陸　藝，闕　飚，金浪濱

(中國計量學(xué)院計量測試工程學(xué)院　浙江杭州　310018)

0　引言

真空助力器是制動系統(tǒng)的重要組成部分，它可以減少駕駛員制動時所需的踏板力，達到改善制動性能的效果，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車真空助力系統(tǒng)中。BA功能真空助力器是指帶有緊急制動功能的助力器，在緊急制動情況下駕駛員無法提供足夠的制動力，助力器可以感應(yīng)緊急制動操作并且增加制動器的輸出力，減少制動時間及制動距離，從而保證了行車安全。帶BA功能真空助力器是近幾年才發(fā)展起來的，國內(nèi)的研究處于空白階段。目前國產(chǎn)真空助力器性能檢測設(shè)備只能夠檢測輸入輸出特性及密封性，缺少BA功能、空行程以及反應(yīng)釋放時間檢測。同時，國內(nèi)檢測設(shè)備在控制方面相對落后，氣動控制采用開環(huán)方式，數(shù)據(jù)采集精度低，嚴重阻礙了新產(chǎn)品的開發(fā)進度和影響產(chǎn)品的出廠質(zhì)量[1-2]。

國內(nèi)對真空助力器的檢測沒有國家標準，主要依據(jù)真空助力器行業(yè)標準QC/T 307-1999《真空助力器技術(shù)條件》。國內(nèi)各科研機構(gòu)也對真空助力器進行了研究，如重慶汽車研究所的梅宗信分析了測量裝置結(jié)構(gòu)、試驗方法對助力比產(chǎn)生的影響，得出輸入傳感器與輸出傳感器的線性一致性是影響測量準確性的最大因素[3]。中國汽車工程研究院的唐春蓬等人分析了數(shù)據(jù)采集的規(guī)范，提出用最小二乘法計算助力比[4]。廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院的萬頻等人利用PLC和觸摸屏設(shè)計了真空助力器檢測設(shè)備，但是它只提供了輸入輸出特性測試，無法滿足全面檢測的要求[5]。因此研制出一套檢測項目全面的BA功能真空助力器綜合性能檢測系統(tǒng)很有必要。為驗證加載速度對輸入輸出特性的影響，引入了隨動平衡理論。同時，在AMEsim仿真環(huán)境下建立了真空助力器仿真模型分析了加載速度對助力比的影響。

1　系統(tǒng)原理設(shè)計

1．1BA真空助力器原理及測試要求

BA功能真空助力器的原理圖如圖1，當真空助力器處在非工作狀態(tài)時，真空閥開啟，空氣閥關(guān)閉，前后腔通道導(dǎo)通，前后氣室聯(lián)通并且與外界空氣隔絕。當開始工作時，發(fā)動機將前后腔抽成真空，制動踏板推動閥座前移，真空閥關(guān)閉，前后腔通道被隔斷，空氣閥開啟，空氣進入后腔氣室形成壓力差，壓力差產(chǎn)生助力。當達到平衡狀態(tài)時，真空閥和空氣閥都處于關(guān)閉狀態(tài)，后腔氣室氣壓仍小于1個大氣壓。真空助力器充分工作時，真空閥關(guān)閉，空氣閥完全打開，這時后腔氣室的氣壓為1個大氣壓，提供的助力值達到最大。真空助力器回復(fù)時，真空閥打開，空氣閥關(guān)閉，制動解除。

1-制動主缸推桿；2-橡膠反作用盤；3-空氣閥；4-真空閥；5-BA功能零件；6-后腔氣室；7-腔氣室；A-前腔通道；B-后腔通道

BA功能真空助力器相較于常規(guī)真空助力器，在制動踏板推桿輸入端處增加了套筒、凸輪、鎖片以及制動輔助彈簧等部件，如圖2所示。

圖2　BA真空助力器增加零件

在正常制動狀態(tài)下，制動踏板推桿推動空氣閥向前移，鎖片穿過套筒抵靠在凸輪處，由于是緩慢制動，鎖片不會穿過凸輪，預(yù)留打開距離沒有被打開，其工作原理與普通助力器完全相同。在緊急制動狀態(tài)下，制動踏板推桿帶動空氣閥座快速前移，抵靠在凸輪上的鎖片會向兩邊打開，鎖片打開口，凸輪可以穿過鎖片，使空氣閥口額外打開一個預(yù)留距離，大氣迅速進入真空助力器后腔，制動輸出力瞬間增大。

