傳統(tǒng)真空伺服助力車(chē)型抽真空能力試驗(yàn)分析

王 飛， 王寶國(guó)

(北京汽車(chē)集團(tuán)越野車(chē)有限公司，北京 101300)

眾所周知，自然吸氣車(chē)型常采用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管作為真空源；而直噴發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)等，由于發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的負(fù)壓不足，通常采用文氏管、機(jī)械真空泵或電子真空泵作為真空源；新能源車(chē)型更是由于無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)，則采用電子助力器(IBooster/WCBS等)作為真空源，這也是未來(lái)制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的方向[1].

對(duì)于搭載機(jī)械真空泵的車(chē)型，其抽真空方式也不是唯一的.以某車(chē)型為例，其真空系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，為機(jī)械真空泵加發(fā)動(dòng)機(jī)歧管雙真空源式抽真空系統(tǒng).而該車(chē)型正處于開(kāi)發(fā)階段的換代產(chǎn)品，由于涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)橫改縱，導(dǎo)致真空系統(tǒng)原管路布置與機(jī)艙前圍產(chǎn)生干涉，因此，計(jì)劃將助力系統(tǒng)改為機(jī)械真空泵單真空源式.而單一真空源與原雙真空源相比，是否會(huì)產(chǎn)生抽真空能力的降低，試驗(yàn)人員計(jì)劃開(kāi)展一系列對(duì)比測(cè)試.

圖1 某車(chē)型原真空助力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1 不同真空源抽真空能力對(duì)比試驗(yàn)策劃及結(jié)果

1.1 啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)抽真空能力測(cè)試

對(duì)比試驗(yàn)策劃通過(guò)對(duì)機(jī)械真空泵加發(fā)動(dòng)機(jī)歧管、機(jī)械真空泵、發(fā)動(dòng)機(jī)歧管3種不同的真空源，測(cè)試其在點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)后直至達(dá)到各自相應(yīng)的最大真空度時(shí)間，以對(duì)比3種狀態(tài)下的抽真空能力.同時(shí)，為避免測(cè)試結(jié)果的不統(tǒng)一性，均將啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?發(fā)生變化的瞬間設(shè)置為時(shí)間0點(diǎn).

試驗(yàn)過(guò)程中，將真空度傳感器串入到真空系統(tǒng)中，如圖2所示.根據(jù)該車(chē)型真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于機(jī)械真空泵支路未設(shè)置單向閥，所以在模擬僅有發(fā)動(dòng)機(jī)歧管作為真空源的工況時(shí)，在斷開(kāi)機(jī)械真空泵管路后，需要將機(jī)械真空泵進(jìn)氣口端用橡膠塞進(jìn)行封堵，防止吸入灰塵、雜質(zhì)；同時(shí),用布基膠帶將斷開(kāi)后的真空管端進(jìn)行密封，防止進(jìn)入大氣破壞真空系統(tǒng)內(nèi)真空環(huán)境[2].

圖2 真空度傳感器安裝位置示意圖

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械真空泵作為真空源的工況，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)歧管抽真空管路斷開(kāi)，管路處由于設(shè)置了單向閥無(wú)需進(jìn)行處理，但發(fā)動(dòng)機(jī)歧管本體(抽真空管路連接端)與大氣連通，需要用布基膠帶將發(fā)動(dòng)機(jī)歧管本體(抽真空管路連接端)進(jìn)行密封處理.這種方式使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量發(fā)生變化，造成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)上沖轉(zhuǎn)速不能準(zhǔn)確達(dá)到標(biāo)定值(約1 500 r/min)，而是隨水溫的變化從高到低漸變，冷機(jī)與熱機(jī)對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)上沖轉(zhuǎn)速分別為約1 800 r/min和1 300 r/min.考慮到對(duì)于主要依靠發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)抽真空作用的機(jī)械真空泵來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速高低勢(shì)必會(huì)影響其抽真空能力[3]，因此，為探索機(jī)械真空泵在不同發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速下的抽真空能力，試驗(yàn)人員在不同水溫下多次進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試，通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的冷熱狀態(tài)而控制其啟動(dòng)轉(zhuǎn)速的大小，測(cè)試結(jié)果如下.

