汽車真空助力器壓力滯后的分析及研究

羅東強

( 京西重工(上海)有限公司，上海 200131 )

?

汽車真空助力器壓力滯后的分析及研究

羅東強

( 京西重工(上海)有限公司，上海 200131 )

摘要：探討了汽車真空助力器壓力滯后的定義及理論計算, 提出平均壓力滯后和平均壓力滯后率的概念。并詳細闡述真空助力器壓力滯后的影響因素，通過試驗驗證減少真空助力器壓力滯后水平的方法。結果表明：減小反饋盤的硬度，增加反饋盤的厚度,反饋盤涂油,增大控制氣閥骨架等方法可以有效地降低真空助力器的壓力滯后。同時通過試驗，評估真空助力器的壓力滯后對真空助力器帶制動主缸總成的貢獻水平。

關鍵詞：真空助力器；壓力滯后；影響因素

0引言

真空助力器利用發動機或真空泵提供的真空源，通過前后腔之間形成壓力差，可以極大地幫助駕駛員利用較小的踏板力即可將行駛的汽車停住。作為助力裝置目前已經廣泛使用于各種類型的轎車和輕型車的制動系統中。由于制動系統與行車的安全性密切相關,因此作為汽車底盤制動系統的關鍵零部件,真空助力器使用性能必須有嚴格的要求來進行保證。1999年制定的真空助力器的汽車行業推薦標準QC/T 307-1999《真空助力器技術條件》中,主要對真空助力器的起始力、回復力、跳增值、助力比等主要性能指標進行要求，并未涉及真空助力器的壓力滯后。那么真空助力器的壓力滯后是否需要控制呢？文中主要探討了汽車真空助力器壓力滯后的定義及理論力學計算, 提出平均壓力滯后和平均壓力滯后率的概念。詳細闡述真空助力器的壓力滯后影響因素，并通過試驗驗證如何減少真空助力器的壓力滯后水平。作者提出通過減小反饋盤的硬度、增加反饋盤的厚度等方法可以有效地降低真空助力器的壓力滯后。同時通過試驗，評估真空助力器的壓力滯后對真空助力器帶制動主缸總成的貢獻水平。

1真空助力器壓力滯后的定義

真空助力器的工作過程主要包括2個階段：輸入力施加和釋放。其基本的輸入輸出性能曲線如圖1所示?？梢钥闯觯涸谑┘恿歪尫帕粗ζ魍茥U前進和后退過程中，助力器的曲線并不重合，在同樣的輸入力的情況下，助力器推桿前進過程中產生的輸出壓力要小于推桿后退過程中產生的輸出壓力。此壓力差即為助力器的壓力滯后。同樣地，在相同的輸出壓力的時候，助力器推桿前進過程中的輸入力要大于推桿回退過程中的輸入力。

而推桿輸入力的大小直接影響到駕駛員的踏板感覺。如果真空助力器的壓力滯后偏大，駕駛員踩下制動踏板產生制動壓力所形成的踏板感覺和回退時制動踏板反饋到駕駛員腳上的踏板感覺不一樣，不利于駕駛員做出準確的判斷。因此希望在設計真空助力器的時候，壓力滯后越小越好。

為了更全面評估前進和后退全過程中的壓力滯后情況，采用指標平均壓力滯后和平均壓力滯后率。平均壓力滯后是指在某一段輸入力區間，推桿后退過程中和推桿前進過程中輸出壓力差值的平均值。而由于不同尺寸規格的真空助力器產生不一樣的最大助力壓力，為了可以同時評估不同尺寸規格的真空助力器的壓力滯后水平，更好地評估壓力滯后，可以采用指標平均壓力滯后率。助力器平均壓力滯后率是指平均壓力滯后與目標輸入力產生的輸出壓力的比值，目標輸入力一般為拐點壓力時的輸入力的80%。

