真空助力器失效分析及密封檢測方法

楊平 程小強 程教育

摘 要：某車型售后出現在持續輕制動情況下，偶發制動踏板發硬，制動無助力的故障現象，嚴重影響駕駛安全。經過多樣本實車進行數據采集，原因分析，判斷在輕制動情況下真空助力器存在泄漏，根據實車數據轉化，在臺架試驗中進行故障復現，對故障件拆解確認根本原因為活塞內壁尺寸及表面處理缺陷。通過對該樣件的失效模式，結合現有的驗證方法，提出并改進零部件臺架試驗密封檢測方法，在零部件級別識別故障，提升流入整車和市場的零件良品率，避免售后安全風險及對車企品牌聲譽損傷。

關鍵詞：真空助力器;制動踏板發硬;輕制動;密封檢測

中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）19-157-04

Failure Analysis and Sealing Detection Methods of Vacuum Booster

Yang Ping， Cheng Xiaoqiang， Cheng Jiaoyu

（Vehicle Performance & Testing Department， Jiangling Motors Co.， Ltd Product Development Center，

Jiangxi Nanchang 330001）

Abstract： A certain vehicle model After-sales occasionally appears brake pedal hard， brake helplessness of failure in the case of continuous light braking， seriously affecting driving safety. After data collection of multi-sample of complete vehicles， analysis to determine the vacuum booster leakage under the light braking situation， according to the complete vehicles data conversion， failure mode recurrent in the bench test， confirm the root cause of the piston inner wall size and surface treatment defects after failure parts disassemble. A sealing detection method of the component bench test is proposed and improved Through the failure mode of the sample combined with the existing verification method， identify the failure at the component level， improve the rate of qualified parts entering the complete vehicle and the market， avoid the safety risk of the aftermarket and the brand reputation damage to the automobile company.

Keywords： Vacuum booster; Brake pedal hard; Light braking; Sealing detection

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）19-157-04

前言

真空助力器是利用真空（負壓）增加駕駛員通過制動踏板施加于制動主缸力的部件，實現更輕便的制動操作性和更好的制動性能，廣泛運用于當今汽車制動系統中。真空助力器密封一旦失效，會出現制動無助力、踏板發硬，從而直接影響制動性能，導致事故發生[1-2]。所以真空助力器的密封性能驗證尤為重要，需要覆蓋全面的工況操作，充分驗證因設計或制造裝配過程中導致的密封失效問題。

本文利用IMC數采設備對售后故障樣車進行踏板力及真空度測試，并依據整車結果在臺架上進行換算復現。確認密封失效的實際使用工況，結合實際使用工況和失效模式進行根本原因分析，排查出制造過程中的工藝缺陷。通過該失效逃逸點進行分析，提出零部件臺架驗證方案。

1 故障復現數據采集分析

1.1 實車故障復現數據采集分析

客戶描述，車輛在輕制動降速之后，需要制動停車，但出現制動踏板發硬，主觀無法制動停車，且該故障為偶發，檢查制動管路及主缸，分缸無漏油，蹄片及制動盤無異常磨損。根據故障模式分析，初步判斷制動過程中出現真空泄漏。安裝真空度傳感器和制動踏板力[3]，IMC設備實時采集信號，根據客戶描述工況進行測試，采集到復現故障數據，如圖1：

實車數據分析結果：

制動踏板力Fpedal維持30N左右，真空度從-1bar上升至-0.2bar，在此過程中出現明顯密失效，真空泄漏。

1.2 實車故障復現數據采集分析

車型制動踏板杠桿比為I=3.5，計算真空助力器真空閥輸入桿輸入力：

FR=Fpedal*I=105N

在助力器密封測試臺架中，接入-0.9bar真空負壓，真空閥輸入桿輸入力從1000N以50N遞減依次測試，在150N以上無真空泄露出現。根據實車測試結果換算，在80N～120N以10N間隔反復測試，輸入力100N時泄露故障復現：如圖2：

2 真空助力器原理及失效機理分析

2.1 真空助力器原理

真空助力器的主要作用為制動時產生助力。如圖3所示標準助力器[4]，利用發動機驅動真空泵將助力器的前、后兩個工作室抽為一定真空（目前基本能達到-1bar），當需要制動時，制動踏板推動推桿向前運動，此時，空氣可以進入助力器后工作室。這樣，助力器前、后兩室產生一定的壓力差，從而產生制動所需的助力，如圖3。

助力器的工作過程可以分為以下幾個階段：

（1）非工作狀態;

（2）正常工作狀態;

（3）最大助力狀態;

