某汽車低速制動助力不足影響因素試驗分析

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

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某汽車低速制動助力不足影響因素試驗分析

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

摘要：文章對某品牌車輛在高原地區低速行駛時的制動性能展開實地試驗研究，通過設置5組對比試驗，模擬車輛可能出現的多種低速制動工況，分析探究該車輛在高原地區低速行駛過程中制動助力不足的影響因素，并通過試驗數據論證車輛改進方案的有效性。試驗結果表明，車輛改進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速率，有助于改善車輛的制動安全性。

關鍵詞：低速制動；高原地區；制動減弱；試驗改進

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動機進氣歧管之間所存在的真空壓力差，將駕駛員作用在制動踏板上的作用力放大后傳給制動主缸，增加制動主缸產生的制動液壓力，從而起到增大制動力的助力作用。

在高原地區使用的車輛，由于受到地理海拔高、大氣壓力低、道路條件差等環境因素影響，汽車的制動性能受到嚴重考驗[1]。高原地區空氣氧含量較低，為保障行駛動力性，自然進氣的汽車通常會采取增大發動機節氣門開度的方法來增加進氣量，但同時也減小了進氣歧管的真空度，使得真空助力器所提供的制動助力難以滿足正常的制動需求，出現制動發硬現象，影響著汽車的行車安全[2]。

1、國內外研究

制動助力不足對行車安全危害較大，國內外相關研究較多。日本愛德克斯（ADVICS）公司的Yuji Goto， Atsushi Yasuda等人設計了一種機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主缸工作腔的橫截面積以增大制動管路壓力[3]。Nobuyuki Hirota等通過改進傳統的真空助力器結構實現了助力器輸出特性的優化，使之與ABS系統更契合，有利于提高車輛主動安全性[4]。

在我國，南京依維柯汽車有限公司的楊希志等對高原條件下連續制動前后的汽車真空助力系統參數變化進行了分析，在高原上，隨著海拔的升高，汽車真空伺服制動系首次制動助力效果會變差，但是其連續制動穩定后的制動助力效果與平原制動助力效果相當[5]。行業內多以20kPa的真空度作為制動助力不足的報警閾值，助力器真空度低于閾值時將啟動電動真空泵或者其他控制策略以彌補制動助力的不足。廣汽研究院的凌新新等人提出了一種基于EMS標定的車輛真空度不足的解決方案，通過改善發動機、制動系統的控制策略，實現了車輛對高海拔環境的適應性[6]。

清華大學曾于2014年對某品牌SUV汽車進行過制動性能方面的試驗研究。其中一組試驗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面臨的低真空度情況。如圖1所示，該組試驗通過減小真空助力器真空度至-37.62 kPa、-22.57kPa、-7.52kPa，監測并記錄車輛在平直路面上以50km/h的初速度制動時，在不同制動強度下的制動表現，并通過與真空助力器在正常工作（真空度約-52.675kPa）時的制動表現進行對照，擬合出多組真空度狀態下的制動踏板力與平均制動減速度的關系曲線，如圖1所示。

圖1　制動踏板力和平均制動減速度曲線圖

從圖中可以看出，當助力器真空度由正常值（-52.675kPa）降低至-37.62kPa、-22.57kPa，汽車在同樣道路環境下獲得的制動減速度幾乎一致，制動性能并未受到明顯影響；但助力器真空度降低至-7.525kPa時，助力器明顯無法提供正常的制動助力，導致車輛的制動性能下降，此時為達到正常的制動減速度必須增大制動踏板力，即發生了制動發硬現象。這一實驗數據也表明行業內以-20kPa的真空度作為助力器能提供正常制動助力的報警閾值是合理的。

2、問題的提出

某品牌車輛在高原地區行駛曾出現過制動發硬、制動效能不足的現象，據了解這種情況只出現在低速制動的工況下，尤其是在停車場泊車（發動機怠速運行，掛檔，大轉向，空調開大）等極端工況中容易出現。經分析原因助力器助力不足主要受到三個因素的影響：一是國標對整車燃油經濟性和排放性能的要求導致車輛制動時額外的真空度能量的減少；二是低速行駛時發動機轉速低，換氣頻率較低；三是高原地區空中含氧量少，為保證動力性會增大節氣門開度以吸入更多空氣。受此三個因素的影響，進氣歧管中真空度的恢復速率抵抗發動機額外負荷的干擾能力變差，在大負荷工況下進氣歧管真空度始終處于較低水平，助力器真空度相應減小導致制動助力不足。

為消除此類現象，技術人員提出了改進方案：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；同時更新真空傳感器及制動電控單元以改善真空度的恢復速率；另外，針對車輛在極端工況下容易發生制動發硬的情況，采取新的發動機負荷控制策略以減小發動機負荷，改善真空恢復速率，但僅在助力器正常工作真空度小于-28kPa等多條件同時滿足情況下起作用。

3、試驗方案的制定

為充分了解該車型在高原地區低速運行時的制動性能并改進方案的有效性，研究人員于2014年在西藏拉薩市（海拔高度約為3650m），分別在一臺未執行改進方案的車輛（簡稱A車）和一臺執行了改進方案的車輛（簡稱B車）上進行了實車試驗，重點對制動時車速、減速度、助力器的真空度、制動踏板力等參數進行了測量。結合該車型在高原地區出現制動發硬現象的工況特征，設置五組試驗方案來檢測真空助力器真空度對駕駛員制動感受的影響：冷啟動靜態制動試驗、低速10次動態連續制動試驗、低速4次動態連續制動試驗、靜態真空度恢復試驗、怠速大負荷大轉向連續制動試驗。

