液壓制動(dòng)系統(tǒng)氣壓助力器總成研發(fā)

李同占，封萬(wàn)程，劉永傳

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130011）

前言

傳統(tǒng)輕型載貨汽車(chē)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)多采用真空助力器總成，因真空助力器總成受結(jié)構(gòu)、尺寸以及大氣壓強(qiáng)的限制，僅能應(yīng)用于小噸位的輕型載貨汽車(chē)；同時(shí)針對(duì)國(guó)五、國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，輕型載貨汽車(chē)需配有高壓氣源作為尿素供給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，因此利用氣壓助力器來(lái)替代真空助力器，采用氣壓助力系統(tǒng)提高液壓制動(dòng)性能是輕型載貨汽車(chē)液壓制動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)的重大課題。

1 氣壓助力器總成結(jié)構(gòu)及原理

輕型載貨汽車(chē)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)一直存在制動(dòng)踏板感覺(jué)差、制動(dòng)信心不足等問(wèn)題；即使有產(chǎn)品的氣壓助力器可提高制動(dòng)系統(tǒng)性能，由于未采用柔性件實(shí)現(xiàn)氣壓助力器隨動(dòng)平衡導(dǎo)致制動(dòng)性能不穩(wěn)定；因此可參考?xì)鈮褐苿?dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)主閥結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)氣壓助力器的進(jìn)氣隨動(dòng)平衡，從而在提高制動(dòng)系統(tǒng)性能的同時(shí)能夠改善制動(dòng)踏板感覺(jué)。

氣壓助力器總成在未制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，高壓空氣通過(guò)進(jìn)氣座進(jìn)氣口進(jìn)入到C腔，由于閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，從而隔絕高壓空氣進(jìn)入A腔，此時(shí)A腔、B腔均為大氣壓強(qiáng)。

在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，踏板力傳遞到輸入推桿，通過(guò)橡膠彈簧將力傳遞給活塞，活塞將閥門(mén)打開(kāi)，高壓空氣進(jìn)入到D腔，D腔內(nèi)高壓氣體通過(guò)導(dǎo)套及閥體總成分布的通道進(jìn)入A腔產(chǎn)生伺服力；由于助力平衡由橡膠彈簧和活塞來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得伺服力隨輸入推桿輸入力的逐漸增加而成固定比例增長(zhǎng)，從而使制動(dòng)時(shí)具有良好的隨動(dòng)性和操縱感。

圖1 氣壓助力器總成結(jié)構(gòu)

取消制動(dòng)時(shí)，隨著輸入力的繼續(xù)減小，A腔內(nèi)高壓空氣通過(guò)導(dǎo)套及閥體總成分布的通道進(jìn)入到D腔，再經(jīng)過(guò)活塞與閥門(mén)間間隙、閥門(mén)中心孔到達(dá)B腔排入大氣中，直至制動(dòng)完全取消。

2 氣壓助力器性能計(jì)算

2.1 氣壓助力器平衡方程

當(dāng)制動(dòng)踏板使氣壓助力器輸入推桿收到一定的輸入力F0并使助力活塞達(dá)到一定行程時(shí)，閥門(mén)與閥體、活塞同時(shí)接觸，進(jìn)氣通道和排氣通道同時(shí)關(guān)閉，達(dá)到助力平衡狀態(tài)。如圖 2所示，可列出如下平衡方程：

式中：Fp—?dú)鈮褐ζ鬏敵隽?，N；F0—輸入推桿的有效輸入力，N；p0—?dú)鈮褐ζ鰽腔與B腔壓力差，MPa；A0—助力活塞的總面積；其直徑為D0，mm；A2—導(dǎo)套的總面積；其直徑為 D2，mm；F1—助力活塞回位彈簧力，N；F2—閥門(mén)回位彈簧力，N；F3—運(yùn)動(dòng)部件摩擦力，N。

圖2 氣壓助力器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

有效輸入力F0是踏板作用于輸入推桿的輸入力F'0克服活塞回位彈簧力F4，的剩余部分，用來(lái)平衡D腔內(nèi)作用于活塞上的高壓氣體，則有：

式中：A1—活塞的總面積；其直徑為D1，mm。

將2式帶入1式，則有：

2.2 氣壓助力器助力比計(jì)算

氣壓助力器助力比It是指氣壓助力器的輸出力與有效輸入力的比，其大小可用下列公式表示：

相對(duì)于氣壓助力器輸出力Fp，助力活塞回位彈簧力F1、閥門(mén)回位彈簧力F2、運(yùn)動(dòng)部件摩擦力F3很小，助力比It用下列公式估算：