2真空助力器壓力滯后的理論分析

真空助力器中最關鍵的核心部件為反饋盤。在輸入推桿克服空氣閥彈簧的彈簧力、空氣閥前端接觸反饋盤之后，反饋盤一側接觸輸出推桿，另一側則接觸控制閥體和空氣閥。為了分析真空助力器的輸出壓力滯后，針對真空助力器的反饋盤進行受力分析,如圖2所示，反饋盤受到控制閥體對它的力及空氣閥對它的力，另一方面受到助力器輸出推桿對它的力，即助力器的輸出力Fout。因此真空助力器的輸出力即包含2個部分，一部分為作用在控制閥體產生的合力，一部分為作用在空氣閥上形成的合力：

Fout=Fav+Fpst

(1)

其中：Fout為真空助力器的輸出力；

Fav為作用在空氣閥上形成的合力；

Fpst為作用在控制閥體形成的合力。

由于真空助力器反饋盤具有流體特性，其表面上任何一點處的壓力均一致，因此：

p=Fout/Aout=Fpst/Apst=Fav/Aav

Fout=p×Aout

Fpst=p×Apst

Fav=p×Aav

Fout=Fav+Fpst=Fav×αBR

(2)

其中：αBR為真空助力器助力比；p為反饋盤表面壓力。

公式(2)適用于真空助力器的空氣閥接觸反饋盤之后，但是在空氣閥和反饋盤接觸之前，兩者之間存在一定間隙，此間隙可以產生助力器的跳躍值。 由于助力器均有跳躍值，因此助力器的輸出力公式(2)需調整為：

Fout=Fav×αBR+Fsupport

(3)

其中：Fsupport為真空助力器跳躍值。

公式(3)適用于真空助力器推桿前進和后退階段，但是在各個階段的表現則不一樣。在輸入推桿前進階段，真空閥口始終關閉，空氣閥座持續關閉和開啟(或者保持略微開啟狀態)，使得空氣能進入到大氣腔。而在回退過程中，真空閥口持續關閉和開啟(或者保持略微開啟狀態)，使得大氣能從大氣腔抽取。對應2種不同的階段，輸出力Fout的力學公式相應不同。

在真空助力器推桿前進階段時，真空助力器的真空閥口關閉，大氣閥口準備開啟。此時計算公式為：

Fav=Fin-Favs-Fμav+Aaseat×Δp

(4)

Fout=Fav×αBR+Fsupport

(5)

={Fin-Favs-Fμav+Aaseat×Δp} ×αBR+Fsupport

(6)

在真空助力器回退階段，真空助力器的大氣閥口關閉，真空閥口準備開啟。此時計算公式為：

Fav=Fin-Favs+Ffcvs+Fμav+Afcv×Δpmax+(Avseat+Aaseat)×Δp

(7)

Fout=Fav×αBR+Fsupport=[Fin-Favs+Ffcvs+Fμav+Afcv×Δpmax+(Avseat+Aaseat)×Δp]×αBR+Fsupport

(8)

其中：Fin為推桿輸入力；

Favs為空氣閥彈簧力；

Fμav為空氣閥與控制閥體間的摩擦力；

Ffcvs為控制氣閥彈簧力；

Aaseat為空氣閥有效面積；

Avseat為控制氣閥環狀面積；

Afcv為控制氣閥有效面積；

Δpmax為真空腔與大氣之間的壓力差；

Δp為大氣腔與大氣之間的壓力差。

根據定義，壓力滯后為同樣的輸入力時輸出壓力的差值，可按照以下公式計算：

H=FoutR-FoutA=[Fin-FavsR+FfcvsR+FμavR+Afcv×Δpmax+(Avseat+avseat)×ΔpR]×αBR+FsupportR-(Fin-FavsA-FμavA+Aaseat×ΔpA)×αBR-FsupportA=[(FavsA-FavsR)+FfcvsR+(FμavR+FμavA)+Afcv×Δpmax+Avseat×ΔpR+Aaseat×(ΔpR-ΔpA)]×αBR+FsupportR-FsupportA

(9)

