汽車液壓制動(dòng)主缸的發(fā)展演變過程及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

彭建成

(浙江亞太機(jī)電股份有限公司，浙江 杭州 311203)

0 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(shí)間［1］。制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)工作能量的輸出心臟，汽車液壓制動(dòng)主缸也在不斷地發(fā)展改進(jìn)［2］。

圖1是液壓制動(dòng)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(dòng)主缸、帶殘余壓力閥制動(dòng)主缸、雙腔制動(dòng)主缸和汽車防抱死系統(tǒng)ABS用制動(dòng)主缸的發(fā)展過程，其每個(gè)階段又有針對不同使用要求而開發(fā)的不同結(jié)構(gòu)形式。文中即對各種液壓制動(dòng)主缸的發(fā)展過程、結(jié)構(gòu)形式、工作原理及其制造要點(diǎn)進(jìn)行分析說明。

1 早期制動(dòng)主缸

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)。

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車在制動(dòng)時(shí)對前后輪制動(dòng)力的比例分配要求［3］，提高其制動(dòng)效能，充分利用地面和汽車輪胎的摩擦力(附著力)而設(shè)計(jì)出來的，能對后輪的輸入、輸出液壓按圖6輸出［4］。

2 柱塞式雙腔制動(dòng)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。

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

補(bǔ)償孔在活塞上的柱塞式雙腔制動(dòng)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(dòng)主缸的車型而設(shè)計(jì)的，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、短小精悍的特點(diǎn)，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(shí)它又可以滿足汽車安裝ABS(防抱死制動(dòng)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(diǎn)，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(dòng)液通過供液腔、補(bǔ)償孔進(jìn)入制動(dòng)腔，工作時(shí)推動(dòng)活塞左移，當(dāng)補(bǔ)償孔通過主皮碗時(shí)，制動(dòng)腔開始建壓，制動(dòng)液由出油口泵入制動(dòng)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(shí)需將減壓過程中排出的制動(dòng)液重新泵入制動(dòng)主缸［5］，傳統(tǒng)制動(dòng)主缸活塞由于主缸內(nèi)液壓的變化反復(fù)往返運(yùn)動(dòng)，特別是在低附著系數(shù)路面制動(dòng)時(shí)，主皮碗運(yùn)動(dòng)區(qū)域離補(bǔ)償孔很近，甚至于在補(bǔ)償孔處往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)主皮碗處于補(bǔ)償孔位置時(shí)，制動(dòng)腔的高壓將皮碗擠入補(bǔ)償孔內(nèi)，高壓脈動(dòng)極易破壞傳統(tǒng)主缸主皮碗，造成制動(dòng)失效。而柱塞式主缸由于將補(bǔ)償孔布置到了活塞上，所以活塞在運(yùn)動(dòng)過程中補(bǔ)償孔經(jīng)過主皮碗時(shí)，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(dòng)系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)滿足ABS對制動(dòng)主缸的要求，令汽車行駛更加安全可靠。

(3)可以滿足ESP(電子穩(wěn)定系統(tǒng))對制動(dòng)主缸大流量的要求

由于ESP工作時(shí)需要主缸瞬間提供大流量的制動(dòng)液用于主動(dòng)制動(dòng)［6］，而柱塞式主缸在活塞上可以布置大量的補(bǔ)償孔(圖8)，所以能夠輕易地滿足該要求，而普通補(bǔ)償孔式和中心閥式制動(dòng)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(diǎn)

生產(chǎn)這類主缸的關(guān)鍵控制點(diǎn)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(dòng)液可以通過主皮碗補(bǔ)入制動(dòng)腔內(nèi)，同時(shí)制造時(shí)須控制缸孔、滑套和活塞的尺寸、形位公差，防止活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)卡死。

3 中心閥式雙腔制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)布置方式如圖10［7］所示，主要用于帶防抱死系統(tǒng)ABS的汽車使用。