2.3 氣壓助力器特性曲線方程

由1式，考慮到氣壓助力器的效率η，則氣壓助力器在未達(dá)到最大助力點(diǎn)時(shí)的輸出力Fp為：

通常，η取0.85～0.95。

當(dāng)氣壓助力器達(dá)到最大助力點(diǎn)時(shí)，氣壓助力器A腔與B腔間壓力差最大，即P0=p，則6式變?yōu)椋?/p>

當(dāng)氣壓助力器的輸出超過(guò)最大助力點(diǎn)時(shí)，氣壓助力器A腔與B腔間壓力差不變，7式中的P(A0-A2)為常數(shù)，氣壓助力器的輸出力與輸入力同步變化，因此7式也可以作為助力拐點(diǎn)以后輸出力的計(jì)算公式。

所謂始動(dòng)力是指氣壓助力器A腔與B腔間產(chǎn)生壓力差，需要有效助力的產(chǎn)生，因此氣壓助力器始動(dòng)力為克服活塞回位彈簧力F4，將活塞壓靠于閥門(mén)并克服閥門(mén)回位彈簧力F2，此時(shí)閥門(mén)即將打開(kāi)，高壓氣體進(jìn)入助力器A腔產(chǎn)生有效助力，因此始動(dòng)力Fb為：

3 氣壓助力器實(shí)例計(jì)算

3.1 整車(chē)參數(shù)

某輕型載貨汽車(chē)整車(chē)參數(shù)如表1所示，制動(dòng)器及制動(dòng)主缸參數(shù)已知，不在本文贅述。

表1 整車(chē)參數(shù)

3.2 性能目標(biāo)

a. 在0.7附著系數(shù)的路面上，助力拐點(diǎn)處管路壓力滿足總重8.5噸車(chē)輛制動(dòng)抱死使用要求；

b.助力拐點(diǎn)處輸入力不大于800N；

c.始動(dòng)力不大于120N。

3.3 氣壓助力器結(jié)構(gòu)參數(shù)

在進(jìn)行氣壓助力器結(jié)構(gòu)參數(shù)前，需要計(jì)算液壓制動(dòng)系統(tǒng)的最大有效壓力，即前后輪同時(shí)抱死時(shí)的管路壓力，通過(guò)計(jì)算最大有效壓力P=16.5MPa，通過(guò)制動(dòng)主缸缸徑就可確定出助力拐點(diǎn)處助力器輸出力Fp‘為15875N。按氣壓助力器的最低效率，則Fp=18676N。

助力活塞回位彈簧力 F1=356N；閥門(mén)回位彈簧力 F2=55N；運(yùn)動(dòng)部件摩擦力F3=196N；活塞回位彈簧力F4=35N。

受結(jié)構(gòu)限制，氣壓助力器導(dǎo)套外徑D2=56mm；設(shè)助力氣壓 p0=0.72MPa，由性能目標(biāo) b及助力拐點(diǎn)處助力器輸出力Fp可得出活塞直徑D2=36mm，助力活塞直徑D0=190mm。

輸入推桿的輸入力F'0=767.5N；助力比It=26.4；始動(dòng)力Fb=90N；因此氣壓助力器的特性曲線如圖3所示。

圖3 氣壓助力器特性曲線

3.4 影響氣壓助力器特性的因素

助力活塞直徑和助力氣壓值決定著氣壓助力器工作能力，助力氣壓值越高，助力活塞直徑越大，助力器最大助力值越大。

活塞直徑和助力氣壓值決定著氣壓助力器拐點(diǎn)位置，助力氣壓值越高，活塞直徑越大，助力拐點(diǎn)來(lái)得越遲。

助力活塞回位彈簧力、閥門(mén)回位彈簧力、運(yùn)動(dòng)部件摩擦力、活塞回位彈簧力影響著氣壓助力器工作能力，在保證運(yùn)動(dòng)部件復(fù)位的基礎(chǔ)上，彈簧回位力盡量的??；同時(shí)閥門(mén)回位彈簧力、活塞回位彈簧力影響著始動(dòng)力。

4 結(jié)論

本文對(duì)氣壓助力器結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了闡述，對(duì)氣壓助力器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后，計(jì)算其平衡方程、助力比以及特性曲線方程。

根據(jù)現(xiàn)有車(chē)型整車(chē)參數(shù)、制動(dòng)器參數(shù)，以及整車(chē)制動(dòng)性能開(kāi)發(fā)目標(biāo)；計(jì)算出氣壓助力器結(jié)構(gòu)參數(shù)、并繪制出其特性曲線。

最后本文簡(jiǎn)略的分析了影響氣壓助力器特性的因素，本文內(nèi)容可作為氣壓助力器開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃國(guó)興.雙膜片真空助力器結(jié)構(gòu)原理與性能計(jì)算.[J]汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā).1995.08.

[2] 趙凱.汽車(chē)真空助力器的原理及參數(shù)計(jì)算.[J]汽車(chē)技術(shù).2001.1.