HBV真空助力液压增强功能的开发及试验
张建明 辛登岭
上海大众汽车有限公司
【摘要】介绍真空助力液压增强（HBV）功能的作用和工作原理，着重阐述HBV试验设备，功能试验的客观测量及主管评价。
关键词：真空助力 汽油机 发动机 汽车 功能试验
0 引言
新型的汽油发动机采用了新的技术，如燃油直接喷射、涡轮增压、稀薄和分层燃烧等新技术。新技术为减少尾气排放，节气门开度较大，产生的真空度不够，尤其在车辆冷启动时，真空度更为不足，真空助力液压增强（HBV或OHB_V Optimized Hydraulic Brake_Vacuum），能够通过主动在制动系统建立压力补偿，用以弥补由于缺乏真空度造成的制动力损失，帮助驾驶员获得接近高真空度下所产生的制动压力，同时又减轻了发动机负荷，减少了排放。随着ESP装车率的不断增加，原先为弥补真空助力器真空度不足而采用的电子真空泵，可由ESP的HBV这项功能来替代以节约成本。这一功能在空气稀薄的高原地区行驶时特别有帮助。
1 HBV功能作用
HBV是ESP控制器的一项功能，车辆在真空度不足导致在真空助力器有效工作范围以外制动时，制动踏板会变硬。HBV帮助司机在真空助力器的真空度不足和助力器工作范围以外制动时触发ESP泵电机额外提高制动压力以平衡真空度缺乏等引起的制动力不足以及改善踏板舒适性。
HBV功能替代电子真空泵，节约成本每车约300元人民币，在车上的安装位置如图1所示。电子真空泵也能在真空度不足时通过真空泵电机工作提高助力器的真空度，但这样不仅增加硬件成本，而且其工作噪声和踏板舒适性较难保证。而HBV完全是利用ESP控制器现有的硬件条件，通过ESP泵电机的主动建压，提高制动效能，同时改善制动踏板的舒适性。甚至于在助力器完全失效时，制动效能几乎不受影响，远远满足国标要求，大大提高车辆行驶的安全性。
2 HBV工作原理
助力器拐点压力是确定HBV介入工作的关键值。真空度传感器可以读出助力器相对大气压力的真空度PVAC。
如图2，坐标轴右侧曲线为助力器助力曲线，踏板力F对应于主缸压力PTHZ；左侧曲线为助力器拐点压力曲线，真空度PVAC对应于拐点压力PKNEE，不同的真空度对应于不同的拐点压力。真空度传感器采集真空度PVAC后，根据助力器拐点压力曲线得到拐点压力，通过主缸压力传感器得到制动踏板的制动压力，在超过拐点压力后，HBV介入工作。例如，在真空度为36 kPa时，相当于车辆在海拔4 000 m高度的真空度，存在一拐点压力，此时，对于不带HBV功能的车辆，在经过助力器开始段助力曲线到达拐点时，主缸和轮缸的制动力沿着斜率小的实线进行助力，而对于带HBV的车辆，实际轮缸制动力沿着斜率大的虚线进行助力，而这部分助力就是通过ESP泵电机的主动增压来实现的。
HBV工作时，ESP泵电机和液压工作原理如图3所示。由真空度传感器检测助力器状态，当判断出助力器真空度不足，助力器到达拐点压力后，液压单元（HCU）的泵电机工作，制动液通过电磁换向阀和常开阀对轮缸进行制动，降压过程制动液通过常开阀和电磁隔离阀回助力器主缸。
3 功能试验及评价
3.1 试验设备
为了能在上海这样的平原地带做HBV试验，需要对助力器的真空度进行调节。所以选择SMC公司生产的调压阀，如图4所示，其调节范围：1.3～100kPa，精度达到130 Pa，完全能满足助力器真空度调节要求。调压阀连接在发动机真空源和助力器进气管之间，并且在真空度传感器之前，以便真空度传感器读取的是调压后的真空度。连接原理图如图5所示。
数据采集系统（DAS）是大陆汽车ABS/ESP系统的专用测试设备，可以用来采集ESP的测试ECU中的信号、车载CAN网络信号以及外围的模拟通道信号如制动压力等。
踏板力计用来记录制动踏板力。Vbox用来测试制动效能。
3.2 HBV功能试验
试验车辆安装好调压阀、踏板力计、Vbox和DAS测试设备后，就可以进行相应的静态测试和动态测试。
3.2.1 静态试验
