汽車液壓制動主缸的發(fā)展演變過程及其結(jié)構(gòu)特點

1、 收稿日期:20120502作者簡介:彭建成(1972,男,浙江杭州人,工程師,主要從事制動系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)工作。E-mail :ytpjc 。汽車液壓制動主缸的發(fā)展演變過程及其結(jié)構(gòu)特點彭建成(浙江亞太機(jī)電股份有限公司,浙江杭州311203摘要:汽車液壓制動系統(tǒng)的心臟制動主缸從出現(xiàn)至今,隨著高速公路路網(wǎng)的不斷擴(kuò)展、汽車車速的不斷提高以及車流密度的增大、安全法規(guī)對制動系統(tǒng)的工作可靠性要求的日益提高,其結(jié)構(gòu)在不斷地改進(jìn),新的結(jié)構(gòu)形式不斷地出現(xiàn)。在其不斷更新的過程中產(chǎn)生了眾多的主缸結(jié)構(gòu)形式,經(jīng)過實踐使用驗證和市場選擇,陸續(xù)出現(xiàn)了一些典型的結(jié)構(gòu)形式。有必要對其典型結(jié)構(gòu)作一些分析介紹,為制動主缸的設(shè)計

2、開發(fā)提供經(jīng)驗數(shù)據(jù),防止在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)上走回頭路,為產(chǎn)品的研發(fā)制造提供較為詳盡的參考資料。關(guān)鍵詞:汽車液壓制動主缸;結(jié)構(gòu)特點;工作原理;制造要點The Development and Structure of Automobile Hydraulic Braking Master CylinderPENG Jiancheng(Zhejiang Asia-Pacific Mechanical Electronic Co,Ltd,Hangzhou Zhejiang 311203,China Abstract :Up to this day ,as the continual expansion of

3、 the expressway network ,the increase of vehicle /s velocity as well as traffic stream density ,and the increasing advance of the reliability requirement of the security law to brake system ,brake master cylinder which is the heart of the automobile hydraulic brake system ,its new structure styles a

4、re appeared without intermissionDuring the process of continual renovation ,the brake master cylinder come out many structure stylesSome typical structure styles come out successively through practice use verification and market selectionThere is necessary for doing some analyses of the typical stru

5、cture in order to provide empirical date to the exploitation of the brake master cylinder ,and prevent the repetition on design and exploitation of the productElaborate reference information is provided for the product designers and manufacturersKeywords :Automobile hydraulic braking master cylinder

6、 ;Structural features ;Work principle ;Key point of the manufacture0引言自從德國人卡爾·本茨在1885年研制成功第一輛單缸三輪汽車開始,汽車已經(jīng)伴隨著人類社會的發(fā)展經(jīng)歷了120多年的時間1。制動系統(tǒng)作為汽車的關(guān)鍵安全系統(tǒng),一直伴隨著汽車的發(fā)展進(jìn)步在不斷地更新發(fā)展,作為液壓制動系統(tǒng)工作能量的輸出心臟,汽車液壓制動主缸也在不斷地發(fā)展改進(jìn)2。圖1是液壓制動主缸在整車上的位置,它的發(fā)展變化主要經(jīng)歷了單管路制動主缸、帶殘余壓力閥制動主缸、雙腔制動主缸和汽車防抱死系統(tǒng)ABS 用制動主缸的發(fā)展過程,其每個階段又有針對不同使用要求而

7、開發(fā)的不同結(jié)構(gòu)形式。文中即對各種液壓制動主缸的發(fā)展過程、結(jié)構(gòu)形式、工作原理及其制造要點進(jìn)行分析說明 。圖1汽車中的液壓制動主缸1 早期制動主缸圖2單腔制動主缸系統(tǒng)布置圖該類主缸屬于最初期的結(jié)構(gòu)形式,在中國應(yīng)用于汽車工業(yè)的首批汽車,它主要分為單腔和雙腔兩種結(jié)構(gòu),單腔分為普通型和帶殘余壓力閥型。圖2為該類主缸的系統(tǒng)布置圖。 雙腔分為普通型、緊湊型和帶比例閥功能主缸。圖3為該類主缸的系統(tǒng)布置圖,圖4為該類主缸的典型結(jié)構(gòu),圖5為帶比例閥功能主缸的典型局部結(jié)構(gòu)。 圖3雙腔制動主缸系統(tǒng)布置圖 圖4串列雙腔制動主缸早期類型主缸目前均已逐步被淘汰,文中僅對帶比例閥功能的主缸作簡單說明。比例閥功能主缸是為滿足汽

