汽车真空助力器压力滞后的分析及研究

罗东强

( 京西重工(上海)有限公司，上海 200131 )



汽车真空助力器压力滞后的分析及研究

罗东强

( 京西重工(上海)有限公司，上海 200131 )

摘要：探讨了汽车真空助力器压力滞后的定义及理论计算, 提出平均压力滞后和平均压力滞后率的概念。并详细阐述真空助力器压力滞后的影响因素，通过试验验证减少真空助力器压力滞后水平的方法。结果表明：减小反馈盘的硬度，增加反馈盘的厚度,反馈盘涂油,增大控制气阀骨架等方法可以有效地降低真空助力器的压力滞后。同时通过试验，评估真空助力器的压力滞后对真空助力器带制动主缸总成的贡献水平。

关键词：真空助力器；压力滞后；影响因素

0引言

真空助力器利用发动机或真空泵提供的真空源，通过前后腔之间形成压力差，可以极大地帮助驾驶员利用较小的踏板力即可将行驶的汽车停住。作为助力装置目前已经广泛使用于各种类型的轿车和轻型车的制动系统中。由于制动系统与行车的安全性密切相关,因此作为汽车底盘制动系统的关键零部件,真空助力器使用性能必须有严格的要求来进行保证。1999年制定的真空助力器的汽车行业推荐标准QC/T 307-1999《真空助力器技术条件》中,主要对真空助力器的起始力、回复力、跳增值、助力比等主要性能指标进行要求，并未涉及真空助力器的压力滞后。那么真空助力器的压力滞后是否需要控制呢？文中主要探讨了汽车真空助力器压力滞后的定义及理论力学计算, 提出平均压力滞后和平均压力滞后率的概念。详细阐述真空助力器的压力滞后影响因素，并通过试验验证如何减少真空助力器的压力滞后水平。作者提出通过减小反馈盘的硬度、增加反馈盘的厚度等方法可以有效地降低真空助力器的压力滞后。同时通过试验，评估真空助力器的压力滞后对真空助力器带制动主缸总成的贡献水平。

1真空助力器压力滞后的定义

真空助力器的工作过程主要包括2个阶段：输入力施加和释放。其基本的输入输出性能曲线如图1所示。可以看出：在施加力和释放力即助力器推杆前进和后退过程中，助力器的曲线并不重合，在同样的输入力的情况下，助力器推杆前进过程中产生的输出压力要小于推杆后退过程中产生的输出压力。此压力差即为助力器的压力滞后。同样地，在相同的输出压力的时候，助力器推杆前进过程中的输入力要大于推杆回退过程中的输入力。

而推杆输入力的大小直接影响到驾驶员的踏板感觉。如果真空助力器的压力滞后偏大，驾驶员踩下制动踏板产生制动压力所形成的踏板感觉和回退时制动踏板反馈到驾驶员脚上的踏板感觉不一样，不利于驾驶员做出准确的判断。因此希望在设计真空助力器的时候，压力滞后越小越好。

为了更全面评估前进和后退全过程中的压力滞后情况，采用指标平均压力滞后和平均压力滞后率。平均压力滞后是指在某一段输入力区间，推杆后退过程中和推杆前进过程中输出压力差值的平均值。而由于不同尺寸规格的真空助力器产生不一样的最大助力压力，为了可以同时评估不同尺寸规格的真空助力器的压力滞后水平，更好地评估压力滞后，可以采用指标平均压力滞后率。助力器平均压力滞后率是指平均压力滞后与目标输入力产生的输出压力的比值，目标输入力一般为拐点压力时的输入力的80%。

2真空助力器压力滞后的理论分析

真空助力器中最关键的核心部件为反馈盘。在输入推杆克服空气阀弹簧的弹簧力、空气阀前端接触反馈盘之后，反馈盘一侧接触输出推杆，另一侧则接触控制阀体和空气阀。为了分析真空助力器的输出压力滞后，针对真空助力器的反馈盘进行受力分析,如图2所示，反馈盘受到控制阀体对它的力及空气阀对它的力，另一方面受到助力器输出推杆对它的力，即助力器的输出力Fout。因此真空助力器的输出力即包含2个部分，一部分为作用在控制阀体产生的合力，一部分为作用在空气阀上形成的合力：

Fout=Fav+Fpst

(1)

其中：Fout为真空助力器的输出力；

Fav为作用在空气阀上形成的合力；

Fpst为作用在控制阀体形成的合力。

由于真空助力器反馈盘具有流体特性，其表面上任何一点处的压力均一致，因此：

p=Fout/Aout=Fpst/Apst=Fav/Aav

Fout=p×Aout

Fpst=p×Apst

Fav=p×Aav

Fout=Fav+Fpst=Fav×αBR

(2)

