真空助力器對轎車制動性能影響的分析

張振鼎 劉彥君 謝東明

(1.中國汽車技術研究中心；2.北京現代汽車有限公司）

為了減輕汽車駕駛員的體力消耗，提高汽車制動性能，汽車上廣泛采用真空助力式液壓制動系統，即在液壓制動系統的基礎上，利用發動機進氣道的真空度產生助力，使真空助力器在正常工作時，兼用人力和發動機動力作為制動能源；在真空助力器失效時，靠駕駛員的體力仍能有效進行制動[1]。目前，國內對于真空助力器的助力比等技術內容研究較多，但關于真空助力器對不同制動踏板力條件下的整車制動性能影響的研究則較少。文章選取13輛轎車，進行了真空助力器正常工作及失效時，各種制動踏板力條件下的制動管路壓力測量，獲取了轎車管路壓力建立特性及真空助力器助力比特性[2]。同時對這些車型進行了真空助力器正常工作與失效時充分發出的整車制動減速度和制動距離進行了測量，獲取真空助力器對整車制動性能的影響[3]。為后續轎車制動性能的設計提供了參考。

1 真空助力器工作原理簡述

圖1示出某車型制動助力系統總成。系統總成是由后端的真空助力器與前端的制動主缸組成。當發動機工作時，其進氣道內的壓力會低于大氣壓力，從而形成一定的真空度，這種壓力差會通過真空管吸入真空助力器前腔的空氣，使得助力器前腔氣壓低于大氣壓力，當踩下制動踏板時，助力器的后腔進氣控制閥打開，后腔充氣至大氣壓，壓力大于前腔形成壓力差，形成對制動主缸推桿向前的推力，推動制動主缸內的液體進入制動管路形成車輪制動力。所以制動踏板只需要發出較小的制動踏板力推動真空助力器控制閥推桿，即可打開真空助力器內后腔進氣控制閥，形成真空助力，以較小的制動踏板力，獲取較高的制動管路壓力和制動減速度，有效地縮短了制動距離，提高了安全性。

圖1 某車型制動助力系統總成

2 真空助力器對制動管路壓力的影響

2.1 試驗準備

為了準確獲取真空助力器對制動管路壓力的影響，采用了制動壓力傳感器、踏板力傳感器、道路試驗系統及數據采集系統等設備進行本次對比試驗，獲取真空助力器正常工作和失效時的制動踏板力與制動管路壓力關系。測量設備參數，如表1所示。

表1 制動管路壓力測量設備參數表[4]

在每次測量前，需通過標準壓力源對壓力傳感器進行標定。

將壓力傳感器通過三通，串聯于制動管路的硬管與軟管聯接處[5]，并將制動踏板力計安裝于制動踏板上，如圖2所示。

圖2 壓力傳感器安裝位置圖

2.2 真空助力器正常工作時的制動管路壓力特性

文章選取13輛轎車進行試驗，啟動發動機，待真空助力器正常工作后，采用100 N的制動踏板力觸發制動系統，并以100 N的間隔逐步加大制動踏板力，直至踏板力達到1 000 N，測量在不同踏板力條件下的制動管路壓力。13輛轎車在真空助力器正常工作時，不同制動踏板力條件下的制動管路壓力，如圖3所示。

圖3 13輛轎車在真空助力器正常工作時的管路壓力特性曲線圖

從圖3可知，制動踏板力達到100 N時，13輛轎車的制動管路壓力均達到了3.0 MPa以上（樣車8由于裝備了制動輔助系統，管路壓力達到了9.0 MPa）。

制動踏板力達到500 N時（GB 21670—2008標準允許制動試驗采用的最大制動踏板力），13輛轎車的制動管路壓力均達到了7.3～12.5 MPa。

在真空助力器正常工作時，以500 N的制動踏板力進行100 km/h初速度的制動試驗，13輛轎車的平均制動減速度（MFDD）值均達到了7.92 m/s2以上，滿足GB 21670—2008標準要求的MFDD限值（不小于6.43 m/s2）要求，如表2所示。

表2 13輛轎車在真空助力器正常工作時的平均制動減速度（MFDD）值

制動踏板力達到1 000 N時，13輛轎車的制動管路壓力均達到了9.4～13.2 MPa。

當制動踏板力達到100 N時，13輛轎車的管路壓力均值達4.6 MPa，管路壓力升高速度為4.6 MPa/100 N；隨著踏板力升高至400N，管路壓力逐步升高到8.6MPa，管路壓力升高速度放緩為0.9 MPa/100 N；管路壓力從400 N升至1 000 N過程中，管路壓力升高進一步逐步放緩，升高速度從0.9MPa/100N逐步降為0.2MPa/100N。

2.3 真空助力器失效時的制動管路壓力特性

將發動機與真空助力器的聯接口斷開，使真空助力器失效，如圖4所示。采用100 N的制動踏板力觸發制動系統，并以100 N的間隔逐步加大，直至踏板力達到1 000 N，測量13輛轎車在不同踏板力條件下的制動管路壓力，如圖5所示。從圖5可知，制動踏板力達到100 N時，13輛轎車的制動管路壓力均未達到1.0 MPa，制動器無明顯制動，試驗轎車無明顯制動跡象。轎車充分發出的MFDD小于0.1 m/s2。

