真空助力器失效分析及密封檢測(cè)方法

楊平 程小強(qiáng) 程教育

摘 要：某車型售后出現(xiàn)在持續(xù)輕制動(dòng)情況下，偶發(fā)制動(dòng)踏板發(fā)硬，制動(dòng)無助力的故障現(xiàn)象，嚴(yán)重影響駕駛安全。經(jīng)過多樣本實(shí)車進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，原因分析，判斷在輕制動(dòng)情況下真空助力器存在泄漏，根據(jù)實(shí)車數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，在臺(tái)架試驗(yàn)中進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，對(duì)故障件拆解確認(rèn)根本原因?yàn)榛钊麅?nèi)壁尺寸及表面處理缺陷。通過對(duì)該樣件的失效模式，結(jié)合現(xiàn)有的驗(yàn)證方法，提出并改進(jìn)零部件臺(tái)架試驗(yàn)密封檢測(cè)方法，在零部件級(jí)別識(shí)別故障，提升流入整車和市場(chǎng)的零件良品率，避免售后安全風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)車企品牌聲譽(yù)損傷。

關(guān)鍵詞：真空助力器;制動(dòng)踏板發(fā)硬;輕制動(dòng);密封檢測(cè)

中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：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(fù)壓）增加駕駛員通過制動(dòng)踏板施加于制動(dòng)主缸力的部件，實(shí)現(xiàn)更輕便的制動(dòng)操作性和更好的制動(dòng)性能，廣泛運(yùn)用于當(dāng)今汽車制動(dòng)系統(tǒng)中。真空助力器密封一旦失效，會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)無助力、踏板發(fā)硬，從而直接影響制動(dòng)性能，導(dǎo)致事故發(fā)生[1-2]。所以真空助力器的密封性能驗(yàn)證尤為重要，需要覆蓋全面的工況操作，充分驗(yàn)證因設(shè)計(jì)或制造裝配過程中導(dǎo)致的密封失效問題。

本文利用IMC數(shù)采設(shè)備對(duì)售后故障樣車進(jìn)行踏板力及真空度測(cè)試，并依據(jù)整車結(jié)果在臺(tái)架上進(jìn)行換算復(fù)現(xiàn)。確認(rèn)密封失效的實(shí)際使用工況，結(jié)合實(shí)際使用工況和失效模式進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行分析，提出零部件臺(tái)架驗(yàn)證方案。

1 故障復(fù)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析

1.1 實(shí)車故障復(fù)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析

客戶描述，車輛在輕制動(dòng)降速之后，需要制動(dòng)停車，但出現(xiàn)制動(dòng)踏板發(fā)硬，主觀無法制動(dòng)停車，且該故障為偶發(fā)，檢查制動(dòng)管路及主缸，分缸無漏油，蹄片及制動(dòng)盤無異常磨損。根據(jù)故障模式分析，初步判斷制動(dòng)過程中出現(xiàn)真空泄漏。安裝真空度傳感器和制動(dòng)踏板力[3]，IMC設(shè)備實(shí)時(shí)采集信號(hào)，根據(jù)客戶描述工況進(jìn)行測(cè)試，采集到復(fù)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)，如圖1：

實(shí)車數(shù)據(jù)分析結(jié)果：

制動(dòng)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(xiàn)明顯密失效，真空泄漏。

1.2 實(shí)車故障復(fù)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析

車型制動(dòng)踏板杠桿比為I=3.5，計(jì)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(cè)試臺(tái)架中，接入-0.9bar真空負(fù)壓，真空閥輸入桿輸入力從1000N以50N遞減依次測(cè)試，在150N以上無真空泄露出現(xiàn)。根據(jù)實(shí)車測(cè)試結(jié)果換算，在80N～120N以10N間隔反復(fù)測(cè)試，輸入力100N時(shí)泄露故障復(fù)現(xiàn)：如圖2：

2 真空助力器原理及失效機(jī)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(dòng)時(shí)產(chǎn)生助力。如圖3所示標(biāo)準(zhǔn)助力器[4]，利用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)真空泵將助力器的前、后兩個(gè)工作室抽為一定真空（目前基本能達(dá)到-1bar），當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)踏板推動(dòng)推桿向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，空氣可以進(jìn)入助力器后工作室。這樣，助力器前、后兩室產(chǎn)生一定的壓力差，從而產(chǎn)生制動(dòng)所需的助力，如圖3。

助力器的工作過程可以分為以下幾個(gè)階段：

（1）非工作狀態(tài);

（2）正常工作狀態(tài);

（3）最大助力狀態(tài);

