某汽車低速制動(dòng)助力不足影響因素試驗(yàn)分析

楊嵩，黃海波，李平飛（西華大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，四川 成都 610039）

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某汽車低速制動(dòng)助力不足影響因素試驗(yàn)分析

楊嵩，黃海波，李平飛
（西華大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，四川 成都 610039）

摘要：文章對(duì)某品牌車輛在高原地區(qū)低速行駛時(shí)的制動(dòng)性能展開實(shí)地試驗(yàn)研究，通過設(shè)置5組對(duì)比試驗(yàn)，模擬車輛可能出現(xiàn)的多種低速制動(dòng)工況，分析探究該車輛在高原地區(qū)低速行駛過程中制動(dòng)助力不足的影響因素，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)論證車輛改進(jìn)方案的有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明，車輛改進(jìn)方案在一定程度上能提高真空助力器的真空度以及真空恢復(fù)速率，有助于改善車輛的制動(dòng)安全性。

關(guān)鍵詞：低速制動(dòng)；高原地區(qū)；制動(dòng)減弱；試驗(yàn)改進(jìn)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U463.51Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-160-04

引言

汽車真空助力器是借助外界大氣壓與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管之間所存在的真空壓力差，將駕駛員作用在制動(dòng)踏板上的作用力放大后傳給制動(dòng)主缸，增加制動(dòng)主缸產(chǎn)生的制動(dòng)液壓力，從而起到增大制動(dòng)力的助力作用。

在高原地區(qū)使用的車輛，由于受到地理海拔高、大氣壓力低、道路條件差等環(huán)境因素影響，汽車的制動(dòng)性能受到嚴(yán)重考驗(yàn)[1]。高原地區(qū)空氣氧含量較低，為保障行駛動(dòng)力性，自然進(jìn)氣的汽車通常會(huì)采取增大發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度的方法來增加進(jìn)氣量，但同時(shí)也減小了進(jìn)氣歧管的真空度，使得真空助力器所提供的制動(dòng)助力難以滿足正常的制動(dòng)需求，出現(xiàn)制動(dòng)發(fā)硬現(xiàn)象，影響著汽車的行車安全[2]。

1、國內(nèi)外研究

制動(dòng)助力不足對(duì)行車安全危害較大，國內(nèi)外相關(guān)研究較多。日本愛德克斯（ADVICS）公司的Yuji Goto， Atsushi Yasuda等人設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式的壓力切換裝置，該裝置在真空助力失效的情況下通過改變制動(dòng)主缸工作腔的橫截面積以增大制動(dòng)管路壓力[3]。Nobuyuki Hirota等通過改進(jìn)傳統(tǒng)的真空助力器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了助力器輸出特性的優(yōu)化，使之與ABS系統(tǒng)更契合，有利于提高車輛主動(dòng)安全性[4]。

在我國，南京依維柯汽車有限公司的楊希志等對(duì)高原條件下連續(xù)制動(dòng)前后的汽車真空助力系統(tǒng)參數(shù)變化進(jìn)行了分析，在高原上，隨著海拔的升高，汽車真空伺服制動(dòng)系首次制動(dòng)助力效果會(huì)變差，但是其連續(xù)制動(dòng)穩(wěn)定后的制動(dòng)助力效果與平原制動(dòng)助力效果相當(dāng)[5]。行業(yè)內(nèi)多以20kPa的真空度作為制動(dòng)助力不足的報(bào)警閾值，助力器真空度低于閾值時(shí)將啟動(dòng)電動(dòng)真空泵或者其他控制策略以彌補(bǔ)制動(dòng)助力的不足。廣汽研究院的凌新新等人提出了一種基于EMS標(biāo)定的車輛真空度不足的解決方案，通過改善發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)了車輛對(duì)高海拔環(huán)境的適應(yīng)性[6]。

