某汽车低速制动助力不足影响因素试验分析

杨嵩，黄海波，李平飞（西华大学汽车与交通工程学院，四川 成都 610039）



某汽车低速制动助力不足影响因素试验分析

杨嵩，黄海波，李平飞
（西华大学汽车与交通工程学院，四川 成都 610039）

摘要：文章对某品牌车辆在高原地区低速行驶时的制动性能展开实地试验研究，通过设置5组对比试验，模拟车辆可能出现的多种低速制动工况，分析探究该车辆在高原地区低速行驶过程中制动助力不足的影响因素，并通过试验数据论证车辆改进方案的有效性。试验结果表明，车辆改进方案在一定程度上能提高真空助力器的真空度以及真空恢复速率，有助于改善车辆的制动安全性。

关键词：低速制动；高原地区；制动减弱；试验改进

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U463.51Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-160-04

引言

汽车真空助力器是借助外界大气压与发动机进气歧管之间所存在的真空压力差，将驾驶员作用在制动踏板上的作用力放大后传给制动主缸，增加制动主缸产生的制动液压力，从而起到增大制动力的助力作用。

在高原地区使用的车辆，由于受到地理海拔高、大气压力低、道路条件差等环境因素影响，汽车的制动性能受到严重考验[1]。高原地区空气氧含量较低，为保障行驶动力性，自然进气的汽车通常会采取增大发动机节气门开度的方法来增加进气量，但同时也减小了进气歧管的真空度，使得真空助力器所提供的制动助力难以满足正常的制动需求，出现制动发硬现象，影响着汽车的行车安全[2]。

1、国内外研究

制动助力不足对行车安全危害较大，国内外相关研究较多。日本爱德克斯（ADVICS）公司的Yuji Goto， Atsushi Yasuda等人设计了一种机械式的压力切换装置，该装置在真空助力失效的情况下通过改变制动主缸工作腔的横截面积以增大制动管路压力[3]。Nobuyuki Hirota等通过改进传统的真空助力器结构实现了助力器输出特性的优化，使之与ABS系统更契合，有利于提高车辆主动安全性[4]。

在我国，南京依维柯汽车有限公司的杨希志等对高原条件下连续制动前后的汽车真空助力系统参数变化进行了分析，在高原上，随着海拔的升高，汽车真空伺服制动系首次制动助力效果会变差，但是其连续制动稳定后的制动助力效果与平原制动助力效果相当[5]。行业内多以20kPa的真空度作为制动助力不足的报警阈值，助力器真空度低于阈值时将启动电动真空泵或者其他控制策略以弥补制动助力的不足。广汽研究院的凌新新等人提出了一种基于EMS标定的车辆真空度不足的解决方案，通过改善发动机、制动系统的控制策略，实现了车辆对高海拔环境的适应性[6]。

清华大学曾于2014年对某品牌SUV汽车进行过制动性能方面的试验研究。其中一组试验通过人为变控真空助力装置的真空度，模拟了汽车在高原地区面临的低真空度情况。如图1所示，该组试验通过减小真空助力器真空度至-37.62 kPa、-22.57kPa、-7.52kPa，监测并记录车辆在平直路面上以50km/h的初速度制动时，在不同制动强度下的制动表现，并通过与真空助力器在正常工作（真空度约-52.675kPa）时的制动表现进行对照，拟合出多组真空度状态下的制动踏板力与平均制动减速度的关系曲线，如图1所示。

图1　制动踏板力和平均制动减速度曲线图

从图中可以看出，当助力器真空度由正常值（-52.675kPa）降低至-37.62kPa、-22.57kPa，汽车在同样道路环境下获得的制动减速度几乎一致，制动性能并未受到明显影响；但助力器真空度降低至-7.525kPa时，助力器明显无法提供正常的制动助力，导致车辆的制动性能下降，此时为达到正常的制动减速度必须增大制动踏板力，即发生了制动发硬现象。这一实验数据也表明行业内以-20kPa的真空度作为助力器能提供正常制动助力的报警阈值是合理的。

