真空助力器失效分析及密封检测方法

杨平 程小强 程教育

摘 要：某车型售后出现在持续轻制动情况下，偶发制动踏板发硬，制动无助力的故障现象，严重影响驾驶安全。经过多样本实车进行数据采集，原因分析，判断在轻制动情况下真空助力器存在泄漏，根据实车数据转化，在台架试验中进行故障复现，对故障件拆解确认根本原因为活塞内壁尺寸及表面处理缺陷。通过对该样件的失效模式，结合现有的验证方法，提出并改进零部件台架试验密封检测方法，在零部件级别识别故障，提升流入整车和市场的零件良品率，避免售后安全风险及对车企品牌声誉损伤。

关键词：真空助力器;制动踏板发硬;轻制动;密封检测

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）19-157-04

Failure Analysis and Sealing Detection Methods of Vacuum Booster

Yang Ping， Cheng Xiaoqiang， Cheng Jiaoyu

（Vehicle Performance & Testing Department， Jiangling Motors Co.， Ltd Product Development Center，

Jiangxi Nanchang 330001）

Abstract： A certain vehicle model After-sales occasionally appears brake pedal hard， brake helplessness of failure in the case of continuous light braking， seriously affecting driving safety. After data collection of multi-sample of complete vehicles， analysis to determine the vacuum booster leakage under the light braking situation， according to the complete vehicles data conversion， failure mode recurrent in the bench test， confirm the root cause of the piston inner wall size and surface treatment defects after failure parts disassemble. A sealing detection method of the component bench test is proposed and improved Through the failure mode of the sample combined with the existing verification method， identify the failure at the component level， improve the rate of qualified parts entering the complete vehicle and the market， avoid the safety risk of the aftermarket and the brand reputation damage to the automobile company.

Keywords： Vacuum booster; Brake pedal hard; Light braking; Sealing detection

CLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）19-157-04

前言

真空助力器是利用真空（負压）增加驾驶员通过制动踏板施加于制动主缸力的部件，实现更轻便的制动操作性和更好的制动性能，广泛运用于当今汽车制动系统中。真空助力器密封一旦失效，会出现制动无助力、踏板发硬，从而直接影响制动性能，导致事故发生[1-2]。所以真空助力器的密封性能验证尤为重要，需要覆盖全面的工况操作，充分验证因设计或制造装配过程中导致的密封失效问题。

本文利用IMC数采设备对售后故障样车进行踏板力及真空度测试，并依据整车结果在台架上进行换算复现。确认密封失效的实际使用工况，结合实际使用工况和失效模式进行根本原因分析，排查出制造过程中的工艺缺陷。通过该失效逃逸点进行分析，提出零部件台架验证方案。

1 故障复现数据采集分析

1.1 实车故障复现数据采集分析

客户描述，车辆在轻制动降速之后，需要制动停车，但出现制动踏板发硬，主观无法制动停车，且该故障为偶发，检查制动管路及主缸，分缸无漏油，蹄片及制动盘无异常磨损。根据故障模式分析，初步判断制动过程中出现真空泄漏。安装真空度传感器和制动踏板力[3]，IMC设备实时采集信号，根据客户描述工况进行测试，采集到复现故障数据，如图1：

实车数据分析结果：

制动踏板力Fpedal维持30N左右，真空度从-1bar上升至-0.2bar，在此过程中出现明显密失效，真空泄漏。

1.2 实车故障复现数据采集分析

车型制动踏板杠杆比为I=3.5，计算真空助力器真空阀输入杆输入力：

FR=Fpedal*I=105N

在助力器密封测试台架中，接入-0.9bar真空负压，真空阀输入杆输入力从1000N以50N递减依次测试，在150N以上无真空泄露出现。根据实车测试结果换算，在80N～120N以10N间隔反复测试，输入力100N时泄露故障复现：如图2：

2 真空助力器原理及失效机理分析

2.1 真空助力器原理

真空助力器的主要作用为制动时产生助力。如图3所示标准助力器[4]，利用发动机驱动真空泵将助力器的前、后两个工作室抽为一定真空（目前基本能达到-1bar），当需要制动时，制动踏板推动推杆向前运动，此时，空气可以进入助力器后工作室。这样，助力器前、后两室产生一定的压力差，从而产生制动所需的助力，如图3。

助力器的工作过程可以分为以下几个阶段：

（1）非工作状态;

（2）正常工作状态;

（3）最大助力状态;