其中：αBR为真空助力器助力比；p为反馈盘表面压力。

公式(2)适用于真空助力器的空气阀接触反馈盘之后，但是在空气阀和反馈盘接触之前，两者之间存在一定间隙，此间隙可以产生助力器的跳跃值。 由于助力器均有跳跃值，因此助力器的输出力公式(2)需调整为：

Fout=Fav×αBR+Fsupport

(3)

其中：Fsupport为真空助力器跳跃值。

公式(3)适用于真空助力器推杆前进和后退阶段，但是在各个阶段的表现则不一样。在输入推杆前进阶段，真空阀口始终关闭，空气阀座持续关闭和开启(或者保持略微开启状态)，使得空气能进入到大气腔。而在回退过程中，真空阀口持续关闭和开启(或者保持略微开启状态)，使得大气能从大气腔抽取。对应2种不同的阶段，输出力Fout的力学公式相应不同。

在真空助力器推杆前进阶段时，真空助力器的真空阀口关闭，大气阀口准备开启。此时计算公式为：

Fav=Fin-Favs-Fμav+Aaseat×Δp

(4)

Fout=Fav×αBR+Fsupport

(5)

={Fin-Favs-Fμav+Aaseat×Δp} ×αBR+Fsupport

(6)

在真空助力器回退阶段，真空助力器的大气阀口关闭，真空阀口准备开启。此时计算公式为：

Fav=Fin-Favs+Ffcvs+Fμav+Afcv×Δpmax+(Avseat+Aaseat)×Δp

(7)

Fout=Fav×αBR+Fsupport=[Fin-Favs+Ffcvs+Fμav+Afcv×Δpmax+(Avseat+Aaseat)×Δp]×αBR+Fsupport

(8)

其中：Fin为推杆输入力；

Favs为空气阀弹簧力；

Fμav为空气阀与控制阀体间的摩擦力；

Ffcvs为控制气阀弹簧力；

Aaseat为空气阀有效面积；

Avseat为控制气阀环状面积；

Afcv为控制气阀有效面积；

Δpmax为真空腔与大气之间的压力差；

Δp为大气腔与大气之间的压力差。

根据定义，压力滞后为同样的输入力时输出压力的差值，可按照以下公式计算：

H=FoutR-FoutA=[Fin-FavsR+FfcvsR+FμavR+Afcv×Δpmax+(Avseat+avseat)×ΔpR]×αBR+FsupportR-(Fin-FavsA-FμavA+Aaseat×ΔpA)×αBR-FsupportA=[(FavsA-FavsR)+FfcvsR+(FμavR+FμavA)+Afcv×Δpmax+Avseat×ΔpR+Aaseat×(ΔpR-ΔpA)]×αBR+FsupportR-FsupportA

(9)

其中：H表示压力滞后；

下缀A表示前进阶段；

下缀R表示回退阶段。

3真空助力器压力滞后影响因素

根据上述公式(9)，可以判断出真空助力器压力滞后的影响因素。

(1)空气阀和控制阀体相对位置。在推杆前进和后退过程中，空气阀和控制阀体相对位置不一样在2个方面影响压力滞后，空气阀弹簧弹簧力FavsA-FavsR和跳跃值FsupportR-FsupportA。这个主要来自于空气阀和控制阀体与控制气阀接触时凹陷及控制气阀的总变形。由于空气阀和控制阀体之间的相对位置不一样，空气阀弹簧的弹簧力也不一样，跳跃值也不一样，从而产生压力滞后。为了防止泄漏，控制气阀需要有一定的变形量。因此常规可通过使用较大的骨架来减少控制气阀的变形。

(2) 回退阶段和前进阶段跳跃值。根据汽车行业推荐标准QC/T 307-1999《真空助力器技术条件》，跳跃值定义为通过起始力的点作的垂线与助力器的助力比特性线的延长线的交点。由于在推杆之前，助力器的空气阀和反馈盘之间有一间隙，跳跃值即为反馈盘受到变形将此间隙腔充满时产生的输出力。而在前进和后退阶段，此处的间隙并不一样，因为空气阀和控制阀体的相对位置不一样。因此通过改变反馈盘的材料特性，如更改反馈盘硬度，使其更容易变形或者调整反馈盘更厚，使其有更多材料更容易充满间隙腔，以减少前进和后退过程中的间隙不一样。同时，通过对反馈盘涂润滑油，可减少反馈盘的阻力，也可以实现前进、后退过程中的间隙控制。