BA功能真空助力器檢測系統(tǒng)有5個主要檢測項目：

(1)密封性檢測：密封性能按推桿位置不同分為非工作密封性、最大助力點以上密封性以及最大助力點以下密封性；(2)常規(guī)輸入輸出特性檢測：加載機構(gòu)緩慢推動真空助力器輸入推桿，速度調(diào)節(jié)范圍在0～10 mm/s之間，得到制動踏板輸入力與輸出力之間的關(guān)系；(3)反應(yīng)釋放時間檢測：真空助力器反應(yīng)時間是指制動踏板推桿快速制動過程中，從加力到97%最大助力點時所需的時間。釋放時間是指解除制動踏板上的推力，輸出力下降到10%最大助力點時所需的時間；(4)空行程檢測：從制動踏板推桿開始移動至輸出推桿產(chǎn)生位移期間，制動踏板走過的距離；(5)BA特性檢測：加載機構(gòu)以50 mm/s速度快速加載情況下真空助力器輸入力與輸出力關(guān)系[6]。

1．2系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)以上測試要求，設(shè)計了PC控制的BA真空助力器綜合性能測試系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)原理圖如圖3所示。真空源接入后首先經(jīng)過20 L氣罐，氣罐出口處接精密調(diào)壓閥，可實現(xiàn)真空度精密調(diào)節(jié)。精密調(diào)壓閥后接入5 L氣罐使真空系統(tǒng)更加穩(wěn)定，最后連接二位三通電磁閥V1、V2、V3負責(zé)氣路的開啟與關(guān)閉，選用分辨率為0．01 kPa的真空傳感器測量系統(tǒng)真空度。運動加載采用兩種方式，加載方式1為氣缸加載，加載方式2為伺服電機加載[7]。選用分辨率為1N的力傳感器及分辨率為0．01 mm的位移傳感器，在助力器輸入與輸出端分別安裝輸入力傳感器、輸出力傳感器、兩個位移傳感器以及一個觸點開關(guān)，采集測試過程中的力、位移值及接觸時高電平信號[8]。

圖3　檢測系統(tǒng)原理圖

測量BA真空助力器的非工作密封性時，真空調(diào)壓閥調(diào)節(jié)至測試所需真空度，打開電磁閥V1、關(guān)閉V2對系統(tǒng)進行抽真空，真空傳感器采集助力器前腔真空值。測量點上密封時，系統(tǒng)控制加載機構(gòu)以方式2推動制動踏板推桿勻速加載，直到最大助力點的130%后停止，記錄前腔氣室真空變化值。測量點下密封時，加載機構(gòu)以方式2推動制動踏板推桿，加載到最大助力點的60%后停止，記錄前腔氣室真空變化值。

測量輸入輸出特性測試：測試開始之前對加載、卸載速度進行設(shè)置，建立系統(tǒng)真空達到設(shè)定值后，斷開真空并穩(wěn)定5s．加載機構(gòu)以方式2進行加載，加載到130%最大助力點。同時數(shù)據(jù)采集卡采集加載與卸載過程中的輸入力與輸出力值，繪制出輸入輸出特性曲線。

反應(yīng)釋放時間測試：首先對被測真空助力器進行裝夾，后對系統(tǒng)抽真空，加載機構(gòu)以方式1對制動踏板推桿快速加載，同時數(shù)據(jù)采集卡采集輸出力信號并繪制力-時間曲線，當輸出力達到最大助力點130%后，停止加載進入穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定時間達設(shè)定值后，迅速卸載，繪出力-時間曲線得到反應(yīng)釋放時間。

空行程檢測方法為：加載機構(gòu)以方式2對制動踏板推桿進行加載，加載機構(gòu)與輸入端推桿剛好接觸時，記錄輸入端推桿移動的距離A1，繼續(xù)加載直到輸出推桿位移達到5 mm后停止，繪制出制動踏板推桿位移與輸出推桿位移曲線圖。獲得輸出推桿開始產(chǎn)生位移時，輸入端推桿位移A2，則空行程為(A2-A1)。

BA特性檢測方法：加載速度設(shè)置為50 mm/s，卸載速度設(shè)置為1 mm/s．加載機構(gòu)以方式2快速加載，加載到130%最大助力點后，加載機構(gòu)卸載。采集加載與卸載過程中輸入力與輸出力值，繪制BA特性曲線計算特征值。

2　真空助力器仿真建模

以隨動平衡分析為基礎(chǔ)，研究建立AMESim仿真環(huán)境下非BA狀態(tài)下真空助力器仿真模型，分析加載速度對輸入輸出特性中助力比的影響，為真空助力器測試加載速度選擇提供了理論基礎(chǔ)[9]。

