汽車真空助力器壓力滯后的分析及研究

羅東強(qiáng)

( 京西重工(上海)有限公司，上海 200131 )

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汽車真空助力器壓力滯后的分析及研究

羅東強(qiáng)

( 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(jì)算, 提出平均壓力滯后和平均壓力滯后率的概念。并詳細(xì)闡述真空助力器壓力滯后的影響因素，通過試驗(yàn)驗(yàn)證減少真空助力器壓力滯后水平的方法。結(jié)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(shí)通過試驗(yàn)，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(xiàn)水平。

關(guān)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(fā)動機(jī)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(jīng)廣泛使用于各種類型的轎車和輕型車的制動系統(tǒng)中。由于制動系統(tǒng)與行車的安全性密切相關(guān),因此作為汽車底盤制動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件,真空助力器使用性能必須有嚴(yán)格的要求來進(jìn)行保證。1999年制定的真空助力器的汽車行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)QC/T 307-1999《真空助力器技術(shù)條件》中,主要對真空助力器的起始力、回復(fù)力、跳增值、助力比等主要性能指標(biāo)進(jìn)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(xué)計(jì)算, 提出平均壓力滯后和平均壓力滯后率的概念。詳細(xì)闡述真空助力器的壓力滯后影響因素，并通過試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)通過試驗(yàn)，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(xiàn)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(gè)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(jìn)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(jìn)過程中產(chǎn)生的輸出壓力要小于推桿后退過程中產(chǎn)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(shí)候，助力器推桿前進(jìn)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(chǎn)生制動壓力所形成的踏板感覺和回退時(shí)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(zhǔn)確的判斷。因此希望在設(shè)計(jì)真空助力器的時(shí)候，壓力滯后越小越好。

為了更全面評估前進(jìn)和后退全過程中的壓力滯后情況，采用指標(biāo)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(qū)間，推桿后退過程中和推桿前進(jìn)過程中輸出壓力差值的平均值。而由于不同尺寸規(guī)格的真空助力器產(chǎn)生不一樣的最大助力壓力，為了可以同時(shí)評估不同尺寸規(guī)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(biāo)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(biāo)輸入力產(chǎn)生的輸出壓力的比值，目標(biāo)輸入力一般為拐點(diǎn)壓力時(shí)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(guān)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(cè)接觸輸出推桿，另一側(cè)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(jìn)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(gè)部分，一部分為作用在控制閥體產(chǎn)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(diǎn)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(chǎn)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(diào)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(jìn)和后退階段，但是在各個(gè)階段的表現(xiàn)則不一樣。在輸入推桿前進(jìn)階段，真空閥口始終關(guān)閉，空氣閥座持續(xù)關(guān)閉和開啟(或者保持略微開啟狀態(tài))，使得空氣能進(jìn)入到大氣腔。而在回退過程中，真空閥口持續(xù)關(guān)閉和開啟(或者保持略微開啟狀態(tài))，使得大氣能從大氣腔抽取。對應(yīng)2種不同的階段，輸出力Fout的力學(xué)公式相應(yīng)不同。

在真空助力器推桿前進(jìn)階段時(shí)，真空助力器的真空閥口關(guān)閉，大氣閥口準(zhǔn)備開啟。此時(shí)計(jì)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(guān)閉，真空閥口準(zhǔn)備開啟。此時(shí)計(jì)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(huán)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(jù)定義，壓力滯后為同樣的輸入力時(shí)輸出壓力的差值，可按照以下公式計(jì)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(jìn)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(jù)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(jìn)和后退過程中，空氣閥和控制閥體相對位置不一樣在2個(gè)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(gè)主要來自于空氣閥和控制閥體與控制氣閥接觸時(shí)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(chǎn)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(guī)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(jìn)階段跳躍值。根據(jù)汽車行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)QC/T 307-1999《真空助力器技術(shù)條件》，跳躍值定義為通過起始力的點(diǎn)作的垂線與助力器的助力比特性線的延長線的交點(diǎn)。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(shí)產(chǎn)生的輸出力。而在前進(jìn)和后退階段，此處的間隙并不一樣，因?yàn)榭諝忾y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(diào)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(jìn)和后退過程中的間隙不一樣。同時(shí)，通過對反饋盤涂潤滑油，可減少反饋盤的阻力，也可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退過程中的間隙控制。

(3)FfcvsR是控制氣閥彈簧力。當(dāng)真空閥口打開時(shí)，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(jù)公式(9)，這2個(gè)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(yàn)評估方法

壓力滯后試驗(yàn)使用MTS臺架，采用頻率為0.5 Hz的三角波輸入力進(jìn)行測試。0.5 Hz三角波即以均勻的力增加速率在1 s內(nèi)將輸入力達(dá)到目標(biāo)輸入力，然后再在1 s內(nèi)以均勻力減小速率將輸入力降低到0。目標(biāo)輸入力設(shè)定為達(dá)到拐點(diǎn)時(shí)所對應(yīng)的輸入力的80%。即力增加或減小速率為：F拐點(diǎn)輸入力×80%/t。為了達(dá)到三角波的輸入力控制，必須對MTS進(jìn)行輸入力(P，I，D和F)調(diào)整。通過重復(fù)一系列試驗(yàn)，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(jìn)行反饋控制。然而，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：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(zhǔn)確。由于這個(gè)階段的輸入力并不隨著推桿前進(jìn)增加或增加很緩慢，無法達(dá)到力的增加速度要求，因此此處采用20 mm/s的推桿速度進(jìn)行控制，而過了起始力之后采用均勻力增加速率進(jìn)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(yàn)步驟:

