某自動(dòng)擋轎車制動(dòng)真空度提升方法

竇翠曉，董良，儲(chǔ)軍，應(yīng)卓凡

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

某自動(dòng)擋轎車制動(dòng)真空度提升方法

竇翠曉，董良，儲(chǔ)軍，應(yīng)卓凡

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

針對(duì)某自動(dòng)擋轎車制動(dòng)性能較差問題，通過對(duì)影響因素進(jìn)行詳細(xì)的故障樹分析，確認(rèn)造成制動(dòng)弱的原因是制動(dòng)真空度不足。通過在發(fā)動(dòng)機(jī)與真空助力器之間的真空軟管上增加真空增強(qiáng)閥，利用文丘里效應(yīng)增加制動(dòng)真空度，提高制動(dòng)性能。

真空增強(qiáng)閥；文丘里效應(yīng)；制動(dòng)性能；真空度

CLC NO.:U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-51-04

引言

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，更加注重安全性。制動(dòng)性能是汽車的主要性能之一，制動(dòng)性能的好壞直接關(guān)系到交通安全，大多交通安全事故往往與制動(dòng)性能差、制動(dòng)距離長(zhǎng)等情況有關(guān)，故制動(dòng)性能是汽車安全行駛的重要保障。

自動(dòng)擋轎車因其換擋平順性、傳遞效率高、操作舒適性而得到主機(jī)廠和用戶的偏愛，然而某些自動(dòng)擋轎車在特定工況下因發(fā)動(dòng)機(jī)真空補(bǔ)償不足，導(dǎo)致制動(dòng)踏板硬、制動(dòng)性能較差，尤其是冷啟動(dòng)、怠速、開空調(diào)、等發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載較大的工況，嚴(yán)重影響制動(dòng)性能。

本文針對(duì)某自動(dòng)擋轎車特定工況下出現(xiàn)制動(dòng)性能較差的情況，通過在真空軟管上增加真空增強(qiáng)閥，利用文丘里效應(yīng)，增加制動(dòng)真空度，有效提升其制動(dòng)性能。

1、制動(dòng)真空度影響因素

1.1 制動(dòng)真空助力工作原理

轎車一般采用液壓制動(dòng)系統(tǒng)，其工作原理示意圖如圖1所示[1]。制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，踏板力作用在真空助力器撥叉上，推動(dòng)真空助力氣室與控制閥，產(chǎn)生推力，該推力作用在制動(dòng)主缸上的活塞推桿上，通過液壓管路，使液壓力作用在前后制動(dòng)器上，產(chǎn)生制動(dòng)力。

圖1 制動(dòng)系統(tǒng)組成圖Figure 1 Structure Diagram of Brake System

真空助力器的工作原理，如圖2所示，在非工作狀態(tài)下，彈簧6將推桿連同控制閥柱塞8推到后極限位置，真空單向閥處于開啟狀態(tài)，橡膠閥門5則被彈簧壓緊在空氣閥座上4，從而關(guān)閉了空氣閥口。此時(shí)真空助力器氣室前、后腔經(jīng)通道A、控制閥腔和通道B互相連通，并與空氣隔絕。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管處的真空度上升，真空單向閥打開，真空助力器氣室內(nèi)均產(chǎn)生一定的真空度。當(dāng)制動(dòng)踏板踩下時(shí)，膜片座3固定不動(dòng)，來(lái)自踏板機(jī)構(gòu)的操縱力推動(dòng)控制閥推桿7和控制閥柱塞8相對(duì)于膜片座3前移。當(dāng)柱塞與橡膠反作用盤2間的間隙消除后，操縱力便經(jīng)反作用盤2傳給制動(dòng)主缸推桿1(如下圖)。同時(shí)，橡膠閥門5隨同控制閥柱塞前移，直到與膜片座3上的真空閥座接觸為止。此時(shí)，助力器氣室前后腔隔絕，控制閥推桿7繼續(xù)推動(dòng)控制閥柱塞前移，到其上的空氣閥座4離開橡膠閥門5一定距離。外界空氣充入助力器氣室后腔，使其真空度降低，產(chǎn)生真空助力作用[2]。

圖2 真助力器工作原理Figure 2 Working Principle of Vacuum Booster

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率與真空度關(guān)系

根據(jù)自然進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)特性，其進(jìn)氣歧管真空度由發(fā)動(dòng)機(jī)自身及對(duì)應(yīng)工況的負(fù)載（發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率）決定[3]。圖3是發(fā)動(dòng)機(jī)真空度與轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的關(guān)系。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩越大（即負(fù)荷率越高），其真空度越低。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)真空度與轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的關(guān)系Figure 3 Relationship Between Engine Vacuum and Speed/Load

