關(guān)于乘用車(chē)真空助力系統(tǒng)解決方案

徐秦 竇瑞

摘 要：文章主要針對(duì)目前搭載渦輪增壓技術(shù)動(dòng)力總成傳統(tǒng)燃油車(chē)以及混合動(dòng)力、純電動(dòng)汽車(chē)，在車(chē)型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行思考，基于應(yīng)用工程開(kāi)發(fā)總結(jié)制動(dòng)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(jī)械真空泵；傳統(tǒng)燃油車(chē)；混合動(dòng)力；純電動(dòng)；ibooster

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(lèi)傳統(tǒng)燃油車(chē)、部分混合動(dòng)力車(chē)型、純電動(dòng)車(chē)型，制動(dòng)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(yīng)用和普及，新能源汽車(chē)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(lái)：發(fā)動(dòng)機(jī)提供真空度不足或者無(wú)真空，導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)間歇性助力不足或者無(wú)助力，制動(dòng)硬，制動(dòng)力不足，嚴(yán)重的甚至引發(fā)追尾等交通事故。

作為行車(chē)安全系統(tǒng)，真空助力的問(wèn)題便在一段時(shí)期內(nèi)成為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工程師需要解決的課題；本文基于提及乘用車(chē)類(lèi)型，總結(jié)出對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)解決方案，以作工程開(kāi)發(fā)參考和探討。

1 針對(duì)傳統(tǒng)燃油車(chē)型解決方案分析

1.1 真空助力問(wèn)題總結(jié)

針對(duì)傳統(tǒng)燃油車(chē)型的真空助力問(wèn)題，由于無(wú)論是自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)還是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)本身都會(huì)或者持續(xù)或者間歇性給制動(dòng)系統(tǒng)提供助力所需真空，因此典型的工程開(kāi)發(fā)問(wèn)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(jī)負(fù)載持續(xù)停走、渦輪增壓器介入干預(yù)連續(xù)下長(zhǎng)坡點(diǎn)制動(dòng)等出現(xiàn)的真空度不足，表現(xiàn)出制動(dòng)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(jī)負(fù)載持續(xù)停走、渦輪增壓器介入干預(yù)連續(xù)下長(zhǎng)坡點(diǎn)制動(dòng)等更加惡化，表現(xiàn)出制動(dòng)發(fā)硬甚至無(wú)助力現(xiàn)象。

1.2 推薦系統(tǒng)解決方案分析

針對(duì)上文（1）（2）提及問(wèn)題點(diǎn)，經(jīng)過(guò)實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出三種工程開(kāi)發(fā)應(yīng)對(duì)方案以供后續(xù)優(yōu)化或者開(kāi)發(fā)方案提供基礎(chǔ)。

1.2.1 方案一：文氏管的應(yīng)用

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

（1）氣路原理設(shè)計(jì)

氣路原理設(shè)計(jì)，應(yīng)用文氏管與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在差異，差異對(duì)比如圖2。

（2）選型注意事項(xiàng)

文氏管的應(yīng)用也是非常普遍的，以某產(chǎn)品的臺(tái)架測(cè)試結(jié)果，對(duì)比示意如圖3。

由圖2可知，不同的文氏管設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的不同，產(chǎn)生了性能上的差別，通常應(yīng)用文氏管可以提供10kPa-25kPa的負(fù)壓相對(duì)增強(qiáng)能力；因此，主機(jī)廠集成工程師在進(jìn)行文氏管的選型上，需要給供方設(shè)計(jì)工程師提供適應(yīng)車(chē)型的技術(shù)需求，以便給設(shè)計(jì)工程師提供明確的選型依據(jù)。

1.2.2 方案二：機(jī)械真空泵的應(yīng)用

機(jī)械真空泵通常在渦輪增壓動(dòng)力總成上應(yīng)用較為普遍，自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)很少搭載，動(dòng)總的設(shè)計(jì)是否有進(jìn)行搭載預(yù)留設(shè)計(jì)，關(guān)系到是否能夠加裝機(jī)械式真空泵，機(jī)械式真空泵可以達(dá)到非常好的抽真空效果，真空可達(dá)到90%以上。

（1）機(jī)械真空泵氣路設(shè)計(jì)

搭載機(jī)械真空泵的車(chē)型，從制動(dòng)性能集成工程師角度考慮，可以考慮兩種設(shè)計(jì)方案，一種是單源的設(shè)計(jì)，一種是雙源冗余設(shè)計(jì)，個(gè)人推薦采用雙源冗余設(shè)計(jì)，安全系數(shù)相對(duì)較高，原理設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖4。

（2）機(jī)械真空泵選型要點(diǎn)

主機(jī)廠性能集成工程師（含動(dòng)力系統(tǒng)工程師和制動(dòng)系統(tǒng)工程師）在進(jìn)行真空泵選型時(shí)，應(yīng)該關(guān)注以下要點(diǎn)：

a.機(jī)械真空泵的排量

通常機(jī)械式真空泵的排量集中在180-230mL，而根據(jù)以往項(xiàng)目開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，用得較多的排量為190mL、200mL即可完全滿(mǎn)足制動(dòng)系統(tǒng)需求。

b.真空助力器容積

真空助力器的容積會(huì)直接影響真空泵的抽氣效率，因此真空泵選型以及進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，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(hào)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(diǎn)，圖例如圖5，真空泵其余性能由動(dòng)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(yīng)用

