摘要：消費者對乘用車的制動性能，尤其是制動的踏闆感覺要求越來越高，這就要求設計時，需要設計人員對制動系統進行精細的匹配調教。真空助力器作為制動系統重要的部分，成為了匹配設計的重要環節。本文将研究制動系統中真空助力器的匹配設計方法，包括：真空助力器特性分析、真空助力器與踏闆感覺的匹配、真空助力器與HBB功能的匹配、真空罐大小與真空助力器關系、真空助力器及真空源選型流程。

關鍵詞：制動系統；真空助力器；匹配設計；

前言

制動性能是車輛重要的性能之一，關系到駕駛員與乘客的人身安全。改善車輛制動系統的性能是生産設計部門重要的任務。[1]随着汽車工業的發展，人們對汽車的性能要求越來越高，尤其是安全性能，希望獲得高性能的制動系統。真空助力器作為制動系統重要的部分，成為了匹配設計的重要環節。但真空助力器的匹配過程較為複雜，需要綜合考慮多方面的影響，才能在一定成本條件下相對較優的制動性能。

目前大部分研究主要針對真空助力器本身參數與性能關系，對真空助力器與制動系統其他零部件匹配關系和匹配流程研究較少。本文針對真空助力器的匹配問題， 研究并給出部分匹配流程方法和經驗要求。

1 真空助力器

為了解決駕駛員踩踏踏闆力不足的問題，制動系統采用伺服裝置，按伺服能量的形式分為真空伺服式、氣壓伺服式和液壓伺服式。真空伺服，即真空助力器，是乘用車液壓制動系統中最普遍采用的伺服裝置。

圖1.1 真空助力器結構簡圖[2]

1-伺服氣室前殼體 2-制動主缸推杆 3-導向螺栓密封套 4-膜片回位彈簧 5-導向螺栓 6-控制閥 7-橡膠反作用盤 8-伺服氣室膜片座 9-彈橡膠閥門 10-大氣閥座 11 –過濾環 12-控制閥推杆 13-調整叉 14-毛氈過濾環 15-控制閥推杆彈簧 16-閥門彈簧 17-螺栓 18-控制閥柱塞 19-伺服氣室後殼體 20-伺服氣室膜片

真空助力器的特性[3][4]主要有初始特性（始動力、跳躍值）、助力比、最大助力點，這三個特性可通過結構設計來确定。初始特性與回位彈簧、反饋盤與推杆間隙等參數相關；助力比可由反饋盤的輸出面積和輸入面積的比來确定；最大助力點與有效膜片面積和回位彈簧有關。

2 真空助力器匹配計算

2.1真空助力器與踏闆感覺的匹配

包括兩方面，一個是踏闆力與制動減速度要求，另一個是最大助力點的減速度要求。真空助力器的初始特性和助力比影響踏闆力與制動減速度的關系，一般會有如圖所示的上下限要求，這是由車型特點決定的。上下限要求曲線是經過大量的實車數據和人機主觀試驗獲得的，這一限制不是強制的。對于踏闆力與制動減速度要求，不同的設計公司也是不同的，與設計理念相關。最大助力點的減速度要求一般為不小于0.8g（要求高的可大于1g）。上述兩項在車型匹配計算過程中需要加以驗算，以使車輛理論上複合設計要求。

圖2.1 踏闆力與制動減速度

在新車開發過程中，如果真空助力器為借用件，采用試驗值進行計算。如果助力器為新開發的應采用理論估計值驗算。下表是根據結構參數采用理論計算的最大助力點輸出力與試驗之對比，可以看出理論計算可以對實際最大助力點輸出力有效估計。

表2.1 最大助力點輸出力對比

2.2真空助力器與HBB功能的匹配

在車輛使用的某些特殊工況（如高原、低溫啟動等條件），真空度可能不足，尤其在現階段增壓發動機普遍應用使得該問題更為突顯。目前，幾乎所有車型采用的助力單元為真空助力器。但各汽車公司對如何保證真空助力器要求的真空度的方法和思路不盡相同。真空助力器的匹配過程中，由于成本和空間限制，所選的真空助力器能力又不能太大。目前來看，對使用ESP的車型可選擇HBB功能來解決真空助力器能力不足的問題，成本相對較低。但該功能是否可以使用與真空助力器的匹配相關性較大。可以使用真空助力器加HBB功能的條件如下圖所示，即：在各工況下真空助力器最大助力點的減速度不應低于相應的要求值。

圖2.2 HBB功能選擇條件

計算不同工況下真空助力器最大助力點的減速度，需要确定發動機在平原工況、高原工況及冷啟動時的真空度。

平原工況一般選用怠速條件下的真空度，對于增壓發動機應額外考慮車速為100km/h時的真空度。

高原工況，由于我國主要高原平均高度為3000m，如下圖，故一般選用海拔3000m的大氣壓條件下，計算真空度。估算時，認為真空度下降比率與大氣壓下降比率相同，可計算出3000m高原對應的真空度。

圖2.3 中國海拔高度與氣壓分布

冷啟動工況是三個工況中最惡劣的。為了發動機排放達到法律規定要求，在發動機冷啟動階段，控制策略與熱機狀态不同，會使節氣開度增大，導至冷啟動時真空度較低。應選擇低溫（零下20度）怠速全負荷條件下的真空度值。