2．1橡膠反作用盤受力分析

隨動平衡是指真空助力器平衡建立和破壞的循環(huán)過程，是使真空助力器在非BA觸發(fā)狀態(tài)下，輸入力與輸出力呈線性關(guān)系增長的主要原因，橡膠反作用盤受力分析如圖4所示。

圖4　橡膠反作用盤受力分析圖

在真空助力器中，要求橡膠反作用盤表面所受的壓強處處相等才能平衡，因此輸入力與伺服力關(guān)系滿足公式(1)，推導(dǎo)即可以得公式(2)：

(1)

(2)

式中：F伺服為伺服力，N；F輸入為制動踏板推桿輸入力，N；D1為橡膠反作用盤直徑，mm；d1為橡膠反作用盤主面直徑，mm．

對真空助力器膜片座進行受力分析，可以得到以下力學(xué)平衡方程：

(3)

式中：F輸出為真空助力器輸出力，N；P后為后腔氣室壓力，kPa；P前為前腔氣室壓力，kPa；A膜為膜片面積，mm2；F彈簧為膜片回位彈簧力，N；F預(yù)壓為彈簧預(yù)壓力，N；R為彈簧剛度，N/mm；X為膜片座位移，mm．

2．2氣路方程

將充氣過程看成氣體流過小孔的過程，視為等熵流動，當0．528≤P后/P0≤1，氣體的流動狀態(tài)為亞聲速，P后/P0≤0．528時，進氣流動狀態(tài)為聲速。由于空氣通道的有效截面積遠遠大于真空閥口的有效截面積，因此選擇真空閥口有效截面積作為充氣有效截面積，得到充氣過程氣體特性方程如下：

(4)

A=π(d空/2)2·S1·μ1

(5)

式中：A為進氣有效面積，mm2；d空為真空閥口直徑，mm；S1為真空閥口開啟最大距離，mm；μ1為流量系數(shù)；P0為大氣壓強；R為氣體常數(shù)，R=287．1 J/kg·K；k為絕熱指數(shù)，k=1．4；T為氣室氣體的絕對溫度，T=313 K；V為氣室容積，m3．

放氣方程與充氣過程原理類似不再詳細描述，得到放氣氣體特性方程如下：

(6)

A1=π(d真/2)2·S2·u2

(7)

式中：P為前腔氣室真空，kPa；A1為真空閥口有效面積，mm2；d真為真空閥口直徑，mm；S2為真空閥口開啟距離，mm；u2為流量系數(shù)。

2．3隨動平衡分析

將真空助力器的整個工作過程看成無數(shù)個分開的隨動平衡過程，在平衡周期t內(nèi)，當F伺服和F輸入滿足公式(8)時平衡建立，隨著真空助力器輸入力繼續(xù)增加，平衡打破，進入下一個平衡周期。當大氣不斷進入助力器后腔產(chǎn)生足夠的伺服力時，平衡才重新建立。

(8)

式中：R為膜片回位彈簧剛度，N/mm；X為推桿行程，mm．

從平衡公式可以看出，隨動平衡建立的關(guān)鍵是在一個平衡周期t內(nèi)由真空前后腔壓差產(chǎn)生的伺服力與輸入力滿足特定的比例(伺服比)，在加載速度較小時由于充氣時間t較大，隨動平衡容易滿足，而加載速度增大時，由于t減小，式(8)中積分環(huán)節(jié)值即后腔氣室的壓力減小，而由彈簧引起的阻力RX增大，會使伺服力減小無法達到平衡的要求，導(dǎo)致無法建立平衡。

2．4仿真分析

為了驗證上述隨動平衡分析結(jié)論，建立真空助力器仿真模型。由于真空助力器的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，而AMEsim仿真軟件已經(jīng)為常用元器件如彈簧、質(zhì)量塊、氣動元件及液壓元件配備了多個子模型，故選擇在AMESim軟件環(huán)境下建立模型進行分析。仿真模型如圖5所示，其主要參數(shù)設(shè)置見表1。

圖5　非BA狀態(tài)真空助力器仿真模型

表1　真空助力器模型主要參數(shù)

完成關(guān)鍵參數(shù)配置后，對真空助力器的輸入信號進行設(shè)置，以20 N/s的初始加載速度進行加載，逐漸增加至200 N/s．為了更直觀體現(xiàn)助力比變化，選擇兩條測試曲線L1、L2進行比較，如圖6所示。L1為20 N/s緩慢加載速度，10 N/s卸載速度試驗條件下得到的助力曲線；L2為200 N/s加載速度，10 N/s卸載速度下得到測試曲線。

