智慧底盤技術（3）| 從真空助力器說起

作者 |

磐匠

上兩篇

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從汽車誕生起，制動系統就在車輛安全方面扮演著至關重要的角色。最原始的制動控制只是透過駕駛員操縱一組簡單的機械制動裝置來產生制動力，這時的車輛質量比較小，速度比較低，機械制動已滿足車輛制動的需要。

隨著科學技術的發展及汽車工業的發展，尤其是軍用車輛及軍用技術的發展，車輛制動有了新的突破，液壓制動是繼機械制動後的又一重大革新。於此同時隨著車輛越來越重，制動助力器開始被廣泛使用，配合傳統發動機工作的真空助力器（Vacuum Booster）一度成為乘用車的標配。

真空助力器及部件

雖然在汽車智慧化和電動化的浪潮之下，線控助力器如eBooster等正在逐漸蠶食真空助力器的市場份額，但是巨大的成本優勢依舊讓真空助力器在乘用車市場份額中遙遙領先。根據預測，到2028年乘用車市場仍然有超過一半的份額屬於真空助力器。

本文將對真空助力器展開介紹，內容包括：

1。 液壓制動系統與真空助力器2。 真空助力器工作原理3。 真空助力器與穩定性控制系統

1、液壓制動系統與真空助力器

由於中、大型商用車滿載重量大，對制動力要求也很高，所以一般採用結構複雜的氣壓制動系統來輔助駕駛員制動。氣壓制動以壓縮控制為制動源，制動踏板控制壓縮空氣進入車輪制動器實現制動。對長軸距、多軸和拖帶半掛車和掛車來說，氣壓制動在實現非同步分配製動上有獨特的優越性，但是其缺點也比較明顯：由於其制動特性不如液壓式柔和，行駛舒適性受到影響。

大型商用車氣壓制動系統工作原理圖，圖片來自網路

乘用車和輕型商用車的制動系統主要採用液壓作為傳動媒介，相比氣壓制動系統，液壓制動系統結構相對簡單，整車佈置自由度相對靈活，既能滿足整車制動需求，其優秀的制動特性也提高了駕駛舒適性。

一般乘用車的液壓制動系統由以下部分組成。其中，真空助力器是輔助駕駛員增大制動力的關鍵。

制動踏板

真空助力器

制動液

制動油管

制動主缸

制動輪缸

車輪制動器（盤式制動器或鼓式制動器）

液壓制動系統整車佈置，圖片來自汽車之家

以盤式制動器為例，駕駛員踩下制動踏板，由於槓桿作用，踏板力經過第一級放大傳遞到真空助力器；真空助力器經過第二級放大將制動力傳遞到主缸；主缸的制動液被推入輪缸並在壓強的作用下產生更大的制動力，推動輪端卡鉗加緊剎車盤，從而實現制動。

制動力從踏板到輪缸示意圖，圖片來自華西證券研究所

真空助力器正常工作的關鍵在於有穩定的真空來源。

裝有汽油發動機的車輛由於發動機採用點燃式，因此在進氣歧管可以產生較高的真空壓力，可以為真空助力制動系統提供足夠的真空來源，而對於柴油發動機驅動的車輛，由於發動機採用壓燃式CI（Compression Ignition cycle），這樣在進氣歧管處不能提供相同水平的真空壓力，所以需要安裝提供真空來源的真空泵。

有些讀者想必有這樣的駕駛經驗：發動機不啟動時，剎車很硬，踩不下去；當發動機啟動後，踩剎車就很輕，制動力也很大。其中原因就是隻有當發動機啟動時，真空助力器有了真空源才能正常工作。

另外，對於為了滿足較高的排放環保要求而設計的汽油直噴發動機GDI（Gasoline Direct Injection），在進氣歧管處也不能提供相同水平的真空壓力來滿足真空制動助力系統的要求，因此也需要真空泵來提供真空來源，真空泵在系統中的位置如下圖所示。

匹配柴油發動機的真空泵

在正常情況下，真空助力器輔助駕駛員制動，當助力器失效時，仍可全由人力驅動液壓系統產生一定程度的制動力。

真空助力器工作示意圖

2、真空助力器工作原理

當發動機工作時，其進氣道內的壓力會低於大氣壓力，從而形成一定的真空度，這種壓力差會透過真空管吸入真空助力器前腔的空氣，使得助力器前腔氣壓低於大氣壓力，當踩下制動踏板時，助力器的後腔進氣控制閥開啟，後腔充氣至大氣壓，壓力大於前腔形成壓力差，形成對制動主缸推杆向前的推力，推動制動主缸內的液體進入制動管路形成車輪制動力。

