雙腔真空助力器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

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雙腔真空助力器及制動(dòng)主缸總成是所有真空助力器及制動(dòng)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(dòng)主缸總成的一般助力特點(diǎn)，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(dòng)機(jī)倉空間，以便于發(fā)動(dòng)機(jī)等其它零件的布置，因而在市場(chǎng)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(dòng)主缸總成也因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件數(shù)量多、內(nèi)部容積大等特點(diǎn)，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(chǎng)普及，人們對(duì)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(diǎn)就是汽車制動(dòng)時(shí)的踏板感覺和安全性。為了進(jìn)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(dòng)安全性，本文對(duì)雙腔真空助力器進(jìn)行了部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高客戶的滿意度。真空助力器產(chǎn)品是汽車制動(dòng)系統(tǒng)中的增力裝置，標(biāo)準(zhǔn)的真空助力器/制動(dòng)主缸總成包含真空助力器、制動(dòng)主缸和儲(chǔ)液罐這三部分，如圖1所示。真空助力器利用發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)踏板上的力進(jìn)行放大；制動(dòng)主缸將放大了的輸入力轉(zhuǎn)化為制動(dòng)液壓輸出；而儲(chǔ)液罐為制動(dòng)系統(tǒng)提供制動(dòng)液，并為系統(tǒng)制動(dòng)液的變化提供補(bǔ)償。這三部分各自分工并相互合作，共同為制動(dòng)系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)力、減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高制動(dòng)的安全可靠性的目標(biāo)努力。本項(xiàng)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(shí)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(shí)候，助力器才能達(dá)到最大的助力性能，所以在制動(dòng)過程中雙腔真空助力器后腔的空氣進(jìn)入時(shí)間是至關(guān)重要的。這段時(shí)間在助力器的基本性能中被稱為助力器的反應(yīng)時(shí)間。反應(yīng)時(shí)間越小，助力器的響應(yīng)時(shí)間越快，在高速行車時(shí)的安全性也越高。但是因?yàn)殡p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(jìn)氣時(shí)間較長(zhǎng)。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(shí)間必須小于0.4s。為了提高雙腔助力器的反應(yīng)時(shí)間，我們從兩個(gè)方面對(duì)助力器進(jìn)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(shí)的后腔容積，我們稱為死容積，這部分容積需要補(bǔ)充額外的空氣，影響進(jìn)氣的時(shí)間。我們計(jì)劃在不改變助力器結(jié)構(gòu)的前提下，通過對(duì)雙腔助力器的皮膜托板及后殼體形狀進(jìn)行優(yōu)化，減小了后腔的死容積。另一方面，我們對(duì)助力器的進(jìn)氣通道進(jìn)行了優(yōu)化，增大進(jìn)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(jìn)入時(shí)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(shí)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(dòng)時(shí)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(jì)

雙腔真空助力器的空行程是制動(dòng)踏板在制動(dòng)過程中的無效行程，其經(jīng)過踏板杠桿的放大后對(duì)制動(dòng)感覺造成了負(fù)面影響，更嚴(yán)重的是其造成了制動(dòng)時(shí)間的延遲，在某些緊急制動(dòng)時(shí)刻增加了制動(dòng)行程，造成了一定的安全隱患。因此為了增強(qiáng)制動(dòng)過程中的踏板感覺，提高制動(dòng)安全性，必須減小雙腔真空助力器的空行程。為了達(dá)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(jìn)行多次分析討論，計(jì)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(dòng)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(shí)，助力器內(nèi)部零件受到大彈簧彈力的作用，整體向右運(yùn)動(dòng)，直到被伸出閥體外部的擋銷阻擋在后殼體上，達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)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(dòng)機(jī)進(jìn)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(yùn)動(dòng)，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(dá)到了另一種平衡狀態(tài)，此時(shí)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(dòng)狀態(tài)。當(dāng)制動(dòng)踏板被踩下的同時(shí)，與踏板剛性相連的助力器空氣閥口也同時(shí)被打開，大量空氣進(jìn)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(dòng)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(dòng)力，改善制動(dòng)時(shí)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(jì)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(jì)造成氣流運(yùn)動(dòng)路徑長(zhǎng)，而且通過多個(gè)凸起的孔，氣流流通阻力增大，從而造成前大氣腔進(jìn)氣效率降低，也增加無用功耗。本設(shè)計(jì)利用隔板和后殼體連接的支撐套筒進(jìn)氣，即支撐套筒又是連接支撐結(jié)構(gòu)件，同時(shí)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(jì)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(jìn)行理論計(jì)算分析，同時(shí)還要進(jìn)行必要的試驗(yàn)，以保證設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

作者：李振 單位：上海汽車制動(dòng)系統(tǒng)有限公司