雙腔真空助力器優(yōu)化設(shè)計研究

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雙腔真空助力器及制動主缸總成是所有真空助力器及制動主缸總成類型中非常重要的一種類型。它不但具有真空助力器及制動主缸總成的一般助力特點，而且能以較小的外形尺寸輸出較大的伺服力，從而節(jié)省出較大的發(fā)動機倉空間，以便于發(fā)動機等其它零件的布置，因而在市場眾多車型中被廣泛使用，占有重要一席。但是雙腔真空助力器及制動主缸總成也因為結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件數(shù)量多、內(nèi)部容積大等特點，導(dǎo)致雙腔助力器的部分性能表現(xiàn)一般。隨著汽車的市場普及，人們對汽車的駕駛性能和安全性能要求也隨之提高，其中比較重要的一點就是汽車制動時的踏板感覺和安全性。為了進一步提高產(chǎn)品的性能表現(xiàn)，以獲得更好的踏板表現(xiàn)和制動安全性，本文對雙腔真空助力器進行了部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以進一步提高客戶的滿意度。真空助力器產(chǎn)品是汽車制動系統(tǒng)中的增力裝置，標(biāo)準(zhǔn)的真空助力器/制動主缸總成包含真空助力器、制動主缸和儲液罐這三部分，如圖1所示。真空助力器利用發(fā)動機或真空泵產(chǎn)生的真空源，通過助力器前后兩腔之間大氣和真空的壓力差將駕駛員施加在制動踏板上的力進行放大；制動主缸將放大了的輸入力轉(zhuǎn)化為制動液壓輸出；而儲液罐為制動系統(tǒng)提供制動液，并為系統(tǒng)制動液的變化提供補償。這三部分各自分工并相互合作，共同為制動系統(tǒng)提供驅(qū)動力、減輕駕駛員的勞動強度和提高制動的安全可靠性的目標(biāo)努力。本項目研究的主要內(nèi)容包括三部分。

雙腔真空助力器的反應(yīng)時間優(yōu)化

根據(jù)助力器的原理來看，只有在助力器的后腔內(nèi)完全充滿空氣的時候，助力器才能達到最大的助力性能，所以在制動過程中雙腔真空助力器后腔的空氣進入時間是至關(guān)重要的。這段時間在助力器的基本性能中被稱為助力器的反應(yīng)時間。反應(yīng)時間越小，助力器的響應(yīng)時間越快，在高速行車時的安全性也越高。但是因為雙腔真空助力器相當(dāng)于2只單腔助力器串聯(lián)而成，其空氣腔的容積比單腔助力器多出一倍，因此需要的進氣時間較長。在國家標(biāo)準(zhǔn)QC/T307中規(guī)定雙腔真空助力器的反應(yīng)時間必須小于0.4s。為了提高雙腔助力器的反應(yīng)時間，我們從兩個方面對助力器進行優(yōu)化。首先，減小助力器后腔的死容積。在助力器處于初始位置時的后腔容積，我們稱為死容積，這部分容積需要補充額外的空氣，影響進氣的時間。我們計劃在不改變助力器結(jié)構(gòu)的前提下，通過對雙腔助力器的皮膜托板及后殼體形狀進行優(yōu)化，減小了后腔的死容積。另一方面，我們對助力器的進氣通道進行了優(yōu)化，增大進氣通道瓶頸部位的橫截面積，這樣可以增加空氣的流量，減小空氣進入時間。經(jīng)過這些相關(guān)的優(yōu)化后，9＋9寸雙腔助力器的反應(yīng)時間提高到了0.25s以內(nèi)，這樣與國家標(biāo)準(zhǔn)相比我們可以為客戶節(jié)約寶貴的0.15s制動時間，避免交通事故的出現(xiàn)。

雙腔真空助力器的零空行程設(shè)計

雙腔真空助力器的空行程是制動踏板在制動過程中的無效行程，其經(jīng)過踏板杠桿的放大后對制動感覺造成了負(fù)面影響，更嚴(yán)重的是其造成了制動時間的延遲，在某些緊急制動時刻增加了制動行程，造成了一定的安全隱患。因此為了增強制動過程中的踏板感覺，提高制動安全性，必須減小雙腔真空助力器的空行程。為了達到減小雙腔真空助力器空行程的目的，我們從雙腔真空助力器的原理出發(fā)，進行多次分析討論，計劃利用助力器內(nèi)部的各種彈簧力和氣壓力之間的平衡關(guān)系，確定了一種最優(yōu)化的方案，使得助力器在預(yù)制動位置已經(jīng)克服了無效行程。我們初步確定的零空行程雙腔真空助力器如圖2。該助力器在沒有工作時，助力器內(nèi)部零件受到大彈簧彈力的作用，整體向右運動，直到被伸出閥體外部的擋銷阻擋在后殼體上，達到平衡狀態(tài)，此時空氣閥口處于打開位置，真空閥口關(guān)閉。在助力器內(nèi)部被發(fā)動機進氣歧管逐漸抽真空的過程中，助力器的前后腔內(nèi)形成一定的壓力差，使得助力器內(nèi)部零件整體向左運動，空氣閥口逐漸關(guān)閉，真空閥口打開。最終助力器內(nèi)部前后腔內(nèi)空氣都被抽出，并達到了另一種平衡狀態(tài)，此時助力器空氣閥口和真空閥口都處于關(guān)閉狀態(tài)，其前后腔內(nèi)存在微弱的壓力差用于克服各種彈簧力，助力器處于預(yù)制動狀態(tài)。當(dāng)制動踏板被踩下的同時，與踏板剛性相連的助力器空氣閥口也同時被打開，大量空氣進入助力器后腔，形成前后腔壓力差，完成助力過程。所以該助力器在制動過程中沒有多余行程，其可以最快地將踏板力轉(zhuǎn)化為制動力，改善制動時的踏板感覺，并提高行車安全性能。

雙腔助力器前腔和后腔空氣流通結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

如圖3所示，原雙腔助力器的前腔和后腔的氣流流通在前腔與后腔流通連接位置，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計造成氣流運動路徑長，而且通過多個凸起的孔，氣流流通阻力增大，從而造成前大氣腔進氣效率降低，也增加無用功耗。本設(shè)計利用隔板和后殼體連接的支撐套筒進氣，即支撐套筒又是連接支撐結(jié)構(gòu)件，同時又集成了前腔與后腔氣流通道結(jié)構(gòu)，圖4為支撐套筒內(nèi)的氣流從后腔流入前腔示意圖。所以，支撐套筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵問題，且與套筒體積小、占空間小、重量輕、結(jié)構(gòu)、材料等都密切相關(guān)。除了進行理論計算分析，同時還要進行必要的試驗，以保證設(shè)計滿足設(shè)計要求。

作者：李振 單位：上海汽車制動系統(tǒng)有限公司