8、車在制動時對前后輪制動力的比例分配要求3,提高其制動效能,充分利用地面和汽車輪胎的摩擦力(附著力而設(shè)計出來的,能對后輪的輸入、輸出液壓按圖6輸出4。圖5帶比例閥的主缸出油口結(jié)構(gòu)圖6帶比例閥功能主缸后輪輸入、輸出液壓曲線2柱塞式雙腔制動主缸2.1柱塞式主缸簡述柱塞式主缸分為普通柱塞式主缸、短型柱塞式主缸(圖7和缸體結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的主缸(圖8。文中僅對短型柱塞式主缸和缸體結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的主缸作介紹。 圖7短型柱塞制動主缸剖視圖 圖8缸體結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的柱塞主缸三維剖圖2.2結(jié)構(gòu)特點補償孔在活塞上的柱塞式雙腔制動主缸(以下簡稱柱塞式主缸是為解決有些汽車布置空間狹小,無法安裝傳統(tǒng)制動主缸的車型而設(shè)計的,它具有結(jié)構(gòu)

9、緊湊、短小精悍的特點,它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就如同電視機(jī)的天線,零件相互套在一起,所以可像天線一樣伸縮自如,有效地節(jié)約了產(chǎn)品的軸向空間,它的長度只有傳統(tǒng)主缸的一半左右。同時它又可以滿足汽車安裝ABS (防抱死制動系統(tǒng)和ESP(電子穩(wěn)定系統(tǒng)的要求。具有傳統(tǒng)主缸無法比擬的優(yōu)點,但由于這種主缸加工比較困難,工藝難度較大,所以目前應(yīng)用范圍不大,國內(nèi)目前在做該主缸的公司寥寥無幾。不過通過近一二年的努力,該結(jié)構(gòu)主缸通過不斷地結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝改進(jìn),已經(jīng)越來越顯露出取代所有其他結(jié)構(gòu)主缸的趨勢,成為所有汽車的首選結(jié)構(gòu)。2.3工作原理如圖7所示,在原始狀態(tài),制動液通過供液腔、補償孔進(jìn)入制動腔,工作時推動活塞左移,當(dāng)補償孔通過

10、主皮碗時,制動腔開始建壓,制動液由出油口泵入制動管路內(nèi)。2.4與傳統(tǒng)主缸的區(qū)別(1軸向安裝長度短如圖8所示,由于其內(nèi)部零件均相互套在一起,所以總成長度可以做得很短,長度只有傳統(tǒng)主缸的一半左右。(2柱塞式主缸可直接配ABS使用由于ABS工作時需將減壓過程中排出的制動液重新泵入制動主缸5,傳統(tǒng)制動主缸活塞由于主缸內(nèi)液壓的變化反復(fù)往返運動,特別是在低附著系數(shù)路面制動時,主皮碗運動區(qū)域離補償孔很近,甚至于在補償孔處往復(fù)運動,當(dāng)主皮碗處于補償孔位置時,制動腔的高壓將皮碗擠入補償孔內(nèi),高壓脈動極易破壞傳統(tǒng)主缸主皮碗,造成制動失效。而柱塞式主缸由于將補償孔布置到了活塞上,所以活塞在運動過程中補償孔經(jīng)過主皮碗

11、時,其兩側(cè)的壓力是相同的(圖9,從而杜絕了主皮碗的這一破壞形式,其推廣使用將大大提高汽車制動系統(tǒng)的使用壽命,同時滿足ABS對制動主缸的要求,令汽車行駛更加安全可靠 。圖9主皮碗過補償孔對比(3可以滿足ESP(電子穩(wěn)定系統(tǒng)對制動主缸大流量的要求由于ESP工作時需要主缸瞬間提供大流量的制動液用于主動制動6,而柱塞式主缸在活塞上可以布置大量的補償孔(圖8,所以能夠輕易地滿足該要求,而普通補償孔式和中心閥式制動主缸無法大量布置油道,所以目前采用ESP的汽車的趨勢為采用柱塞式主缸。2.5柱塞式主缸的制造要點生產(chǎn)這類主缸的關(guān)鍵控制點是必須在保證主皮碗與活塞的密封性的前提下,還需要保證制動液可以通過主皮碗補

