一種新型制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

A new structure of brake light switch

宋曉峰，張世強(qiáng)，楊圣文，李　敬，楊歡歡

（吉林東光奧威汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)有限公司研發(fā)中心，長(zhǎng)春 130012）

SONG Xiao-feng,　ZHANG Shi-qiang,　YANG Sheng-wen,　LI Jing,　YANG Huan-huan

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一種新型制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

A new structure of brake light switch

宋曉峰，張世強(qiáng)，楊圣文，李敬，楊歡歡

（吉林東光奧威汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)有限公司研發(fā)中心，長(zhǎng)春 130012）

SONG Xiao-feng,ZHANG Shi-qiang,YANG Sheng-wen,LI Jing,YANG Huan-huan

摘要：為了打破傳統(tǒng)的制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，滿足一汽大眾主機(jī)廠的要求，提出了一種安裝在柱塞式制動(dòng)主缸上的制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。對(duì)該制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了介紹，采用尺寸鏈的方法對(duì)其制動(dòng)報(bào)警區(qū)間進(jìn)行了理論計(jì)算，并根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果制作了產(chǎn)品樣件，利用現(xiàn)有的制動(dòng)主缸綜合性能試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其制動(dòng)報(bào)警區(qū)間進(jìn)行了檢測(cè)，得到了該制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的報(bào)警區(qū)間為1.64mm～2.34mm，該結(jié)果與理論計(jì)算得到的結(jié)果較符合，誤差在1.5%以?xún)?nèi)，也處于主機(jī)廠要求的中間范圍，從而驗(yàn)證了理論計(jì)算的合理性及該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)；霍爾傳感器；制動(dòng)報(bào)警區(qū)間；柱塞式制動(dòng)主缸；尺寸鏈

0　引言

制動(dòng)信號(hào)裝置主要由制動(dòng)信號(hào)燈和制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)組成。制動(dòng)信號(hào)燈是安裝在汽車(chē)后部，在駕駛員剎車(chē)時(shí)即發(fā)亮，以提醒后車(chē)駕駛員注意。傳統(tǒng)的制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)裝在汽車(chē)制動(dòng)回路中，根據(jù)制動(dòng)能源的不同，可以是液壓式或氣壓式的，兩種結(jié)構(gòu)的原理相似。液壓式制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，液壓管路中的壓力增加，迫使膜片上拱，將開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)接通，使信號(hào)燈發(fā)亮[1]。該制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)安裝在液壓制動(dòng)總泵前端或氣壓控制制動(dòng)閥下方，根據(jù)壓力變化情況實(shí)現(xiàn)制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)的接通和斷開(kāi)[2]。該裝置的缺點(diǎn)是易損壞、易發(fā)生報(bào)警滯后、報(bào)警斷開(kāi)和常報(bào)警的情況，并且報(bào)警范圍不好控制。

隨著市場(chǎng)需求的不斷增加，人們對(duì)制動(dòng)報(bào)警裝置有了更高的要求，為了能更準(zhǔn)確的判斷汽車(chē)發(fā)生制動(dòng)，對(duì)汽車(chē)發(fā)生制動(dòng)的位置進(jìn)行控制，并根據(jù)汽大眾主機(jī)廠的要求，本文在普通的柱塞式制動(dòng)主缸的基礎(chǔ)上，提出了種新的安裝在該制動(dòng)主缸上的制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)的接觸式結(jié)構(gòu)，具有安裝方便、體積小、使用壽命長(zhǎng)、控制準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。本文將對(duì)該制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并采用尺寸鏈的方法對(duì)該制動(dòng)信號(hào)燈的報(bào)警區(qū)間進(jìn)行了理論計(jì)算，最后根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)論制作了產(chǎn)品樣件，在現(xiàn)有的制動(dòng)主缸綜合性能試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)該樣件進(jìn)行制動(dòng)報(bào)警范圍試驗(yàn)，驗(yàn)證該方案的可行性。