2、问题的提出

某品牌车辆在高原地区行驶曾出现过制动发硬、制动效能不足的现象，据了解这种情况只出现在低速制动的工况下，尤其是在停车场泊车（发动机怠速运行，挂档，大转向，空调开大）等极端工况中容易出现。经分析原因助力器助力不足主要受到三个因素的影响：一是国标对整车燃油经济性和排放性能的要求导致车辆制动时额外的真空度能量的减少；二是低速行驶时发动机转速低，换气频率较低；三是高原地区空中含氧量少，为保证动力性会增大节气门开度以吸入更多空气。受此三个因素的影响，进气歧管中真空度的恢复速率抵抗发动机额外负荷的干扰能力变差，在大负荷工况下进气歧管真空度始终处于较低水平，助力器真空度相应减小导致制动助力不足。

为消除此类现象，技术人员提出了改进方案：增大文氏管真空泵中的单向阀尺寸，以增大真空助力器的真空度；同时更新真空传感器及制动电控单元以改善真空度的恢复速率；另外，针对车辆在极端工况下容易发生制动发硬的情况，采取新的发动机负荷控制策略以减小发动机负荷，改善真空恢复速率，但仅在助力器正常工作真空度小于-28kPa等多条件同时满足情况下起作用。

3、试验方案的制定

为充分了解该车型在高原地区低速运行时的制动性能并改进方案的有效性，研究人员于2014年在西藏拉萨市（海拔高度约为3650m），分别在一台未执行改进方案的车辆（简称A车）和一台执行了改进方案的车辆（简称B车）上进行了实车试验，重点对制动时车速、减速度、助力器的真空度、制动踏板力等参数进行了测量。结合该车型在高原地区出现制动发硬现象的工况特征，设置五组试验方案来检测真空助力器真空度对驾驶员制动感受的影响：冷启动静态制动试验、低速10次动态连续制动试验、低速4次动态连续制动试验、静态真空度恢复试验、怠速大负荷大转向连续制动试验。

3.1冷启动静态制动试验

试验方案：发动机冷态启动，保持车辆静止，连续踩制动踏板到底5次（每次间隔1~2秒），记录助力器真空度变化情况。本方案模拟汽车冷启动工况下的制动情况。

3.2低速10次动态制动试验

试验方案：车辆在平直道路上，挂入D挡，空调关闭，加速到10km/h～15km/h，以0.3g～0.33g（约3.0m/s2）的减速度制动至车辆停止，重复相同条件的试验10次。空调开到最大，其他条件及方法与关闭空调时的试验方案一致，重复相同条件的试验10次。记录制动踏板力、助力器真空度等数据。本方案模拟汽车低速行驶过程中进行制动的情况。

3.3低速动态连续4次制动

试验方案：车辆在平直道路上，挂入D挡，空调关闭，加速到15km/h～20km/h，连续制动三次（间隔约为1秒）后，全制动停车。空调开到最大，其他条件及方法与关闭空调时的试验方案一致进行试验。记录制动踏板力、车速、减速度、助力器真空度等数据。本方案模拟车辆低速行驶过程中常见的一种全制动工况下的制动情况。

3.4静态真空度恢复试验

试验方案：在发动机为热态（至少已启动30min）的前提下，用木块等障碍物限制车辆前行，挂入D挡，空调开到最大。快速连续踩下制动踏板，使助力器真空度下降至-20kPa以下，松开制动踏板并记录真空度恢复至-28kPa时所用的时间。本方案模拟车辆真空助力器真空度的恢复速度。

3.5怠速大转向开空调连续制动试验

试验方案：在发动机为热态，移除木块等障碍物，发动机怠速，变速箱挂入D档，空调开到最大，打满转向，使车辆缓慢行进，并快速连续踩下制动踏板，记录制动踏板力、汽车减速度变化情况。本方案模拟车辆在停车场泊车时的极端制动工况下的制动情况。

4、试验数据对比分析

4.1冷启动静态制动试验

在静态制动试验中，A、B车真空助力器真空度随时间的变化关系曲线如图2所示：

图2　冷启动静态制动试验下的助力器真空度曲线

从图2中可以看到，A车在冷启动状态下共制动了6次，助力器真空度在每次制动后均下降至-20kPa以下，重新恢复至-20kPa的时间分别为：0.24s，0.75s，0.8s，0.75s，0.84s，0.164s，平均恢复时间为0.59s。而B车进行了5次制动，助力器真空度均未下降至-20kPa以下。