圖3中最左側(cè)實(shí)線為啟動(dòng)轉(zhuǎn)速1 728 r/min；中間點(diǎn)劃線為啟動(dòng)轉(zhuǎn)速1 476 r/min；右側(cè)虛線為啟動(dòng)轉(zhuǎn)速1 364 r/min.可明顯看出機(jī)械真空泵與發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)速越大，機(jī)械真空泵的抽真空速度越快.

圖3 不同啟動(dòng)轉(zhuǎn)速下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)真空度-時(shí)間關(guān)系曲線

為消除因啟動(dòng)轉(zhuǎn)速不同而造成的試驗(yàn)結(jié)果誤差，故將機(jī)械真空泵啟動(dòng)轉(zhuǎn)速值也取在標(biāo)定轉(zhuǎn)速1 500 r/min左右，測(cè)試結(jié)果如圖4.

圖4 相同啟動(dòng)轉(zhuǎn)速下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)真空度-時(shí)間關(guān)系曲線

圖4中右側(cè)兩根近乎重合的虛線及點(diǎn)劃線，即在幾乎相同的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速下，機(jī)械真空泵與發(fā)動(dòng)機(jī)歧管分別單獨(dú)作為真空源時(shí)，抽真空能力的結(jié)果.可見(jiàn)，對(duì)于主要依托發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而決定工作能力的發(fā)動(dòng)機(jī)歧管或機(jī)械真空泵[4]，在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況下，從0抽至最大真空度的快慢基本一致.

仔細(xì)觀察兩條曲線，可發(fā)現(xiàn)在真空度達(dá)到-40 kPa以后，發(fā)動(dòng)機(jī)歧管較機(jī)械真空泵抽真空速度明顯變快.通過(guò)對(duì)二者抽真空水平時(shí)域曲線及測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察(圖5)，可發(fā)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)歧管作為真空源時(shí)，其啟動(dòng)上沖轉(zhuǎn)速維持的時(shí)間更長(zhǎng)，即在達(dá)到上沖轉(zhuǎn)速后(表中對(duì)應(yīng)為-40 kPa)的各階段，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速更高，使得發(fā)動(dòng)機(jī)歧管的抽真空能力優(yōu)于機(jī)械真空泵[5].

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-時(shí)間關(guān)系曲線

1.2 怠速快速連續(xù)制動(dòng)真空水平測(cè)試

根據(jù)真空助力器工作原理可知，對(duì)于傳統(tǒng)的僅依靠發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生真空源的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，每經(jīng)歷一個(gè)全制動(dòng)周期(從施加制動(dòng)至松開(kāi)制動(dòng))，進(jìn)氣歧管內(nèi)的真空度都將經(jīng)歷一個(gè)先變小后恢復(fù)的過(guò)程，這在正常的行車(chē)制動(dòng)時(shí)足以保證助力器內(nèi)部真空度的恢復(fù)，但是，當(dāng)車(chē)輛在高原地區(qū)進(jìn)行類(lèi)似于停車(chē)場(chǎng)移庫(kù)，或小區(qū)域范圍頻繁使用制動(dòng)的這種需要快速連續(xù)制動(dòng)操作的工況時(shí)，助力器內(nèi)部真空度將無(wú)法及時(shí)恢復(fù)[6].

為此，試驗(yàn)通過(guò)對(duì)上述3種不同真空源，測(cè)試其怠速、全負(fù)載條件下快速連續(xù)制動(dòng)時(shí)的真空系統(tǒng)水平，本工況將連續(xù)制動(dòng)間隔制定為1 s和2 s，高原地區(qū)常發(fā)生的連續(xù)制動(dòng)，制動(dòng)踏板變硬現(xiàn)象，一般為用戶在停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行移庫(kù)操作時(shí)發(fā)生，其連續(xù)制動(dòng)時(shí)間間隔通常為3 s，甚至4 s，本工況由于是在平原地區(qū)進(jìn)行，故條件設(shè)置更為嚴(yán)苛，以考察機(jī)械真空泵及發(fā)動(dòng)機(jī)歧管在極限條件下的抽真空能力，以模擬用戶在實(shí)際駕駛過(guò)程中可能存在的極限工況.全負(fù)載包括變速器置于D擋(依靠駐車(chē)制動(dòng)器使車(chē)輛靜止，確保安全)、打開(kāi)風(fēng)機(jī)、空調(diào)、電器、燈組、座椅加熱等全部用電設(shè)備.測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1及圖6.