（4）恢復(fù)狀態(tài)。

根據(jù)失效分析需要，主要對(duì)非工作狀態(tài)和正常工作狀態(tài)進(jìn)行描述剖析：

非工作狀態(tài)：真空控制閥打開，大氣閥關(guān)閉，前后腔導(dǎo)通，如下圖4：

正常工作狀態(tài)：輸入推桿輸入力FR大于始動(dòng)力Fa，真空控制閥關(guān)閉，大氣閥打開 ，助力器的后腔進(jìn)入一定量的大氣，使前后腔形成一定的壓差，壓差對(duì)動(dòng)力缸產(chǎn)生的助力，如下圖5：

2.2 失效機(jī)理分析

2.2.1 正常狀態(tài)

控制閥骨架外圓與活塞內(nèi)壁有間隙，控制閥能自由活動(dòng);制動(dòng)時(shí)，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(tài)

控制閥骨架外圓與活塞內(nèi)壁局部碰觸，控制閥A面與鸚鵡嘴平面產(chǎn)生傾斜，在工作時(shí)大氣腔的氣在此處漏到真空腔中，產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象。

故障原理：活塞內(nèi)徑越小或失圓，活塞內(nèi)壁或內(nèi)徑最小點(diǎn)與控制閥骨架外圓越容易碰觸，而產(chǎn)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(tài)下推力越小容易出現(xiàn)貼合不緊的情況（如輕踩制動(dòng)踏板），推力大時(shí)不容易出現(xiàn)貼合不緊的現(xiàn)象。

2.2.3 故障件拆解分析

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

（2）活塞內(nèi)壁光滑度不合格，導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大，真空控制閥與活塞滑動(dòng)摩擦力增大。

（3）活塞內(nèi)壁變形失圓，局部與真空控制閥摩擦力增大。

3 檢測(cè)方法設(shè)定

3.1 檢測(cè)輸入力設(shè)定概算

工作狀態(tài)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(shí)現(xiàn)[5]。主要結(jié)構(gòu)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(nèi)壁摩擦力，單位：N

始動(dòng)力為助力器產(chǎn)生輸出力時(shí)作用在輸入推桿上的最小輸入力，設(shè)計(jì)技術(shù)要求為50～100N，計(jì)算公式：

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

式中：F1為回位簧抗力，單位：N

根據(jù)式（1）和式（2）可得出：

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

正常合格狀態(tài)下Fs>0才能夠提供密封壓緊力。結(jié)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(dòng)力 Fa，此時(shí)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(shí)真空出現(xiàn)泄漏，故障可檢測(cè)識(shí)別。

根據(jù)概算設(shè)定檢測(cè)方法輸入力：

以始動(dòng)力Fa為初始值，2N為單位增量，持續(xù)檢測(cè)至110N（Fa設(shè)計(jì)要求≤100N）。

3.2 臺(tái)架密封檢測(cè)方法設(shè)定

根據(jù)現(xiàn)有的臺(tái)架試驗(yàn)方法和密封評(píng)價(jià)要求[6]，增加臺(tái)架密封試驗(yàn)方法及密封要求如表1、2。

4 檢測(cè)方法運(yùn)行及結(jié)果分析

以某款真空助力器（設(shè)計(jì)始動(dòng)力Fa為90N）實(shí)際生產(chǎn)不合格10個(gè)樣件，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

5 結(jié)論

本文對(duì)制動(dòng)真空助力器售后失效模式進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合助力器工作原理進(jìn)行失效機(jī)理分析，識(shí)別出在生產(chǎn)制造過程中可能存在零部件質(zhì)量問題，針對(duì)生產(chǎn)過程中一致性的缺陷，提出零部件臺(tái)架檢測(cè)方法。

該方法存在一定的不足，主要在于始動(dòng)力的實(shí)際值與設(shè)計(jì)值可能存在一定的差異，以始動(dòng)力設(shè)計(jì)值作為輸入力初始檢測(cè)值，在實(shí)際檢測(cè)過程中可能存在小概率故障逃逸，故需要加大同批次檢測(cè)樣本量。本文提出的檢測(cè)方法可以在樣件的生產(chǎn)工藝變更和定期抽樣中進(jìn)行實(shí)施，對(duì)低輸入力的助力器密封性提供了檢測(cè)方法和參考標(biāo)準(zhǔn)，避免批量不合格零件流入整車和市場(chǎng)，造成經(jīng)濟(jì)損失和品牌傷害。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂寧.汽車制動(dòng)系統(tǒng)缺陷的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法研究[D]，西華大學(xué)，2017.

[2] 張振鼎，劉彥君，謝東明.真空助力器對(duì)轎車制動(dòng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、原理及軸向設(shè)計(jì)[J]汽車研究與開發(fā)， 1999（6）.

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

[6] QC/T 307-2016，汽車用真空助力器性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方[S].