1.3 真空助力器助力效果與真空度的關(guān)系

真空助力器是利用真空度產(chǎn)生助力效果的，助力器點(diǎn)的輸入-輸出力值與真空度直接相關(guān)，圖4是某助力器在不同真空度下助力效果。從真空助力器助力特性曲線可以看出，真空度越高，助力效果越好。

圖4 真空助力器特性曲線Figure 4 Vacuum Booster Characteristic Curve

2、某自動(dòng)擋轎車真空度提升實(shí)例

2.1 問題描述

某自動(dòng)擋轎車在冷機(jī)啟動(dòng)下開空調(diào)至最大，D檔低速行駛時(shí)制動(dòng)踏板硬，制動(dòng)性能差，加油門及熱機(jī)后制動(dòng)恢復(fù)正常。

2.2 原因分析確認(rèn)

針對(duì)問題描述，因熱機(jī)及加油門后制動(dòng)恢復(fù)正常，排除制動(dòng)器故障。僅在冷啟動(dòng)、怠速、蠕動(dòng)、開空調(diào)等發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載較大的工況下踏板硬[4]，初步判定為真空助力出現(xiàn)問題，影響助力的因素有：真空度不足、助力器不合格、單向閥不合格等。圖5是助力不足的故障樹。

圖5 助力不足故障樹Figure 5 Fault Tree of Power Shortage

針對(duì)上訴所有末端影響因素進(jìn)行測(cè)試，對(duì)影響因素逐一確認(rèn)，測(cè)試結(jié)果如表1。

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，排除助力器及單向閥故障，抽取車輛進(jìn)行真空度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)真空度在問題反饋工況下存在明顯不足，助力器真空度達(dá)到66.7KPa時(shí)才能保證較好的制動(dòng)性能，表2是問題車輛真空度測(cè)試結(jié)果。

在冷啟動(dòng)、怠速、蠕動(dòng)及開空調(diào)工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管真空度較低，因伺服制動(dòng)真空助力系統(tǒng)是利用進(jìn)氣歧管的真空度，故導(dǎo)致制動(dòng)真空度不足，真空度不足會(huì)使得達(dá)相同減速度的所需踏板力較大，即表現(xiàn)為制動(dòng)踏板硬，制動(dòng)性能差。

表1 測(cè)試結(jié)果Table 1 Test Result

表2 真空度測(cè)試記錄表Table 2 Vacuum degree test Record

2.3 方案決策

根據(jù)以上原因確認(rèn)，需要提升制動(dòng)真空度來(lái)提高制動(dòng)性能，解決本問題的途徑有以下3個(gè)：

（1）提升發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管真空度

增加進(jìn)氣歧管真空度能從根源上解決制動(dòng)真空度不足問題，但這需要從發(fā)動(dòng)機(jī)本身及負(fù)載匹配兩方面著手，目前機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)工作全部結(jié)束，重新匹配發(fā)動(dòng)機(jī)及負(fù)載，成本高，周期長(zhǎng)，不能滿足提升進(jìn)度需求，現(xiàn)階段難以實(shí)施。

（2）增加電子真空泵

在發(fā)動(dòng)機(jī)及真空助力器之間加裝電子真空泵是真空補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒ǎ娮诱婵毡霉ぷ餍Ч?，真空提升明顯，但同時(shí)需要增加壓差傳感器、固定支架、線束等，單臺(tái)成本增加多，且真空泵及其支架在發(fā)艙布置存在困難。

（3）增加真空增強(qiáng)閥

在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管及真空助力器之間加裝真空增強(qiáng)閥，利用文丘里效應(yīng)增加助力器真空度，提升制動(dòng)效果。

真空增強(qiáng)閥體積小、重量輕、成本低、開發(fā)周期短，在發(fā)艙布置簡(jiǎn)單，結(jié)合整體情況，選擇途徑3作為本案例的最終方案。

2.4 文丘里效應(yīng)

文丘里效應(yīng)是指當(dāng)風(fēng)吹過阻擋物時(shí)，在阻擋物的背風(fēng)面上方端口附近氣壓相對(duì)較低，從而產(chǎn)生吸附作用并導(dǎo)致空氣的流動(dòng)。它就是把氣流由粗變細(xì)，以加快氣體流速，使氣體在文氏管出口的后側(cè)形成一個(gè)“真空”區(qū)[5]。當(dāng)這個(gè)真空區(qū)靠近工件時(shí)會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生一定的吸附作用，如圖5所示。

