摘要：消费者对乘用车的制动性能，尤其是制动的踏板感觉要求越来越高，这就要求设计时，需要设计人员对制动系统进行精细的匹配调教。真空助力器作为制动系统重要的部分，成为了匹配设计的重要环节。本文将研究制动系统中真空助力器的匹配设计方法，包括：真空助力器特性分析、真空助力器与踏板感觉的匹配、真空助力器与HBB功能的匹配、真空罐大小与真空助力器关系、真空助力器及真空源选型流程。
关键词：制动系统；真空助力器；匹配设计；
前言
制动性能是车辆重要的性能之一，关系到驾驶员与乘客的人身安全。改善车辆制动系统的性能是生产设计部门重要的任务。[1]随着汽车工业的发展，人们对汽车的性能要求越来越高，尤其是安全性能，希望获得高性能的制动系统。真空助力器作为制动系统重要的部分，成为了匹配设计的重要环节。但真空助力器的匹配过程较为复杂，需要综合考虑多方面的影响，才能在一定成本条件下相对较优的制动性能。
目前大部分研究主要针对真空助力器本身参数与性能关系，对真空助力器与制动系统其他零部件匹配关系和匹配流程研究较少。本文针对真空助力器的匹配问题， 研究并给出部分匹配流程方法和经验要求。
1 真空助力器
为了解决驾驶员踩踏踏板力不足的问题，制动系统采用伺服装置，按伺服能量的形式分为真空伺服式、气压伺服式和液压伺服式。真空伺服，即真空助力器，是乘用车液压制动系统中最普遍采用的伺服装置。
图1.1 真空助力器结构简图[2]
1-伺服气室前壳体 2-制动主缸推杆 3-导向螺栓密封套 4-膜片回位弹簧 5-导向螺栓 6-控制阀 7-橡胶反作用盘 8-伺服气室膜片座 9-弹橡胶阀门 10-大气阀座 11 –过滤环 12-控制阀推杆 13-调整叉 14-毛毡过滤环 15-控制阀推杆弹簧 16-阀门弹簧 17-螺栓 18-控制阀柱塞 19-伺服气室后壳体 20-伺服气室膜片
真空助力器的特性[3][4]主要有初始特性（始动力、跳跃值）、助力比、最大助力点，这三个特性可通过结构设计来确定。初始特性与回位弹簧、反馈盘与推杆间隙等参数相关；助力比可由反馈盘的输出面积和输入面积的比来确定；最大助力点与有效膜片面积和回位弹簧有关。
2 真空助力器匹配计算
2.1真空助力器与踏板感觉的匹配
包括两方面，一个是踏板力与制动减速度要求，另一个是最大助力点的减速度要求。真空助力器的初始特性和助力比影响踏板力与制动减速度的关系，一般会有如图所示的上下限要求，这是由车型特点决定的。上下限要求曲线是经过大量的实车数据和人机主观试验获得的，这一限制不是强制的。对于踏板力与制动减速度要求，不同的设计公司也是不同的，与设计理念相关。最大助力点的减速度要求一般为不小于0.8g（要求高的可大于1g）。上述两项在车型匹配计算过程中需要加以验算，以使车辆理论上复合设计要求。
图2.1 踏板力与制动减速度
在新车开发过程中，如果真空助力器为借用件，采用试验值进行计算。如果助力器为新开发的应采用理论估计值验算。下表是根据结构参数采用理论计算的最大助力点输出力与试验之对比，可以看出理论计算可以对实际最大助力点输出力有效估计。
表2.1 最大助力点输出力对比
|
真空度（kPa） |
最大助力点（MPa） |
最大输出力（N） |
计算值 |
误差 |
始动力（N） |
阶跃值（MPa） |
|
20.50 |
2.00 |
890 |
986 |
10.81% |
93 |
1.20 |
|
31.40 |
3.20 |
1424 |
1511 |
6.08% |
90 |
1.40 |
|
40.40 |
4.25 |
1892 |
1944 |
2.77% |
87 |
1.40 |
|
50.20 |
5.25 |
2337 |
2416 |
3.38% |
82 |
1.40 |
|
60.30 |
6.56 |
2922 |
2902 |
-0.68% |
78 |
1.20 |
|
70.40 |
7.70 |
3430 |
3388 |
-1.21% |
76 |
1.15 |
|
80.90 |