圖1　液壓式制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)

圖2　普通柱塞式制動(dòng)主缸總成結(jié)構(gòu)示意圖

1　制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)及原理

1.1普通柱塞式制動(dòng)主缸總成結(jié)構(gòu)及原理

普通柱塞式制動(dòng)主缸總成結(jié)構(gòu)如圖2所示，共有8個(gè)零部件組成[3]。其中主皮碗7、副皮碗4和兩個(gè)連接套3是起密封作用的，同時(shí)兩個(gè)主皮碗和兩個(gè)副皮碗把整個(gè)制動(dòng)主缸分為四個(gè)工作腔，分別是第常壓腔、第制動(dòng)腔、第二常壓腔和第二制動(dòng)腔。常壓腔始終與貯液罐相通，內(nèi)部液壓與罐中液壓相同，我們簡(jiǎn)單視為零；制動(dòng)腔通過(guò)出油孔與制動(dòng)油管相連，其中液壓隨輸入力和行程變化而變化。第活塞8和第二活塞5是制動(dòng)主缸中很關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)部件，通過(guò)他們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將制動(dòng)主缸分為非工作狀態(tài)和工作狀態(tài)。非工作狀態(tài)時(shí)他們沒(méi)有產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，主缸內(nèi)部各處液壓相等，整車(chē)處于正常行駛狀態(tài)或閑置狀態(tài)；工作狀態(tài)時(shí)，即整車(chē)開(kāi)始制動(dòng)，汽車(chē)踏板通過(guò)助力器將力作用在第活塞8上，活塞前移，活塞上的小孔通過(guò)皮碗，從而使常壓腔與制動(dòng)腔斷開(kāi)，常壓腔中壓力不變?nèi)耘c貯液罐中壓力相同，為常壓，而制動(dòng)腔則成為獨(dú)立的封閉腔，因液體是不可壓縮的，受活塞上作用力作用而產(chǎn)生液壓，液壓通過(guò)出油口及制動(dòng)管路傳遞給制動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)制動(dòng)。解除制動(dòng)時(shí)，助力器作用在活塞上的力撤消，主缸中兩個(gè)活塞分別在第彈簧部件6和第二彈簧部件2中的彈簧的作用下迅速回位，制動(dòng)腔與常壓腔又通過(guò)活塞小孔相連，因制動(dòng)腔存在瞬時(shí)真空，制動(dòng)液部分通過(guò)活塞小孔補(bǔ)償?shù)街苿?dòng)腔。待到制動(dòng)液完全返回到制動(dòng)腔時(shí)，多余的制動(dòng)液又通過(guò)進(jìn)油孔回到貯液罐中，等待下次制動(dòng)[4]。