如果發動機此前在其他車型上應用過，選擇實車測量值代入計算。若發動機為首次應用，應選擇台架試驗值。完成匹配的車型，應在試制樣車上進行實車主觀評價後，方可确定方案。

2.3真空助力器與真空罐大小匹配

随着人們對連續制動過程中，制動踏闆感覺的穩定性要求越來越高，設計人員不得不選用較大的真空容積，要麼匹配足夠大的真空助力器，要麼增加真空罐來增加真空容積。對于采用真空助力器的電動車型，為了保證電動真空泵有足夠的使用壽命，增加真空罐進而減少真空泵啟動次數成為了必然選擇。電動真空泵的控制策略為設定啟動真空度和停止真空度，當真空助力器的真空度值小于啟動真空度時真空泵啟動，當真空助力器的真空度值大于停止真空度時真空泵停止工作。例如某純電動車型真空泵設定的啟動真空度和停止真空度為45kPa和60kPa，那麼該車型的真空助力器中的真空度範圍為45kPa~60kPa。希望的是在真空度從60kPa降到45kPa過程中，制動次數越多越好，這樣連續踩踏制動踏闆的感覺變化不明顯，同時電動真空泵啟動次數成倍降低，壽命明顯增長。顯然需要明确踩踏制動踏闆程度，這就是對真空容積大小的要求。

一般要求一定減速度（或真空助力器輸出行程）的制動次數，例如要求以0.3g減速度（或真空助力器20%輸出全行程）制動，真空度下降到電動真空泵啟動真空度時，制動次數應大于2次。根據要求就可以對選用的真空助力器的真空容積進行校核。首先可根據真空助力器的圖紙或試驗獲得不同行程時前後腔的容積，如下圖。如果給出的是制動減速度要求，則通過制動系統需液特性計算出對應的真空助力器的行程。

表2.2 真空助力器容積

匹配計算依據的是理想氣體狀态方程[5]（如下），其中P是指理想氣體的壓強，V為理想氣體的體積，n表示氣體物質的量，而T則表示理想氣體的熱力學溫度， R為理想氣體常數。

用P0表示初始狀态時真空助力器内的氣體絕對壓力，P1表示大氣絕對壓力，P2表示制動結束後真空助力器内的絕對壓力；V0表示真空助力器指定行程的前腔容積，V1表示真空助力器指定行程的後腔容積，V2為匹配的真空罐容積。當以要求真空助力器行程制動時，由理想氣體狀态方程可得：

前腔：

後腔：

當制動結束後，由理想氣體狀态方程可得：

将上述三式整理可得：

制動結束後的真空度為P1與P2的差值，這樣完成一次制動的真空度計算，循環該過程，即可得到各次制動後真空度。實例計算後的結果（如下表）。

表2.3 真空助力器容積計算實例

3真空助力器及真空源選型流程

本着滿足要求并成本最低原則，對真空助力器真空源的選擇流程如下圖。這個流程不僅是真空源的選擇流程，也是真空助力器的選型流程。

圖2.4 選型流程

首先需要明确的是“怎樣判斷真空助力器是否滿足要求？”。一般的要求如下：

1）無HBB功能時

-平原工況，真空助力器最大助力點時的滿載減速度應大于0.8g（高端車型1g）；

-高原3000m時，真空助力器最大助力點時的滿載減速度應大于0.7g；

-冷啟動時，真空助力器最大助力點時的滿載減速度應大于0.6g；

2）有HBB功能時

-參照章節2.2中不同ESP硬件對應的滿載最小減速度要求；

3）其他要求

-可根據車型定位，制定相應的要求；

-滿足實車路試主觀評價要求；

根據上圖流程，首先要确定匹配車型是否有真空源。車輛有穩定真空源時，先考慮匹配一般尺寸真空助力器，如果無法滿足要求，則考慮大尺寸或雙膜片的真空助力器。若無法通過僅改變真空助力器來滿足要求，例如一般純電動和大部分混動無真空源和真空源真空度極低，需要從無真空源解決方案中挑選解決方案。一般選用電動真空泵，對于成本限制不高的車型可考慮液壓助力器和電動助力器。

無真空源解決方案及優劣：

1）電動真空泵

-抽真空速度較機械真空泵慢，可能會有制動踏闆硬的問題；

-存在NVH風險；

-可靠性差；

2）液壓助力器

-響應時間較真空助力器長；

-成本高，研發難；

-不同于傳統車形式；

3）電動助力器

-成本高，研發難；

-不同于傳統車形式；

根據上述的流程與要求，在新車型助力器的匹配上可在滿足行車安全的前提下，盡可能的降低成本。

4 結論

本文總結了在車型開發過程中對真空助力器的匹配經驗并給出了相關設計計算方法和流程。在新車型設計過程中，可參考本文相關匹配方法，及早發現設計不合理項，及時優化結構與布置，有效地降低失效風險，縮短開發周期。

參考文獻

[1]餘志生.汽車理論.機械工業出版社,2009.2；

[2]陳家瑞.汽車構造.機械工業出版社,2013.6；

[3]黃國興.雙膜片真空助力器結構原理與性能計算.設計與計算,1996(2)；

[4]阮少華.汽車真空助力器關鍵性能參數優化的研究,哈爾濱工業大學,2011；

[5] 嚴家騄. 工程熱力學第4版. 高等教育出版社,2006.1；

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