乘用車制動(dòng)系統(tǒng)真空源淺析

吳桂寶，董良，葉海艦

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

乘用車制動(dòng)系統(tǒng)真空源淺析

吳桂寶，董良，葉海艦

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

目前乘用車（含新能源車型）及輕型卡車普遍采用真空助力器作為伺服助力，而其真空度將直接影響助力效果。自然吸氣車型常采用發(fā)動(dòng)機(jī)岐管作為真空源，匹配直噴發(fā)動(dòng)機(jī)、增壓發(fā)動(dòng)機(jī)及柴油機(jī)車型常采用機(jī)械真空泵或電動(dòng)真空泵作為真空源，新能源車型因無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用電動(dòng)真空泵作為真空源；電子助力器取消傳統(tǒng)真空助力器，并集成ESC控制器，將會(huì)是未來(lái)制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。文章重點(diǎn)介紹目前乘用車常用的幾種制動(dòng)系統(tǒng)真空源方案及優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了電子助力器的優(yōu)勢(shì)，為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

真空源；發(fā)動(dòng)機(jī)岐管；機(jī)械真空泵；電動(dòng)真空泵；電子助力器

CLC NO.:U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-50-04

引言

眾所周知，制動(dòng)系統(tǒng)作為安全系統(tǒng)，其重要性不需贅言。如今乘用車制動(dòng)系統(tǒng)的要求不僅僅體現(xiàn)在剎住車的層次，而更多的關(guān)注制動(dòng)踏板感覺(jué)。所謂制動(dòng)踏板感覺(jué)是指駕駛員在用力踩下制動(dòng)踏板時(shí)，自身感受到的車輛減速度、周圍事物移動(dòng)速度變化及腳部受到制動(dòng)踏板反饋等視覺(jué)、觸覺(jué)、聽覺(jué)的綜合。通常用制動(dòng)減速度、踏板行程曲線，制動(dòng)減速度、踏板力曲線表達(dá)。圖1為某車型制動(dòng)踏板感覺(jué)曲線。

目前乘用車（含新能源車型）及輕型卡車普遍采用真空助力器作為伺服助力，而其真空度將直接影響助力效果。圖1為不同真空度條件下真空助力器特性曲線，由下圖可以看出，真空度越高，“拐點(diǎn)”越高即真空助力器助力極限越大；真空度越高，相同輸入力時(shí)輸出力增大，即相同踏板力時(shí)可產(chǎn)更大的車輛減速度。

圖1 不同真空度下助力器輸入輸出特性曲線

因真空度的高低直接關(guān)系到真空助力器助力效果，因此各大主機(jī)在整車制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)時(shí)均會(huì)重點(diǎn)關(guān)注真空源的設(shè)計(jì)。本文以不同類型整車，簡(jiǎn)要介紹其真空源系統(tǒng)，為制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)人員提供參考。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)岐管

發(fā)動(dòng)機(jī)岐管真空源為制動(dòng)系統(tǒng)最常用的真空源，其制動(dòng)真空系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示：

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)岐管真空系統(tǒng)架構(gòu)

真空助力器通過(guò)橡膠或尼龍軟管與發(fā)動(dòng)機(jī)岐管支路連接，空氣按箭頭所示方向流動(dòng)。兩者之間設(shè)置單向閥，保證發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)助力器真空度。進(jìn)氣岐管真空度受發(fā)動(dòng)機(jī)特性影響較大，某車型在開空調(diào)時(shí)真空助力器真空度下降較大，拐點(diǎn)降低，緊急制動(dòng)時(shí)影響踏板感覺(jué)及制動(dòng)性能。尤其自動(dòng)擋車型在冬季冷啟動(dòng)、D擋蠕動(dòng)開空調(diào)時(shí)真空度僅為正常狀態(tài)（66.7kPa）30%左右，此時(shí)會(huì)明顯感覺(jué)到制動(dòng)踏板發(fā)硬，引起客戶抱怨。

發(fā)動(dòng)機(jī)岐管真空源較為可靠，且該系統(tǒng)僅需管路系統(tǒng)將真空助力器與發(fā)動(dòng)機(jī)岐管連接，因此成本較低。

2 機(jī)械真空泵

圖3 機(jī)械泵真空系統(tǒng)架構(gòu)

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)及匹配柴油機(jī)車型，因發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣岐管不足或者無(wú)真空，因此通常增加額外的真空源。機(jī)械式真空泵，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)，其真空系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