9.03 |
4020 |
3894 |
-3.14% |
74 |
1.46 |
2.2真空助力器与HBB功能的匹配
在车辆使用的某些特殊工况（如高原、低温启动等条件），真空度可能不足，尤其在现阶段增压发动机普遍应用使得该问题更为突显。目前，几乎所有车型采用的助力单元为真空助力器。但各汽车公司对如何保证真空助力器要求的真空度的方法和思路不尽相同。真空助力器的匹配过程中，由于成本和空间限制，所选的真空助力器能力又不能太大。目前来看，对使用ESP的车型可选择HBB功能来解决真空助力器能力不足的问题，成本相对较低。但该功能是否可以使用与真空助力器的匹配相关性较大。可以使用真空助力器加HBB功能的条件如下图所示，即：在各工况下真空助力器最大助力点的减速度不应低于相应的要求值。
图2.2 HBB功能选择条件
计算不同工况下真空助力器最大助力点的减速度，需要确定发动机在平原工况、高原工况及冷启动时的真空度。
平原工况一般选用怠速条件下的真空度，对于增压发动机应额外考虑车速为100km/h时的真空度。
高原工况，由于我国主要高原平均高度为3000m，如下图，故一般选用海拔3000m的大气压条件下，计算真空度。估算时，认为真空度下降比率与大气压下降比率相同，可计算出3000m高原对应的真空度。
图2.3 中国海拔高度与气压分布
冷启动工况是三个工况中最恶劣的。为了发动机排放达到法律规定要求，在发动机冷启动阶段，控制策略与热机状态不同，会使节气开度增大，导至冷启动时真空度较低。应选择低温（零下20度）怠速全负荷条件下的真空度值。
如果发动机此前在其他车型上应用过，选择实车测量值代入计算。若发动机为首次应用，应选择台架试验值。完成匹配的车型，应在试制样车上进行实车主观评价后，方可确定方案。
2.3真空助力器与真空罐大小匹配
随着人们对连续制动过程中，制动踏板感觉的稳定性要求越来越高，设计人员不得不选用较大的真空容积，要么匹配足够大的真空助力器，要么增加真空罐来增加真空容积。对于采用真空助力器的电动车型，为了保证电动真空泵有足够的使用寿命，增加真空罐进而减少真空泵启动次数成为了必然选择。电动真空泵的控制策略为设定启动真空度和停止真空度，当真空助力器的真空度值小于启动真空度时真空泵启动，当真空助力器的真空度值大于停止真空度时真空泵停止工作。例如某纯电动车型真空泵设定的启动真空度和停止真空度为45kPa和60kPa，那么该车型的真空助力器中的真空度范围为45kPa~60kPa。希望的是在真空度从60kPa降到45kPa过程中，制动次数越多越好，这样连续踩踏制动踏板的感觉变化不明显，同时电动真空泵启动次数成倍降低，寿命明显增长。显然需要明确踩踏制动踏板程度，这就是对真空容积大小的要求。
一般要求一定减速度（或真空助力器输出行程）的制动次数，例如要求以0.3g减速度（或真空助力器20%输出全行程）制动，真空度下降到电动真空泵启动真空度时，制动次数应大于2次。根据要求就可以对选用的真空助力器的真空容积进行校核。首先可根据真空助力器的图纸或试验获得不同行程时前后腔的容积，如下图。如果给出的是制动减速度要求，则通过制动系统需液特性计算出对应的真空助力器的行程。
表2.2 真空助力器容积
|
行程（全行程的百分比） |
前腔容积（L） |
后腔容积（L） |
|
0% |
3.677 |
0.588 |
|
20% |
3.281 |
0.984 |
|
50% |
2.704 |
1.560 |
|
100% |
1.775 |
2.490 |
匹配计算依据的是理想气体状态方程[5]（如下），其中P是指理想气体的压强，V为理想气体的体积，n表示气体物质的量，而T则表示理想气体的热力学温度， R为理想气体常数。
用P0表示初始状态时真空助力器内的气体绝对压力，P1表示大气绝对压力，P2表示制动结束后真空助力器内的绝对压力；V0表示真空助力器指定行程的前腔容积，V1表示真空助力器指定行程的后腔容积，V2为匹配的真空罐容积。当以要求真空助力器行程制动时，由理想气体状态方程可得：