圖3　磁鐵安裝位置示意圖

1.2制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)及原理

本文中的制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)是在上述柱塞式制動(dòng)主缸的基礎(chǔ)之上提出的，該裝置主要有以下兩部分組成：是安裝在主缸體內(nèi)部第、二活塞之間的磁鐵部分，其具體結(jié)構(gòu)和安裝示意圖如圖3所示；二是安裝在主缸體外表面上的霍爾傳感器部分，其具體結(jié)構(gòu)和安裝示意圖如圖4所示。由圖3可見(jiàn)，它是在普通的柱塞式主缸的基礎(chǔ)之上添加了兩個(gè)擋圈9、11和個(gè)磁鐵10。由于磁鐵材料具有定的脆性，單獨(dú)使用時(shí)很容易因受到撞擊而碎裂，所以磁鐵兩邊分別安裝了個(gè)擋圈，擋圈的材料是用鋼板制成的，他們既起到保護(hù)磁鐵的作用，還起到傳導(dǎo)磁性的作用。磁鐵主要安裝在第二活塞的尾部，通過(guò)第彈簧部件中的彈簧限位座頂住擋圈，從而限制住磁鐵和擋圈的軸向竄動(dòng)。從而不至于在第、二活塞之間運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生異響。從徑向的角度考慮，擋圈和磁鐵的最大外徑均設(shè)計(jì)成小于第二活塞的外徑及主、副皮碗的內(nèi)徑，保證在全行程的狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生由于擋圈和磁鐵與皮碗接觸而造成對(duì)皮碗的磨損或刮傷，從而延長(zhǎng)皮碗的使用壽命。由圖4可知，霍爾傳感器13是通過(guò)鎖緊蓋12和螺釘14固定在主缸體外表面上的。該安裝霍爾傳感器的外表面是在保證裝車(chē)不干涉的情況下在主缸體外表面上加工的平面。當(dāng)?shù)诨钊蚯斑\(yùn)動(dòng)時(shí)，第彈簧部件產(chǎn)生壓縮并向前移動(dòng)，磁鐵便隨著第彈簧部件及第二活塞起向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到定距離時(shí)，就會(huì)與安裝在主缸上的霍爾傳感器接通，產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而通過(guò)霍爾傳感器輸出信號(hào)使制動(dòng)信號(hào)燈發(fā)亮。該制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的核心元件就是霍爾傳感器?；魻杺鞲衅魇欠N磁電轉(zhuǎn)換器件，是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制成，它可以方便的把磁輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件，是種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用，符合本結(jié)構(gòu)的要求，所以本結(jié)構(gòu)中采用霍爾元件，它具有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、安裝方便、耐震動(dòng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。它主要有霍爾片、引線和殼體組成。霍爾片是塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)線，兩根加激勵(lì)電壓或電流，稱(chēng)為激勵(lì)電極；另兩根為霍爾引出線，稱(chēng)為霍爾電極。殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成。由霍爾效應(yīng)得到的霍爾電勢(shì)公式U=K·I·B/d（其中K為霍爾系數(shù)，I為薄片中通過(guò)的電流，B為外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，d是薄片的厚度）可知，在定的工作電流的情況下，霍爾效應(yīng)的靈敏度高低與外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的關(guān)系。

圖4　霍爾傳感器安裝位置示意圖

2　計(jì)算制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)的制動(dòng)報(bào)警區(qū)間

計(jì)算封閉環(huán)公差通常有兩種方法，極值法和統(tǒng)計(jì)法。當(dāng)組成環(huán)的環(huán)數(shù)較少時(shí)，以極值法的算法為準(zhǔn)。極值法計(jì)算尺寸鏈?zhǔn)且员ＷC完全互換為基本出發(fā)點(diǎn)，而不考慮各環(huán)實(shí)際尺寸分布特性的影響。通常是由各組成環(huán)的極限尺寸計(jì)算出封閉環(huán)的極限尺寸，從而求得封閉環(huán)的公差。

根據(jù)尺寸鏈的概念，結(jié)合本結(jié)構(gòu)中的實(shí)際情況組成封閉環(huán)，由于組成環(huán)的環(huán)數(shù)較少，所以采用極值法計(jì)算，按照理論計(jì)算公式得到了本文中封閉環(huán)的極限尺寸為：

3　試驗(yàn)驗(yàn)證該制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)的制動(dòng)報(bào)警區(qū)間