发动机启动后车辆停在原地，用调压阀调节助力器的真空度，真空度调节为60～10kPa，每次间隔10kPa，测量踏板力、主缸压力和拐点压力。
图6是某车型在不同的真空度（从10～60kPa）下，踏板力对应的拐点压力。真空度越低，拐点压力越小。在制动踏板上的主观感觉就是，真空度越小，制动踏板越硬，在没有HBV功能下，制动效能就越差。例如，在同样500 N的踏板力下，20 kPa的真空度下，主缸压力只能到达2.4kPa；而60kPa的真空度下，主缸压力可达到6.5 kPa，可见，在没有HBV功能的情况下，在真空助力器真空度不足的情况下，常规的制动力500 N下，所能产生的制动效能将很差。
3.2.2 真空度测量
车辆冷车启动时，为满足排放要求，助力器的真空度会不足，如果没有HBV功能的话，需要更多的制动踏板力，踏板感觉就会很硬。所以，需要测量车辆在冷车启动时的最小真空度。另外车辆在连续制动后，真空度会下降很多，也需要测量此种工况下的最小真空度。而真空度的恢复很重要，所以需要测量在发动机最大转速下迅速收油门时的最大的真空度。这些工况的最小真空度或最大真空度是调节HBV的工作点相关参数的依据。
表1列出了3种试验工况，选择了不同海拔的3个地点：上海，格尔木和昆仑山口。考察不同真空度下的拐点压力和踏板力。在上海10m左右海拔下，助力器的最小真空度都在50kPa以上，助力器能完全满足常规制动所需的踏板力；在格尔木，最小真空度在30kPa左右，主缸拐点压力小于4 MPa，约300 N的踏板力下助力器不再提供助力，所以踏板力较硬，HBV容易介入。在昆仑山口，真空度很低，拐点压力低于2.5 kPa，约200 N的踏板力下助力器不再提供助力，所以踏板很硬，如果没有HBV功能，踏板很难踩下去。所以，在高海拔地带，HBV功能非常必要。
3.2.3 制动效能对比测量
车辆制动初速度在100 km/h时，做如下试验：真空度正常下，全制动；调节真空度到35 kPa，全制动；极端工况，助力器失效，真空度约为0 kPa，全制动参考国标GB21670-2008，但制动力不限于500 N。
分别在HBV功能有和没有的情况下，每个项目试验5次后取有效数据4次做平均值，制动初速度圆整到100 km/h，得出如下试验结果。
从表2和图7中可以看出，在有HBV功能的情况下，在3种不同的真空度下，制动减速度和制动距离相差不大，真空度好的情况制动效能略微好于真空度差的情况，制动踏板力相差不大，制动踏板都容易踩下。在没有HBV功能的情况下，真空度越小，制动效能越差，制动踏板越不容易踩下，踏板感觉越硬。在极端工况助力器失效的情况下，越能看出HBV功能的重要性：没有HBV功能的100km制动距离比有HBV功能的百公里制动距离多了近30m，而且制动踏板很硬。
3.2.4 DAS设备测试
DAS设备通过接入一个主缸压力和4个轮缸压力传感器得到制动过程中的增压情况。图8中，实线表示HBV作用时的轮缸压力，虚线表示没有HBV功能时的轮缸压力，HBV作用时轮缸压力放大比例最大可达4.5倍，这就是为什么在极限工况下，轮缸压力可以迅速建立并进入ABS制动的原因。
如图9，在调压阀调节到200 kPa时进行制动，轮缸压力可达到主缸压力的3倍。
3.2.5 主观评价试验
HBV的主观评价主要在制动踏板力、踏板感觉、HBV介入、制动效能和工作噪声等方面。在格尔木昆仑山高原试验，分别用两台同样配置的试验车做对比试验，一台装备HBV功能，一台装备电子真空泵，其中一台装备HBV功能的试验车分别在开启和关闭HBV功能的情况下试验。试验在昆仑山口下的同一道路进行。试验的主观评价如表3所示。
4 结语
HBV功能作为ESP系统中的一项功能，大大提高了车辆制动安全性和舒适性，尤其在高海拔地带。目前，ESP控制器附加了很多的功能，而HBV功能无疑是非常实用和非常经济的一项。在绿色环保和低碳造车理念下，HBV将得到更多的推广应用。