前腔：
后腔：
当制动结束后，由理想气体状态方程可得：
将上述三式整理可得：
制动结束后的真空度为P1与P2的差值，这样完成一次制动的真空度计算，循环该过程，即可得到各次制动后真空度。实例计算后的结果（如下表）。
表2.3 真空助力器容积计算实例
|
20%全行程制动（20%对应0.32g） | |||||||
|
初始真空度 |
制动次数 |
压力（kpa） |
体积（L） |
压力（kpa） |
体积（L） |
压力（kpa） |
真空度 |
|
P0 |
V0 V2 |
P1 |
V1 |
P2 |
P1-P2 | ||
|
57 |
1 |
44.00 |
5.28 |
101 |
1 |
53.08 |
47.92 |
|
2 |
53.08 |
5.28 |
101 |
1 |
60.71 |
40.29 | |
|
3 |
60.71 |
5.28 |
101 |
1 |
67.12 |
33.88 | |
|
初始真空度 |
制动次数 |
压力（kpa） |
体积（L） |
压力（kpa） |
体积（L） |
压力（kpa） |
真空度 |
|
P0 |
V0 V2 |
P1 |
V1 |
P2 |
P1-P2 | ||
|
62 |
1 |
39.00 |
5.28 |
101 |
1 |
48.87 |
52.13 |
|
2 |
48.87 |
5.28 |
101 |
1 |
57.17 |
43.83 | |
|
3 |
57.17 |
5.28 |
101 |
1 |
64.15 |
36.85 | |
3真空助力器及真空源选型流程
本着满足要求并成本最低原则，对真空助力器真空源的选择流程如下图。这个流程不仅是真空源的选择流程，也是真空助力器的选型流程。
图2.4 选型流程
首先需要明确的是“怎样判断真空助力器是否满足要求？”。一般的要求如下：
1）无HBB功能时
-平原工况，真空助力器最大助力点时的满载减速度应大于0.8g（高端车型1g）；
-高原3000m时，真空助力器最大助力点时的满载减速度应大于0.7g；
-冷启动时，真空助力器最大助力点时的满载减速度应大于0.6g；
2）有HBB功能时
-参照章节2.2中不同ESP硬件对应的满载最小减速度要求；
3）其他要求
-可根据车型定位，制定相应的要求；
-满足实车路试主观评价要求；
根据上图流程，首先要确定匹配车型是否有真空源。车辆有稳定真空源时，先考虑匹配一般尺寸真空助力器，如果无法满足要求，则考虑大尺寸或双膜片的真空助力器。若无法通过仅改变真空助力器来满足要求，例如一般纯电动和大部分混动无真空源和真空源真空度极低，需要从无真空源解决方案中挑选解决方案。一般选用电动真空泵，对于成本限制不高的车型可考虑液压助力器和电动助力器。
无真空源解决方案及优劣：
1）电动真空泵
-抽真空速度较机械真空泵慢，可能会有制动踏板硬的问题；
-存在NVH风险；
-可靠性差；
2）液压助力器
-响应时间较真空助力器长；
-成本高，研发难；
-不同于传统车形式；
3）电动助力器
-成本高，研发难；
-不同于传统车形式；
根据上述的流程与要求，在新车型助力器的匹配上可在满足行车安全的前提下，尽可能的降低成本。
4 结论
本文总结了在车型开发过程中对真空助力器的匹配经验并给出了相关设计计算方法和流程。在新车型设计过程中，可参考本文相关匹配方法，及早发现设计不合理项，及时优化结构与布置，有效地降低失效风险，缩短开发周期。
参考文献
[1]余志生.汽车理论.机械工业出版社,2009.2；
[2]陈家瑞.汽车构造.机械工业出版社,2013.6；
[3]黄国兴.双膜片真空助力器结构原理与性能计算.设计与计算,1996(2)；
[4]阮少华.汽车真空助力器关键性能参数优化的研究,哈尔滨工业大学,2011；
[5] 严家騄. 工程热力学第4版. 高等教育出版社,2006.1；
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