(3)FfcvsR是控制气阀弹簧力。当真空阀口打开时，需要克服控制气阀弹簧力，此弹簧力值大小也是真空助力器压力滞后的影响因素之一。

(4)FμavR+FμavA是控制阀体和空气阀之间的摩擦力和推杆与控制阀体之间的摩擦力。根据公式(9)，这2个摩擦力也是压力滞后的影响因素之一。

4压力滞后台架试验评估方法

压力滞后试验使用MTS台架，采用频率为0.5 Hz的三角波输入力进行测试。0.5 Hz三角波即以均匀的力增加速率在1 s内将输入力达到目标输入力，然后再在1 s内以均匀力减小速率将输入力降低到0。目标输入力设定为达到拐点时所对应的输入力的80%。即力增加或减小速率为：F拐点输入力×80%/t。为了达到三角波的输入力控制，必须对MTS进行输入力(P，I，D和F)调整。通过重复一系列试验，采用KP=100、KI=4、KD=0.003、F=1.3可以较为精确地控制MTS的输入力。MTS的力施加速度是通过测量输入力进行反馈控制。然而，试验发现：MTS台架对从0 N到真空助力器起始力之间阶段的控制仍不准确。由于这个阶段的输入力并不随着推杆前进增加或增加很缓慢，无法达到力的增加速度要求，因此此处采用20 mm/s的推杆速度进行控制，而过了起始力之后采用均匀力增加速率进行控制;回退阶段亦类似,如图3和图4所示。

以下为具体的测试真空助力器压力滞后的试验步骤:

(1)根据整车制动系统要求，选择合适的2个前制动卡钳和2个后制动卡钳，或采用模拟负载。模拟载的选择必须保证与整车制动系统在±10%公差范围内。

(2)连接压力传感器至制动主缸的第一腔和第二腔的出油口处，连接真空度传感器在真空助力器和单向阀之间。

(3)检测数据采集系统，采集数据包括：时间、位移、输入力、第一腔主缸压力、第二腔主缸压力、真空助力器真空度。数据采集频率要求0.004 s。

(4)MTS设备参数设置。根据真空助力器的拐点输入力，确定目标输入力，设置初始速度20 mm/s至150 N，然后以0.5 Hz三角波达到目标输入力并释放。

(5)确保MTS设备推杆与真空助力器推杆之间含有一定间隙，以确保真空助力器在试验前没有受到预压。

(6)调整真空助力器的真空至所需要的真空度，一般设置66.7 kPa真空度。

(7)试验并采集数据。

5真空助力器对真空助力器带主缸总成的压力滞后的贡献分析

真空助力器带制动主缸总成包含了真空助力器和制动主缸2个主要部件。那么这2个主要部件到底哪个对压力滞后起主要影响呢？影响各有多大呢？通过在真空助力器和制动主缸之间增加1套力传感器装置，如图5所示，以采集真空助力器的输出力，从而获得真空助力器的输出力滞后数据，同时从制动主缸出油口处的压力传感器采集制动主缸的压力，获取真空助力器带制动主缸总成的压力滞后数据。通过比较两者之间的数据，可以获得真空助力器对真空助力器带主缸的压力滞后的贡献。

在试验前，先检查增加的力传感器装置的效率。不带真空助力器产品，直接将MTS设备施加7 000 N至力传感器装置中，获取如图6所示的曲线：此力传感器装置前进阶段的效率为99.8%～100%,后退阶段的效率为99.4%～99.7%，试验结果见表1。虽然2个阶段的效率有些不同，但两者间相差很小，约0.1%～0.6%，这对研究助力器的压力滞后贡献率应该完全足够。

在确认好力传感器装置的效率后，将产品连接至台架中进行测试。通过试验分析，表2—4结果显示：真空助力器对总成的压力滞后贡献为85.8%～87.8%，占绝大部分。因此后续如果需要改善真空助力器带制动主缸总成的压力滞后性能，将主要集中在真空助力器中。

表2真空助力器带主缸总成平均压力滞后

表3真空助力器平均压力滞后

表4真空助力器平均压力滞后贡献率

6真空助力器压力滞后减小的方法

通过台架试验针对真空助力器的压力滞后影响因素进行验证，获得减少真空助力器压力滞后的方法。验证试验前，为了保证所有验证试验的一致性，首先对台架推杆前进和后退速度对压力滞后的影响进行评估。试验采用0.1、0.25、0.5和0.75 Hz 4种不同三角波的速度，试验结果如图7和图8所示，施加力的速度对真空助力器的压力滞后有相当大的影响，速度越低，其压力滞后越小，推杆速度越快，压力滞后越大。

根据前文中提到的台架试验方法，所有试验将选择以0.5 Hz三角波速度达到目标输入力然后以同样速度回退至初始位置进行验证。

根据真空助力器压力滞后影响因素，验证试验从以下几个方面进行：

反馈盘硬度；

反馈盘厚度；

反馈盘涂抹润滑油；

控制气阀组件骨架规格。

(1)调整反馈盘硬度。反馈盘的硬度影响到橡胶材料的弹性系数，低硬度的反馈盘表面材料软，有较小的弹性系数。试验选用低、中、高3种不同硬度的反馈盘，反馈盘的规格尺寸均一致。试验结果如图9所示，反馈盘硬度对压力滞后影响很大，低硬度的滞后压力比高硬度的滞后压力小约600 kPa，低硬度的反馈盘可以大大地减少压力滞后。然而，当反馈盘的硬度降低，它在受力情况下更容易磨损，因此也将同时可能影响到反馈盘的寿命。通过一系列验证试验找出最合适的硬度，既可以降低压力滞后，又能满足寿命要求。