表1 不同真空源連續(xù)制動(dòng)工況真空度最小值 kPa

圖6 間隔1 s連續(xù)制動(dòng)工況真空度-時(shí)間關(guān)系曲線

根據(jù)表1試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)快速連續(xù)制動(dòng)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)歧管加機(jī)械真空泵雙真空源與僅發(fā)動(dòng)機(jī)歧管作為真空源兩種條件時(shí)，其達(dá)到的最小真空度值基本一致；而僅依靠機(jī)械真空泵作為真空源時(shí)，其連續(xù)制動(dòng)間隔1 s和2 s的最小真空度結(jié)果為-10.9 kPa和-24.4 kPa.雖然清華大學(xué)通過(guò)研究認(rèn)為真空度低于-20 kPa時(shí)，制動(dòng)踏板會(huì)有明顯變硬情況[7]，但通過(guò)試驗(yàn)人員長(zhǎng)期的實(shí)車(chē)測(cè)試及主觀評(píng)價(jià)，認(rèn)為當(dāng)真空度低于-30 kPa時(shí)，制動(dòng)踏板已明顯發(fā)硬.因此，本試驗(yàn)結(jié)果表明，在平原地區(qū)，以間隔2 s或更短時(shí)間的連續(xù)制動(dòng)極限工況下，僅依靠機(jī)械真空泵作為真空源的本試驗(yàn)樣車(chē)，會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)踏板變硬的現(xiàn)象.

針對(duì)此現(xiàn)象，觀察其時(shí)域曲線見(jiàn)圖6，同時(shí)參考圖3機(jī)械真空泵抽真空趨勢(shì)，不難發(fā)現(xiàn)：

(1)僅依靠機(jī)械真空泵作為真空源時(shí)，由于機(jī)械真空泵抽真空的趨勢(shì)為前快后慢，因此，在以間隔1 s的快速連續(xù)制動(dòng)工況下，其真空度值在接近-20 kPa后才趨于穩(wěn)定，即在真空度由最大值降至-20 kPa過(guò)程中，真空恢復(fù)速度慢于真空衰減速度.

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)歧管加機(jī)械真空泵雙真空源時(shí)，最大真空度為-90 kPa，僅依靠發(fā)動(dòng)機(jī)歧管作為真空源時(shí)，抽真空最大真空度為-70 kPa，可見(jiàn)，剩余真空度則基本由機(jī)械真空泵完成.通過(guò)圖6真空度-時(shí)間關(guān)系曲線可見(jiàn)，同等工況下(怠速狀態(tài))第2、第3次制動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)歧管抽真空速度較快，抽真空效率明顯優(yōu)于機(jī)械真空泵.

(3)依靠發(fā)動(dòng)機(jī)歧管與機(jī)械真空泵共同作為真空源時(shí)(圖6中虛線)，其結(jié)合了前述二者的優(yōu)勢(shì)，即第一腳制動(dòng)時(shí)，其最大真空度值維持機(jī)械真空泵水平，且在連續(xù)制動(dòng)時(shí)，能維持與僅發(fā)動(dòng)機(jī)歧管作為真空源時(shí)相當(dāng)水平，未出現(xiàn)踏板明顯變硬的現(xiàn)象.

2 不同排量機(jī)械真空泵性能對(duì)比試驗(yàn)

鑒于僅依靠機(jī)械真空泵作為真空源后的真空系統(tǒng)，其性能較機(jī)械真空泵加發(fā)動(dòng)機(jī)歧管雙真空源的真空性能有衰退，因此，試驗(yàn)人員嘗試通過(guò)更換大排量(260 mL)機(jī)械真空泵進(jìn)行性能對(duì)比，探索機(jī)械真空泵本體性能參數(shù)的改變是否能夠改善由于真空源的變化而帶來(lái)的性能衰退[8].

2.1 啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)抽真空能力測(cè)試

試驗(yàn)方法與1.1相同，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7.更換大排量機(jī)械真空泵后，抽真空速度略有提升，且趨勢(shì)為從0抽真空至-70 kPa時(shí)，提升速度不明顯；從-70 kPa抽至最大真空，提升速度明顯.