圖6　不同加載速度仿真結(jié)果

觀察曲線發(fā)現(xiàn)兩條曲線的卸載曲線完全重合，但是加載曲線不重合，緩慢加載情況下的助力曲線L1的斜率要大于快速加載的曲線L2的斜率。曲線斜率反映了助力比大小，說明在連續(xù)加載的情況下，加載速度增加會使測得的助力比數(shù)值偏小，因此在輸入輸出特性檢測時應(yīng)選擇盡可能小的加載速度。

3　測試結(jié)果與分析

在測試開始前，在BA功能真空助力器輸出端口處安裝密封配件以保證密封。

3．1密封性試驗結(jié)果

為驗證測試系統(tǒng)效果，在標準測試真空66．7 kPa下，對真空助力器密封性進行了測試，結(jié)果如表2所列。密封性測試結(jié)果表明被測真空助力器密封性能合格。

表2　密封性測試結(jié)果　kPa

3．2輸入輸出試驗結(jié)果

對真空助力器進行輸入輸出性能測試，測試曲線如圖7所示。

A-釋放力；B-始動力；C-跳躍值；D-30%最大助力點輸出力；E-80%最大助力點輸出力。

由測試曲線圖可得，始動力為62 N，釋放力為35 N，跳躍值為322 N，30%最大助力點輸出力為1 002 N，80%最大助力點輸出力為2 642 N，助力比為7．04。行業(yè)標準中要求真空助力器始動力小于110 N，釋放力大于30 N，測試結(jié)果表明被測助力器輸入輸出性能符合要求。

3．3空行程試驗結(jié)果

對真空助力器進行空行程測試，測試曲線如圖8所示。圖中從左至右第一個“×”代表觸點開關(guān)接觸位置即A1，第二個“×”代表輸出推桿產(chǎn)生位移時輸出推桿對應(yīng)的位移即A2，由(A2-A1)得到真空助力器空行程值為1．12 mm．行業(yè)標準中規(guī)定空行程不大于2 mm，結(jié)果表明被測助力器空行程符合要求。

圖8　空行程測試結(jié)果

3．4反應(yīng)釋放時間試驗結(jié)果

反應(yīng)釋放時間測試結(jié)果如圖9所示，由測試曲線可以得到反應(yīng)時間為0．224 s，釋放時間為0．183 s．測試結(jié)果滿足真空助力器行業(yè)標準中反應(yīng)時間小于0．3 s，釋放時間小于0．3 s的要求。

圖9　反應(yīng)釋放時間測試結(jié)果

3．5BA特性試驗結(jié)果

BA特性測試時，將加載速度設(shè)置為50 mm/s，卸載速度仍設(shè)置為2 mm/s，設(shè)置完成后啟動測試。測試結(jié)果如圖10所示。

圖中F點為曲線上最大助力點，最大助力點輸入力為183 N．測試結(jié)果表明在觸發(fā)了BA功能后只需要提供183 N的輸入力就可以達到最大助力輸出，有效地避免了緊急制動情況下因制動力不足導(dǎo)致的制動不及時現(xiàn)象。

圖10　BA特性測試結(jié)果

3．6加載速度對助力比影響

在標準真空度66．7 kPa測試條件下，以某品牌的真空助力器作為試驗樣品，該助力器助力比標準值為7．53。在1～20 mm/s范圍內(nèi)以不同的加載速度對真空助力器進行加載，記錄不同加載速度下的助力比數(shù)值，將測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入曲線圖中，如圖11所示。

圖11　助力比變化曲線

由測試結(jié)果可知，為了降低測試節(jié)拍，可以在測試開始前對某一型號的多個被測真空助力器進行加載速度試驗，找出這一型號真空助力器的最佳加載速度，即保證測試精度要求的基礎(chǔ)上選取盡可能大的加載速度，然后按照最佳加載速度對相同型號的真空助力器進行測試。

4　結(jié)論

文中在分析真空助力器特性以及各個特性的測試方法的基礎(chǔ)上，研制了一套帶BA功能檢測的真空助力器檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對真空助力器密封性、輸入輸出特性、空行程、反應(yīng)釋放時間以及BA特性的測試。首次引入了隨動平衡概念，分析了加載速度對助力比的影響，并在AMESim仿真環(huán)境下建立真空助力器數(shù)學(xué)模型，仿真分析了不同加載速度下的測試曲線變化。最后在檢測系統(tǒng)上進行加載速度試驗，試驗結(jié)果表明加載速度增加會使助力比偏小，同時提出了通過尋找最佳加載速度來提高測試節(jié)拍，具有重要的意義。

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