12、入制動腔內(nèi),同時制造時須控制缸孔、滑套和活塞的尺寸、形位公差,防止活塞運動時卡死。3中心閥式雙腔制動主缸該類主缸主要是為了配合汽車ABS使用而研制開發(fā),其制動系統(tǒng)布置方式如圖107所示,主要用于帶防抱死系統(tǒng)ABS的汽車使用。 圖10中心閥式雙腔制動主缸系統(tǒng)布置圖3.1結(jié)構(gòu)特點中心閥式制動主缸是為解決原制動主缸密封主皮碗易于破壞、壽命相對較短這一缺點而開發(fā)設(shè)計,特別是裝有ABS (防抱死制動系統(tǒng)的高檔汽車,由于ABS 工作時需將減壓過程中排出的制動液重新泵入制動主缸,制動主缸活塞由于主缸內(nèi)液壓的變化反復(fù)往返運動,特別是在低附著系數(shù)路面制動時,主皮碗運動區(qū)域離補償孔很近,甚至于在補償孔處往復(fù)運動,

13、高壓脈動極易破壞制動主缸主皮碗,造成制動失效。而該產(chǎn)品由于取消補償孔而采用了中心閥結(jié)構(gòu),所以杜絕了主皮碗的這一破壞形式,其推廣使用將大大提高汽車制動系統(tǒng)的使用壽命,滿足ABS 對制動主缸的要求,令汽車行駛更加安全可靠。3.2與原制動主缸的區(qū)別中心閥式制動主缸與原制動主缸的區(qū)別在于中心閥式制動主缸有中心閥,無補償孔;而原制動主缸有補償孔,無中心閥。原制動主缸工作時主皮碗在補償孔附近反復(fù)往返運動,主皮碗容易被割傷破壞,特別是裝有ABS 的高檔汽車,由于ABS工作時需將減壓過程中排出的制動液重新泵入制動主缸,制動主缸活塞由于主缸內(nèi)液壓的變化反復(fù)往返運動,特別是在低附著系數(shù)路面制動時,主皮碗運動區(qū)域離

14、補償孔很近,高壓脈動極易破壞制動主缸主皮碗,造成制動失效。而該產(chǎn)品由于取消補償孔而采用了中心閥結(jié)構(gòu)(圖11,主皮碗的反復(fù)往返運動將不必通過補償孔,而是在光滑的缸孔內(nèi)運動,所以將大大提高主缸使用壽命 。圖11短型中心閥式制動主缸3.3工作原理如圖12所示,在原始狀態(tài),制動液通過供液腔、中心閥孔進(jìn)入制動腔,工作時推動活塞左移,當(dāng)中心閥關(guān)閉時,制動腔開始建壓,制動液由出油口泵入制動管路內(nèi)。 圖12短型中心閥式制動主缸3.4中心閥式主缸的制造要點該類主缸在制造時在滿足串列雙腔制動主缸制造要點的同時,還需特別注意控制中心閥總成和活塞閥密封面的尺寸、形位公差,防止中心閥低壓0.02MPa 以下的泄漏,并且

15、須保證中心閥在裝配后能運動自如無卡阻。中心閥的密封性對清潔度偏差很敏感,主缸內(nèi)部清潔度應(yīng)符合表1規(guī)定,才能確保中心閥的密封性能。表1兩種結(jié)構(gòu)型式下的清潔度缸徑/mm25.425.4d 3535單管路主缸雜質(zhì)/mg 3510雙腔制動主缸雜質(zhì)/mg51020總成內(nèi)部雜質(zhì):金屬不大于總雜質(zhì)的50%,顆粒不大于70m ;非金屬不大于總雜質(zhì)的50%,顆粒不大于600m 。中心閥預(yù)壓彈簧的預(yù)緊力F 除以中心閥的密封面積即中心閥被反向打開油壓的壓強,推薦小于0.03MPa ,以利于加快制動液補償,提高主缸的回位速度,同時能提高人工加注制動液的速度。4總結(jié)根據(jù)以上介紹的制動主缸的主要類型,不難發(fā)現(xiàn)主缸的發(fā)展演