真空助力器通過(guò)橡膠或尼龍軟管與機(jī)械泵連接，空氣按箭頭所示方向流動(dòng)。兩者之間設(shè)置單向閥，保證發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)助力器真空度。低海拔區(qū)域（如合肥等城市）機(jī)械泵最大真空度，通?？蛇_(dá)到90KPa以上；真空度抽真空速度，受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響較大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，抽真空速度越快。因機(jī)械真空度真空系統(tǒng)真空度較高，真空助力器拐點(diǎn)相對(duì)較高，同等踏板感覺(jué)下，可以適當(dāng)縮小制動(dòng)器規(guī)格。同時(shí)，由于真空助力器空氣閥兩側(cè)壓力差較大，在相同助力器參數(shù)條件下，其始動(dòng)力發(fā)生變化，甚至影響輸入力推桿回復(fù)速度，因此需要額外的參數(shù)調(diào)節(jié)。典型的機(jī)械泵抽真空曲線如圖4所示：

圖4 機(jī)械泵抽真空曲線

機(jī)械泵管真空源較為可靠，且該系統(tǒng)僅需管路系統(tǒng)將真空助力器與其連接，因此系統(tǒng)復(fù)雜度較低。但因機(jī)械泵由皮帶驅(qū)動(dòng)，只要發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，真空泵一直在工作，因此會(huì)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，降低動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性。

3 電動(dòng)真空泵

對(duì)于配備增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的降低是降低整車油耗的直接手段，通過(guò)取消發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的機(jī)械式真空泵而減少發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載是降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的有效手段之一，同時(shí)還可以通過(guò)功耗轉(zhuǎn)移有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性指標(biāo)。

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)車型及新能源車型，因發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣岐管真空度不足或者無(wú)真空，因此通常增加額外的真空源。電動(dòng)真空泵應(yīng)運(yùn)而生，其真空系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示：

圖5 電動(dòng)真空泵真空系統(tǒng)架構(gòu)

3.1電動(dòng)真空泵分類

按常用結(jié)構(gòu)形式分為：葉片式、活塞式、膜片式；

按使用功能可分為：輔助電動(dòng)真空泵和獨(dú)立式電動(dòng)真空泵。

3.2 電動(dòng)真空泵結(jié)構(gòu)和工作原理

3.2.1 葉片式電動(dòng)真空泵

葉片式電動(dòng)真空泵由偏心的安裝在定子腔內(nèi)的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子腔內(nèi)的葉片和外殼定子組成。轉(zhuǎn)子帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片在離心力作用下緊貼定子內(nèi)壁，將進(jìn)氣口、排氣口分隔開來(lái)。進(jìn)氣腔容積周期性擴(kuò)大而吸氣，排氣腔容積周期性縮小而排氣，并通過(guò)排氣壓力將排氣閥打開，獲得真空。因葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)與定子內(nèi)壁摩擦，因此葉片式電動(dòng)真空泵工作時(shí)，溫度會(huì)不斷上升。其結(jié)構(gòu)如圖6所示：

圖6 葉片式電動(dòng)真空泵結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 搖擺活塞式電動(dòng)真空泵

搖擺活塞式電動(dòng)真空泵包含兩個(gè)180°對(duì)置的工作腔。電機(jī)主軸連接一個(gè)偏心輪，偏心輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸及活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，活塞會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)搖擺。活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起工作腔的容積變化，產(chǎn)生進(jìn)氣和排氣的效果。搖擺活塞式電動(dòng)真空泵工作時(shí)活塞和缸體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)真空泵溫度會(huì)升高，活塞上活塞環(huán)和缸體之間的過(guò)盈量可以通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整，其溫升比葉片式真空泵低，磨損較慢，噪音也相對(duì)較低。由于搖擺活塞式電動(dòng)真空泵采用雙腔對(duì)置結(jié)構(gòu)，當(dāng)一腔失效時(shí)仍具有一定的抽真空能力，其具體結(jié)構(gòu)如圖7所示：

圖7 搖擺活塞式電動(dòng)真空泵結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 膜片式電動(dòng)真空泵