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

中心閥式制動(dòng)主缸是為解決原制動(dòng)主缸密封主皮碗易于破壞、壽命相對較短這一缺點(diǎn)而開發(fā)設(shè)計(jì)，特別是裝有ABS(防抱死制動(dòng)系統(tǒng))的高檔汽車，由于ABS工作時(shí)需將減壓過程中排出的制動(dòng)液重新泵入制動(dòng)主缸，制動(dòng)主缸活塞由于主缸內(nèi)液壓的變化反復(fù)往返運(yùn)動(dòng)，特別是在低附著系數(shù)路面制動(dòng)時(shí)，主皮碗運(yùn)動(dòng)區(qū)域離補(bǔ)償孔很近，甚至于在補(bǔ)償孔處往復(fù)運(yùn)動(dòng)，高壓脈動(dòng)極易破壞制動(dòng)主缸主皮碗，造成制動(dòng)失效。而該產(chǎn)品由于取消補(bǔ)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(dòng)系統(tǒng)的使用壽命，滿足ABS對制動(dòng)主缸的要求，令汽車行駛更加安全可靠。

3.2 與原制動(dòng)主缸的區(qū)別

中心閥式制動(dòng)主缸與原制動(dòng)主缸的區(qū)別在于中心閥式制動(dòng)主缸有中心閥，無補(bǔ)償孔;而原制動(dòng)主缸有補(bǔ)償孔，無中心閥。原制動(dòng)主缸工作時(shí)主皮碗在補(bǔ)償孔附近反復(fù)往返運(yùn)動(dòng)，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(shí)需將減壓過程中排出的制動(dòng)液重新泵入制動(dòng)主缸，制動(dòng)主缸活塞由于主缸內(nèi)液壓的變化反復(fù)往返運(yùn)動(dòng)，特別是在低附著系數(shù)路面制動(dòng)時(shí)，主皮碗運(yùn)動(dòng)區(qū)域離補(bǔ)償孔很近，高壓脈動(dòng)極易破壞制動(dòng)主缸主皮碗，造成制動(dòng)失效。而該產(chǎn)品由于取消補(bǔ)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(yùn)動(dòng)將不必通過補(bǔ)償孔，而是在光滑的缸孔內(nèi)運(yùn)動(dòng)，所以將大大提高主缸使用壽命。

3.3 工作原理

如圖12所示，在原始狀態(tài)，制動(dòng)液通過供液腔、中心閥孔進(jìn)入制動(dòng)腔，工作時(shí)推動(dòng)活塞左移，當(dāng)中心閥關(guān)閉時(shí)，制動(dòng)腔開始建壓，制動(dòng)液由出油口泵入制動(dòng)管路內(nèi)。

3.4 中心閥式主缸的制造要點(diǎn)

該類主缸在制造時(shí)在滿足串列雙腔制動(dòng)主缸制造要點(diǎn)的同時(shí)，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0.02 MPa以下的泄漏，并且須保證中心閥在裝配后能運(yùn)動(dòng)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

總成內(nèi)部雜質(zhì):金屬不大于總雜質(zhì)的50%，顆粒不大于70 μm;

非金屬不大于總雜質(zhì)的50%，顆粒不大于600 μm。

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(qiáng)，推薦小于0.03 MPa，以利于加快制動(dòng)液補(bǔ)償，提高主缸的回位速度，同時(shí)能提高人工加注制動(dòng)液的速度。

4 總結(jié)

根據(jù)以上介紹的制動(dòng)主缸的主要類型，不難發(fā)現(xiàn)主缸的發(fā)展演變主要按以下方式進(jìn)行:

(1)整車制動(dòng)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(dòng)原件的設(shè)計(jì)改進(jìn)而對主缸所提出的新要求。

(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(dòng)系統(tǒng))的不斷普及，以及對制動(dòng)系統(tǒng)性能、壽命穩(wěn)定性要求的不斷提高，預(yù)計(jì)中心閥式制動(dòng)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(dòng)主缸而成為制動(dòng)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(dòng)制動(dòng)要求，柱塞式制動(dòng)主缸成為汽車制動(dòng)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(dòng)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。

【1】汽車百科全書編纂委員會．汽車百科全書［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992．

【2】QC/T 311-2008汽車液壓制動(dòng)主缸性能要求及臺架測試方法［S］．北京:中國計(jì)劃出版社，2008．

【3】GB12676-1999汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005．

【4】劉惟信．汽車制動(dòng)系的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)計(jì)算［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2004．

【5】張?jiān)ツ希嚪辣老到y(tǒng)(ABS)結(jié)構(gòu)原理與維修［M］．北京:中國物資出版社，1996．

【6】馮淵．汽車電子控制技術(shù)［M］．2版．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

【7】陳家瑞．汽車構(gòu)造(下冊)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001．