車輛高原地區制動助力不足的試驗驗證

王 飛，馬立璞 Wang Fei，Ma Lipu

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車輛高原地區制動助力不足的試驗驗證

王 飛，馬立璞 Wang Fei，Ma Lipu

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

隨著汽車研發水平的不斷提升，汽車的各項性能指標，尤其以關系到人身安全的制動性能，受到了越來越多用戶的關注。收集某在售車型用戶反饋的制動系統各類問題，通過歸納總結，發現在高原地區進行連續制動工況，制動踏板會變硬，出現制動系統失效現象，易導致交通事故，甚至危害到人身安全。通過實地考察，選擇拉薩等具有典型海拔高度環境條件的地區，通過模擬用戶日常駕駛習慣，制定多種試驗方案進行客觀數據采集，分析在高原地區車輛制動系統存在的性能差異，為改進與提升積累數據經驗。

制動性能；高原；連續制動；試驗

0 引 言

我國地勢復雜，西南地區多以高原為主，海拔多在3 000～5 000 m，海拔高、氣壓低、溫差大、風沙大、坡度大、缺氧，環境條件十分惡劣。隨著人們生活水平的不斷提高，越來越多的游客及越野愛好者選擇在這種具有挑戰性的極限環境下，駕駛車輛挑戰自己，享受越野所帶來的樂趣。

高原行車，制動系統有效非常重要，就某車型車主們反映的情況，通過對售后問題收集、歸納、分析及總結，發現車輛在高原地區某些特定工況下使用時，會出現制動踏板發硬現象，導致車輛追尾、剮蹭，甚至危害到人身安全。

通過對問題車輛進行分析，發現由于制動系統真空助力不足，車輛失去助力，導致制動踏板發硬，無法提供足夠的制動力。沒有制動助力的車輛，即使是男性駕駛員也需要使出全力才能踩下制動踏板，何況女性駕駛員，并且任何人面對突發情況通常來不及反應。

為深入分析車輛問題，在典型高海拔地區模擬客戶的駕駛習慣，制定若干試驗方法，進行數據采集，為車輛制動性能的改進和提升提供幫助[1]。

1 真空助力器

1.1 基礎理論

注：F1為總泵活塞受力，S1為總泵活塞面積；F2為分泵活塞受力，S2為分泵活塞面積。

制動分泵的缸徑不可能無限大，制動主缸缸徑也不可能無限小，力的放大倍數是有限的，要想產生足夠的減速度，只有增大輸入到制動主缸的力，即增大制動踏板力來提高制動系統的能力；因此，真空助力器應運而生。

1.2 工作原理

真空助力器結構復雜，對其結構進行簡化，如圖2所示，以便更清晰地了解其工作原理。

圖2 真空助力器結構簡圖

真空助力器的工作原理可簡單概括為：通過膜片將助力器內部工作腔分為前、后兩腔，其中后腔與大氣相連，前腔與真空源相通，后腔負責提供負壓使得與前腔產生壓差，從而提供助力。

圖3 踏板力、真空度與時間關系曲線

真空助力器工作過程一般分為4個階段：自然狀態、施加制動、維持制動和釋放制動。

（1）自然狀態：即未施加制動時，助力器內前、后腔相通，氣壓平衡，即前腔=后腔=進氣歧管；

（2）施加制動：前、后腔在活塞作用下被隔離，由于后腔通大氣，前腔通真空源，前、后腔產生壓力差，推動膜片前行，產生助力；

（3）維持制動：前、后腔封閉，后腔與大氣隔絕，壓力差恒定，保持不動；

（4）釋放制動：前、后腔再次相通，氣壓將重新達到平衡，膜片在回位彈簧作用下回位，但由于前、后腔此前存在的壓力差，即后腔=大氣＞前腔=進氣歧管，因而重新接通后，前、后腔的混合氣平均壓力升高，真空度縮小[3]。

從圖3中可看出，當駕駛員施加踏板力時，真空助力器前腔內的真空度隨踏板力增加而減小，即前、后腔在活塞作用下被隔離，由于后腔通大氣，前腔通真空源，因此前、后腔產生壓力差；在踏板力上升中后段及釋放踏板的過程中，真空度由減小變為增大，這是由于電子真空泵等提供真空的設備起作用，增大了真空度；當制動踏板被徹底釋放后，真空助力器前腔內的真空度再次減小，這是由于助力器前、后腔再次相通，氣壓重新達到平衡，即松開制動踏板，前、后腔混合后的平均壓力升高，真空度縮小。