膜片式電動(dòng)真空泵也采用180°雙腔對(duì)稱布置結(jié)構(gòu)，膜片由一個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，此曲柄連桿機(jī)構(gòu)包括一個(gè)偏心結(jié)構(gòu)，上面裝有兩個(gè)偏心軸承，推動(dòng)作用在膜片上的連桿進(jìn)行往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，使膜片受到推力和拉力作用下變形。在氣室設(shè)置的單向閥作用下將空氣從進(jìn)氣口壓縮至排氣口，從而在與進(jìn)氣口相連的密閉空腔內(nèi)產(chǎn)生真空。由于膜片和腔體之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此磨損較小，溫度上升低，可以使真空泵有較長(zhǎng)的壽命和較低的噪音，詳細(xì)機(jī)構(gòu)如下圖8所示：

圖8 膜片式電動(dòng)真空泵結(jié)構(gòu)圖

3.2.4 電動(dòng)真空泵性能對(duì)比

以上幾種電動(dòng)真空泵各有優(yōu)缺點(diǎn)和不同的使用特性，在當(dāng)前乘用車上均有廣泛使用。具體選型還需依據(jù)整車定位及制動(dòng)系統(tǒng)使用條件，如真空助力器性能、容積；電動(dòng)真空泵抽真空能力、壽命、噪音及成本等因素。以上幾種電動(dòng)真空泵性能優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下表：

表1

4 電子助力器（ibooster）

iBooster將傳統(tǒng)真空助力器和ESC集成在一起，結(jié)構(gòu)如下圖9所示：

圖9 電子助力器外觀圖

iBooster有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）安裝角度靈活，占用空間小；與真空助力器有相同踏板感覺(jué)；伺服制動(dòng)能耗低。

（2）踏板特性可通過(guò)軟件調(diào)整實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同車型風(fēng)格、不同年齡段人群需求的多樣性。根據(jù)變速箱檔位，速度，轉(zhuǎn)向角，橫向加速度或驅(qū)動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)不一樣的踏板感；針對(duì)滿載車輛或拖車模式可調(diào)高助力比。

圖10 電子助力器可調(diào)范圍輸出特性曲線示意圖

（3）iBooster可支持更快的建壓速度，縮短TTL時(shí)間為未來(lái)駕駛功能提供更好的功能支持(比如十字路口交通安全輔助以及自動(dòng)緊急制動(dòng)等)。

圖11 電子助力器與ESP系統(tǒng)流量對(duì)比

（4）iBooster采用電機(jī)助力，因此不再需要發(fā)動(dòng)機(jī)真空，降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載，提升動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性；取消EVP和真空管路，節(jié)省制動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜程度，降低重量。

未來(lái)汽車的終極目標(biāo)是無(wú)人駕駛和綠色駕駛，iBooster所具備的優(yōu)勢(shì)，使其必將成為未來(lái)制動(dòng)系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分。

5 結(jié)束語(yǔ)

制動(dòng)系統(tǒng)作為汽車安全系統(tǒng)，其重要性不言而喻。隨著時(shí)代的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的需求不止停留在“能剎住車”的層面，而是對(duì)制動(dòng)踏板感覺(jué)提出了更高的要求。真空助力器真空度的高低直接關(guān)系到制動(dòng)踏板力的大小，進(jìn)而影響制動(dòng)踏板感覺(jué)。本文從整車層面，介紹了幾種傳統(tǒng)可用的真空源方案及優(yōu)缺點(diǎn)，并著重介紹了未來(lái)制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展方向-電子助力器（ibooster），這對(duì)本領(lǐng)域汽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有較大借鑒意義。

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Analysis of vacuum source of passenger car braking system

Wu Guibao, Dong Liang, Ye Haijian
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

At present, the vacuum booster is widely used in the passenger car and light truck as the servo power, and its vacuum will directly affect the effect of power. Naturally aspirated models often use the engine intake manifold as a vacuum source , matching direct injection engine, turbocharged engine and diesel engine models often use mechanical vacuum pump or electric vacuum pump as a vacuum source, the new energy vehicles because of the engine without the use of electric vacuum pump as a vacuum source; It is the development direction of the future braking system to cancel the traditional vacuum booster and integrate the ESC controller. This paper focuses on several common brake system vacuum source solutions and their advantages and disadvantages, and introduces the advantages of electronic booster, to provide reference for the relevant technical personnel.

Vacuum source; Engine manifold; Mechanical vacuum pump; Electric vacuum pump; Electronic booster

U463.5

A

1671-7988 (2017)13-50-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.016

吳桂寶，男，畢業(yè)于南昌大學(xué)車輛工程學(xué)士，現(xiàn)就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司任底盤設(shè)計(jì)主管一職。