清華大學(xué)曾于2014年對(duì)某品牌SUV汽車進(jìn)行過制動(dòng)性能方面的試驗(yàn)研究。其中一組試驗(yàn)通過人為變控真空助力裝置的真空度，模擬了汽車在高原地區(qū)面臨的低真空度情況。如圖1所示，該組試驗(yàn)通過減小真空助力器真空度至-37.62 kPa、-22.57kPa、-7.52kPa，監(jiān)測并記錄車輛在平直路面上以50km/h的初速度制動(dòng)時(shí)，在不同制動(dòng)強(qiáng)度下的制動(dòng)表現(xiàn)，并通過與真空助力器在正常工作（真空度約-52.675kPa）時(shí)的制動(dòng)表現(xiàn)進(jìn)行對(duì)照，擬合出多組真空度狀態(tài)下的制動(dòng)踏板力與平均制動(dòng)減速度的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1　制動(dòng)踏板力和平均制動(dòng)減速度曲線圖

從圖中可以看出，當(dāng)助力器真空度由正常值（-52.675kPa）降低至-37.62kPa、-22.57kPa，汽車在同樣道路環(huán)境下獲得的制動(dòng)減速度幾乎一致，制動(dòng)性能并未受到明顯影響；但助力器真空度降低至-7.525kPa時(shí)，助力器明顯無法提供正常的制動(dòng)助力，導(dǎo)致車輛的制動(dòng)性能下降，此時(shí)為達(dá)到正常的制動(dòng)減速度必須增大制動(dòng)踏板力，即發(fā)生了制動(dòng)發(fā)硬現(xiàn)象。這一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明行業(yè)內(nèi)以-20kPa的真空度作為助力器能提供正常制動(dòng)助力的報(bào)警閾值是合理的。

2、問題的提出

某品牌車輛在高原地區(qū)行駛曾出現(xiàn)過制動(dòng)發(fā)硬、制動(dòng)效能不足的現(xiàn)象，據(jù)了解這種情況只出現(xiàn)在低速制動(dòng)的工況下，尤其是在停車場泊車（發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行，掛檔，大轉(zhuǎn)向，空調(diào)開大）等極端工況中容易出現(xiàn)。經(jīng)分析原因助力器助力不足主要受到三個(gè)因素的影響：一是國標(biāo)對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能的要求導(dǎo)致車輛制動(dòng)時(shí)額外的真空度能量的減少；二是低速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，換氣頻率較低；三是高原地區(qū)空中含氧量少，為保證動(dòng)力性會(huì)增大節(jié)氣門開度以吸入更多空氣。受此三個(gè)因素的影響，進(jìn)氣歧管中真空度的恢復(fù)速率抵抗發(fā)動(dòng)機(jī)額外負(fù)荷的干擾能力變差，在大負(fù)荷工況下進(jìn)氣歧管真空度始終處于較低水平，助力器真空度相應(yīng)減小導(dǎo)致制動(dòng)助力不足。

為消除此類現(xiàn)象，技術(shù)人員提出了改進(jìn)方案：增大文氏管真空泵中的單向閥尺寸，以增大真空助力器的真空度；同時(shí)更新真空傳感器及制動(dòng)電控單元以改善真空度的恢復(fù)速率；另外，針對(duì)車輛在極端工況下容易發(fā)生制動(dòng)發(fā)硬的情況，采取新的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷控制策略以減小發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，改善真空恢復(fù)速率，但僅在助力器正常工作真空度小于-28kPa等多條件同時(shí)滿足情況下起作用。

3、試驗(yàn)方案的制定

為充分了解該車型在高原地區(qū)低速運(yùn)行時(shí)的制動(dòng)性能并改進(jìn)方案的有效性，研究人員于2014年在西藏拉薩市（海拔高度約為3650m），分別在一臺(tái)未執(zhí)行改進(jìn)方案的車輛（簡稱A車）和一臺(tái)執(zhí)行了改進(jìn)方案的車輛（簡稱B車）上進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)制動(dòng)時(shí)車速、減速度、助力器的真空度、制動(dòng)踏板力等參數(shù)進(jìn)行了測量。結(jié)合該車型在高原地區(qū)出現(xiàn)制動(dòng)發(fā)硬現(xiàn)象的工況特征，設(shè)置五組試驗(yàn)方案來檢測真空助力器真空度對(duì)駕駛員制動(dòng)感受的影響：冷啟動(dòng)靜態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)、低速10次動(dòng)態(tài)連續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)、低速4次動(dòng)態(tài)連續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)、靜態(tài)真空度恢復(fù)試驗(yàn)、怠速大負(fù)荷大轉(zhuǎn)向連續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)。

