車輛高原地區(qū)制動助力不足的試驗驗證

王 飛，馬立璞 Wang Fei，Ma Lipu

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車輛高原地區(qū)制動助力不足的試驗驗證

王 飛，馬立璞 Wang Fei，Ma Lipu

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

隨著汽車研發(fā)水平的不斷提升，汽車的各項性能指標(biāo)，尤其以關(guān)系到人身安全的制動性能，受到了越來越多用戶的關(guān)注。收集某在售車型用戶反饋的制動系統(tǒng)各類問題，通過歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)在高原地區(qū)進行連續(xù)制動工況，制動踏板會變硬，出現(xiàn)制動系統(tǒng)失效現(xiàn)象，易導(dǎo)致交通事故，甚至危害到人身安全。通過實地考察，選擇拉薩等具有典型海拔高度環(huán)境條件的地區(qū)，通過模擬用戶日常駕駛習(xí)慣，制定多種試驗方案進行客觀數(shù)據(jù)采集，分析在高原地區(qū)車輛制動系統(tǒng)存在的性能差異，為改進與提升積累數(shù)據(jù)經(jīng)驗。

制動性能；高原；連續(xù)制動；試驗

0 引 言

我國地勢復(fù)雜，西南地區(qū)多以高原為主，海拔多在3 000～5 000 m，海拔高、氣壓低、溫差大、風(fēng)沙大、坡度大、缺氧，環(huán)境條件十分惡劣。隨著人們生活水平的不斷提高，越來越多的游客及越野愛好者選擇在這種具有挑戰(zhàn)性的極限環(huán)境下，駕駛車輛挑戰(zhàn)自己，享受越野所帶來的樂趣。

高原行車，制動系統(tǒng)有效非常重要，就某車型車主們反映的情況，通過對售后問題收集、歸納、分析及總結(jié)，發(fā)現(xiàn)車輛在高原地區(qū)某些特定工況下使用時，會出現(xiàn)制動踏板發(fā)硬現(xiàn)象，導(dǎo)致車輛追尾、剮蹭，甚至危害到人身安全。

通過對問題車輛進行分析，發(fā)現(xiàn)由于制動系統(tǒng)真空助力不足，車輛失去助力，導(dǎo)致制動踏板發(fā)硬，無法提供足夠的制動力。沒有制動助力的車輛，即使是男性駕駛員也需要使出全力才能踩下制動踏板，何況女性駕駛員，并且任何人面對突發(fā)情況通常來不及反應(yīng)。

為深入分析車輛問題，在典型高海拔地區(qū)模擬客戶的駕駛習(xí)慣，制定若干試驗方法，進行數(shù)據(jù)采集，為車輛制動性能的改進和提升提供幫助[1]。

1 真空助力器

1.1 基礎(chǔ)理論

注：F1為總泵活塞受力，S1為總泵活塞面積；F2為分泵活塞受力，S2為分泵活塞面積。

制動分泵的缸徑不可能無限大，制動主缸缸徑也不可能無限小，力的放大倍數(shù)是有限的，要想產(chǎn)生足夠的減速度，只有增大輸入到制動主缸的力，即增大制動踏板力來提高制動系統(tǒng)的能力；因此，真空助力器應(yīng)運而生。

1.2 工作原理

真空助力器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其結(jié)構(gòu)進行簡化，如圖2所示，以便更清晰地了解其工作原理。

圖2 真空助力器結(jié)構(gòu)簡圖

真空助力器的工作原理可簡單概括為：通過膜片將助力器內(nèi)部工作腔分為前、后兩腔，其中后腔與大氣相連，前腔與真空源相通，后腔負責(zé)提供負壓使得與前腔產(chǎn)生壓差，從而提供助力。

