基于AMESim的真空助力器輸入-輸出特性曲線仿真研究*

康夢南，王先云，楊 鐸，李玉光，付少華

(大連大學 機械工程學院，遼寧 大連 116622)

0 引 言

隨著我國經濟的發(fā)展，汽車出行成為人們日常出行的首選，隨著汽車行駛速度的提高，公共交通安全面臨巨大挑戰(zhàn)，剎車系統(tǒng)作為汽車駕駛安全的重要作用顯得尤為重要[1]。

國內外對助力器性能優(yōu)化如下：FORTINA A等人[2]利用AMESim建立了真空助力器模型并通過臺架試驗進行了驗證，該模型能夠較好地反映出制動盤直徑以及真空度對真空助力器特性的影響;SORNIOTTI A等人[3]建立了雙助力比真空助力器模型，分析了助力器彈簧剛度和預緊力對制動性能的影響，并進行了系統(tǒng)調優(yōu);封萬里等人[4]建立了雙膜片真空助力器模型，分析了踏板力、踏板位移、管路油壓和制動減速度之間的關系，并對制動系統(tǒng)進行了優(yōu)化;MENG D J等人[5]考慮到乘用車的制動系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，建立了助力器和主缸的仿真模型，該模型不僅考慮了助力器和主缸的內部摩擦力、彈簧預緊力，還考慮了反作用盤的特性以及制動液的體積模量的變化，將踏板行程作為輸入時，嚴格定義了制動系統(tǒng)組件的動力學方程的邊界條件;劉恩芬等人[6]優(yōu)化了智能汽車電子真空助力器系統(tǒng)，通過對助力器工作原理的深入研究，建立了滿足自動緊急剎車系統(tǒng)要求的智能車輛控制系統(tǒng)。

以上學者主要研究了助力器加載作用階段各因素對特性曲線的影響，對于助力器釋放作用階段的特性曲線研究較少。

本研究將建立適用于加載與釋放全過程的真空助力器仿真模型，通過數(shù)值仿真與理論計算相結合來驗證模型的正確性，利用數(shù)值仿真工具研究反饋盤剛度、柱塞與反饋盤間隙和柱塞剛度對助力器加載與釋放階段完整回路的特性曲線的影響，為助力器的優(yōu)化設計提供參考。

1 真空助力器結構和工作原理

1.1 助力器結構

助力器關鍵結構部件是建模仿真的重點，因此在進行數(shù)值仿真之前需要了解真空助力器的結構組成。真空助力器結構如圖1所示。

圖1 真空助力器結構1-過濾網；2-控制閥推桿彈簧；3-閥門彈簧；4-控制閥柱塞；5-后殼體；6-膜片；7-前殼體；8-主缸推桿；9-膜片回位彈簧；10-橡膠反作用盤；11-伺服氣室膜片座；12-橡膠閥門；13-大氣閥座；14-防塵罩；15-控制閥推桿；A-真空通道；B-大氣通道

1.2 助力器工作原理

通過對真空助力器的結構和工作原理的了解，可為助力器關鍵仿真部件相互連接提供理論指導。反作用盤式真空助力器加載曲線的形成過程如下：

首先，在自然狀態(tài)下，真空閥打開，使大氣腔保持真空狀態(tài)，輸入力作用于控制閥推桿，推桿克服彈簧預緊力和空行程，關閉真空閥，使前后腔分離；

其次，輸入力增大，空氣閥打開使得空氣進入后腔，前后腔形成壓差，形成作用于反饋盤外圈的伺服力小于作用于反饋盤內圈的推桿力，此時使助力器產生助力的最小閥桿輸入力即為始動力Fa；

再次，輸入力持續(xù)增大，空氣持續(xù)進入大氣腔，使得反饋盤內、外圈壓強相同，空氣閥關閉，此時有雙閥關閉平衡方程：

Fout=Fin+P0(A1-A3)+P(A3-A2)+
(P-P0)A4-F1

(1)

式中：Fout—助力器輸出力；F1—膜片回位彈簧預緊力；Fin—輸入力；A4—空氣閥密封面積；P0—真空腔與大氣腔的壓差；A1—膜片有效面積；A2—主缸推桿柄部面積；P—真空度；A3—柱塞柄部面積。