3.1冷啟動(dòng)靜態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)方案：發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)，保持車輛靜止，連續(xù)踩制動(dòng)踏板到底5次（每次間隔1~2秒），記錄助力器真空度變化情況。本方案模擬汽車?yán)鋯?dòng)工況下的制動(dòng)情況。

3.2低速10次動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)方案：車輛在平直道路上，掛入D擋，空調(diào)關(guān)閉，加速到10km/h～15km/h，以0.3g～0.33g（約3.0m/s2）的減速度制動(dòng)至車輛停止，重復(fù)相同條件的試驗(yàn)10次?？照{(diào)開到最大，其他條件及方法與關(guān)閉空調(diào)時(shí)的試驗(yàn)方案一致，重復(fù)相同條件的試驗(yàn)10次。記錄制動(dòng)踏板力、助力器真空度等數(shù)據(jù)。本方案模擬汽車低速行駛過程中進(jìn)行制動(dòng)的情況。

3.3低速動(dòng)態(tài)連續(xù)4次制動(dòng)

試驗(yàn)方案：車輛在平直道路上，掛入D擋，空調(diào)關(guān)閉，加速到15km/h～20km/h，連續(xù)制動(dòng)三次（間隔約為1秒）后，全制動(dòng)停車?？照{(diào)開到最大，其他條件及方法與關(guān)閉空調(diào)時(shí)的試驗(yàn)方案一致進(jìn)行試驗(yàn)。記錄制動(dòng)踏板力、車速、減速度、助力器真空度等數(shù)據(jù)。本方案模擬車輛低速行駛過程中常見的一種全制動(dòng)工況下的制動(dòng)情況。

3.4靜態(tài)真空度恢復(fù)試驗(yàn)

試驗(yàn)方案：在發(fā)動(dòng)機(jī)為熱態(tài)（至少已啟動(dòng)30min）的前提下，用木塊等障礙物限制車輛前行，掛入D擋，空調(diào)開到最大。快速連續(xù)踩下制動(dòng)踏板，使助力器真空度下降至-20kPa以下，松開制動(dòng)踏板并記錄真空度恢復(fù)至-28kPa時(shí)所用的時(shí)間。本方案模擬車輛真空助力器真空度的恢復(fù)速度。

3.5怠速大轉(zhuǎn)向開空調(diào)連續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)方案：在發(fā)動(dòng)機(jī)為熱態(tài)，移除木塊等障礙物，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，變速箱掛入D檔，空調(diào)開到最大，打滿轉(zhuǎn)向，使車輛緩慢行進(jìn)，并快速連續(xù)踩下制動(dòng)踏板，記錄制動(dòng)踏板力、汽車減速度變化情況。本方案模擬車輛在停車場泊車時(shí)的極端制動(dòng)工況下的制動(dòng)情況。

4、試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

4.1冷啟動(dòng)靜態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)

在靜態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)中，A、B車真空助力器真空度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線如圖2所示：

圖2　冷啟動(dòng)靜態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)下的助力器真空度曲線

從圖2中可以看到，A車在冷啟動(dòng)狀態(tài)下共制動(dòng)了6次，助力器真空度在每次制動(dòng)后均下降至-20kPa以下，重新恢復(fù)至-20kPa的時(shí)間分別為：0.24s，0.75s，0.8s，0.75s，0.84s，0.164s，平均恢復(fù)時(shí)間為0.59s。而B車進(jìn)行了5次制動(dòng)，助力器真空度均未下降至-20kPa以下。

4.2低速10次動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)

圖3　A車，空調(diào)關(guān)閉，低速10次動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)

圖4　A車，打開空調(diào)，低速10次動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)

從圖3、4中可以看出，由于車速相對(duì)較快、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，A車試驗(yàn)時(shí)并未發(fā)現(xiàn)真空助力器真空度下降至-20kPa以下或出現(xiàn)制助力不足的狀況。不開空調(diào)時(shí)，助力器真空度最低約為-36.7kPa，打開空調(diào)時(shí)，助力器真空度最低約為-31.2kPa，即由空調(diào)因素引起的真空度下降值約為5.5kPa。說明開空調(diào)增大了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，對(duì)助力器真空度有一定的影響。

