一種基于EMS標(biāo)定的車輛真空度不足的解決方案

凌新新，詹錫蘭，張喜科

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434）

一種基于EMS標(biāo)定的車輛真空度不足的解決方案

凌新新，詹錫蘭，張喜科

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434）

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，多采用真空助力伺服制動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)助力。其真空源來自于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管。現(xiàn)在汽車隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排量的減小和負(fù)載的增加，真空度在某些工況下將出現(xiàn)嚴(yán)重不足的問題，尤其是高海拔地區(qū)。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)EMS的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整車真空助力系統(tǒng)的適應(yīng)性優(yōu)化。整車道路性試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的真空助力系統(tǒng)滿足整車使用要求。

EMS標(biāo)定；制動(dòng)系統(tǒng)；高海拔；空調(diào)控制；怠速控制

0 前言

隨著乘用車技術(shù)的發(fā)展，顧客在滿足舒適性、動(dòng)力性等基本性能的基礎(chǔ)上，開始更注重于轎車的安全性，對(duì)于車輛制動(dòng)性能要求越來越高。絕大多數(shù)的轎車采用真空助力伺服制動(dòng)系統(tǒng)，使人力和動(dòng)力并用。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)轎車的制動(dòng)系統(tǒng)真空助力裝置的真空源來自于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管[1]。進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣絕對(duì)壓力與大氣壓力的差值即為真空度。

為了提高整車的舒適性和駕駛方便性，在當(dāng)代汽車上大功率的空調(diào)、自動(dòng)變速箱、后視鏡電加熱、后窗加熱已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置，這就導(dǎo)致了進(jìn)氣歧管的絕對(duì)壓力越來越高，同時(shí)由于汽車經(jīng)濟(jì)性要求越來越高，小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)成為汽車發(fā)展的趨勢(shì)，為了滿足整車的舒適性和駕駛方便性的要求，真空度向逐漸下降的趨勢(shì)發(fā)展。

另外一方面真空助力系統(tǒng)在滿足正常工況下剎車時(shí)提供助力的同時(shí)，如何能讓真空助力系統(tǒng)在高海拔地區(qū)提供高效助力也是當(dāng)前轎車設(shè)計(jì)人員面對(duì)的一個(gè)課題。

隨著海拔高度的不斷上升，在高海拔地區(qū)隨著大氣壓力的下降，如圖1所示，將無法提供足夠的真空度給真空助力系統(tǒng)，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)載工作下，真空助力系統(tǒng)更無法滿足制動(dòng)系統(tǒng)的需要，制動(dòng)踏板力明顯增大，存在嚴(yán)重安全隱患。

本文所闡述的真空助力系統(tǒng)匹配標(biāo)定的方法，通過軟件匹配并標(biāo)定后能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)真空助力系統(tǒng)中真空度的變化情況，及時(shí)控制空調(diào)的開閉和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，抽取助力系統(tǒng)中多余的空氣，提高真空助力系統(tǒng)真空度，以達(dá)到車輛制動(dòng)所需真空度的下限，保證車輛的制動(dòng)性能。

1 基于EMS的匹配標(biāo)定過程及分析

1.1 制動(dòng)性能分析與匹配方法

本文所述的原車型制動(dòng)系統(tǒng)采用雙管路液壓－真空助力制動(dòng)系統(tǒng)，前制動(dòng)器采用雙膜片式真空助力器，4輪缸對(duì)稱式制動(dòng)鉗和盤式制動(dòng)器。真空助力器安裝于制動(dòng)踏板和制動(dòng)主缸之間，由踏板通過推桿直接操縱。助力器與踏板產(chǎn)生的力疊加在一起作用在制動(dòng)主缸推桿上，以提高制動(dòng)主缸的輸出壓力。真空助力器的真空伺服氣室由帶有橡膠膜片的活塞分為常壓室與變壓室，一般常壓室的真空度為0.6～0.8 bar。真空助力器所能提供助力的大小取決于其常壓室與變壓室氣壓差值的大小。當(dāng)變壓室的真空度達(dá)到外界大氣壓時(shí)，真空助力器可以提供最大的制動(dòng)助力[2]。圖2所示為某車型的雙膜片式真空助力器（帶制動(dòng)主缸）[3]。

圖1 大氣壓力隨海拔高度變化關(guān)系圖

圖2 雙膜片式真空助力器帶制動(dòng)主缸

當(dāng)海拔升高時(shí)，真空度出現(xiàn)不足，此時(shí)真空助力器的特性無法按照設(shè)計(jì)要求正常工作，導(dǎo)致踏板力偏大，制動(dòng)偏硬，這個(gè)時(shí)候就要盡可能降低負(fù)載造成的影響，通過控制相關(guān)的負(fù)載和及時(shí)的提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來增加真空度，保證駕駛的安全性。真空助力器的特性曲線如圖3所示[4]。

