车辆高原地区制动助力不足的试验验证

2019-05-16马立璞WangFeiMaLipu

北京汽车 2019年2期

王飞，马立璞 Wang Fei，Ma Lipu

车辆高原地区制动助力不足的试验验证

王飞，马立璞 Wang Fei，Ma Lipu

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

随着汽车研发水平的不断提升，汽车的各项性能指标，尤其以关系到人身安全的制动性能，受到了越来越多用户的关注。收集某在售车型用户反馈的制动系统各类问题，通过归纳总结，发现在高原地区进行连续制动工况，制动踏板会变硬，出现制动系统失效现象，易导致交通事故，甚至危害到人身安全。通过实地考察，选择拉萨等具有典型海拔高度环境条件的地区，通过模拟用户日常驾驶习惯，制定多种试验方案进行客观数据采集，分析在高原地区车辆制动系统存在的性能差异，为改进与提升积累数据经验。

制动性能；高原；连续制动；试验

0 引言

我国地势复杂，西南地区多以高原为主，海拔多在3 000～5 000 m，海拔高、气压低、温差大、风沙大、坡度大、缺氧，环境条件十分恶劣。随着人们生活水平的不断提高，越来越多的游客及越野爱好者选择在这种具有挑战性的极限环境下，驾驶车辆挑战自己，享受越野所带来的乐趣。

高原行车，制动系统有效非常重要，就某车型车主们反映的情况，通过对售后问题收集、归纳、分析及总结，发现车辆在高原地区某些特定工况下使用时，会出现制动踏板发硬现象，导致车辆追尾、剐蹭，甚至危害到人身安全。

通过对问题车辆进行分析，发现由于制动系统真空助力不足，车辆失去助力，导致制动踏板发硬，无法提供足够的制动力。没有制动助力的车辆，即使是男性驾驶员也需要使出全力才能踩下制动踏板，何况女性驾驶员，并且任何人面对突发情况通常来不及反应。

为深入分析车辆问题，在典型高海拔地区模拟客户的驾驶习惯，制定若干试验方法，进行数据采集，为车辆制动性能的改进和提升提供帮助[1]。

1 真空助力器

1.1 基础理论

注：F1为总泵活塞受力，S1为总泵活塞面积；F2为分泵活塞受力，S2为分泵活塞面积。

制动分泵的缸径不可能无限大，制动主缸缸径也不可能无限小，力的放大倍数是有限的，要想产生足够的减速度，只有增大输入到制动主缸的力，即增大制动踏板力来提高制动系统的能力；因此，真空助力器应运而生。

1.2 工作原理

真空助力器结构复杂，对其结构进行简化，如图2所示，以便更清晰地了解其工作原理。

图2 真空助力器结构简图

真空助力器的工作原理可简单概括为：通过膜片将助力器内部工作腔分为前、后两腔，其中后腔与大气相连，前腔与真空源相通，后腔负责提供负压使得与前腔产生压差，从而提供助力。

图3 踏板力、真空度与时间关系曲线

真空助力器工作过程一般分为4个阶段：自然状态、施加制动、维持制动和释放制动。

（1）自然状态：即未施加制动时，助力器内前、后腔相通，气压平衡，即前腔=后腔=进气歧管；

（2）施加制动：前、后腔在活塞作用下被隔离，由于后腔通大气，前腔通真空源，前、后腔产生压力差，推动膜片前行，产生助力；

（3）维持制动：前、后腔封闭，后腔与大气隔绝，压力差恒定，保持不动；

（4）释放制动：前、后腔再次相通，气压将重新达到平衡，膜片在回位弹簧作用下回位，但由于前、后腔此前存在的压力差，即后腔=大气＞前腔=进气歧管，因而重新接通后，前、后腔的混合气平均压力升高，真空度缩小[3]。