（4）恢复状态。

根据失效分析需要，主要对非工作状态和正常工作状态进行描述剖析：

非工作状态：真空控制阀打开，大气阀关闭，前后腔导通，如下图4：

正常工作状态：输入推杆输入力FR大于始动力Fa，真空控制阀关闭，大气阀打开 ，助力器的后腔进入一定量的大气，使前后腔形成一定的压差，压差对动力缸产生的助力，如下图5：

2.2 失效机理分析

2.2.1 正常状态

控制阀骨架外圆与活塞内壁有间隙，控制阀能自由活动;制动时，控制阀A面与活塞鹦鹉嘴密封，使真空腔与大气腔隔开。

2.2.2 故障状态

控制阀骨架外圆与活塞内壁局部碰触，控制阀A面与鹦鹉嘴平面产生倾斜，在工作时大气腔的气在此处漏到真空腔中，产生泄漏现象。

故障原理：活塞内径越小或失圆，活塞内壁或内径最小点与控制阀骨架外圆越容易碰触，而产生摩擦力，在受到推力后容易造成控制阀A面与鹦鹉嘴平面贴合不紧，此状态下推力越小容易出现贴合不紧的情况（如轻踩制动踏板），推力大时不容易出现贴合不紧的现象。

2.2.3 故障件拆解分析

（1）活塞内壁内径偏小（尺寸不合格），导致与真空控制阀体接触贴紧，摩擦力增大。

（2）活塞内壁光滑度不合格，导致摩擦系数增大，真空控制阀与活塞滑动摩擦力增大。

（3）活塞内壁变形失圆，局部与真空控制阀摩擦力增大。

3 检测方法设定

3.1 检测输入力设定概算

工作状态下真空控制阀的密封靠控制阀A面与活塞鹦鹉嘴的贴合压紧力实现[5]。主要结构如图8：

贴合压紧力：

FS=FR-F1-Ff                                   （1）

式中：

FS为控制阀密封压紧力，单位：N

FR为输入推杆上的输入力，单位：N

F1為回位簧抗力，单位：N

Ff为真空控制阀与活塞内壁摩擦力，单位：N

始动力为助力器产生输出力时作用在输入推杆上的最小输入力，设计技术要求为50～100N，计算公式：

Fa=F1                                        （2）

式中：F1为回位簧抗力，单位：N

根据式（1）和式（2）可得出：

FS=FR- Fa- Ff                                  （3）

正常合格状态下Fs>0才能够提供密封压紧力。结合式（3）分析：因制造工艺造成的Ff增大，在输入力FR略大于始动力 Fa，此时大气阀打开，但密封阀压紧力FS因需要克服摩擦力Ff而无法提供，此时真空出现泄漏，故障可检测识别。

根据概算设定检测方法输入力：

以始动力Fa为初始值，2N为单位增量，持续检测至110N（Fa设计要求≤100N）。

3.2 台架密封检测方法设定

根据现有的台架试验方法和密封评价要求[6]，增加台架密封试验方法及密封要求如表1、2。

4 检测方法运行及结果分析

以某款真空助力器（设计始动力Fa为90N）实际生产不合格10个样件，检测结果如表3所示。

5 结论

本文对制动真空助力器售后失效模式进行检测，结合助力器工作原理进行失效机理分析，识别出在生产制造过程中可能存在零部件质量问题，针对生产过程中一致性的缺陷，提出零部件台架检测方法。

该方法存在一定的不足，主要在于始动力的实际值与设计值可能存在一定的差异，以始动力设计值作为输入力初始检测值，在实际检测过程中可能存在小概率故障逃逸，故需要加大同批次检测样本量。本文提出的检测方法可以在样件的生产工艺变更和定期抽样中进行实施，对低输入力的助力器密封性提供了检测方法和参考标准，避免批量不合格零件流入整车和市场，造成经济损失和品牌伤害。

参考文献

[1] 吕宁.汽车制动系统缺陷的风险评估指标和评价方法研究[D]，西华大学，2017.

[2] 张振鼎，刘彦君，谢东明.真空助力器对轿车制动性能影响的分析[J].汽车工程师， 2017（4）：43-46.

[3] 马良永.由真空助力器结构原理分析故障原因[J].汽车维修， 2012： 14-16.

[4] 王浩.真空助力器的结构、原理及轴向设计[J]汽车研究与开发， 1999（6）.

[5] 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.

[6] QC/T 307-2016，汽车用真空助力器性能要求及台架试验方[S].