關(guān)于乘用車真空助力系統(tǒng)解決方案

徐秦 竇瑞

摘 要：文章主要針對目前搭載渦輪增壓技術(shù)動力總成傳統(tǒng)燃油車以及混合動力、純電動汽車，在車型系統(tǒng)開發(fā)過程中遇到的問題進行思考，基于應用工程開發(fā)總結(jié)制動真空助力系統(tǒng)的技術(shù)解決方案。

關(guān)鍵詞：文氏管；電子真空泵；機械真空泵；傳統(tǒng)燃油車；混合動力；純電動；ibooster

中圖分類號：U463.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0130-03

Abstract： In view of the problems encountered in the development of the vehicle model system， the traditional fuel vehicle equipped with turbocharging technology powertrain， hybrid electric vehicle and pure electric vehicle， the problems encountered in the process of developing the vehicle model system are mainly considered in this paper. Based on the application engineering development summary brake vacuum booster system technical solution.

Keywords： Venturi tube； electronic vacuum pump； mechanical vacuum pump； traditional fuel truck； hybrid power； pure electric； ibooster

引言

目前，基本所有M1類傳統(tǒng)燃油車、部分混合動力車型、純電動車型，制動系統(tǒng)的助力形式均采用真空助力；而隨著渦輪增壓技術(shù)的應用和普及，新能源汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)真空助力解決方案所固有的缺陷就隨之而凸顯出來：發(fā)動機提供真空度不足或者無真空，導致制動系統(tǒng)間歇性助力不足或者無助力，制動硬，制動力不足，嚴重的甚至引發(fā)追尾等交通事故。

作為行車安全系統(tǒng)，真空助力的問題便在一段時期內(nèi)成為系統(tǒng)開發(fā)工程師需要解決的課題；本文基于提及乘用車類型，總結(jié)出對應的系統(tǒng)解決方案，以作工程開發(fā)參考和探討。

1 針對傳統(tǒng)燃油車型解決方案分析

1.1 真空助力問題總結(jié)

針對傳統(tǒng)燃油車型的真空助力問題，由于無論是自然吸氣發(fā)動機還是渦輪增壓發(fā)動機，發(fā)動機進氣系統(tǒng)本身都會或者持續(xù)或者間歇性給制動系統(tǒng)提供助力所需真空，因此典型的工程開發(fā)問題表現(xiàn)如下：

（1）正常環(huán)境，特定工況條件下提供真空度不足

該情況主要是指，在正常海拔，大氣壓力大于95kPa的環(huán)境條件下，在如怠速/怠速外加空調(diào)壓縮機負載持續(xù)停走、渦輪增壓器介入干預連續(xù)下長坡點制動等出現(xiàn)的真空度不足，表現(xiàn)出制動發(fā)硬現(xiàn)象。

（2）非正常環(huán)境下真空度不足

該情況主要是指，在高海拔區(qū)域，大氣壓力大于75kPa的環(huán)境條件下，任何工況真空度均偏低，在如怠速/怠速外加空調(diào)壓縮機負載持續(xù)停走、渦輪增壓器介入干預連續(xù)下長坡點制動等更加惡化，表現(xiàn)出制動發(fā)硬甚至無助力現(xiàn)象。

1.2 推薦系統(tǒng)解決方案分析

針對上文（1）（2）提及問題點，經(jīng)過實際項目開發(fā)經(jīng)驗總結(jié)出三種工程開發(fā)應對方案以供后續(xù)優(yōu)化或者開發(fā)方案提供基礎。

1.2.1 方案一：文氏管的應用

文氏管的應用可以一定程度上優(yōu)化真空度，由于本文是應用工程開發(fā)的探討，在此不對文氏管的原理做過多的介紹，某產(chǎn)品實例如圖1：

（1）氣路原理設計

氣路原理設計，應用文氏管與傳統(tǒng)的設計存在差異，差異對比如圖2。

（2）選型注意事項

文氏管的應用也是非常普遍的，以某產(chǎn)品的臺架測試結(jié)果，對比示意如圖3。

由圖2可知，不同的文氏管設計參數(shù)，具有不同的真空提升能力，其源于文丘里孔直徑以及內(nèi)部氣道設計的不同，產(chǎn)生了性能上的差別，通常應用文氏管可以提供10kPa-25kPa的負壓相對增強能力；因此，主機廠集成工程師在進行文氏管的選型上，需要給供方設計工程師提供適應車型的技術(shù)需求，以便給設計工程師提供明確的選型依據(jù)。