从图3中可看出，当驾驶员施加踏板力时，真空助力器前腔内的真空度随踏板力增加而减小，即前、后腔在活塞作用下被隔离，由于后腔通大气，前腔通真空源，因此前、后腔产生压力差；在踏板力上升中后段及释放踏板的过程中，真空度由减小变为增大，这是由于电子真空泵等提供真空的设备起作用，增大了真空度；当制动踏板被彻底释放后，真空助力器前腔内的真空度再次减小，这是由于助力器前、后腔再次相通，气压重新达到平衡，即松开制动踏板，前、后腔混合后的平均压力升高，真空度缩小。

2 制动踏板变硬原因分析

针对车辆在制动过程中制动踏板会变硬现象，通过分析诸多车主的现象描述，发现该现象仅发生于高原地区连续制动工况，在停车场进行移库操作时，驾驶员需连续、反复地踩踏制动踏板对车辆进行前进及后退操作。结合现象共性进行归纳总结，发现以下主要因素。

（1）高海拔：在高原环境下，海拔越高大气压力越低。大气压与海拔的关系为

式中：0为标准大气压，1标准大气压=101.325 kPa；为海拔，m；为某高度大气压，kPa。

正是由于高原地区气压低，造成真空助力器膜片两侧压力差减小，因而无法提供较大的制动力[3]。

（2）连续制动：根据真空助力器工作原理可知，对于依靠发动机产生真空源的车辆来说，每经历一个全制动周期（从施加制动至松开制动），进气歧管内的真空度会经历先变小后恢复的过程，这在正常的行车制动时可以保证助力器内部真空度的恢复，但是当进行类似停车场移库或小区域范围频繁使用制动时，车辆需要快速连续制动，助力器内部真空度无法及时恢复[4]。

3 试验方案制定及实施

试验选取典型高海拔地区拉萨市（海拔约 3 650 m）作为试验地点，考虑到自动挡轿车因其操作便利性受到了更多用户的偏爱，选取两辆自动挡车型作为试验样本，其中A车为配备电子真空泵涡轮增压车型，B车为配备机械真空泵柴油车。以连续制动作为固定试验输入条件，重点对助力器真空度、制动踏板力等相关参数进行采集并结合车辆在高原地区可能出现的踏板变硬现象，分析并制定若干试验方案以验证真空度变化对制动效果的影响。

3.1 静态空挡连续制动

通过静态连续制动模拟动态工况，初步了解不同类型真空泵在相同工况下的输出效果差异。

测试分为无负载和全负载（打开空调、灯组等全部电器设备，并伴有转向操作），将发动机熄火，连续踩下制动踏板以排除真空，待踏板变硬后，启动发动机，全负载工况下连续开启全部负载，待真空度达到最大值后，进行连续制动试验，结果如图4所示。

图4 真空度-时间关系曲线1

从图4中可以得到：

（1）机械真空泵抽真空能力（最大真空度）优于电子真空泵。

（2）电子真空泵在全负载条件下，反复快速地踩下制动踏板时，真空度来不及恢复，始终小于20 kPa（行业内多以20 kPa的真空度作为制动助力不足的报警阈值，清华大学曾做过这方面的研究，当真空度低于20 kPa时，助力器明显无法提供正常的制动助力，车辆制动性能下降，此时为达到正常的制动减速度必须增大制动踏板力，即出现制动踏板发硬的现象）。

3.2 动态D挡、R挡连续制动（模拟停车场移库）

模拟驾驶员在停车场的移库操作，分析车辆可能存在的制动踏板变硬现象。

车辆在平直路面上，将发动机熄火，连续踩下制动踏板以排除真空，待踏板变硬后，启动发动机，全负载，待真空度达到最大值后，将变速器置于D挡，车辆怠速前进约2 m后，踩下制动踏板使车辆静止，将变速器置于R挡，车辆怠速后退约2 m，继续踩下制动踏板使车辆静止；重复以上操作，待制动踏板主观感觉异常后停止试验，试验结果如图5、图6所示。