圖3 真空助力器輸入、輸出特性

從圖3真空助力器的輸入、輸出特性曲線中可以看出，真空度越高，助力器的輸出特性越好，在同樣輸入力的前提下，輸出力越大，制動(dòng)強(qiáng)度越高。

本文通過真空度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)真空助力器內(nèi)真空度的變化情況，同時(shí)結(jié)合車速的變化、油門踏板的信號(hào)的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU單元對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)模塊，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門的開度變化，提升整車真空度水平。設(shè)計(jì)方案的聯(lián)結(jié)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)方案聯(lián)結(jié)簡(jiǎn)圖

1.2 詳細(xì)匹配過程分析

1.2.1 系統(tǒng)工作控制邏輯圖

控制邏輯簡(jiǎn)圖如圖5所示?？照{(diào)需要同時(shí)滿足以下三個(gè)條件才可關(guān)閉：

圖5 系統(tǒng)控制邏輯簡(jiǎn)圖

（1）車速在規(guī)定范圍內(nèi)，如0.5 km/h～40 km/h；

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速狀態(tài)下；

（3）真空度在規(guī)定的范圍內(nèi)，如20 kPa～40 kPa。

以上有一個(gè)條件不滿足，空調(diào)將不關(guān)閉或者重新開啟。

1.2.2 技術(shù)方案主要步驟

（1）傳感器模塊

通過真空度傳感器獲取助力器真空度信息，并判斷系統(tǒng)是否發(fā)生漏氣或零部件是否存在故障，如不正常則發(fā)出警告信息，其報(bào)警邏輯如圖6所示。

（2）控制器模塊

根據(jù)真空度信息和制動(dòng)踏板信號(hào)，結(jié)合油門踏板信號(hào)、整車速度判斷是否發(fā)出關(guān)閉空調(diào)指令，同時(shí)根據(jù)檔位信息變化，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行控制。

（3）執(zhí)行器模塊

ECU發(fā)出關(guān)閉空調(diào)指令，關(guān)閉壓縮機(jī)模塊，同時(shí)控制器模塊繼續(xù)監(jiān)控油門踏板信號(hào)、整車速度及真空度信息，判斷真空度是否達(dá)到要求，是否需要重新打開空調(diào)。

（4）制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

助力器根據(jù)真空度的變化產(chǎn)生相應(yīng)的助力推動(dòng)制動(dòng)主缸，制動(dòng)器接受管路壓力產(chǎn)生預(yù)期的制動(dòng)力和制動(dòng)效果。

1.2.3 每一步的控制條件和參數(shù)

（1）步驟1控制參數(shù)

真空度傳感器真空度數(shù)據(jù)：點(diǎn)火鑰匙處于ON狀態(tài)，真空度傳感器偵測(cè)助力器真空度，并進(jìn)行自檢和周期性檢測(cè)助力器真空度，檢查助力器真空度與進(jìn)氣歧管真空度差值情況，如果助力器真空度持續(xù)5 s比進(jìn)氣歧管真空度低15 kPa以上，則記錄故障碼，發(fā)出報(bào)警信息。

（2）步驟2控制參數(shù)

制動(dòng)踏板信號(hào)：制動(dòng)觸發(fā)的開始信號(hào)。

油門踏板信號(hào)：判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否處在怠速狀態(tài)，只要不踩踏油門即發(fā)動(dòng)機(jī)為怠速狀態(tài)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處在怠速狀態(tài)下，進(jìn)入空調(diào)控制邏輯。

圖6 真空度監(jiān)測(cè)報(bào)警邏輯簡(jiǎn)圖

車速信號(hào)：判斷整車車速是否在控制范圍以內(nèi)，要求在0.5 km/h～40 km/h，車速低于0.5 km/h或者高于40 km/h，都將退出空調(diào)控制邏輯。

真空度信號(hào)：判斷真空度是否超過控制范圍，要求在20 kPa～40 kPa，低于20 kPa則進(jìn)入空調(diào)控制邏輯，高于40 kPa則退出空調(diào)控制邏輯。

進(jìn)氣歧管壓力信號(hào)：判斷整車所處的海拔高度，當(dāng)海拔高于2 000 m以上，進(jìn)入空調(diào)控制邏輯。

（3）步驟3控制參數(shù)

1）壓縮機(jī)控制信號(hào)：控制空調(diào)壓縮機(jī)開關(guān)。

2）油門踏板信號(hào)：判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否處在怠速狀態(tài)，只要不踩踏油門即發(fā)動(dòng)機(jī)為怠速狀態(tài)。

3）車速信號(hào)：判斷整車車速是否在控制范圍以內(nèi)，要求在0.5 km/h～40 km/h，車速低于0.5 km/h或者高于40 km/h，都將退出空調(diào)控制邏輯。

