乘用车制动硬的解决方法

作者:张建操 刘 彤 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2020-03-25
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某款乘用车在驾驶过程中制动异常,表现为踩不动制动踏板、制动硬。由于故障发生的时间、工况没有特别的规律可循,故障模式也是偶发性,因此也增加了查找原因的难度。本文通过故障件的拆解、检测、试验分析并提出整改方案。

真空泵结构

真空泵是为传统汽油增压发动机车辆制动提供助力的一个零部件,自然吸气的发动机直接从进气歧管内取负压为制动系统提供助力,增压机型在增压器工作后,进气歧管不能保证提供稳定可靠的负压,不能再为制动系统提供助力,因此就需要加一套额外的真空助力,也就是机械真空泵。

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本文涉及的真空泵为单叶片式真空泵,主要由泵体、转子、叶片和单向阀等组成(图1)。驱动转矩通过发动机凸轮轴和真空泵连接器来使转子旋转,从而带动塑料的单叶片沿着真空泵容腔的轮廓,并以容腔偏心位置进行转动。单叶片将泵腔分为两个容腔,一侧为真空腔,随着单叶片的旋转其容腔的容积越来越大,从而产生真空度同时通过与真空助力器相连接,带有单向阀的进气口使真空助力器增加真空度;另一侧为压缩腔,随着单叶片的旋转其容腔越来越小,从真空助力器抽取的空气和泵内的润滑油压缩到发动机内。来自发动机的润滑油从转子中心的油路进入到泵的转子和容腔内,对单叶片上的浮动端子和容腔轮廓间起到密封作用。


故障调查分析

产生制动硬的主要原因是真空度不足,影响真空度的因素主要有以下几点:真空助力器与制动主缸泄漏,真空助力器与真空助力管泄漏、真空助力管泄漏、真空泵单向阀卡滞。

针对反馈的制动硬的问题,对当时处理问题的过程进行了解发现,制动硬是偶发现象,整车怠速,拔下连接真空泵的真空管,真空泵的进气口无吸气现象,更换真空泵后,故障消失。对故障车的真空助力器的两个密封圈、真空助力软管的密封圈进行检查,密封圈良好,真空助系统进行泄漏测试,30 s无泄漏。

1. 故障件调查

将返回的5台真空泵装配到台架上进行性能测试,1#泵在发动机转速1 000 r/min时性能正常,热机30 min后,回到怠速770 r/min时,真空泵抽气口出现不抽真空现象,故障再现(图2)。后面测试的3#、4#出现了抽气口不吸气现象,其他2台在多次测试后都出现了性能逐渐下降的现象,将故障件3#真空泵更换单向阀后,性能恢复正常(图3)。

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2. 故障件拆解分析

将更换后的单向阀拆解分析(图4),明显可以看出阀芯变大,阀芯发生溶胀(图5)。

3. 故障件检测

对3#、4#故障件的阀芯与正常件的阀芯做尺寸检测对比,发现3#、4#故障件的阀芯直径都超出设计范围,通过计算可得出,正常件阀芯与抽气管的间隙为单边0.575~0.925 mm,故障件阀芯与抽气管的间隙只有0.175~0.275 mm,因此可以确认,是由单向阀中阀芯发生溶胀,阀芯与抽气管间隙减小,产生卡滞,导致真空泵不抽真空,失效,造成制动硬。阀芯的检测结果见表1。

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4.阀芯的浸泡试验

为了进一步确认阀芯是在哪种溶剂中发生溶胀,选取了两种混合溶剂,一种是体积分数为80%机油(10W-30)+20%制动液,另外一种是体积分数为90%机油(10W-30)+10%汽油,在100°C的环境温度下,浸泡原状态阀芯48 h,结果浸泡在混有制动液溶剂中的阀芯发生了溶胀,尺寸(图6)及硬度都不满足图纸要求。阀芯浸泡检测结果见表2。

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结合整车的制动系统来看,制动主缸内的制动液可能通过真空助力器进入到真空助力管中,被吸入到真空泵内,单向阀中的阀芯遇到制动液后,发生溶胀,与真空泵的吸气管的间隙减小,在阀芯不断的打开、关闭中,阀芯倾斜、翻边,发生卡滞,真空泵不能建立负压,多次踩制动踏板后,没有真空助力,制动变硬。由此制定出整改方案。


整改方案

1.方案制定

针对真空泵失效模式和原因分析有如下整改方案。

(1)阀芯材料由ACM变更为FVMQ

目前,阀芯的材料为ACM,完全不耐制动液、混合了乙醇的机油,对于混合了汽油的机油适应性也较差,因此,识别出目前可能接触到阀芯的溶液有机油、汽油、水及制动液,选择同时适应这几种溶液的材料为FVMQ材料,性能见表3。

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(2)阀芯唇部由尖边变更为圆角

原状态的阀芯唇部是尖边形式,在阀芯溶胀以后,材料硬度变低,唇部易翻边,卡滞,导致真空泵性能下降或是不抽真空。唇部变更为圆角,降低了翻边的风险。

(3)单向阀组件

抽气管材料由ST37变更为PA66-GF30,单向阀的安装方式由压装变更为螺栓紧固,优化后单向阀易拆卸,成本低,可与阀芯变更所产生的成本上升相平衡。原、新状态单向阀抽气管对比如图7所示,原、新状态单向阀结构对比如图8所示。

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(4)壳体

由于单向阀的变更,壳体做相应的变更,管口的高度增加2.2 mm,已与整车确认真空软管总成装配没有问题。原、新状态真空泵尺寸变更对比如图9所示。

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2.阀芯的CAE分析

针对真空泵的单向阀中阀芯与抽气管的变更,分别对这两个部件进行CAE分析。

(1)阀芯的强度与压缩量分析

在-100 kPa负压+弹簧力作用下,阀芯底部固定,阀芯最大的米塞斯应力为0.86 MPa,远远小于此材料的拉伸强度9.3 MPa,满足设计要求。

新材料的阀芯的最大压缩量为0.365 mm,与原材料的压缩量0.646 mm,下降了约43%,提高了阀芯的可靠性。

(2)抽气管的强度分析

分别给抽气管垂直方向施加500 N的力,侧方一个37 N的力,最大应力分别为71.6 MPa和 27.1 MPa,远远小于拉伸强度190 MPa(图10),因此抽气管的强度没有问题。

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总结

1)整车反馈的制动硬的问题主要是真空泵不工作,不能提供真空助力导致的。

2)从故障件真空泵单向阀拆解分析来看,阀芯发生了溶胀,与抽气管间隙变小,再加上唇部有可能翻边,会在抽气管内发生卡滞的现象,导致真空泵不能建立负压,不能给整车提供真空助力,因此制动变硬。

3)综合考虑发动机及整车内可能会出现的溶剂,阀芯材料由ACM变更为FVMQ,新材料同时耐机油、汽油、制动液及乙醇,避免由于以上液体使阀芯内发生溶胀,从而导致真空泵失效。

4)通过两种混合溶剂的浸泡试验可以表明,制动液会使ACM材料的阀芯迅速发生溶胀,待有阀芯样件后会再次做浸泡试验验证,同时加做发动机更换下的机油溶剂的浸泡试验,进行设计确认。 

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