图5 真空度-时间关系曲线2

图6 真空度、踏板力与时间关系曲线（电子泵）

从图5中可以发现，配备机械真空泵车辆，在模拟驾驶员正常移库操作时，真空度始终维持在50～60 kPa，车辆制动正常，驾驶员主观反馈车辆制动踏板无异常，且真空度数值始终优于配备电子泵车辆。

从图5、图6中可以发现，配备电子真空泵车辆，在模拟驾驶员进行移库操作时，连续制动前几次真空度可以维持在20kPa以上，踏板力约为100 N，驾驶员主观反馈可以接受，但当连续制动一定次数后，由于电子真空泵逻辑问题（电子泵持续作用会发热，连续工作时会因过热保护而退出），导致电子泵退出工作，不再抽真空，从图6中可发现在连续制动末段真空度已接近0 kPa，完全失去助力，踏板力接近500 N，此时驾驶员反馈施加制动时，可明显感觉制动踏板变硬，需用全力才能将车辆停止。

3.3 动态D挡全油门连续制动

模拟驾驶员由于情绪波动，与其他车辆产生冲突，反复实施制动—加速—制动操作，分析车辆可能存在的制动踏板变硬现象。

车辆全负载状态下在平直路面上由静止启动，D挡全油门加速持续约5 s后，快速踩下制动踏板持续约1 s，继续全油门加速重复以上操作，待制动踏板主观感觉异常后停止试验，试验结果如图7、图8所示。

图7 真空度-时间关系曲线3

从图7中可以发现，配备机械真空泵车辆，在模拟驾驶员情绪波动行车时，真空度始终维持在40～50 kPa，车辆制动正常，驾驶员主观反馈车辆制动踏板无异常，且真空度数值始终优于配备电子泵车辆。

图8 节气门开度、真空度、踏板力与时间关系曲线（电子泵）

从图7、图8中可以发现，配备电子真空泵车辆，在模拟驾驶员情绪波动行车时，连续制动前几次真空度维持在20 kPa以上，踏板力约为100 N，驾驶员主观反馈可以接受，但当连续制动一定次数后，同样由于电子真空泵逻辑问题，导致电子泵退出工作，不再抽真空，真空度变小，踏板力接近550 N，此时驾驶员反馈施加制动时，可明显感觉制动踏板变硬，需用全力才能将车辆停止。

3.4 动态踩踏制动踏板连续制动（模拟拥堵长时间跟车）

模拟驾驶员由于道路拥堵，长时间踩踏制动踏板跟车，频繁制动，分析车辆可能存在的制动踏板变硬现象。

车辆全负载在平直路面上，驾驶员轻踩制动踏板怠速行驶，右脚始终不离开制动踏板，连续行驶约5 s后施加1次制动使车辆停止，然后继续实施轻踩制动踏板怠速行驶，重复以上操作，待制动踏板主观感觉异常后停止试验，试验结果如图9、图10所示。

图9 真空度-时间关系曲线4

从图9中可以发现，配备机械真空泵车辆，在模拟拥堵工况长时间跟车时，真空度始终维持在40～60 kPa，踏板力小于50 N，车辆制动正常，驾驶员主观反馈车辆制动踏板无异常，且真空度数值始终优于配备电子泵车辆。

图10 车速、真空度、踏板力与时间关系曲线（电子泵）

从图9、图10中可以发现，配备电子真空泵车辆，在模拟拥堵工况长时间跟车时，连续制动前几次真空度维持在20 kPa以上，踏板力约为50 N，驾驶员主观反馈可以接受，但当连续制动一定次数后，同样由于电子真空泵逻辑问题，导致电子泵退出工作，不再抽真空，真空度变小，踏板力接近400 N，此时驾驶员反馈施加制动时，可明显感觉制动踏板变硬，需用全力才能将车辆停止。