其中：H表示壓力滯后；

下綴A表示前進階段；

下綴R表示回退階段。

3真空助力器壓力滯后影響因素

根據上述公式(9)，可以判斷出真空助力器壓力滯后的影響因素。

(1)空氣閥和控制閥體相對位置。在推桿前進和后退過程中，空氣閥和控制閥體相對位置不一樣在2個方面影響壓力滯后，空氣閥彈簧彈簧力FavsA-FavsR和跳躍值FsupportR-FsupportA。這個主要來自于空氣閥和控制閥體與控制氣閥接觸時凹陷及控制氣閥的總變形。由于空氣閥和控制閥體之間的相對位置不一樣，空氣閥彈簧的彈簧力也不一樣，跳躍值也不一樣，從而產生壓力滯后。為了防止泄漏，控制氣閥需要有一定的變形量。因此常規可通過使用較大的骨架來減少控制氣閥的變形。

(2) 回退階段和前進階段跳躍值。根據汽車行業推薦標準QC/T 307-1999《真空助力器技術條件》，跳躍值定義為通過起始力的點作的垂線與助力器的助力比特性線的延長線的交點。由于在推桿之前，助力器的空氣閥和反饋盤之間有一間隙，跳躍值即為反饋盤受到變形將此間隙腔充滿時產生的輸出力。而在前進和后退階段，此處的間隙并不一樣，因為空氣閥和控制閥體的相對位置不一樣。因此通過改變反饋盤的材料特性，如更改反饋盤硬度，使其更容易變形或者調整反饋盤更厚，使其有更多材料更容易充滿間隙腔，以減少前進和后退過程中的間隙不一樣。同時，通過對反饋盤涂潤滑油，可減少反饋盤的阻力，也可以實現前進、后退過程中的間隙控制。

(3)FfcvsR是控制氣閥彈簧力。當真空閥口打開時，需要克服控制氣閥彈簧力，此彈簧力值大小也是真空助力器壓力滯后的影響因素之一。

(4)FμavR+FμavA是控制閥體和空氣閥之間的摩擦力和推桿與控制閥體之間的摩擦力。根據公式(9)，這2個摩擦力也是壓力滯后的影響因素之一。

4壓力滯后臺架試驗評估方法

壓力滯后試驗使用MTS臺架，采用頻率為0.5 Hz的三角波輸入力進行測試。0.5 Hz三角波即以均勻的力增加速率在1 s內將輸入力達到目標輸入力，然后再在1 s內以均勻力減小速率將輸入力降低到0。目標輸入力設定為達到拐點時所對應的輸入力的80%。即力增加或減小速率為：F拐點輸入力×80%/t。為了達到三角波的輸入力控制，必須對MTS進行輸入力(P，I，D和F)調整。通過重復一系列試驗，采用KP=100、KI=4、KD=0.003、F=1.3可以較為精確地控制MTS的輸入力。MTS的力施加速度是通過測量輸入力進行反饋控制。然而，試驗發現：MTS臺架對從0 N到真空助力器起始力之間階段的控制仍不準確。由于這個階段的輸入力并不隨著推桿前進增加或增加很緩慢，無法達到力的增加速度要求，因此此處采用20 mm/s的推桿速度進行控制，而過了起始力之后采用均勻力增加速率進行控制;回退階段亦類似,如圖3和圖4所示。

以下為具體的測試真空助力器壓力滯后的試驗步驟:

(1)根據整車制動系統要求，選擇合適的2個前制動卡鉗和2個后制動卡鉗，或采用模擬負載。模擬載的選擇必須保證與整車制動系統在±10%公差范圍內。

(2)連接壓力傳感器至制動主缸的第一腔和第二腔的出油口處，連接真空度傳感器在真空助力器和單向閥之間。

(3)檢測數據采集系統，采集數據包括：時間、位移、輸入力、第一腔主缸壓力、第二腔主缸壓力、真空助力器真空度。數據采集頻率要求0.004 s。

(4)MTS設備參數設置。根據真空助力器的拐點輸入力，確定目標輸入力，設置初始速度20 mm/s至150 N，然后以0.5 Hz三角波達到目標輸入力并釋放。

(5)確保MTS設備推桿與真空助力器推桿之間含有一定間隙，以確保真空助力器在試驗前沒有受到預壓。

(6)調整真空助力器的真空至所需要的真空度，一般設置66.7 kPa真空度。

(7)試驗并采集數據。

5真空助力器對真空助力器帶主缸總成的壓力滯后的貢獻分析

真空助力器帶制動主缸總成包含了真空助力器和制動主缸2個主要部件。那么這2個主要部件到底哪個對壓力滯后起主要影響呢？影響各有多大呢？通過在真空助力器和制動主缸之間增加1套力傳感器裝置，如圖5所示，以采集真空助力器的輸出力，從而獲得真空助力器的輸出力滯后數據，同時從制動主缸出油口處的壓力傳感器采集制動主缸的壓力，獲取真空助力器帶制動主缸總成的壓力滯后數據。通過比較兩者之間的數據，可以獲得真空助力器對真空助力器帶主缸的壓力滯后的貢獻。

在試驗前，先檢查增加的力傳感器裝置的效率。不帶真空助力器產品，直接將MTS設備施加7 000 N至力傳感器裝置中，獲取如圖6所示的曲線：此力傳感器裝置前進階段的效率為99.8%～100%,后退階段的效率為99.4%～99.7%，試驗結果見表1。雖然2個階段的效率有些不同，但兩者間相差很小，約0.1%～0.6%，這對研究助力器的壓力滯后貢獻率應該完全足夠。

在確認好力傳感器裝置的效率后，將產品連接至臺架中進行測試。通過試驗分析，表2—4結果顯示：真空助力器對總成的壓力滯后貢獻為85.8%～87.8%，占絕大部分。因此后續如果需要改善真空助力器帶制動主缸總成的壓力滯后性能，將主要集中在真空助力器中。

表2真空助力器帶主缸總成平均壓力滯后

表3真空助力器平均壓力滯后

表4真空助力器平均壓力滯后貢獻率

6真空助力器壓力滯后減小的方法

通過臺架試驗針對真空助力器的壓力滯后影響因素進行驗證，獲得減少真空助力器壓力滯后的方法。驗證試驗前，為了保證所有驗證試驗的一致性，首先對臺架推桿前進和后退速度對壓力滯后的影響進行評估。試驗采用0.1、0.25、0.5和0.75 Hz 4種不同三角波的速度，試驗結果如圖7和圖8所示，施加力的速度對真空助力器的壓力滯后有相當大的影響，速度越低，其壓力滯后越小，推桿速度越快，壓力滯后越大。

根據前文中提到的臺架試驗方法，所有試驗將選擇以0.5 Hz三角波速度達到目標輸入力然后以同樣速度回退至初始位置進行驗證。

根據真空助力器壓力滯后影響因素，驗證試驗從以下幾個方面進行：

反饋盤硬度；

反饋盤厚度；

反饋盤涂抹潤滑油；

控制氣閥組件骨架規格。

(1)調整反饋盤硬度。反饋盤的硬度影響到橡膠材料的彈性系數，低硬度的反饋盤表面材料軟，有較小的彈性系數。試驗選用低、中、高3種不同硬度的反饋盤，反饋盤的規格尺寸均一致。試驗結果如圖9所示，反饋盤硬度對壓力滯后影響很大，低硬度的滯后壓力比高硬度的滯后壓力小約600 kPa，低硬度的反饋盤可以大大地減少壓力滯后。然而，當反饋盤的硬度降低，它在受力情況下更容易磨損，因此也將同時可能影響到反饋盤的壽命。通過一系列驗證試驗找出最合適的硬度，既可以降低壓力滯后，又能滿足壽命要求。

(2)反饋盤厚度對壓力滯后的影響。試驗選用2種反饋盤厚度，分別為7 mm和4.7 mm。試驗結果如圖10所示，7 mm厚度的反饋盤可將壓力滯后率從4.7 mm的14%降低至約12.5%。