3.1冷啟動靜態制動試驗

試驗方案：發動機冷態啟動，保持車輛靜止，連續踩制動踏板到底5次（每次間隔1~2秒），記錄助力器真空度變化情況。本方案模擬汽車冷啟動工況下的制動情況。

3.2低速10次動態制動試驗

試驗方案：車輛在平直道路上，掛入D擋，空調關閉，加速到10km/h～15km/h，以0.3g～0.33g（約3.0m/s2）的減速度制動至車輛停止，重復相同條件的試驗10次?？照{開到最大，其他條件及方法與關閉空調時的試驗方案一致，重復相同條件的試驗10次。記錄制動踏板力、助力器真空度等數據。本方案模擬汽車低速行駛過程中進行制動的情況。

3.3低速動態連續4次制動

試驗方案：車輛在平直道路上，掛入D擋，空調關閉，加速到15km/h～20km/h，連續制動三次（間隔約為1秒）后，全制動停車?？照{開到最大，其他條件及方法與關閉空調時的試驗方案一致進行試驗。記錄制動踏板力、車速、減速度、助力器真空度等數據。本方案模擬車輛低速行駛過程中常見的一種全制動工況下的制動情況。

3.4靜態真空度恢復試驗

試驗方案：在發動機為熱態（至少已啟動30min）的前提下，用木塊等障礙物限制車輛前行，掛入D擋，空調開到最大。快速連續踩下制動踏板，使助力器真空度下降至-20kPa以下，松開制動踏板并記錄真空度恢復至-28kPa時所用的時間。本方案模擬車輛真空助力器真空度的恢復速度。

3.5怠速大轉向開空調連續制動試驗

試驗方案：在發動機為熱態，移除木塊等障礙物，發動機怠速，變速箱掛入D檔，空調開到最大，打滿轉向，使車輛緩慢行進，并快速連續踩下制動踏板，記錄制動踏板力、汽車減速度變化情況。本方案模擬車輛在停車場泊車時的極端制動工況下的制動情況。

4、試驗數據對比分析

4.1冷啟動靜態制動試驗

在靜態制動試驗中，A、B車真空助力器真空度隨時間的變化關系曲線如圖2所示：

圖2　冷啟動靜態制動試驗下的助力器真空度曲線

從圖2中可以看到，A車在冷啟動狀態下共制動了6次，助力器真空度在每次制動后均下降至-20kPa以下，重新恢復至-20kPa的時間分別為：0.24s，0.75s，0.8s，0.75s，0.84s，0.164s，平均恢復時間為0.59s。而B車進行了5次制動，助力器真空度均未下降至-20kPa以下。

4.2低速10次動態制動試驗

圖3　A車，空調關閉，低速10次動態制動試驗

圖4　A車，打開空調，低速10次動態制動試驗

從圖3、4中可以看出，由于車速相對較快、發動機轉速較高，A車試驗時并未發現真空助力器真空度下降至-20kPa以下或出現制助力不足的狀況。不開空調時，助力器真空度最低約為-36.7kPa，打開空調時，助力器真空度最低約為-31.2kPa，即由空調因素引起的真空度下降值約為5.5kPa。說明開空調增大了發動機負荷，對助力器真空度有一定的影響。

圖5　A車，空調關閉，低速動態連續4次制動試驗

圖6　A車，打開空調，低速動態連續4次制動試驗

4.3低速動態連續4次制動從圖5、6中可以看出，A車不開空調試驗時真空助力器真空度最小為-27.7kPa，打開空調時為-18.72kPa，即由空調因素引起的真空度下降值約為8.98kPa。說明開空調增大了發動機負荷，對助力器真空度有一定的影響。

4.4靜態真空度恢復試驗

圖7　靜態真空度恢復試驗助力器真空度曲線

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

4.5怠速大轉向開空調連續制動試驗

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車在連續制動時，由于真空度恢復速率不足導致制動踏板力從約35N增大到約135N；在B車上，隨著制動次數增多，也出現了真空度恢復速率不足導致的制動踏板力增大的現象（增至約134.75N）。即改進方案并未解決該工況下車輛真空助力不足的問題。

5、結論

（1）從2組、3組試驗數據可以看出：開空調會增大發動機負荷、降低助力器真空度，有可能影響制動性能。

（2）從1組和4組對比試驗中可以看出：改進方案可以使助力器真空度的恢復速率改善，最低真空度提高，有助于增強發動機對額外負荷的適應性。

（3）在5組試驗對比中，從試驗采集的真空度數據來看，生產商提供的改進方案在一定程度上有助于提高車輛低速行駛時的真空度，基本滿足了車輛的正常制動要求。只有第5組試驗中發生了制動力明顯增大的現象，說明改進方案在該工況下未能改善制動助力不足的問題。同時，考慮到此種制動力增大的現象只有在車速極低的工況下表現出來，因此幾乎不會對車輛行駛安全造成影響。

參考文獻

[1]張成柱.淺談汽車在山區和高原條件下的使用[J].科技信息雜志社.2014(14):142-143.

[2]饒峻,崔海峰，趙向東.高海拔環境下的電子真空泵智能控制[J].上海工程技術大學學報.2014.28(1):12-15.

[3]Yuji Goto,Atsushi Yasuda, Satoshi Ishida. Brake Master Cylinder for Secure Brake Feel and Improved System Failure Performance.SAE. 2003.1.

[4]Nobuyuki Hirota, Akihiko Miwa, Kaoru Tsubouchi, Yoichi Terasaki. Development of Variable Technology in Performance of Brake Booster. SAE.2004.1.

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

[6]凌新新,詹錫蘭,張喜科.一種基于EMS標定的車輛真空度不足的解決方案[J].機電工程技術.2014,43(3):73-77.

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：U463.51

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988 （2016）05-160-04

作者簡介：楊嵩，就讀于西華大學汽車與交通工程學院。