1.2.2 方案二：機械真空泵的應用

機械真空泵通常在渦輪增壓動力總成上應用較為普遍，自然吸氣發(fā)動機很少搭載，動總的設計是否有進行搭載預留設計，關(guān)系到是否能夠加裝機械式真空泵，機械式真空泵可以達到非常好的抽真空效果，真空可達到90%以上。

（1）機械真空泵氣路設計

搭載機械真空泵的車型，從制動性能集成工程師角度考慮，可以考慮兩種設計方案，一種是單源的設計，一種是雙源冗余設計，個人推薦采用雙源冗余設計，安全系數(shù)相對較高，原理設計詳見圖4。

（2）機械真空泵選型要點

主機廠性能集成工程師（含動力系統(tǒng)工程師和制動系統(tǒng)工程師）在進行真空泵選型時，應該關(guān)注以下要點：

a.機械真空泵的排量

通常機械式真空泵的排量集中在180-230mL，而根據(jù)以往項目開發(fā)經(jīng)驗，用得較多的排量為190mL、200mL即可完全滿足制動系統(tǒng)需求。

b.真空助力器容積

真空助力器的容積會直接影響真空泵的抽氣效率，因此真空泵選型以及進行臺架試驗驗測試時，真空助力器的有效容積參數(shù)明確很重要，通常在3-5L之間，跟助力器的尺寸和型號直接相關(guān)。

c.怠速最大抽真空能力

怠速抽真空能力一般推薦要求大于90%。

d.抽真空速率

抽真空速率通常以50%、70%、90%真空度作為特性曲線的控制點，圖例如圖5，真空泵其余性能由動力總成集成工程師總體考慮。

1.2.3 方案三：電子真空泵的應用

電子真空泵的使用條件，從設計上相對于機械真空泵復雜很多，氣路設計更加復雜，還需要增加真空泵在機艙的布置、支架的設計、降噪處理以及真空泵控制模塊的軟件策略、硬件電路設計、控制模塊的診斷和HMI人際互動界面設計。

（1）氣路原理設計

搭載電子真空泵的車型，從制動性能集成工程師角度考慮，可以考慮兩種設計方案，一種是單控制信號的設計，一種是雙控制信號安全冗余設計，個人推薦采用雙控制信號冗余設計，安全系數(shù)相對較高，氣路原理設計詳見圖6。

（2）電子真空泵的選型要素

電子真空泵的選型相對于機械真空泵的選型，有更多的參考要素需要主機廠性能集成工程師考慮：

a.電子真空泵的電氣參數(shù)。

b.電子真空泵的工作噪音。

c.電子真空泵的布置和支架結(jié)構(gòu)設計。

d.電子真空泵的抽氣速率。

e.系統(tǒng)有效容積。

f.電子真空泵在該車型上的抽真空特性。

g.電子真空泵的使用壽命。

相關(guān)的詳細選型的具體思路本文不做詳細探討，相關(guān)內(nèi)容將在本人另外一篇論文《關(guān)于電子真空泵的選型設計思路》中專題進行討論。

（3）電子真空泵的控制及診斷策略

如上文所述，電子真空泵的搭載，需要一整套完整的、可靠的以及合理的控制策略和診斷策略以及HMI人機互動界面設計，在本文將不做進一步的展開，相關(guān)探討可參考本人另外一篇論文《關(guān)于新能源汽車真空伺服控制系統(tǒng)策略》。

1.2.4 特別方案說明

以上1.2.1、1.2.2、1.2.3均屬于從真空源上提高負壓，最大限度為制動系統(tǒng)提供助力源，但是，盡管如此，主機廠的性能集成工程師，還需要從系統(tǒng)匹配上針對高原環(huán)境進行單獨的從基礎制動著手的考慮，在本文不做詳細闡述，具體可參見本人另外一篇論文《關(guān)于乘用車制動踏板感覺及制動性能匹配及評價》。

1.3 各方案優(yōu)缺點總結(jié)

