BA功能真空助力器综合性能检测系统

陆　艺，阙　飚，金浪滨

(中国计量学院计量测试工程学院　浙江杭州　310018)

0　引言

真空助力器是制动系统的重要组成部分，它可以减少驾驶员制动时所需的踏板力，达到改善制动性能的效果，已经广泛应用于汽车真空助力系统中。BA功能真空助力器是指带有紧急制动功能的助力器，在紧急制动情况下驾驶员无法提供足够的制动力，助力器可以感应紧急制动操作并且增加制动器的输出力，减少制动时间及制动距离，从而保证了行车安全。带BA功能真空助力器是近几年才发展起来的，国内的研究处于空白阶段。目前国产真空助力器性能检测设备只能够检测输入输出特性及密封性，缺少BA功能、空行程以及反应释放时间检测。同时，国内检测设备在控制方面相对落后，气动控制采用开环方式，数据采集精度低，严重阻碍了新产品的开发进度和影响产品的出厂质量[1-2]。

国内对真空助力器的检测没有国家标准，主要依据真空助力器行业标准QC/T 307-1999《真空助力器技术条件》。国内各科研机构也对真空助力器进行了研究，如重庆汽车研究所的梅宗信分析了测量装置结构、试验方法对助力比产生的影响，得出输入传感器与输出传感器的线性一致性是影响测量准确性的最大因素[3]。中国汽车工程研究院的唐春蓬等人分析了数据采集的规范，提出用最小二乘法计算助力比[4]。广东工业大学自动化学院的万频等人利用PLC和触摸屏设计了真空助力器检测设备，但是它只提供了输入输出特性测试，无法满足全面检测的要求[5]。因此研制出一套检测项目全面的BA功能真空助力器综合性能检测系统很有必要。为验证加载速度对输入输出特性的影响，引入了随动平衡理论。同时，在AMEsim仿真环境下建立了真空助力器仿真模型分析了加载速度对助力比的影响。

1　系统原理设计

1．1BA真空助力器原理及测试要求

BA功能真空助力器的原理图如图1，当真空助力器处在非工作状态时，真空阀开启，空气阀关闭，前后腔通道导通，前后气室联通并且与外界空气隔绝。当开始工作时，发动机将前后腔抽成真空，制动踏板推动阀座前移，真空阀关闭，前后腔通道被隔断，空气阀开启，空气进入后腔气室形成压力差，压力差产生助力。当达到平衡状态时，真空阀和空气阀都处于关闭状态，后腔气室气压仍小于1个大气压。真空助力器充分工作时，真空阀关闭，空气阀完全打开，这时后腔气室的气压为1个大气压，提供的助力值达到最大。真空助力器回复时，真空阀打开，空气阀关闭，制动解除。

1-制动主缸推杆；2-橡胶反作用盘；3-空气阀；4-真空阀；5-BA功能零件；6-后腔气室；7-腔气室；A-前腔通道；B-后腔通道

BA功能真空助力器相较于常规真空助力器，在制动踏板推杆输入端处增加了套筒、凸轮、锁片以及制动辅助弹簧等部件，如图2所示。

图2　BA真空助力器增加零件

在正常制动状态下，制动踏板推杆推动空气阀向前移，锁片穿过套筒抵靠在凸轮处，由于是缓慢制动，锁片不会穿过凸轮，预留打开距离没有被打开，其工作原理与普通助力器完全相同。在紧急制动状态下，制动踏板推杆带动空气阀座快速前移，抵靠在凸轮上的锁片会向两边打开，锁片打开口，凸轮可以穿过锁片，使空气阀口额外打开一个预留距离，大气迅速进入真空助力器后腔，制动输出力瞬间增大。

BA功能真空助力器检测系统有5个主要检测项目：

(1)密封性检测：密封性能按推杆位置不同分为非工作密封性、最大助力点以上密封性以及最大助力点以下密封性；(2)常规输入输出特性检测：加载机构缓慢推动真空助力器输入推杆，速度调节范围在0～10 mm/s之间，得到制动踏板输入力与输出力之间的关系；(3)反应释放时间检测：真空助力器反应时间是指制动踏板推杆快速制动过程中，从加力到97%最大助力点时所需的时间。释放时间是指解除制动踏板上的推力，输出力下降到10%最大助力点时所需的时间；(4)空行程检测：从制动踏板推杆开始移动至输出推杆产生位移期间，制动踏板走过的距离；(5)BA特性检测：加载机构以50 mm/s速度快速加载情况下真空助力器输入力与输出力关系[6]。

1．2系统总体设计

根据以上测试要求，设计了PC控制的BA真空助力器综合性能测试系统，检测系统原理图如图3所示。真空源接入后首先经过20 L气罐，气罐出口处接精密调压阀，可实现真空度精密调节。精密调压阀后接入5 L气罐使真空系统更加稳定，最后连接二位三通电磁阀V1、V2、V3负责气路的开启与关闭，选用分辨率为0．01 kPa的真空传感器测量系统真空度。运动加载采用两种方式，加载方式1为气缸加载，加载方式2为伺服电机加载[7]。选用分辨率为1N的力传感器及分辨率为0．01 mm的位移传感器，在助力器输入与输出端分别安装输入力传感器、输出力传感器、两个位移传感器以及一个触点开关，采集测试过程中的力、位移值及接触时高电平信号[8]。