(2)反馈盘厚度对压力滞后的影响。试验选用2种反馈盘厚度，分别为7 mm和4.7 mm。试验结果如图10所示，7 mm厚度的反馈盘可将压力滞后率从4.7 mm的14%降低至约12.5%。

(3)反馈盘润滑。试验选用同一批反馈盘，制作5个真空助力器。首先未对反馈盘进行涂硅油，进行压力滞后测试，获得一组数据。之后将这5个真空助力器的反馈盘涂抹硅油，然后再进行压力滞后的测试。试验结果如图11所示，对反馈盘涂润滑硅油可将压力滞后率从18%减低至14%。

(4)控制气阀骨架大小。试验选用2种不同大小尺寸规格的控制气阀骨架，一种骨架大，一种骨架小。大骨架的控制气阀可以减少控制气阀的变形，相应地减少了空气阀和控制阀体在前进和后退间断中的相对位移量。试验结果如图12所示，大骨架控制气阀的平均压力滞后率要小于小骨架控制气阀的平均压力滞后率。设计时，可根据需要调整控制气阀骨架大小。

7结论

针对目前真空助力器在推杆前进和后退阶段特性曲线不一样，在同样的输出压力时，前进阶段的输入力和后退阶段的输入力不一样，产生的真空助力器压力滞后，使得驾驶员的踏板感觉不一致，而导致驾驶员可能出现误判断和操作，作者对真空助力器的压力滞后进行分析及研究：

(1)提出真空助力器平均压力滞后和平均压力滞后率概念；

(2)通过对真空助力器反馈盘进行受力分析，理论计算真空助力器的压力滞后；

(3)根据理论计算力学公式，确定影响真空助力器压力滞后的影响因素；

(4)提出MTS台架测试压力滞后的测试方法，并通过试验得出真空助力器对真空助力器带制动主缸总成的压力滞后贡献率；

(5)通过试验验证，提出了多种调整真空助力器压力滞后的方法，包括调整反馈盘厚度、调整反馈盘硬度、反馈盘涂抹硅油、调整控制气阀组件骨架尺寸规格等。

参考文献:

【1】QC/T 307-1999真空助力器技术条件[S].

【2】杨维和.汽车制动真空助力器的工作原理与性能计算[J].汽车技术,1991(10):8-13.

【3】杨维和.制动真空助力器的特性曲线的综合评价[J].汽车技术,1999(9):11-14.

【4】赵凯.汽车真空助力器的原理及参数计算[J].汽车技术,2001(1):1-4.

【5】刘惟信.车设计[M].北京:清华大学出版社,2001.

【6】赵凯,董大伟,李恩田,等.汽车真空助力器输入-输出特性曲线的分析方法[J].汽车零部件,2009(2):58-60.

【7】何宇益.影响真空助力器最大助力点以下密封性的因素[J].汽车零部件,2012(10):92-94.

【8】孟德建.面向制动踏板感觉的真空助力器测试、建模与影响分析[J].汽车零部件,2013(11):28.

【9】TRETSIAK D V，KLIAUZOVICH S V，AUGSBURG K,et al.Research in Hydraulic Brake Components and Operational Factors Influencing the Hysteresis Losses[C]// Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers：Part D：Journal of Automobile Engineering,2008:1633-1645.

Analysis and Research for Pressure Hysteresis of Vacuum Booster

LUO Dongqiang

( Beijing West Industry(shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200131, China)

Keywords:Vacuum booster; Pressure hysteresis; Influence factors

Abstract:The concept and calculation of the pressure hysteresis of vacuum booster was discussed. The definitions of average pressure hysteresis and average pressure hysteresis ratio were presented.The factors influencing the average pressure hysteresis were analyzed. The methods of reducing the booster average pressure hysteresis were validated via testing.It is shown that the following methods have been validated, including reducing the reaction rubber hardness, increasing the thickness of the reaction rubber,lubricating the reaction rubber with silicon, increasing the framework of the control valve. Also the contribution level of the booster pressure hysteresis to the assembly of vacuum booster with braking main cylinder was evaluated.

收稿日期：2015-01-17

作者简介：罗东强，男，大学本科，研究方向为汽车制动。E-mail:dongqiang.luo@bwigroup.com。

中图分类号:U461.1

文献标志码：B

文章编号：1674-1986(2016)04-015-06