16、變主要按以下方式進(jìn)行:(1整車制動安全對主缸要求的不斷提高而作的改進(jìn),包括安全性、可靠性以及其余制動原件的設(shè)計改進(jìn)而對主缸所提出的新要求。(下轉(zhuǎn)第92頁 計算機(jī)控制系統(tǒng)通過交流電動機(jī)驅(qū)動器對交流電動機(jī)的控 制使其能夠根據(jù)車輛速度和加速度的變化，為測功機(jī)系統(tǒng)提供 與車速和加速度相應(yīng)的車輛道路行駛阻力。 控制系統(tǒng)按前饋控制反饋補償理論，基于如下道路載荷計 算公式，計算道路載荷進(jìn)行控制 dv + W·D F = A + B · v + C · v2 + dt 其中： A 為常阻力系數(shù)； B 為可變阻力系數(shù)； C 為空氣阻力系數(shù)； D 為道路坡度系數(shù)； v 為車輛速度；

17、dv 為車輛加速度； dt W 為車重。 除了加速通過的距離與時間，從底盤測控系統(tǒng)還可以讀取 此過程中的速度及加速度的變化曲線。 通過研究其變化曲線， 可計算出其最佳動力性換擋點。 文中在此不進(jìn)行深入探討，僅 通過計算對試驗結(jié)果進(jìn)行驗證。 4 結(jié)論 作為評價汽車動力加速性能的重要指標(biāo)，汽車原地加速時 間具有不可或缺的參考價值。所限于我國高速公路路況及測試 場地稀少，汽車加速性能試驗路面測試所費不菲，需大量試驗 數(shù)據(jù)才能得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。 文中試圖以底盤測控系統(tǒng)上進(jìn)行汽車加速性能試驗，規(guī)避 路面測試風(fēng)險，在缺乏路面測試條件的情況下提供一種可參考 的試驗方法，并對其方法進(jìn)行試驗驗證及實例計算，得出可能

18、 存在的誤差及其試驗中實際存在的問題，并評判了此方法與路 面測試優(yōu)化對比。 參考文獻(xiàn)： 【1 】 韓越， http： / / 剛 憲 約 汽 車 加 速 性 能 模 擬 計 算 方 法 OL wenku. baidu. com / view / c7ad4c0bbb68a98271fefa56. html 【2 】 日本自動車技術(shù)會 汽車工程手冊 6 ： 動力傳動系統(tǒng)試驗評價篇 M 中國汽車工程學(xué)會， 組譯 北京： 北京理工大學(xué)出版社， 2010 【3 】 GB 18352. 3 2005 輕型汽車污染物排放限值及測量方法 （ 中國 S 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2005 、 階段） 【4 】

19、 GB / T 125432009 汽車加速性能試驗方法S 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn) 2010 出版社， 3. 1 時速 100 km 功率驗證 根據(jù)底盤測控系統(tǒng)所記錄數(shù)據(jù)，可以對其功率及力進(jìn)行 驗證： F 牽 = F 電 + a·M P 牽 = F 牽 ·v P 電 = F 電 ·v 將表 2 第一行中 所 記 錄 的 電機(jī) 力、 牽 引 力、 加 速度、 速 度、電機(jī)功率、牽引功率代入公式中： F 牽 = 4. 75 / 3. 6 ·1 590 + 895. 4 F 牽 = 2 827 N P 牽 = F 牽 ·v P 牽 = 2 727 

20、3;97. 3 / 3. 6 P 牽 = 73 kW 計算結(jié)果與實際測量結(jié)果相差 200 N，功率誤差 3 kW，存 在誤差值。 （ 上接第 88 頁） （ 2 ） 主缸自身的質(zhì)量改進(jìn)，使之不斷朝性能更優(yōu)、 成本更 低、外形更小等要求發(fā)展。 （ 3 ） 隨著汽車 ABS （ 防抱死制動系統(tǒng)） 的不斷普及，以 及對制動系統(tǒng)性能、壽命穩(wěn)定性要求的不斷提高，預(yù)計中心閥 式制動主缸和超短型主缸將得到普及，極有可能會代替所有類 型的制動主缸而成為制動主缸的主導(dǎo)產(chǎn)品。 （ 4 ） 隨著汽車 ESP （ 電子穩(wěn)定系統(tǒng)） 的不斷推廣，對汽車 快速主動制動要求，柱塞式制動主缸成為汽車制動的所選主缸 結(jié)構(gòu)。 （ 5 ） 隨著電子駐車系統(tǒng) EPB （ Electrical Park Brake ） 及其 他電控系統(tǒng)的不斷普及，在制動主缸上增加活塞位置傳感器的 結(jié)構(gòu)也已經(jīng)有了少量的使用。 3. 2 400 m 加速距離驗證 參考文獻(xiàn)： 【1 】 汽車百科全書編纂委員會 汽車百科全書 M 北京