圖5 文氏管原理圖Figure 5 Priciple Diagram of Venturi tube

壓縮空氣從文丘里管的入口A進(jìn)入，少部分通過截面很小的噴管B排出，隨之截面逐漸減小，壓縮空氣的壓強(qiáng)增大，流速也隨之變大，這時(shí)就在D吸附腔的進(jìn)口內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)真空度，致使周圍空氣被吸入文氏管內(nèi)，隨著壓縮空氣一起流進(jìn)擴(kuò)散腔內(nèi)增加氣體的流速。

文丘里原理可以用伯努利方程來(lái)表達(dá)：

圖6 伯努利定理圖Figure 5 Bernoulli Theorem

式（1）中p、ρ、v分別為流體的壓強(qiáng)、密度和速度；h為鉛垂高度；g為重力加速度；c為常量。公式（1）表示單位體積流體的動(dòng)能、重力勢(shì)能、壓力能，在沿流線過程中，總和保持不變，即總能量守恒，也可轉(zhuǎn)換成公式（2）。顯然，流體速度增大、壓強(qiáng)就減?。凰俣葴p小，壓強(qiáng)就增大[6]。

本文所述真空增強(qiáng)閥原理如圖7，該閥有A、B、C、D四個(gè)接口，單向閥E集成在里面，A接進(jìn)氣波紋管，B接發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管，C接真空助力器，D處密封，B、D接口之間有一個(gè)單向閥，A、C接口之間有一個(gè)單向閥，A、B接口相通，C、D接口相通?？諝鈴腁口進(jìn)入，經(jīng)中間細(xì)小單向閥口E，根據(jù)文丘里效應(yīng)，在C處產(chǎn)生一定的真空度，補(bǔ)償進(jìn)氣歧管真空不足。

圖7 真空增強(qiáng)閥原理圖Figure 7 Priciple Diagram of Vacuum Aspirator

2.5 方案驗(yàn)證

根據(jù)以上原理，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管與真空助力器之間增加真空增強(qiáng)閥，裝配連接圖如圖8所示。

圖8 真空增強(qiáng)閥連接圖Figure 8 Link Diagram of Vacuum Aspirator

基于以上方案，對(duì)問題車輛進(jìn)行真空度測(cè)試，測(cè)試記錄見圖9。

測(cè)試結(jié)果可見，增加真空增強(qiáng)閥后，助力器真空度增加明顯，下表3是真空度增量匯總表：

表3 真空度增量記錄表Table 3 Vacuum degree Increment Record

以上結(jié)果可見，真空度增加明顯，在冷啟動(dòng)、怠速、蠕動(dòng)、開空調(diào)等發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載較大的工況下，助力器真空度達(dá)到66.7KPa，滿足制動(dòng)性能要求。

圖9 真空度測(cè)試圖Figure 9 Test Diagram of Vacuum degree

3、結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)擋轎車在冷啟動(dòng)、怠速、蠕動(dòng)、開空調(diào)等發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載較高的工況下，進(jìn)氣歧管真空度較低，導(dǎo)致制動(dòng)真空補(bǔ)償不足。制動(dòng)真空度不足不僅影響踏板感覺，還影響制動(dòng)性能，嚴(yán)重的可導(dǎo)致安全事故。通過在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管與真空助力器之間增加真空增強(qiáng)閥，利用文丘里效應(yīng)，明顯提高了制動(dòng)真空度，提高了制動(dòng)性能及行駛安全性。

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009,P89-90.

[2] 陳家瑞.汽車構(gòu)造 [M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.2.

[3] 高海洋.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管真空度的利用[J].天津汽車,1994（3）.

[4] 胡世偉，賈學(xué)東，王超等.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管真空度不足試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置, 2015（4）.

[5] 吳望一.中國(guó)大百科全書[M]74卷.2版.流體力學(xué).中國(guó)大百科全書出版社,2009-07,P50-51.

[6] 王海軍.文丘里管射流裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào),第19卷,第2期,2004（6）.

Lifting method for Braking Vacuum degree of an automatic car

Dou Cuixiao, Dong Liang, Chu Jun, Ying Zhuofan
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., R&D Center, Anhui Hefei 230601 )

Aiming at the problem of poor braking performance of an automatic car, throughing the detailed analysis of fault tree of the influencing factors, it is confirmed that the cause of poor braking performance is the low vacuum degree. Throughing enhancing a vacuum aspirator on the vavuum hose between the engine and vacuum booster, using the Venturi effect to increase the vacuum degree of the brake system and improce the braking performance.

Vacuum Aspirator; Venturi effect; Braking performance; Vacuum degree

U463.5

A

1671-7988(2016)07-51-04

竇翠曉，就職于江淮汽車股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.016