本文列舉了三大類解決方案，各方案各自有優(yōu)缺點：方案一：比較適用于搭載自吸發(fā)動機總成的車型，作為由于硬件設計不合理，真空提供不理想的輔助優(yōu)化方案，成本最低。方案二：常應用于增加渦輪增壓技術(shù)動力總成搭載的車型，作為發(fā)動機有機械真空泵預留設計接口或者標準配置帶有機械真空泵，且沒有油耗壓力的一般成本的解決方案。方案三：常應用于增加渦輪增壓技術(shù)動力總成搭載的車型，作為發(fā)動機沒有機械真空泵預留設計接口，且有油耗壓力的，相對較高成本的解決方案。最終選擇權(quán)由性能集成工程師根據(jù)實際情況進行方案選擇和執(zhí)行。

2 針對混合動力車型及純電動汽車解決方案分析

2.1 問題背景

混合動力車型具有純電動工作模式，因此將其歸類到純電動車型，進行相同的真空伺服系統(tǒng)方案設計；兩種類型的車型，可統(tǒng)一視為無真空源，因此必須設計完善的、安全的設計方案保證行車制動安全。

2.2 推薦系統(tǒng)解決方案分析

2.2.1 ibooster解決方案

本方案視為目前較為新穎的系統(tǒng)解決方案，目前在歐洲已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)市場已經(jīng)在推廣，系統(tǒng)成本高昂，適用于沒有成本壓力的中高端車型，該方案可以同時解決制動能量回收的問題，能量回收率較高，如圖7。

由于該方案目前核心開發(fā)都由供應商完成，具備一定的特殊性，本文不做詳細的探討。

2.2.2 電子真空泵解決方案

作為中低端的車型，電子真空泵解決方案仍然是目前比較主流的系統(tǒng)技術(shù)解決方案。由于新能源完全無真空源的特點，真空泵解決方案在原理設計上與本文“1.2.3電子真空泵的應用”所述內(nèi)容存在一定差異，主要體現(xiàn)在氣路原理，其余均可以參考“1.2.3電子真空泵的應用”相關(guān)內(nèi)容。

新能源汽車氣路原理設計對于安全性和環(huán)境適應性更高，因此除了雙控制源設計，也曾一度出現(xiàn)雙真空源設計，其可靠性和安全性策略比之于傳統(tǒng)車要求更高，氣路原理設計參見圖8。

注意：在真空泵選型時，有效容積需要額外考慮真空泵，真空管的容積選型與真空泵的選型需要同步考慮，不同的真空管容積選擇會對真空泵的壽命存在一定影響，二者有相應的聯(lián)系，相關(guān)探討將在本人另外一篇論文《關(guān)于電子真空泵的選型設計思路》中探討。

2.2.3 針對真空泵系統(tǒng)的控制、診斷、報警方案

電子真空泵控制系統(tǒng)，需要一整套完整的、可靠的以及合理的控制策略和診斷策略以及HMI人機互動界面設計，在本文將不做進一步的展開，相關(guān)探討可參考本人另外一篇論文《關(guān)于新能源汽車真空伺服控制系統(tǒng)策略》。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)本人大量的實際車型工程開發(fā)經(jīng)驗，總結(jié)出傳統(tǒng)燃油車型、混動車型以及純電動車型，在真空伺服系統(tǒng)中真空源的優(yōu)化或者解決無真空源問題，提出相應的工程解決方案，并對方案進行闡述，可適用于產(chǎn)品性能集成工程師在進行系統(tǒng)性能集成時，根據(jù)車型實際情況進行系統(tǒng)方案的參考或者以此為基礎進行系統(tǒng)解決方案的進一步優(yōu)化，完善。

參考文獻：

[1]李百軍，毛罕平，李凱.并聯(lián)文丘里管吸肥裝置的研究及其參數(shù)選擇[J].排灌機械，2001，1：42-45.

[2]楊嵩.高原地區(qū)汽車低速行駛時制動助力不足問題的試驗分析與仿真研究[D].西華大學，2016.

[3]謝巍婷.制動系統(tǒng)設計與驗證[D].湖南大學，2014.

[4]姜應求，車楊軍，高李康.新能源汽車底盤的設計變化[J].汽車零部件，2018.

[5]林逸，賀麗娟，何洪文，等.電動汽車真空助力制動系統(tǒng)的計算研究[J].汽車技術(shù)，2006.