4）真空度信號(hào)：判斷真空度是否超過控制范圍，要求在20 kPa～40 kPa，低于20 kPa則進(jìn)入空調(diào)控制邏輯，高于40 kPa則退出空調(diào)控制邏輯。

5）進(jìn)氣歧管壓力信號(hào)：判斷整車所處的海拔高度，當(dāng)海拔高于2 000 m以上，進(jìn)入空調(diào)控制邏輯，當(dāng)海拔高于3 500 m以上時(shí)，進(jìn)入怠速控制邏輯。

6）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)：在規(guī)定的3 500 m海拔以上，根據(jù)真空度的變化情況，當(dāng)檔位信息滿足要求時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速提升40 r/min～170 r/min進(jìn)行驗(yàn)證。

7）換檔器檔位信號(hào)：輸出換向器檔位信息給TCU，當(dāng)換檔器處在D檔和R檔狀態(tài)，進(jìn)入怠速控制邏輯，當(dāng)換檔器處在P檔和N檔狀態(tài)，退出怠速控制邏輯。

（4）步驟4控制參數(shù)

真空助力器特性曲線：不同的真空度特性曲線不同，輸出壓力不同，助力效能不同。

2 實(shí)車驗(yàn)證及標(biāo)定結(jié)果確認(rèn)

根據(jù)前文的控制邏輯，針對(duì)某車型進(jìn)行了兩輪的高原制動(dòng)整車試驗(yàn)，通過對(duì)制動(dòng)踏板力和怠速轉(zhuǎn)速的詳細(xì)測(cè)量及對(duì)比試驗(yàn)，得到如下結(jié)果。

2.1 制動(dòng)踏板力的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

（1）MT配置在3 500 m、4 100 m及4 700 m踏板力實(shí)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 某車型MT配置驗(yàn)證結(jié)果

（2）AT配置在3 500 m、4 100 m及4 700 m踏板力實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 某車型AT配置驗(yàn)證結(jié)果

通過使用上述方案，不同配置車型的制動(dòng)踏板力在不同海拔下都得到了較大幅度的降低，制動(dòng)安全性得到了顯著的提升。

2.2 一定海拔下不同控制方案怠速轉(zhuǎn)速變化試驗(yàn)結(jié)果

圖9 某車型AT配置怠速轉(zhuǎn)速變化結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。匹配過程中，分別驗(yàn)證了某車型AT配置在實(shí)施關(guān)閉空調(diào)策略后，不同檔位變化下，怠速轉(zhuǎn)速的變化情況，怠速轉(zhuǎn)速提升范圍從40 r/min～170 r/min不等。

3 結(jié)束語

對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)而言，真空度越大，駕駛員踩踏板也越省力，越能保證汽車制動(dòng)系統(tǒng)的易操縱性。文章利用EMS的標(biāo)定，通過對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，來實(shí)現(xiàn)整車真空度的提升，保證了制動(dòng)系統(tǒng)在極端情況下的制動(dòng)效能，滿足了整車在海拔4 000 m以上的使用要求，同時(shí)由于并未額外增加真空源，降低了整車的成本，根據(jù)整車道路試驗(yàn)結(jié)果可知，優(yōu)化后的真空助力系統(tǒng)是合理的，滿足了整車的使用要求。

［1］［美］L.魯?shù)婪?，張蔚林，陳名智譯.汽車制動(dòng)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［2］方泳龍.汽車制動(dòng)理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［3］躍進(jìn)汽車集團(tuán)公司.南京依維柯汽車維修手冊(cè)［M］.長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

［4］林逸，賀麗娟，何洪文，等.電動(dòng)汽車真空助力系統(tǒng)的計(jì)算研究［J］.汽車技術(shù)，2006（10）：1-4.

Solution to Vehicle of Low Vacuum Based on EMS Calibration

LING Xin-xin，ZHAN Xi-lan，ZHANG Xi-ke
（Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd，Automotive Engineering Institute，Guangzhou511434，China）

For traditional internal combustion engine vehicles，the brake system uses a vacuum brake booster servo system to achieve power.Its vacuum source comes from the engine intake manifold.Now，with engine displacement decreases and the load increases，the degree of vacuum in certain conditions will be a serious shortage，especially in high altitude areas.Based on the engine EMS calibration，realized the adaptability of the vehicle vacuum booster system optimization.Vehicle road test showed that the optimized vacuum booster system meets the vehicle requirements.

EMS calibration；brake system；high altitude；air-conditioning control；idle speed control

U463.5

A

1009－9492(2014)02－0073－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.021

凌新新，男，1986年生，安徽蚌埠人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：底盤制動(dòng)系統(tǒng)液壓及真空助力。

(編輯：向 飛)

2013－08－15