（4）恢復狀態。

根據失效分析需要，主要對非工作狀態和正常工作狀態進行描述剖析：

非工作狀態：真空控制閥打開，大氣閥關閉，前后腔導通，如下圖4：

正常工作狀態：輸入推桿輸入力FR大于始動力Fa，真空控制閥關閉，大氣閥打開 ，助力器的后腔進入一定量的大氣，使前后腔形成一定的壓差，壓差對動力缸產生的助力，如下圖5：

2.2 失效機理分析

2.2.1 正常狀態

控制閥骨架外圓與活塞內壁有間隙，控制閥能自由活動;制動時，控制閥A面與活塞鸚鵡嘴密封，使真空腔與大氣腔隔開。

2.2.2 故障狀態

控制閥骨架外圓與活塞內壁局部碰觸，控制閥A面與鸚鵡嘴平面產生傾斜，在工作時大氣腔的氣在此處漏到真空腔中，產生泄漏現象。

故障原理：活塞內徑越小或失圓，活塞內壁或內徑最小點與控制閥骨架外圓越容易碰觸，而產生摩擦力，在受到推力后容易造成控制閥A面與鸚鵡嘴平面貼合不緊，此狀態下推力越小容易出現貼合不緊的情況（如輕踩制動踏板），推力大時不容易出現貼合不緊的現象。

2.2.3 故障件拆解分析

（1）活塞內壁內徑偏小（尺寸不合格），導致與真空控制閥體接觸貼緊，摩擦力增大。

（2）活塞內壁光滑度不合格，導致摩擦系數增大，真空控制閥與活塞滑動摩擦力增大。

（3）活塞內壁變形失圓，局部與真空控制閥摩擦力增大。

3 檢測方法設定

3.1 檢測輸入力設定概算

工作狀態下真空控制閥的密封靠控制閥A面與活塞鸚鵡嘴的貼合壓緊力實現[5]。主要結構如圖8：

貼合壓緊力：

FS=FR-F1-Ff ??????????????????????????????????（1）

式中：

FS為控制閥密封壓緊力，單位：N

FR為輸入推桿上的輸入力，單位：N

F1為回位簧抗力，單位：N

Ff為真空控制閥與活塞內壁摩擦力，單位：N

始動力為助力器產生輸出力時作用在輸入推桿上的最小輸入力，設計技術要求為50～100N，計算公式：

Fa=F1 ???????????????????????????????????????（2）

式中：F1為回位簧抗力，單位：N

根據式（1）和式（2）可得出：

FS=FR- Fa- Ff ?????????????????????????????????（3）

正常合格狀態下Fs>0才能夠提供密封壓緊力。結合式（3）分析：因制造工藝造成的Ff增大，在輸入力FR略大于始動力 Fa，此時大氣閥打開，但密封閥壓緊力FS因需要克服摩擦力Ff而無法提供，此時真空出現泄漏，故障可檢測識別。

根據概算設定檢測方法輸入力：

以始動力Fa為初始值，2N為單位增量，持續檢測至110N（Fa設計要求≤100N）。

3.2 臺架密封檢測方法設定

根據現有的臺架試驗方法和密封評價要求[6]，增加臺架密封試驗方法及密封要求如表1、2。

4 檢測方法運行及結果分析

以某款真空助力器（設計始動力Fa為90N）實際生產不合格10個樣件，檢測結果如表3所示。

5 結論

本文對制動真空助力器售后失效模式進行檢測，結合助力器工作原理進行失效機理分析，識別出在生產制造過程中可能存在零部件質量問題，針對生產過程中一致性的缺陷，提出零部件臺架檢測方法。

該方法存在一定的不足，主要在于始動力的實際值與設計值可能存在一定的差異，以始動力設計值作為輸入力初始檢測值，在實際檢測過程中可能存在小概率故障逃逸，故需要加大同批次檢測樣本量。本文提出的檢測方法可以在樣件的生產工藝變更和定期抽樣中進行實施，對低輸入力的助力器密封性提供了檢測方法和參考標準，避免批量不合格零件流入整車和市場，造成經濟損失和品牌傷害。

參考文獻

[1] 呂寧.汽車制動系統缺陷的風險評估指標和評價方法研究[D]，西華大學，2017.

[2] 張振鼎，劉彥君，謝東明.真空助力器對轎車制動性能影響的分析[J].汽車工程師， 2017（4）：43-46.

[3] 馬良永.由真空助力器結構原理分析故障原因[J].汽車維修， 2012： 14-16.

[4] 王浩.真空助力器的結構、原理及軸向設計[J]汽車研究與開發， 1999（6）.

[5] 趙凱.汽車真空助力器的原理及參數計算[J].汽車技術，2001（1）： 1-4.

[6] QC/T 307-2016，汽車用真空助力器性能要求及臺架試驗方[S].