所以制動踏板只需要發出較小的制動踏板力推動真空助力器控制閥推杆，即可開啟真空助力器內後腔進氣控制閥，形成真空助力，以較小的制動踏板力，獲取較高的制動管路壓力和制動減速度，有效地縮短了制動距離，提高了安全性。

控制閥推杆的動作在真空助力器工作過程中至關重要。

如下圖所示，在非工作的狀態下，控制閥推杆回位彈簧將控制閥推杆推到右邊的鎖片鎖定位置，真空單向閥口處於開啟狀態，控制閥彈簧使控制閥皮碗與空氣閥座緊密接觸，從而關閉了空氣閥口。此時真空助力器的真空氣室和應用氣室分別透過活塞體的真空氣室通道與應用氣室通道經控制閥腔處相通，並與外界大氣相隔絕。發動機起動後，發動機的進氣歧管處的真空度上升，隨之，真空助力器的真空氣室、應用氣室的真空度均上升，並處於隨時工作的準備狀態。

真空助力器結構圖

當進行制動時，踩下制動踏板，踏板力經槓桿放大後作用在控制閥推杆上。

首先，控制閥推杆回位彈簧被壓縮，控制閥推杆連同空氣閥柱往前移。當控制閥推杆前移到控制閥皮碗與真空單向閥座相接觸的位置時，真空單向閥口關閉。此時，助力器的真空氣室、應用氣室被隔開。此時，空氣閥柱端部剛好與反作用盤的表面相接觸。隨著控制閥推杆的繼續前移，空氣閥口將開啟。外界空氣經過濾氣後透過開啟的空氣閥口及通往應用氣室的通道，進入到助力器的應用氣室（右氣室），伺服力產生。

由於反作用盤的材質（橡膠件）有受力表面各處的單位壓強相等的物理屬性要求，使得伺服力隨著控制閥推杆輸入力的逐漸增加而成固定比例（伺服力比）增長。

由於伺服力資源的有限性，當達到最大伺服力時，即應用氣室的真空度為零時（即一個標準大氣壓），伺服力將成為一個常量，不再發生變化。

此時，助力器的輸入力與輸出力將等量增長；取消制動時，隨著輸入力的減小，控制閥推杆後移，真空單向閥口開啟後，助力器的真空氣室、應用氣室相通，伺服力減小，活塞體後移。就這樣隨著輸入力的逐漸減小，伺服力也將成固定比例（伺服力比）的減少，直至制動被完全解除。

3、真空助力器與穩定性控制系統

隨著制動防抱死系統 （Anti-lock Brake System，ABS）和電子穩定性控制系統ESC（Electric Stability Controller）的普及，真空助力器自然需要實現和這些穩定性系統的相容，以擴充套件整車制動系統的能力。下圖為真空助力器與ABS的佈置示意圖。

真空助力器與ABS的合作示意圖，圖片來自網路

另外，

真空助力器的助力能力通常受到以下幾個因素的影響：

發動機艙空間導致助力器尺寸受限而造成的真空度不足；

在高海拔地區駕駛時導致的真空度不足；

在冷啟動工況下導致的真空度不足。

ESC系統由於具備主動控制四個輪缸制動力的能力，因此可以彌補真空助力器的能力不足，

真空助力器輔助功能HBB （HydraulicBrake Boost） 作為ESC系統的增值功能，可以輔助車輛在進行動態制動時的主動增壓，基本原理是在特定駕駛工況下將駕駛員的制動請求進行放大。

HBB功能系統架構圖，圖片來自網路

當駕駛員踩下制動踏板時，HBB將準備就緒。在預處理過程中，HBB將讀取駕駛員的制動請求並進行放大，然後將計算值傳送到狀態機，以便根據相應的觸發條件觸發不同的HBB狀態。

當HBB滿足啟用條件時，目標壓力值將通過後處理傳遞給液壓控制模組，用以控制泵速和閥門動作。泵的速度將會影響主缸壓力，進而影響到駕駛者的制動請求，制動踏板以及駕駛者本身。

駕駛員透過調整自身行為來適應由於泵速造成的變化。該部分控制為閉環控制，整個過程如下所示。

HBB功能閉環控制示意圖，圖片來自網路

綜上可以看出，對於傳統燃油車來說，真空助力器既能滿足制動系統的基本功能，又能和穩定性功能配合提高制動穩定性，具備巨大的成本讓其仍具備堅挺的市場競爭力。

但是在電動化的趨勢下，發動機被高壓電機取代，真空助力器沒有了穩定的真空提供源，真空助力器使用受到限制；汽車智慧化對制動系統的高要求又讓真空助力器受到進一步限制，這讓制動助力系統不得不進化。