圖5　A車，空調(diào)關(guān)閉，低速動(dòng)態(tài)連續(xù)4次制動(dòng)試驗(yàn)

圖6　A車，打開空調(diào)，低速動(dòng)態(tài)連續(xù)4次制動(dòng)試驗(yàn)

4.3低速動(dòng)態(tài)連續(xù)4次制動(dòng)從圖5、6中可以看出，A車不開空調(diào)試驗(yàn)時(shí)真空助力器真空度最小為-27.7kPa，打開空調(diào)時(shí)為-18.72kPa，即由空調(diào)因素引起的真空度下降值約為8.98kPa。說明開空調(diào)增大了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，對(duì)助力器真空度有一定的影響。

4.4靜態(tài)真空度恢復(fù)試驗(yàn)

圖7　靜態(tài)真空度恢復(fù)試驗(yàn)助力器真空度曲線

在A車上進(jìn)行了三次試驗(yàn)，圖7所示，真空度從-20kPa恢復(fù)至-28kPa的時(shí)間分別為：11s、1.3s（壞值除去）、7s，平均值為9s。在B車上進(jìn)行了三次試驗(yàn)，真空度的恢復(fù)時(shí)間分別為：0.99s，3.9s，3.9s，平均值為2.93s。即在執(zhí)行了改進(jìn)方案后，車輛真空度恢復(fù)時(shí)間明顯縮短。

4.5怠速大轉(zhuǎn)向開空調(diào)連續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)

圖8　踏板力曲線圖（A車）

圖9　踏板力曲線圖（B車）

由圖8、9所示，A車在連續(xù)制動(dòng)時(shí)，由于真空度恢復(fù)速率不足導(dǎo)致制動(dòng)踏板力從約35N增大到約135N；在B車上，隨著制動(dòng)次數(shù)增多，也出現(xiàn)了真空度恢復(fù)速率不足導(dǎo)致的制動(dòng)踏板力增大的現(xiàn)象（增至約134.75N）。即改進(jìn)方案并未解決該工況下車輛真空助力不足的問題。

5、結(jié)論

（1）從2組、3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：開空調(diào)會(huì)增大發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、降低助力器真空度，有可能影響制動(dòng)性能。

（2）從1組和4組對(duì)比試驗(yàn)中可以看出：改進(jìn)方案可以使助力器真空度的恢復(fù)速率改善，最低真空度提高，有助于增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)額外負(fù)荷的適應(yīng)性。

（3）在5組試驗(yàn)對(duì)比中，從試驗(yàn)采集的真空度數(shù)據(jù)來看，生產(chǎn)商提供的改進(jìn)方案在一定程度上有助于提高車輛低速行駛時(shí)的真空度，基本滿足了車輛的正常制動(dòng)要求。只有第5組試驗(yàn)中發(fā)生了制動(dòng)力明顯增大的現(xiàn)象，說明改進(jìn)方案在該工況下未能改善制動(dòng)助力不足的問題。同時(shí)，考慮到此種制動(dòng)力增大的現(xiàn)象只有在車速極低的工況下表現(xiàn)出來，因此幾乎不會(huì)對(duì)車輛行駛安全造成影響。

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Experimental analysis on the influence factors of low speed brake booster

Yang Song, Huang Haibo, Li Pingfei
( XihuaUniversity, School of Automobile & Transportation, Sichuan Chengdu 610039 )

Abstract:This article introduces a vehicle low-speed braking performance test carried out in the plateau region on vehicles with a certain brand.5 groups of contrast experiment programs were set and operated to simulatea variety of low-speed braking conditions. Through the analysis of test data, the influence factors of vehicle’s low-speed brake power shortage in the plateau region were analyzed and explored, and a certain improvement for vehicles were proved to be effective.The test results indicate that the improvement scheme can improve vacuum booster vacuum and vacuum recovery rate in a certain extent, which helping to improve the vehicle braking safety.

Keywords:low-speed braking; plateau area; brake decline; experiment improvement

中圖分類號(hào)：U463.51

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988 （2016）05-160-04

作者簡介：楊嵩，就讀于西華大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院。