圖4 某車型真空助力器與真空管聯接口斷開圖

圖5 13輛轎車在真空助力器失效時的管路壓力特性曲線圖

隨著制動踏板力的增加，制動管路壓力開始緩慢均勻上升，當制動踏板力達到500 N（GB 21670—2008標準允許制動試驗采用的最大制動踏板力）時，13輛轎車的制動管路壓力達到2.4～4.4 MPa。

真空助力器失效時，以500 N的制動踏板力進行100 km/h初速度的制動試驗，整車MFDD值在3.13～5.33 m/s2范圍內，滿足GB 21670—2008標準中應急制動MFDD限值的要求（不小于2.44m/s2）。表3示出13輛轎車在真空助力器失效時的整車MFDD值。

表3 13輛轎車在真空助力器失效時的整車平均制動減速度（MFDD）值

當制動踏板力繼續增加達到1 000 N時，13輛轎車的制動管路壓力達到了5.5～8.4 MPa。低于各轎車真空助力器正常工作時，制動踏板力500 N條件下的管路壓力。

13輛轎車的制動管路壓力均值顯示，100 N時管路壓力均值僅為0.4 MPa，隨著制動踏板力增加到1 000 N，管路壓力逐步增加至6.6 MPa。但真空助力器失效時，制動管路壓力與制動踏板力的相關性較好，整個過程制動管路壓力均值升高速度穩定，維持在0.67 MPa/100 N左右，在制動踏板力較小時（500 N以下），制動踏板力每增加100 N，管路壓力升高速度均低于真空助力器正常工作時的管路壓力升高速度。

3 真空助力器助力比特性分析

以13輛轎車管路壓力均值作為研究對象，研究真空助力器正常工作與失效時的管路壓力比值，獲取在各踏板力情況下的真空助力比特性，如表4所示。在制動踏板力為100 N時，真空助力器的助力比最大，達到了11.5；隨后快速降低，在常用的制動踏板力200～500 N范圍內，助力比為2.8～6.7；制動踏板力超過500 N后，助力比維持在2.0左右。

表4 13輛轎車真空助力比特性表

以13輛轎車的制動管路壓力為研究對象，其真空助力器助力比與制動踏板力的關系符合冪函數特性：

式中：y——助力比；

x——制動踏板力，N。

制動踏板力越高助力比越低，但助力比降低速度也越慢。圖6示出13輛轎車的真空助力器助力比與制動踏板力關系。

圖6 13輛轎車的真空助力器助力比與制動踏板力關系曲線圖

4 真空助力器對整車制動性能影響

以樣車13為例，在滿足GB 21670—2008標準要求的交通部公路交通試驗場動態廣場開展真空助力器對整車制動距離和MFDD影響的對比試驗，研究真空助力器對整車制動性能的影響。制動初速度為100 km/h，測量不同制動踏板力條件下，真空助力器工作和失效時的制動距離和MFDD，如表5所示。

表5 樣車13的真空助力器對制動距離和平均制動減速度（MFDD）的影響

從表5可知，真空助力器正常工作，制動踏板力為100 N時，轎車制動系統已經觸動，減速度達到5.73 m/s2，并在88.8 m的距離內停住；制動踏板力為200 N時，轎車制動系統已經可以滿足GB 21670—2008行車制動標準要求；制動踏板力為400～1 000 N時，隨著制動踏板力的繼續增加，制動距離只有小幅縮減，制動減速度無明顯增加，轎車制動性能已達最佳值。

真空助力器失效時，制動踏板力小于200 N時，轎車無明顯減速；制動踏板力為300～900 N時，隨著制動踏板力的繼續增加，轎車制動距離從247.8 m逐步縮減至85.0 m，減速度由1.71 m/s2逐步增加到5.81 m/s2；制動踏板力為1 000 N時，其制動距離仍長達72.6 m，無法滿足GB21670—2008標準中行車制動標準要求。

5 結論

文章通過對轎車真空助力器的原理及性能分析，揭示出真空助力器是轎車制動系統中的重要部件，可利用發動機進氣道的真空度作為能源提高轎車制動管路壓力和制動減速度，達到縮短制動距離，提高安全性的目的。

1）在相同制動踏板力的情況下，尤其是在制動踏板力較小時，真空助力器對制動管路壓力及制動性能的提升更為顯著；

2）真空助力器助力比與制動踏板力為冪函數關系，助力比隨制動踏板力增加而減小，在制動踏板力較小時，助力比降幅更高，制動踏板力增加時助力比降幅逐漸減小。

因真空助力器助力能源來自于轎車發動機，所以如果轎車行駛過程中發動機突然熄火，助力器將無法正常工作，存在安全隱患，在未來的研究中應考慮替代或補救方案。