(3)反饋盤潤滑。試驗選用同一批反饋盤，制作5個真空助力器。首先未對反饋盤進行涂硅油，進行壓力滯后測試，獲得一組數據。之后將這5個真空助力器的反饋盤涂抹硅油，然后再進行壓力滯后的測試。試驗結果如圖11所示，對反饋盤涂潤滑硅油可將壓力滯后率從18%減低至14%。

(4)控制氣閥骨架大小。試驗選用2種不同大小尺寸規格的控制氣閥骨架，一種骨架大，一種骨架小。大骨架的控制氣閥可以減少控制氣閥的變形，相應地減少了空氣閥和控制閥體在前進和后退間斷中的相對位移量。試驗結果如圖12所示，大骨架控制氣閥的平均壓力滯后率要小于小骨架控制氣閥的平均壓力滯后率。設計時，可根據需要調整控制氣閥骨架大小。

7結論

針對目前真空助力器在推桿前進和后退階段特性曲線不一樣，在同樣的輸出壓力時，前進階段的輸入力和后退階段的輸入力不一樣，產生的真空助力器壓力滯后，使得駕駛員的踏板感覺不一致，而導致駕駛員可能出現誤判斷和操作，作者對真空助力器的壓力滯后進行分析及研究：

(1)提出真空助力器平均壓力滯后和平均壓力滯后率概念；

(2)通過對真空助力器反饋盤進行受力分析，理論計算真空助力器的壓力滯后；

(3)根據理論計算力學公式，確定影響真空助力器壓力滯后的影響因素；

(4)提出MTS臺架測試壓力滯后的測試方法，并通過試驗得出真空助力器對真空助力器帶制動主缸總成的壓力滯后貢獻率；

(5)通過試驗驗證，提出了多種調整真空助力器壓力滯后的方法，包括調整反饋盤厚度、調整反饋盤硬度、反饋盤涂抹硅油、調整控制氣閥組件骨架尺寸規格等。

參考文獻:

【1】QC/T 307-1999真空助力器技術條件[S].

【2】楊維和.汽車制動真空助力器的工作原理與性能計算[J].汽車技術,1991(10):8-13.

【3】楊維和.制動真空助力器的特性曲線的綜合評價[J].汽車技術,1999(9):11-14.

【4】趙凱.汽車真空助力器的原理及參數計算[J].汽車技術,2001(1):1-4.

【5】劉惟信.車設計[M].北京:清華大學出版社,2001.

【6】趙凱,董大偉,李恩田,等.汽車真空助力器輸入-輸出特性曲線的分析方法[J].汽車零部件,2009(2):58-60.

【7】何宇益.影響真空助力器最大助力點以下密封性的因素[J].汽車零部件,2012(10):92-94.

【8】孟德建.面向制動踏板感覺的真空助力器測試、建模與影響分析[J].汽車零部件,2013(11):28.

【9】TRETSIAK D V，KLIAUZOVICH S V，AUGSBURG K,et al.Research in Hydraulic Brake Components and Operational Factors Influencing the Hysteresis Losses[C]// Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers：Part D：Journal of Automobile Engineering,2008:1633-1645.

Analysis and Research for Pressure Hysteresis of Vacuum Booster

LUO Dongqiang

( Beijing West Industry(shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200131, China)

Keywords:Vacuum booster; Pressure hysteresis; Influence factors

Abstract:The concept and calculation of the pressure hysteresis of vacuum booster was discussed. The definitions of average pressure hysteresis and average pressure hysteresis ratio were presented.The factors influencing the average pressure hysteresis were analyzed. The methods of reducing the booster average pressure hysteresis were validated via testing.It is shown that the following methods have been validated, including reducing the reaction rubber hardness, increasing the thickness of the reaction rubber,lubricating the reaction rubber with silicon, increasing the framework of the control valve. Also the contribution level of the booster pressure hysteresis to the assembly of vacuum booster with braking main cylinder was evaluated.

收稿日期：2015-01-17

作者簡介：羅東強，男，大學本科，研究方向為汽車制動。E-mail:dongqiang.luo@bwigroup.com。

中圖分類號:U461.1

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)04-015-06