最后，輸入力增大，空氣閥再次打開，大氣進入后腔，破壞平衡狀態(tài)，反復作用產生隨動平衡現(xiàn)象[7]，形成助力特性線；當后腔氣壓與外界大氣氣壓相等時，助力器伺服力達到最大值FE，輸入力和輸出力增量比為1的直線保持不變。

最大伺服力時P=P0，此時有：

FE=Fin+P(A1-A2)-F1

(2)

(3)

式中：It—真空助力器助力比；D0—橡膠反饋盤直徑；d—柱塞柄部直徑。

此時，式(1)與式(2)的差值為(P-P0)(A3+A4)，隨著真空度的下降，其差值變化是一個減函數(shù)，而膜片回位彈簧的作用力F1是隨助力變化的增函數(shù)，因此可將F1視為定值[8]。

反作用盤式真空助力器釋放曲線的形成過程為：

首先，輸入力減小，空氣閥座在膜片回位彈簧抗力作用下迅速回位，真空閥打開使得前、后腔相通；

其次，輸入力繼續(xù)減小，作用于反饋盤內、外圈的壓強相等，此時達到回程最大助力點，形成雙閥關閉的平衡狀態(tài)；

再次，輸入力繼續(xù)減小，真空閥打開，打破平衡狀態(tài)，反復作用產生隨動平衡現(xiàn)象，直至輸出力降為零時作用于推桿輸入力即為釋放力；

最后，閥體在回位彈簧抗力的作用下，回到非工作狀態(tài)位置。

在萬能試驗機上，筆者利用圓盤型夾具對助力器關鍵部件橡膠反饋盤進行壓縮試驗，測量了非線性條件下反饋盤受力情況和變形值，上方夾具直徑34 mm，下方夾具直徑遠大于反饋盤，測得試樣直徑為34.5 mm，厚度為10.4 mm。

反饋盤試驗圖如圖2所示。

由圖2可知：(1)試驗前反饋盤表面光滑且無壓痕，試驗完成取下放置5 min后，反饋盤表面有明顯的壓痕；(2)反饋盤剛度曲線呈非線性變化，受力9 kN時，變形值為8.630 1 mm；受力1 kN時，變形值為2.700 mm。

仿真模型中，當輸入力為800 N，取反饋盤模型彈簧剛度為370.37 N/mm。

圖2 反饋盤試驗圖

2 真空助力器仿真建模

利用數(shù)值仿真軟件AMESim中的氣動元件庫(PCD)和信號元件庫，筆者建立了助力器前后腔模型，利用液壓元件庫(HCD)和機械元件庫建立了反饋盤模型，利用機械元件庫建立了控制閥模型；用信號元件模擬輸入力數(shù)值為0～800 N的加載與釋放作用，用氣動元件模擬真空度為-66.7 kPa的真空泵，用機械元件模擬各部件的位移情況和外接負載。

筆者以真空助力器的結構和工作機理為立足點，將包含控制閥模型、反饋盤模型和助力器前后腔模型的各仿真部件合理地連接起來，建立汽車真空助力器仿真模型，如圖3所示。

圖3 汽車真空助力器仿真模型

真空助力器主要參數(shù)如表1所示。

表1 真空助力器參數(shù)

所建真空助力器模型仿真及理論計算的真空助力器輸入-輸出特性曲線如圖4所示。

圖4 真空助力器輸入-輸出特性曲線

在QC/T307—2016《汽車用真空助力器性能要求及臺架試驗方法》[9]和QC/T307—1999《真空助力器技術條件》中，根據(jù)真空助力器輸入—輸出特性曲線[10]的要求：真空助力器始動力Fa=72.8 N小于110 N；釋放力Fa1=56.5 N≥30 N；跳躍值Fj=578.71 N；最大助力點輸出力FE=3 757.93 N小于理論最大助力輸出力4 023.51 N，且滿足FE點時輸出力不超過理論設計的±10%，同時加載段仿真特性線斜率K=6.05，理論助力比It=6.32，K>0.95·It。

由此可知，本文所建立的真空助力器模型，能較好地反映出加載與釋放階段真空助力器輸入—輸出特性曲線。

3 影響特性曲線的參數(shù)