(1)根據(jù)整車制動系統(tǒng)要求，選擇合適的2個(gè)前制動卡鉗和2個(gè)后制動卡鉗，或采用模擬負(fù)載。模擬載的選擇必須保證與整車制動系統(tǒng)在±10%公差范圍內(nèi)。

(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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)包括：時(shí)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(shù)據(jù)采集頻率要求0.004 s。

(4)MTS設(shè)備參數(shù)設(shè)置。根據(jù)真空助力器的拐點(diǎn)輸入力，確定目標(biāo)輸入力，設(shè)置初始速度20 mm/s至150 N，然后以0.5 Hz三角波達(dá)到目標(biāo)輸入力并釋放。

(5)確保MTS設(shè)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(yàn)前沒有受到預(yù)壓。

(6)調(diào)整真空助力器的真空至所需要的真空度，一般設(shè)置66.7 kPa真空度。

(7)試驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)。

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(xiàn)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(gè)主要部件。那么這2個(gè)主要部件到底哪個(gè)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(shù)據(jù)，同時(shí)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(shù)據(jù)。通過比較兩者之間的數(shù)據(jù)，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(xiàn)。

在試驗(yàn)前，先檢查增加的力傳感器裝置的效率。不帶真空助力器產(chǎn)品，直接將MTS設(shè)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(jìn)階段的效率為99.8%～100%,后退階段的效率為99.4%～99.7%，試驗(yàn)結(jié)果見表1。雖然2個(gè)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(xiàn)率應(yīng)該完全足夠。

在確認(rèn)好力傳感器裝置的效率后，將產(chǎn)品連接至臺架中進(jìn)行測試。通過試驗(yàn)分析，表2—4結(jié)果顯示：真空助力器對總成的壓力滯后貢獻(xiàn)為85.8%～87.8%，占絕大部分。因此后續(xù)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(xiàn)率

6真空助力器壓力滯后減小的方法

通過臺架試驗(yàn)針對真空助力器的壓力滯后影響因素進(jìn)行驗(yàn)證，獲得減少真空助力器壓力滯后的方法。驗(yàn)證試驗(yàn)前，為了保證所有驗(yàn)證試驗(yàn)的一致性，首先對臺架推桿前進(jìn)和后退速度對壓力滯后的影響進(jìn)行評估。試驗(yàn)采用0.1、0.25、0.5和0.75 Hz 4種不同三角波的速度，試驗(yàn)結(jié)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(dāng)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(jù)前文中提到的臺架試驗(yàn)方法，所有試驗(yàn)將選擇以0.5 Hz三角波速度達(dá)到目標(biāo)輸入力然后以同樣速度回退至初始位置進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)真空助力器壓力滯后影響因素，驗(yàn)證試驗(yàn)從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(guī)格。

(1)調(diào)整反饋盤硬度。反饋盤的硬度影響到橡膠材料的彈性系數(shù)，低硬度的反饋盤表面材料軟，有較小的彈性系數(shù)。試驗(yàn)選用低、中、高3種不同硬度的反饋盤，反饋盤的規(guī)格尺寸均一致。試驗(yàn)結(jié)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(dāng)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(shí)可能影響到反饋盤的壽命。通過一系列驗(yàn)證試驗(yàn)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(yàn)選用2種反饋盤厚度，分別為7 mm和4.7 mm。試驗(yàn)結(jié)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(yàn)選用同一批反饋盤，制作5個(gè)真空助力器。首先未對反饋盤進(jìn)行涂硅油，進(jìn)行壓力滯后測試，獲得一組數(shù)據(jù)。之后將這5個(gè)真空助力器的反饋盤涂抹硅油，然后再進(jìn)行壓力滯后的測試。試驗(yàn)結(jié)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(yàn)選用2種不同大小尺寸規(guī)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(yīng)地減少了空氣閥和控制閥體在前進(jìn)和后退間斷中的相對位移量。試驗(yàn)結(jié)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(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)需要調(diào)整控制氣閥骨架大小。

7結(jié)論

針對目前真空助力器在推桿前進(jìn)和后退階段特性曲線不一樣，在同樣的輸出壓力時(shí)，前進(jìn)階段的輸入力和后退階段的輸入力不一樣，產(chǎn)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(dǎo)致駕駛員可能出現(xiàn)誤判斷和操作，作者對真空助力器的壓力滯后進(jìn)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(jìn)行受力分析，理論計(jì)算真空助力器的壓力滯后；

(3)根據(jù)理論計(jì)算力學(xué)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(yàn)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(xiàn)率；

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

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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(qiáng)，男，大學(xué)本科，研究方向?yàn)槠囍苿?。E-mail:dongqiang.luo@bwigroup.com。

中圖分類號:U461.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)04-015-06