圖7 啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)載真空度-時(shí)間關(guān)系曲線

2.2 怠速快速連續(xù)制動(dòng)真空度水平測(cè)試

更換大排量(260 mL)機(jī)械真空泵進(jìn)行的快速連續(xù)制動(dòng)工況性能對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.更換大排量機(jī)械真空泵后，快速連續(xù)制動(dòng)工況的剩余真空度有所提升，但仍會(huì)發(fā)生踏板明顯變硬現(xiàn)象.

表2 不同排量真空泵連續(xù)制動(dòng)工況下真空度最小值 kPa

3 真空罐對(duì)真空性能的影響

3.1 怠速快速連續(xù)制動(dòng)真空水平測(cè)試

根據(jù)以上結(jié)論，由于僅依靠機(jī)械真空泵作為真空源時(shí)，連續(xù)制動(dòng)存在制動(dòng)踏板明顯變硬現(xiàn)象，因此，試驗(yàn)人員策劃在真空系統(tǒng)中增加一容積為1 998 mL的真空罐以求改善剩余真空不足的問(wèn)題.真空罐增設(shè)位置如圖8示.

圖8 真空罐安裝位置示意圖

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.增設(shè)真空罐后，3種真空源狀態(tài)下的快速連續(xù)制動(dòng)工況，剩余真空度數(shù)值均有明顯提升.僅依靠機(jī)械泵作為真空源的狀態(tài)，1 988 mL的真空罐雖然對(duì)性能有提升作用，但依然會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)踏板明顯變硬的現(xiàn)象.

表3 不同真空源連續(xù)制動(dòng)工況下真空度最小值 kPa

3.2 熄火后連續(xù)制動(dòng)至真空為0的制動(dòng)次數(shù)

試驗(yàn)是在真空系統(tǒng)達(dá)到最大真空度后熄火，通過(guò)施加同等制動(dòng)力，考察1 988 mL真空罐在無(wú)助力狀態(tài)下對(duì)真空系統(tǒng)的輔助作用，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4及圖9.在相同工況下，1 988 mL容積的真空罐，在無(wú)助力狀態(tài)下均能夠提供額外2腳的助力作用.

表4 不同真空源連續(xù)制動(dòng)至真空為0的制動(dòng)次數(shù) 次

圖9 熄火后連續(xù)制動(dòng)真空度-時(shí)間關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

試驗(yàn)人員通過(guò)斷開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)歧管回路，模擬換代車(chē)型僅有機(jī)械真空泵作為單一真空源的方法，在平原地區(qū)對(duì)3種不同真空源所進(jìn)行的抽真空能力對(duì)比試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)對(duì)于主要依托發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而決定工作能力的發(fā)動(dòng)機(jī)歧管或機(jī)械真空泵，在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況下，從0抽至最大真空度的快慢基本一致，且比二者共同作用時(shí)的抽真空速度有所降低.以平原地區(qū)為例，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至真空度達(dá)到-10 kPa，二者單獨(dú)作用與共同作用的抽真空時(shí)間基本一致；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，從-10 kPa至-70 kPa的過(guò)程中，二者單獨(dú)作用時(shí)的抽真空時(shí)間要慢于共同作用時(shí)的時(shí)間，最大時(shí)間差約為0.6 s；

2)以機(jī)械真空泵作為單一真空源時(shí)，模擬極限駕駛所進(jìn)行的快速連續(xù)制動(dòng)工況，制動(dòng)踏板會(huì)出現(xiàn)明顯變硬現(xiàn)象(真空度低于-30 kPa)，存在安全風(fēng)險(xiǎn)；

3)以機(jī)械真空泵作為單一真空源時(shí)，通過(guò)換裝大排量的泵體或增加真空罐，可以改善快速連續(xù)制動(dòng)真空度過(guò)小的問(wèn)題，但依然會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)踏板發(fā)硬的現(xiàn)象；其中，換裝260 mL排量真空泵后，相較原190 mL真空泵，在0至-50 kPa期間，二者抽真空速度差距不明顯，但從-50 kPa至達(dá)到最大真空度過(guò)程中，抽真空能力差異逐漸變大，達(dá)到最大真空度時(shí)，時(shí)間差達(dá)到了約5 s；

當(dāng)以機(jī)械真空泵加發(fā)動(dòng)機(jī)歧管作為雙真空源時(shí)，無(wú)論是抽真空速度，以及連續(xù)制動(dòng)時(shí)的殘余真空或真空恢復(fù)速度，均要好于單一真空源狀態(tài).