图3　检测系统原理图

测量BA真空助力器的非工作密封性时，真空调压阀调节至测试所需真空度，打开电磁阀V1、关闭V2对系统进行抽真空，真空传感器采集助力器前腔真空值。测量点上密封时，系统控制加载机构以方式2推动制动踏板推杆匀速加载，直到最大助力点的130%后停止，记录前腔气室真空变化值。测量点下密封时，加载机构以方式2推动制动踏板推杆，加载到最大助力点的60%后停止，记录前腔气室真空变化值。

测量输入输出特性测试：测试开始之前对加载、卸载速度进行设置，建立系统真空达到设定值后，断开真空并稳定5s．加载机构以方式2进行加载，加载到130%最大助力点。同时数据采集卡采集加载与卸载过程中的输入力与输出力值，绘制出输入输出特性曲线。

反应释放时间测试：首先对被测真空助力器进行装夹，后对系统抽真空，加载机构以方式1对制动踏板推杆快速加载，同时数据采集卡采集输出力信号并绘制力-时间曲线，当输出力达到最大助力点130%后，停止加载进入稳定状态。稳定时间达设定值后，迅速卸载，绘出力-时间曲线得到反应释放时间。

空行程检测方法为：加载机构以方式2对制动踏板推杆进行加载，加载机构与输入端推杆刚好接触时，记录输入端推杆移动的距离A1，继续加载直到输出推杆位移达到5 mm后停止，绘制出制动踏板推杆位移与输出推杆位移曲线图。获得输出推杆开始产生位移时，输入端推杆位移A2，则空行程为(A2-A1)。

BA特性检测方法：加载速度设置为50 mm/s，卸载速度设置为1 mm/s．加载机构以方式2快速加载，加载到130%最大助力点后，加载机构卸载。采集加载与卸载过程中输入力与输出力值，绘制BA特性曲线计算特征值。

2　真空助力器仿真建模

以随动平衡分析为基础，研究建立AMESim仿真环境下非BA状态下真空助力器仿真模型，分析加载速度对输入输出特性中助力比的影响，为真空助力器测试加载速度选择提供了理论基础[9]。

2．1橡胶反作用盘受力分析

随动平衡是指真空助力器平衡建立和破坏的循环过程，是使真空助力器在非BA触发状态下，输入力与输出力呈线性关系增长的主要原因，橡胶反作用盘受力分析如图4所示。

图4　橡胶反作用盘受力分析图

在真空助力器中，要求橡胶反作用盘表面所受的压强处处相等才能平衡，因此输入力与伺服力关系满足公式(1)，推导即可以得公式(2)：

(1)

(2)

式中：F伺服为伺服力，N；F输入为制动踏板推杆输入力，N；D1为橡胶反作用盘直径，mm；d1为橡胶反作用盘主面直径，mm．

对真空助力器膜片座进行受力分析，可以得到以下力学平衡方程：

(3)

式中：F输出为真空助力器输出力，N；P后为后腔气室压力，kPa；P前为前腔气室压力，kPa；A膜为膜片面积，mm2；F弹簧为膜片回位弹簧力，N；F预压为弹簧预压力，N；R为弹簧刚度，N/mm；X为膜片座位移，mm．

2．2气路方程

将充气过程看成气体流过小孔的过程，视为等熵流动，当0．528≤P后/P0≤1，气体的流动状态为亚声速，P后/P0≤0．528时，进气流动状态为声速。由于空气通道的有效截面积远远大于真空阀口的有效截面积，因此选择真空阀口有效截面积作为充气有效截面积，得到充气过程气体特性方程如下：

(4)

A=π(d空/2)2·S1·μ1

(5)

式中：A为进气有效面积，mm2；d空为真空阀口直径，mm；S1为真空阀口开启最大距离，mm；μ1为流量系数；P0为大气压强；R为气体常数，R=287．1 J/kg·K；k为绝热指数，k=1．4；T为气室气体的绝对温度，T=313 K；V为气室容积，m3．

放气方程与充气过程原理类似不再详细描述，得到放气气体特性方程如下：

(6)

A1=π(d真/2)2·S2·u2

(7)

式中：P为前腔气室真空，kPa；A1为真空阀口有效面积，mm2；d真为真空阀口直径，mm；S2为真空阀口开启距离，mm；u2为流量系数。

2．3随动平衡分析

将真空助力器的整个工作过程看成无数个分开的随动平衡过程，在平衡周期t内，当F伺服和F输入满足公式(8)时平衡建立，随着真空助力器输入力继续增加，平衡打破，进入下一个平衡周期。当大气不断进入助力器后腔产生足够的伺服力时，平衡才重新建立。

(8)