電子真空泵的使用條件，從設(shè)計(jì)上相對(duì)于機(jī)械真空泵復(fù)雜很多，氣路設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，還需要增加真空泵在機(jī)艙的布置、支架的設(shè)計(jì)、降噪處理以及真空泵控制模塊的軟件策略、硬件電路設(shè)計(jì)、控制模塊的診斷和HMI人際互動(dòng)界面設(shè)計(jì)。

（1）氣路原理設(shè)計(jì)

搭載電子真空泵的車(chē)型，從制動(dòng)性能集成工程師角度考慮，可以考慮兩種設(shè)計(jì)方案，一種是單控制信號(hào)的設(shè)計(jì)，一種是雙控制信號(hào)安全冗余設(shè)計(jì)，個(gè)人推薦采用雙控制信號(hào)冗余設(shè)計(jì)，安全系數(shù)相對(duì)較高，氣路原理設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖6。

（2）電子真空泵的選型要素

電子真空泵的選型相對(duì)于機(jī)械真空泵的選型，有更多的參考要素需要主機(jī)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(shè)計(jì)。

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(chē)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(xì)選型的具體思路本文不做詳細(xì)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(shè)計(jì)思路》中專(zhuān)題進(jìn)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(jī)互動(dòng)界面設(shè)計(jì)，在本文將不做進(jìn)一步的展開(kāi)，相關(guān)探討可參考本人另外一篇論文《關(guān)于新能源汽車(chē)真空伺服控制系統(tǒng)策略》。

1.2.4 特別方案說(shuō)明

以上1.2.1、1.2.2、1.2.3均屬于從真空源上提高負(fù)壓，最大限度為制動(dòng)系統(tǒng)提供助力源，但是，盡管如此，主機(jī)廠的性能集成工程師，還需要從系統(tǒng)匹配上針對(duì)高原環(huán)境進(jìn)行單獨(dú)的從基礎(chǔ)制動(dòng)著手的考慮，在本文不做詳細(xì)闡述，具體可參見(jiàn)本人另外一篇論文《關(guān)于乘用車(chē)制動(dòng)踏板感覺(jué)及制動(dòng)性能匹配及評(píng)價(jià)》。

1.3 各方案優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

本文列舉了三大類(lèi)解決方案，各方案各自有優(yōu)缺點(diǎn)：方案一：比較適用于搭載自吸發(fā)動(dòng)機(jī)總成的車(chē)型，作為由于硬件設(shè)計(jì)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(yīng)用于增加渦輪增壓技術(shù)動(dòng)力總成搭載的車(chē)型，作為發(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)械真空泵預(yù)留設(shè)計(jì)接口或者標(biāo)準(zhǔn)配置帶有機(jī)械真空泵，且沒(méi)有油耗壓力的一般成本的解決方案。方案三：常應(yīng)用于增加渦輪增壓技術(shù)動(dòng)力總成搭載的車(chē)型，作為發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有機(jī)械真空泵預(yù)留設(shè)計(jì)接口，且有油耗壓力的，相對(duì)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(shí)際情況進(jìn)行方案選擇和執(zhí)行。

2 針對(duì)混合動(dòng)力車(chē)型及純電動(dòng)汽車(chē)解決方案分析

2.1 問(wèn)題背景

混合動(dòng)力車(chē)型具有純電動(dòng)工作模式，因此將其歸類(lèi)到純電動(dòng)車(chē)型，進(jìn)行相同的真空伺服系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；兩種類(lèi)型的車(chē)型，可統(tǒng)一視為無(wú)真空源，因此必須設(shè)計(jì)完善的、安全的設(shè)計(jì)方案保證行車(chē)制動(dòng)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)已經(jīng)在推廣，系統(tǒng)成本高昂，適用于沒(méi)有成本壓力的中高端車(chē)型，該方案可以同時(shí)解決制動(dòng)能量回收的問(wèn)題，能量回收率較高，如圖7。

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

2.2.2 電子真空泵解決方案

作為中低端的車(chē)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(wú)真空源的特點(diǎn)，真空泵解決方案在原理設(shè)計(jì)上與本文“1.2.3電子真空泵的應(yīng)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(yīng)用”相關(guān)內(nèi)容。

新能源汽車(chē)氣路原理設(shè)計(jì)對(duì)于安全性和環(huán)境適應(yīng)性更高，因此除了雙控制源設(shè)計(jì)，也曾一度出現(xiàn)雙真空源設(shè)計(jì)，其可靠性和安全性策略比之于傳統(tǒng)車(chē)要求更高，氣路原理設(shè)計(jì)參見(jiàn)圖8。

注意：在真空泵選型時(shí)，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(huì)對(duì)真空泵的壽命存在一定影響，二者有相應(yīng)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(shè)計(jì)思路》中探討。

2.2.3 針對(duì)真空泵系統(tǒng)的控制、診斷、報(bào)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(jī)互動(dòng)界面設(shè)計(jì)，在本文將不做進(jìn)一步的展開(kāi)，相關(guān)探討可參考本人另外一篇論文《關(guān)于新能源汽車(chē)真空伺服控制系統(tǒng)策略》。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)本人大量的實(shí)際車(chē)型工程開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出傳統(tǒng)燃油車(chē)型、混動(dòng)車(chē)型以及純電動(dòng)車(chē)型，在真空伺服系統(tǒng)中真空源的優(yōu)化或者解決無(wú)真空源問(wèn)題，提出相應(yīng)的工程解決方案，并對(duì)方案進(jìn)行闡述，可適用于產(chǎn)品性能集成工程師在進(jìn)行系統(tǒng)性能集成時(shí)，根據(jù)車(chē)型實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)方案的參考或者以此為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)解決方案的進(jìn)一步優(yōu)化，完善。

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