以往的研究中，研究人員已研究了真空助力器加載階段反饋盤剛度對踏板特性的影響[11]，也對真空助力器模型加載段的影響因素作了研究分析[12]。本文對真空助力器中各部件參數(shù)與助力器輸入—輸出曲線的關系進行詳細研究，并基于加載與釋放的一個完整真空助力器作用回路，分析曲線變化程度，得出顯著和略微影響助力曲線的參數(shù)。

3.1 真空助力器推桿彈簧預緊力

不同真空助力器推桿彈簧預緊力下助力器輸入—輸出特性曲線如圖5所示。

圖5 不同推桿彈簧預緊力下助力器輸入—輸出特性曲線

由圖5可知：推桿彈簧預緊力增大時，跳躍值和跳減值略微減小，加載與釋放階段的始動力和釋放力均明顯增大，而助力特性線不變，助力最大點對應輸出力略微增大，輸入力和輸出力增量比為1的直線保持不變。

3.2 真空助力器柱塞與反饋盤間隙

不同真空助力器柱塞與反饋盤間隙下助力器輸入—輸出特性曲線如圖6所示。

圖6 不同間隙下助力器輸入—輸出特性曲線

由圖6可知：間隙增加，加載與釋放段的始動力和釋放力均不變，跳躍值和跳減值均逐漸增大，而助力特性線斜率不變，助力最大點對應輸出力略微減小，輸入力和輸出力增量比為1的直線保持不變。

3.3 真空助力器橡膠反饋盤等效剛度

不同真空助力器橡膠反饋盤等效剛度下助力器輸入—輸出特性曲線如圖7所示。

圖7 不同反饋盤等效剛度下助力器輸入—輸出特性曲線

由圖7可知：反饋盤等效剛度增大，加載與釋放階段特性線斜率不變，始動力和釋放力不變，跳躍值和跳減值均明顯增大，最大助力點輸出力減小，輸入力和輸出力增量比為1的直線保持不變。

3.4 真空助力器反饋盤直徑

將反饋盤直徑33.5 mm、34.5 mm和35.5 mm分別輸入到真空助力器仿真模型中，得到3種不同的助力器輸入—輸出特性曲線。對比曲線可知，反饋盤直徑增大，始動力和釋放力均不變，跳躍值和跳減值均不變，助力比增大，助力特性線斜率增大，助力最大點對應輸出力略微減小，輸入力和輸出力增量比為1的直線保持不變。

3.5 真空助力器柱塞剛度

在助力器輸入—輸出特性曲線中，在規(guī)定位置處加載和釋放過程中相同輸出力所對應的輸入力的差值即為滯后力。不同柱塞剛度下助力器輸入—輸出特性曲線如圖8所示。

圖8 不同柱塞剛度下助力器輸入—輸出特性曲線

由圖8可知：柱塞剛度增大，始動力和釋放力均不變，跳躍值和跳減值均不變，加載特性線不變，釋放特性線斜率減小，滯后力明顯減小，助力最大點對應輸出力略微增大，輸入力和輸出力增量比為1的直線保持不變。

綜上所述，可以得到如下結論：(1)當推桿彈簧預緊力增大時，始動力和釋放力明顯增大；(2)當柱塞與反饋盤間隙增大時，跳躍值和跳減值明顯增大；(3)當反饋盤剛度增大時，跳躍值和跳減值明顯增大；(4)當反饋盤直徑增大時，助力比與助力特性線斜率明顯增大；(5)當柱塞剛度增大時，滯后力明顯減小。

因此，真空助力器輸入—輸出特性曲線是多種因素共同作用的結果，通過對上述因素參數(shù)的合理設置，可以得到更符合預期的仿真曲線。

4 結束語

本研究建立了基于數(shù)值仿真工具AMESim的真空助力器仿真模型，可以更直觀地觀測助力器工作中包含加載與釋放段一個工作回路的助力曲線；通過對各個部件參數(shù)進行調整，快速地找到影響真空助力器輸入—輸出特性曲線的主要因素，進而對參數(shù)進行優(yōu)化，可以為真空助力器的初始開發(fā)階段降低成本和為后期優(yōu)化提供參考。

本研究中存在的不足之處在于，對于實驗所測橡膠反作用盤非線性剛度，模型采用近似的等效剛度代替，未能較精確地反映出橡膠反作用盤的實時變化。

在今后的研究中，筆者將進一步對真空助力器模型進行優(yōu)化，以實現(xiàn)更好的制動踏板感覺。