圖3 踏板力、真空度與時間關(guān)系曲線

真空助力器工作過程一般分為4個階段：自然狀態(tài)、施加制動、維持制動和釋放制動。

（1）自然狀態(tài)：即未施加制動時，助力器內(nèi)前、后腔相通，氣壓平衡，即前腔=后腔=進氣歧管；

（2）施加制動：前、后腔在活塞作用下被隔離，由于后腔通大氣，前腔通真空源，前、后腔產(chǎn)生壓力差，推動膜片前行，產(chǎn)生助力；

（3）維持制動：前、后腔封閉，后腔與大氣隔絕，壓力差恒定，保持不動；

（4）釋放制動：前、后腔再次相通，氣壓將重新達到平衡，膜片在回位彈簧作用下回位，但由于前、后腔此前存在的壓力差，即后腔=大氣＞前腔=進氣歧管，因而重新接通后，前、后腔的混合氣平均壓力升高，真空度縮小[3]。

從圖3中可看出，當(dāng)駕駛員施加踏板力時，真空助力器前腔內(nèi)的真空度隨踏板力增加而減小，即前、后腔在活塞作用下被隔離，由于后腔通大氣，前腔通真空源，因此前、后腔產(chǎn)生壓力差；在踏板力上升中后段及釋放踏板的過程中，真空度由減小變?yōu)樵龃?，這是由于電子真空泵等提供真空的設(shè)備起作用，增大了真空度；當(dāng)制動踏板被徹底釋放后，真空助力器前腔內(nèi)的真空度再次減小，這是由于助力器前、后腔再次相通，氣壓重新達到平衡，即松開制動踏板，前、后腔混合后的平均壓力升高，真空度縮小。

2 制動踏板變硬原因分析

針對車輛在制動過程中制動踏板會變硬現(xiàn)象，通過分析諸多車主的現(xiàn)象描述，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象僅發(fā)生于高原地區(qū)連續(xù)制動工況，在停車場進行移庫操作時，駕駛員需連續(xù)、反復(fù)地踩踏制動踏板對車輛進行前進及后退操作。結(jié)合現(xiàn)象共性進行歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)以下主要因素。

（1）高海拔：在高原環(huán)境下，海拔越高大氣壓力越低。大氣壓與海拔的關(guān)系為

式中：0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=101.325 kPa；為海拔，m；為某高度大氣壓，kPa。

正是由于高原地區(qū)氣壓低，造成真空助力器膜片兩側(cè)壓力差減小，因而無法提供較大的制動力[3]。

（2）連續(xù)制動：根據(jù)真空助力器工作原理可知，對于依靠發(fā)動機產(chǎn)生真空源的車輛來說，每經(jīng)歷一個全制動周期（從施加制動至松開制動），進氣歧管內(nèi)的真空度會經(jīng)歷先變小后恢復(fù)的過程，這在正常的行車制動時可以保證助力器內(nèi)部真空度的恢復(fù)，但是當(dāng)進行類似停車場移庫或小區(qū)域范圍頻繁使用制動時，車輛需要快速連續(xù)制動，助力器內(nèi)部真空度無法及時恢復(fù)[4]。

3 試驗方案制定及實施

試驗選取典型高海拔地區(qū)拉薩市（海拔約 3 650 m）作為試驗地點，考慮到自動擋轎車因其操作便利性受到了更多用戶的偏愛，選取兩輛自動擋車型作為試驗樣本，其中A車為配備電子真空泵渦輪增壓車型，B車為配備機械真空泵柴油車。以連續(xù)制動作為固定試驗輸入條件，重點對助力器真空度、制動踏板力等相關(guān)參數(shù)進行采集并結(jié)合車輛在高原地區(qū)可能出現(xiàn)的踏板變硬現(xiàn)象，分析并制定若干試驗方案以驗證真空度變化對制動效果的影響。