上述結(jié)論是在假設(shè)當(dāng)磁鐵的中心與霍爾傳感器的中心重合時(shí)便可產(chǎn)生磁場(chǎng)這個(gè)前提下進(jìn)行理論設(shè)計(jì)計(jì)算的，下面對(duì)該結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)上述理論及結(jié)果，為了減小誤差，制造出對(duì)霍爾傳感器的安裝位置調(diào)整后的結(jié)構(gòu)共6個(gè)產(chǎn)品樣件，分別對(duì)這些產(chǎn)品樣件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，將得到的報(bào)警范圍分別記錄并取平均值，最后與理論計(jì)算相比較，校核設(shè)計(jì)的合理性。實(shí)驗(yàn)裝置采用本單位現(xiàn)有的制動(dòng)主缸綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，整套結(jié)構(gòu)模擬了汽車(chē)在行駛過(guò)程中進(jìn)行剎車(chē)的狀況，主要有驅(qū)動(dòng)裝置、負(fù)載裝置、測(cè)量裝置及連接管路組成。驅(qū)動(dòng)裝置用于模擬制動(dòng)踏板力，他的推桿頭部與實(shí)車(chē)的樣件推桿頭部尺寸規(guī)格致，推桿與樣件軸線夾角不大于2°，驅(qū)動(dòng)裝置可以推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，然后由測(cè)量裝置檢測(cè)活塞移動(dòng)的位移，同時(shí)測(cè)量裝置還可以檢測(cè)霍爾傳感器的接通點(diǎn)和斷開(kāi)點(diǎn)，即制動(dòng)報(bào)警區(qū)間，該測(cè)量裝置的有效測(cè)量數(shù)值均不低于需要測(cè)量的值，測(cè)量的相對(duì)誤差不大于1%。該整套實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。下面以1號(hào)樣件為例，得到了在該實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn)的制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)的制動(dòng)報(bào)警區(qū)間實(shí)驗(yàn)曲線如圖6所示，測(cè)得的報(bào)警區(qū)間為1.60mm～2.41mm。滿足汽大眾主機(jī)廠的制動(dòng)報(bào)警區(qū)間為0.6mm～3.75mm的要求。本次試驗(yàn)對(duì)6個(gè)產(chǎn)品樣件都進(jìn)行了測(cè)量，得到的結(jié)果如表1所示。由該表中的數(shù)據(jù)可以看出試驗(yàn)測(cè)得的報(bào)警區(qū)間的平均值為1.64mm～2.34mm，處于主機(jī)廠要求的中間范圍。同時(shí)試驗(yàn)得到的結(jié)論與理論計(jì)算得到的結(jié)論相致，結(jié)果也較符合，從而驗(yàn)證了理論計(jì)算的合理性。

表1　樣件的制動(dòng)報(bào)警感應(yīng)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

圖5　制動(dòng)主缸綜合性能試驗(yàn)臺(tái)

圖6　制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)的制動(dòng)報(bào)警區(qū)間曲線

4　結(jié)論

本文在普通的柱塞式制動(dòng)主缸的基礎(chǔ)上增加了制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在制動(dòng)主缸上對(duì)汽車(chē)發(fā)生制動(dòng)而產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，可以對(duì)制動(dòng)信號(hào)的發(fā)生位置進(jìn)行控制。文中對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，通過(guò)尺寸鏈的方法理論計(jì)算了該制動(dòng)信號(hào)燈開(kāi)關(guān)的制動(dòng)報(bào)警區(qū)間，得到了對(duì)霍爾傳感器的安裝位置進(jìn)行進(jìn)后的報(bào)警區(qū)間為1.625mm～2.375mm，此時(shí)報(bào)警區(qū)間處于主機(jī)廠要求的中間范圍，結(jié)果較好。最后按照理論計(jì)算中得到的進(jìn)后的結(jié)構(gòu)制作了6個(gè)產(chǎn)品樣件，并對(duì)該樣件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了6個(gè)樣件的制動(dòng)報(bào)警范圍的平均值為1.64mm～2.34mm。該結(jié)果與理論計(jì)算得到的結(jié)果相致，即報(bào)警區(qū)間處于主機(jī)廠要求的中間范圍，結(jié)果較好，且理論計(jì)算誤差在1.5%以?xún)?nèi)。從而驗(yàn)證了理論計(jì)算的合理性及該方案的可行性，也滿足汽大眾主機(jī)廠的要求。

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作者簡(jiǎn)介：宋曉峰（1986 -），女，助理工程師，碩士，主要從事汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)研究。

收稿日期：2015-09-28

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-0134(2016)03-0067-04