4.2低速10次动态制动试验

图3　A车，空调关闭，低速10次动态制动试验

图4　A车，打开空调，低速10次动态制动试验

从图3、4中可以看出，由于车速相对较快、发动机转速较高，A车试验时并未发现真空助力器真空度下降至-20kPa以下或出现制助力不足的状况。不开空调时，助力器真空度最低约为-36.7kPa，打开空调时，助力器真空度最低约为-31.2kPa，即由空调因素引起的真空度下降值约为5.5kPa。说明开空调增大了发动机负荷，对助力器真空度有一定的影响。

图5　A车，空调关闭，低速动态连续4次制动试验

图6　A车，打开空调，低速动态连续4次制动试验

4.3低速动态连续4次制动从图5、6中可以看出，A车不开空调试验时真空助力器真空度最小为-27.7kPa，打开空调时为-18.72kPa，即由空调因素引起的真空度下降值约为8.98kPa。说明开空调增大了发动机负荷，对助力器真空度有一定的影响。

4.4静态真空度恢复试验

图7　静态真空度恢复试验助力器真空度曲线

在A车上进行了三次试验，图7所示，真空度从-20kPa恢复至-28kPa的时间分别为：11s、1.3s（坏值除去）、7s，平均值为9s。在B车上进行了三次试验，真空度的恢复时间分别为：0.99s，3.9s，3.9s，平均值为2.93s。即在执行了改进方案后，车辆真空度恢复时间明显缩短。

4.5怠速大转向开空调连续制动试验

图8　踏板力曲线图（A车）

图9　踏板力曲线图（B车）

由图8、9所示，A车在连续制动时，由于真空度恢复速率不足导致制动踏板力从约35N增大到约135N；在B车上，随着制动次数增多，也出现了真空度恢复速率不足导致的制动踏板力增大的现象（增至约134.75N）。即改进方案并未解决该工况下车辆真空助力不足的问题。

5、结论

（1）从2组、3组试验数据可以看出：开空调会增大发动机负荷、降低助力器真空度，有可能影响制动性能。

（2）从1组和4组对比试验中可以看出：改进方案可以使助力器真空度的恢复速率改善，最低真空度提高，有助于增强发动机对额外负荷的适应性。

（3）在5组试验对比中，从试验采集的真空度数据来看，生产商提供的改进方案在一定程度上有助于提高车辆低速行驶时的真空度，基本满足了车辆的正常制动要求。只有第5组试验中发生了制动力明显增大的现象，说明改进方案在该工况下未能改善制动助力不足的问题。同时，考虑到此种制动力增大的现象只有在车速极低的工况下表现出来，因此几乎不会对车辆行驶安全造成影响。

参考文献

[1]张成柱.浅谈汽车在山区和高原条件下的使用[J].科技信息杂志社.2014(14):142-143.

[2]饶峻,崔海峰，赵向东.高海拔环境下的电子真空泵智能控制[J].上海工程技术大学学报.2014.28(1):12-15.

[3]Yuji Goto,Atsushi Yasuda, Satoshi Ishida. Brake Master Cylinder for Secure Brake Feel and Improved System Failure Performance.SAE. 2003.1.

[4]Nobuyuki Hirota, Akihiko Miwa, Kaoru Tsubouchi, Yoichi Terasaki. Development of Variable Technology in Performance of Brake Booster. SAE.2004.1.

[5]杨希志,谢桃新.高原环境汽车真空伺服制动系性能分析[J].汽车工程师.2014（2）：36-38.

[6]凌新新,詹锡兰,张喜科.一种基于EMS标定的车辆真空度不足的解决方案[J].机电工程技术.2014,43(3):73-77.

Experimental analysis on the influence factors of low speed brake booster

Yang Song, Huang Haibo, Li Pingfei
( XihuaUniversity, School of Automobile & Transportation, Sichuan Chengdu 610039 )

Abstract:This article introduces a vehicle low-speed braking performance test carried out in the plateau region on vehicles with a certain brand.5 groups of contrast experiment programs were set and operated to simulatea variety of low-speed braking conditions. Through the analysis of test data, the influence factors of vehicle’s low-speed brake power shortage in the plateau region were analyzed and explored, and a certain improvement for vehicles were proved to be effective.The test results indicate that the improvement scheme can improve vacuum booster vacuum and vacuum recovery rate in a certain extent, which helping to improve the vehicle braking safety.

Keywords:low-speed braking; plateau area; brake decline; experiment improvement

中图分类号：U463.51

文献标识码：A

文章编号：1671-7988 （2016）05-160-04

作者简介：杨嵩，就读于西华大学汽车与交通工程学院。