3.1 靜態(tài)空擋連續(xù)制動

通過靜態(tài)連續(xù)制動模擬動態(tài)工況，初步了解不同類型真空泵在相同工況下的輸出效果差異。

測試分為無負載和全負載（打開空調(diào)、燈組等全部電器設(shè)備，并伴有轉(zhuǎn)向操作），將發(fā)動機熄火，連續(xù)踩下制動踏板以排除真空，待踏板變硬后，啟動發(fā)動機，全負載工況下連續(xù)開啟全部負載，待真空度達到最大值后，進行連續(xù)制動試驗，結(jié)果如圖4所示。

圖4 真空度-時間關(guān)系曲線1

從圖4中可以得到：

（1）機械真空泵抽真空能力（最大真空度）優(yōu)于電子真空泵。

（2）電子真空泵在全負載條件下，反復(fù)快速地踩下制動踏板時，真空度來不及恢復(fù)，始終小于20 kPa（行業(yè)內(nèi)多以20 kPa的真空度作為制動助力不足的報警閾值，清華大學(xué)曾做過這方面的研究，當(dāng)真空度低于20 kPa時，助力器明顯無法提供正常的制動助力，車輛制動性能下降，此時為達到正常的制動減速度必須增大制動踏板力，即出現(xiàn)制動踏板發(fā)硬的現(xiàn)象）。

3.2 動態(tài)D擋、R擋連續(xù)制動（模擬停車場移庫）

模擬駕駛員在停車場的移庫操作，分析車輛可能存在的制動踏板變硬現(xiàn)象。

車輛在平直路面上，將發(fā)動機熄火，連續(xù)踩下制動踏板以排除真空，待踏板變硬后，啟動發(fā)動機，全負載，待真空度達到最大值后，將變速器置于D擋，車輛怠速前進約2 m后，踩下制動踏板使車輛靜止，將變速器置于R擋，車輛怠速后退約2 m，繼續(xù)踩下制動踏板使車輛靜止；重復(fù)以上操作，待制動踏板主觀感覺異常后停止試驗，試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 真空度-時間關(guān)系曲線2

圖6 真空度、踏板力與時間關(guān)系曲線（電子泵）

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，配備機械真空泵車輛，在模擬駕駛員正常移庫操作時，真空度始終維持在50～60 kPa，車輛制動正常，駕駛員主觀反饋車輛制動踏板無異常，且真空度數(shù)值始終優(yōu)于配備電子泵車輛。

從圖5、圖6中可以發(fā)現(xiàn)，配備電子真空泵車輛，在模擬駕駛員進行移庫操作時，連續(xù)制動前幾次真空度可以維持在20kPa以上，踏板力約為100 N，駕駛員主觀反饋可以接受，但當(dāng)連續(xù)制動一定次數(shù)后，由于電子真空泵邏輯問題（電子泵持續(xù)作用會發(fā)熱，連續(xù)工作時會因過熱保護而退出），導(dǎo)致電子泵退出工作，不再抽真空，從圖6中可發(fā)現(xiàn)在連續(xù)制動末段真空度已接近0 kPa，完全失去助力，踏板力接近500 N，此時駕駛員反饋施加制動時，可明顯感覺制動踏板變硬，需用全力才能將車輛停止。

3.3 動態(tài)D擋全油門連續(xù)制動

模擬駕駛員由于情緒波動，與其他車輛產(chǎn)生沖突，反復(fù)實施制動—加速—制動操作，分析車輛可能存在的制動踏板變硬現(xiàn)象。

車輛全負載狀態(tài)下在平直路面上由靜止啟動，D擋全油門加速持續(xù)約5 s后，快速踩下制動踏板持續(xù)約1 s，繼續(xù)全油門加速重復(fù)以上操作，待制動踏板主觀感覺異常后停止試驗，試驗結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 真空度-時間關(guān)系曲線3

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，配備機械真空泵車輛，在模擬駕駛員情緒波動行車時，真空度始終維持在40～50 kPa，車輛制動正常，駕駛員主觀反饋車輛制動踏板無異常，且真空度數(shù)值始終優(yōu)于配備電子泵車輛。