2 制動踏板變硬原因分析

針對車輛在制動過程中制動踏板會變硬現象，通過分析諸多車主的現象描述，發現該現象僅發生于高原地區連續制動工況，在停車場進行移庫操作時，駕駛員需連續、反復地踩踏制動踏板對車輛進行前進及后退操作。結合現象共性進行歸納總結，發現以下主要因素。

（1）高海拔：在高原環境下，海拔越高大氣壓力越低。大氣壓與海拔的關系為

式中：0為標準大氣壓，1標準大氣壓=101.325 kPa；為海拔，m；為某高度大氣壓，kPa。

正是由于高原地區氣壓低，造成真空助力器膜片兩側壓力差減小，因而無法提供較大的制動力[3]。

（2）連續制動：根據真空助力器工作原理可知，對于依靠發動機產生真空源的車輛來說，每經歷一個全制動周期（從施加制動至松開制動），進氣歧管內的真空度會經歷先變小后恢復的過程，這在正常的行車制動時可以保證助力器內部真空度的恢復，但是當進行類似停車場移庫或小區域范圍頻繁使用制動時，車輛需要快速連續制動，助力器內部真空度無法及時恢復[4]。

3 試驗方案制定及實施

試驗選取典型高海拔地區拉薩市（海拔約 3 650 m）作為試驗地點，考慮到自動擋轎車因其操作便利性受到了更多用戶的偏愛，選取兩輛自動擋車型作為試驗樣本，其中A車為配備電子真空泵渦輪增壓車型，B車為配備機械真空泵柴油車。以連續制動作為固定試驗輸入條件，重點對助力器真空度、制動踏板力等相關參數進行采集并結合車輛在高原地區可能出現的踏板變硬現象，分析并制定若干試驗方案以驗證真空度變化對制動效果的影響。

3.1 靜態空擋連續制動

通過靜態連續制動模擬動態工況，初步了解不同類型真空泵在相同工況下的輸出效果差異。

測試分為無負載和全負載（打開空調、燈組等全部電器設備，并伴有轉向操作），將發動機熄火，連續踩下制動踏板以排除真空，待踏板變硬后，啟動發動機，全負載工況下連續開啟全部負載，待真空度達到最大值后，進行連續制動試驗，結果如圖4所示。

圖4 真空度-時間關系曲線1

從圖4中可以得到：

（1）機械真空泵抽真空能力（最大真空度）優于電子真空泵。

（2）電子真空泵在全負載條件下，反復快速地踩下制動踏板時，真空度來不及恢復，始終小于20 kPa（行業內多以20 kPa的真空度作為制動助力不足的報警閾值，清華大學曾做過這方面的研究，當真空度低于20 kPa時，助力器明顯無法提供正常的制動助力，車輛制動性能下降，此時為達到正常的制動減速度必須增大制動踏板力，即出現制動踏板發硬的現象）。

3.2 動態D擋、R擋連續制動（模擬停車場移庫）

模擬駕駛員在停車場的移庫操作，分析車輛可能存在的制動踏板變硬現象。

車輛在平直路面上，將發動機熄火，連續踩下制動踏板以排除真空，待踏板變硬后，啟動發動機，全負載，待真空度達到最大值后，將變速器置于D擋，車輛怠速前進約2 m后，踩下制動踏板使車輛靜止，將變速器置于R擋，車輛怠速后退約2 m，繼續踩下制動踏板使車輛靜止；重復以上操作，待制動踏板主觀感覺異常后停止試驗，試驗結果如圖5、圖6所示。

圖5 真空度-時間關系曲線2

圖6 真空度、踏板力與時間關系曲線（電子泵）

從圖5中可以發現，配備機械真空泵車輛，在模擬駕駛員正常移庫操作時，真空度始終維持在50～60 kPa，車輛制動正常，駕駛員主觀反饋車輛制動踏板無異常，且真空度數值始終優于配備電子泵車輛。

從圖5、圖6中可以發現，配備電子真空泵車輛，在模擬駕駛員進行移庫操作時，連續制動前幾次真空度可以維持在20kPa以上，踏板力約為100 N，駕駛員主觀反饋可以接受，但當連續制動一定次數后，由于電子真空泵邏輯問題（電子泵持續作用會發熱，連續工作時會因過熱保護而退出），導致電子泵退出工作，不再抽真空，從圖6中可發現在連續制動末段真空度已接近0 kPa，完全失去助力，踏板力接近500 N，此時駕駛員反饋施加制動時，可明顯感覺制動踏板變硬，需用全力才能將車輛停止。