式中：R为膜片回位弹簧刚度，N/mm；X为推杆行程，mm．

从平衡公式可以看出，随动平衡建立的关键是在一个平衡周期t内由真空前后腔压差产生的伺服力与输入力满足特定的比例(伺服比)，在加载速度较小时由于充气时间t较大，随动平衡容易满足，而加载速度增大时，由于t减小，式(8)中积分环节值即后腔气室的压力减小，而由弹簧引起的阻力RX增大，会使伺服力减小无法达到平衡的要求，导致无法建立平衡。

2．4仿真分析

为了验证上述随动平衡分析结论，建立真空助力器仿真模型。由于真空助力器的数学模型较为复杂，而AMEsim仿真软件已经为常用元器件如弹簧、质量块、气动元件及液压元件配备了多个子模型，故选择在AMESim软件环境下建立模型进行分析。仿真模型如图5所示，其主要参数设置见表1。

图5　非BA状态真空助力器仿真模型

表1　真空助力器模型主要参数

完成关键参数配置后，对真空助力器的输入信号进行设置，以20 N/s的初始加载速度进行加载，逐渐增加至200 N/s．为了更直观体现助力比变化，选择两条测试曲线L1、L2进行比较，如图6所示。L1为20 N/s缓慢加载速度，10 N/s卸载速度试验条件下得到的助力曲线；L2为200 N/s加载速度，10 N/s卸载速度下得到测试曲线。

图6　不同加载速度仿真结果

观察曲线发现两条曲线的卸载曲线完全重合，但是加载曲线不重合，缓慢加载情况下的助力曲线L1的斜率要大于快速加载的曲线L2的斜率。曲线斜率反映了助力比大小，说明在连续加载的情况下，加载速度增加会使测得的助力比数值偏小，因此在输入输出特性检测时应选择尽可能小的加载速度。

3　测试结果与分析

在测试开始前，在BA功能真空助力器输出端口处安装密封配件以保证密封。

3．1密封性试验结果

为验证测试系统效果，在标准测试真空66．7 kPa下，对真空助力器密封性进行了测试，结果如表2所列。密封性测试结果表明被测真空助力器密封性能合格。

表2　密封性测试结果　kPa

3．2输入输出试验结果

对真空助力器进行输入输出性能测试，测试曲线如图7所示。

A-释放力；B-始动力；C-跳跃值；D-30%最大助力点输出力；E-80%最大助力点输出力。

由测试曲线图可得，始动力为62 N，释放力为35 N，跳跃值为322 N，30%最大助力点输出力为1 002 N，80%最大助力点输出力为2 642 N，助力比为7．04。行业标准中要求真空助力器始动力小于110 N，释放力大于30 N，测试结果表明被测助力器输入输出性能符合要求。

3．3空行程试验结果

对真空助力器进行空行程测试，测试曲线如图8所示。图中从左至右第一个“×”代表触点开关接触位置即A1，第二个“×”代表输出推杆产生位移时输出推杆对应的位移即A2，由(A2-A1)得到真空助力器空行程值为1．12 mm．行业标准中规定空行程不大于2 mm，结果表明被测助力器空行程符合要求。

图8　空行程测试结果

3．4反应释放时间试验结果

反应释放时间测试结果如图9所示，由测试曲线可以得到反应时间为0．224 s，释放时间为0．183 s．测试结果满足真空助力器行业标准中反应时间小于0．3 s，释放时间小于0．3 s的要求。

图9　反应释放时间测试结果

3．5BA特性试验结果

BA特性测试时，将加载速度设置为50 mm/s，卸载速度仍设置为2 mm/s，设置完成后启动测试。测试结果如图10所示。

图中F点为曲线上最大助力点，最大助力点输入力为183 N．测试结果表明在触发了BA功能后只需要提供183 N的输入力就可以达到最大助力输出，有效地避免了紧急制动情况下因制动力不足导致的制动不及时现象。

图10　BA特性测试结果

3．6加载速度对助力比影响

在标准真空度66．7 kPa测试条件下，以某品牌的真空助力器作为试验样品，该助力器助力比标准值为7．53。在1～20 mm/s范围内以不同的加载速度对真空助力器进行加载，记录不同加载速度下的助力比数值，将测试数据导入曲线图中，如图11所示。

图11　助力比变化曲线

由测试结果可知，为了降低测试节拍，可以在测试开始前对某一型号的多个被测真空助力器进行加载速度试验，找出这一型号真空助力器的最佳加载速度，即保证测试精度要求的基础上选取尽可能大的加载速度，然后按照最佳加载速度对相同型号的真空助力器进行测试。

4　结论

文中在分析真空助力器特性以及各个特性的测试方法的基础上，研制了一套带BA功能检测的真空助力器检测系统，实现了对真空助力器密封性、输入输出特性、空行程、反应释放时间以及BA特性的测试。首次引入了随动平衡概念，分析了加载速度对助力比的影响，并在AMESim仿真环境下建立真空助力器数学模型，仿真分析了不同加载速度下的测试曲线变化。最后在检测系统上进行加载速度试验，试验结果表明加载速度增加会使助力比偏小，同时提出了通过寻找最佳加载速度来提高测试节拍，具有重要的意义。

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