圖8 節(jié)氣門開度、真空度、踏板力與時間關(guān)系曲線（電子泵）

從圖7、圖8中可以發(fā)現(xiàn)，配備電子真空泵車輛，在模擬駕駛員情緒波動行車時，連續(xù)制動前幾次真空度維持在20 kPa以上，踏板力約為100 N，駕駛員主觀反饋可以接受，但當(dāng)連續(xù)制動一定次數(shù)后，同樣由于電子真空泵邏輯問題，導(dǎo)致電子泵退出工作，不再抽真空，真空度變小，踏板力接近550 N，此時駕駛員反饋施加制動時，可明顯感覺制動踏板變硬，需用全力才能將車輛停止。

3.4 動態(tài)踩踏制動踏板連續(xù)制動（模擬擁堵長時間跟車）

模擬駕駛員由于道路擁堵，長時間踩踏制動踏板跟車，頻繁制動，分析車輛可能存在的制動踏板變硬現(xiàn)象。

車輛全負載在平直路面上，駕駛員輕踩制動踏板怠速行駛，右腳始終不離開制動踏板，連續(xù)行駛約5 s后施加1次制動使車輛停止，然后繼續(xù)實施輕踩制動踏板怠速行駛，重復(fù)以上操作，待制動踏板主觀感覺異常后停止試驗，試驗結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 真空度-時間關(guān)系曲線4

從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，配備機械真空泵車輛，在模擬擁堵工況長時間跟車時，真空度始終維持在40～60 kPa，踏板力小于50 N，車輛制動正常，駕駛員主觀反饋車輛制動踏板無異常，且真空度數(shù)值始終優(yōu)于配備電子泵車輛。

圖10 車速、真空度、踏板力與時間關(guān)系曲線（電子泵）

從圖9、圖10中可以發(fā)現(xiàn)，配備電子真空泵車輛，在模擬擁堵工況長時間跟車時，連續(xù)制動前幾次真空度維持在20 kPa以上，踏板力約為50 N，駕駛員主觀反饋可以接受，但當(dāng)連續(xù)制動一定次數(shù)后，同樣由于電子真空泵邏輯問題，導(dǎo)致電子泵退出工作，不再抽真空，真空度變小，踏板力接近400 N，此時駕駛員反饋施加制動時，可明顯感覺制動踏板變硬，需用全力才能將車輛停止。

4 結(jié) 論

（1）通過制定的幾組連續(xù)制動試驗方案，發(fā)現(xiàn)以電子真空泵作為真空源的車輛，在高原地區(qū)存在失去助力的可能，此時制動踏板會變硬，在進行移庫、長時間跟車等工況時存在著較大的安全風(fēng)險；

（2）以機械真空泵作為真空源的車輛，在高原地區(qū)進行連續(xù)制動操作時，真空度可以維持在較高水平，基本無踏板變硬的情況；

（3）配備電子真空泵的車輛在高原地區(qū)實施開啟空調(diào)、轉(zhuǎn)向和換擋等增加負載的操作時，會增大發(fā)動機負荷，進一步降低真空度，影響制動效果。

針對以上問題，對高原地區(qū)使用的車輛提出改進建議，配備電子真空泵的車型，應(yīng)額外增加真空罐或再加裝一個電子真空泵，當(dāng)原泵停止工作或工作不良時，能夠提供額外的真空保證車輛安全，在高原地區(qū)駕駛，更應(yīng)保持安全車距，確保安全。

[1]程源，高玉振，盧生林，等. 高原高寒環(huán)境對汽車制動性能的影響[J]. 汽車工程師，2013（3）：41-43.

[2]陳家瑞. 汽車構(gòu)造. 第3版[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3]余志生. 汽車?yán)碚? 第5版[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[4]楊希志，謝桃新. 高原環(huán)境汽車真空伺服制動系性能分析[J]. 汽車工程師，2014（2）：36-38.

2018-12-05

1002-4581（2019）02-0016-05

U467.1+8

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.02.004