3.3 動態D擋全油門連續制動

模擬駕駛員由于情緒波動，與其他車輛產生沖突，反復實施制動—加速—制動操作，分析車輛可能存在的制動踏板變硬現象。

車輛全負載狀態下在平直路面上由靜止啟動，D擋全油門加速持續約5 s后，快速踩下制動踏板持續約1 s，繼續全油門加速重復以上操作，待制動踏板主觀感覺異常后停止試驗，試驗結果如圖7、圖8所示。

圖7 真空度-時間關系曲線3

從圖7中可以發現，配備機械真空泵車輛，在模擬駕駛員情緒波動行車時，真空度始終維持在40～50 kPa，車輛制動正常，駕駛員主觀反饋車輛制動踏板無異常，且真空度數值始終優于配備電子泵車輛。

圖8 節氣門開度、真空度、踏板力與時間關系曲線（電子泵）

從圖7、圖8中可以發現，配備電子真空泵車輛，在模擬駕駛員情緒波動行車時，連續制動前幾次真空度維持在20 kPa以上，踏板力約為100 N，駕駛員主觀反饋可以接受，但當連續制動一定次數后，同樣由于電子真空泵邏輯問題，導致電子泵退出工作，不再抽真空，真空度變小，踏板力接近550 N，此時駕駛員反饋施加制動時，可明顯感覺制動踏板變硬，需用全力才能將車輛停止。

3.4 動態踩踏制動踏板連續制動（模擬擁堵長時間跟車）

模擬駕駛員由于道路擁堵，長時間踩踏制動踏板跟車，頻繁制動，分析車輛可能存在的制動踏板變硬現象。

車輛全負載在平直路面上，駕駛員輕踩制動踏板怠速行駛，右腳始終不離開制動踏板，連續行駛約5 s后施加1次制動使車輛停止，然后繼續實施輕踩制動踏板怠速行駛，重復以上操作，待制動踏板主觀感覺異常后停止試驗，試驗結果如圖9、圖10所示。

圖9 真空度-時間關系曲線4

從圖9中可以發現，配備機械真空泵車輛，在模擬擁堵工況長時間跟車時，真空度始終維持在40～60 kPa，踏板力小于50 N，車輛制動正常，駕駛員主觀反饋車輛制動踏板無異常，且真空度數值始終優于配備電子泵車輛。

圖10 車速、真空度、踏板力與時間關系曲線（電子泵）

從圖9、圖10中可以發現，配備電子真空泵車輛，在模擬擁堵工況長時間跟車時，連續制動前幾次真空度維持在20 kPa以上，踏板力約為50 N，駕駛員主觀反饋可以接受，但當連續制動一定次數后，同樣由于電子真空泵邏輯問題，導致電子泵退出工作，不再抽真空，真空度變小，踏板力接近400 N，此時駕駛員反饋施加制動時，可明顯感覺制動踏板變硬，需用全力才能將車輛停止。

4 結 論

（1）通過制定的幾組連續制動試驗方案，發現以電子真空泵作為真空源的車輛，在高原地區存在失去助力的可能，此時制動踏板會變硬，在進行移庫、長時間跟車等工況時存在著較大的安全風險；

（2）以機械真空泵作為真空源的車輛，在高原地區進行連續制動操作時，真空度可以維持在較高水平，基本無踏板變硬的情況；

（3）配備電子真空泵的車輛在高原地區實施開啟空調、轉向和換擋等增加負載的操作時，會增大發動機負荷，進一步降低真空度，影響制動效果。

針對以上問題，對高原地區使用的車輛提出改進建議，配備電子真空泵的車型，應額外增加真空罐或再加裝一個電子真空泵，當原泵停止工作或工作不良時，能夠提供額外的真空保證車輛安全，在高原地區駕駛，更應保持安全車距，確保安全。

[1]程源，高玉振，盧生林，等. 高原高寒環境對汽車制動性能的影響[J]. 汽車工程師，2013（3）：41-43.

[2]陳家瑞. 汽車構造. 第3版[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

[3]余志生. 汽車理論. 第5版[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

[4]楊希志，謝桃新. 高原環境汽車真空伺服制動系性能分析[J]. 汽車工程師，2014（2）：36-38.

2018-12-05

1002-4581（2019）02-0016-05

U467.1+8

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.02.004