē)真空助力比特性表

以13輛轎車(chē)的制動(dòng)管路壓力為研究對(duì)象，其真空助力器助力比與制動(dòng)踏板力的關(guān)系符合冪函數(shù)特性：

式中：y——助力比；

x——制動(dòng)踏板力，N。

制動(dòng)踏板力越高助力比越低，但助力比降低速度也越慢。圖6示出13輛轎車(chē)的真空助力器助力比與制動(dòng)踏板力關(guān)系。

圖6 13輛轎車(chē)的真空助力器助力比與制動(dòng)踏板力關(guān)系曲線(xiàn)圖

4 真空助力器對(duì)整車(chē)制動(dòng)性能影響

以樣車(chē)13為例，在滿(mǎn)足GB 21670—2008標(biāo)準(zhǔn)要求的交通部公路交通試驗(yàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)廣場(chǎng)開(kāi)展真空助力器對(duì)整車(chē)制動(dòng)距離和MFDD影響的對(duì)比試驗(yàn)，研究真空助力器對(duì)整車(chē)制動(dòng)性能的影響。制動(dòng)初速度為100 km/h，測(cè)量不同制動(dòng)踏板力條件下，真空助力器工作和失效時(shí)的制動(dòng)距離和MFDD，如表5所示。

表5 樣車(chē)13的真空助力器對(duì)制動(dòng)距離和平均制動(dòng)減速度（MFDD）的影響

從表5可知，真空助力器正常工作，制動(dòng)踏板力為100 N時(shí)，轎車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)觸動(dòng)，減速度達(dá)到5.73 m/s2，并在88.8 m的距離內(nèi)停?。恢苿?dòng)踏板力為200 N時(shí)，轎車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)可以滿(mǎn)足GB 21670—2008行車(chē)制動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求；制動(dòng)踏板力為400～1 000 N時(shí)，隨著制動(dòng)踏板力的繼續(xù)增加，制動(dòng)距離只有小幅縮減，制動(dòng)減速度無(wú)明顯增加，轎車(chē)制動(dòng)性能已達(dá)最佳值。

真空助力器失效時(shí)，制動(dòng)踏板力小于200 N時(shí)，轎車(chē)無(wú)明顯減速；制動(dòng)踏板力為300～900 N時(shí)，隨著制動(dòng)踏板力的繼續(xù)增加，轎車(chē)制動(dòng)距離從247.8 m逐步縮減至85.0 m，減速度由1.71 m/s2逐步增加到5.81 m/s2；制動(dòng)踏板力為1 000 N時(shí)，其制動(dòng)距離仍長(zhǎng)達(dá)72.6 m，無(wú)法滿(mǎn)足GB21670—2008標(biāo)準(zhǔn)中行車(chē)制動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)轎車(chē)真空助力器的原理及性能分析，揭示出真空助力器是轎車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件，可利用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的真空度作為能源提高轎車(chē)制動(dòng)管路壓力和制動(dòng)減速度，達(dá)到縮短制動(dòng)距離，提高安全性的目的。

1）在相同制動(dòng)踏板力的情況下，尤其是在制動(dòng)踏板力較小時(shí)，真空助力器對(duì)制動(dòng)管路壓力及制動(dòng)性能的提升更為顯著；

2）真空助力器助力比與制動(dòng)踏板力為冪函數(shù)關(guān)系，助力比隨制動(dòng)踏板力增加而減小，在制動(dòng)踏板力較小時(shí)，助力比降幅更高，制動(dòng)踏板力增加時(shí)助力比降幅逐漸減小。

因真空助力器助力能源來(lái)自于轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，所以如果轎車(chē)行駛過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)突然熄火，助力器將無(wú)法正常工作，存在安全隱患，在未來(lái)的研究中應(yīng)考慮替代或補(bǔ)救方案。