双腔真空助力器优化设计研究

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双腔真空助力器及制动主缸总成是所有真空助力器及制动主缸总成类型中非常重要的一种类型。它不但具有真空助力器及制动主缸总成的一般助力特点，而且能以较小的外形尺寸输出较大的伺服力，从而节省出较大的发动机仓空间，以便于发动机等其它零件的布置，因而在市场众多车型中被广泛使用，占有重要一席。但是双腔真空助力器及制动主缸总成也因为结构复杂、零件数量多、内部容积大等特点，导致双腔助力器的部分性能表现一般。随着汽车的市场普及，人们对汽车的驾驶性能和安全性能要求也随之提高，其中比较重要的一点就是汽车制动时的踏板感觉和安全性。为了进一步提高产品的性能表现，以获得更好的踏板表现和制动安全性，本文对双腔真空助力器进行了部分结构优化设计，以进一步提高客户的满意度。真空助力器产品是汽车制动系统中的增力装置，标准的真空助力器/制动主缸总成包含真空助力器、制动主缸和储液罐这三部分，如图1所示。真空助力器利用发动机或真空泵产生的真空源，通过助力器前后两腔之间大气和真空的压力差将驾驶员施加在制动踏板上的力进行放大；制动主缸将放大了的输入力转化为制动液压输出；而储液罐为制动系统提供制动液，并为系统制动液的变化提供补偿。这三部分各自分工并相互合作，共同为制动系统提供驱动力、减轻驾驶员的劳动强度和提高制动的安全可靠性的目标努力。本项目研究的主要内容包括三部分。

双腔真空助力器的反应时间优化

根据助力器的原理来看，只有在助力器的后腔内完全充满空气的时候，助力器才能达到最大的助力性能，所以在制动过程中双腔真空助力器后腔的空气进入时间是至关重要的。这段时间在助力器的基本性能中被称为助力器的反应时间。反应时间越小，助力器的响应时间越快，在高速行车时的安全性也越高。但是因为双腔真空助力器相当于2只单腔助力器串联而成，其空气腔的容积比单腔助力器多出一倍，因此需要的进气时间较长。在国家标准QC/T307中规定双腔真空助力器的反应时间必须小于0.4s。为了提高双腔助力器的反应时间，我们从两个方面对助力器进行优化。首先，减小助力器后腔的死容积。在助力器处于初始位置时的后腔容积，我们称为死容积，这部分容积需要补充额外的空气，影响进气的时间。我们计划在不改变助力器结构的前提下，通过对双腔助力器的皮膜托板及后壳体形状进行优化，减小了后腔的死容积。另一方面，我们对助力器的进气通道进行了优化，增大进气通道瓶颈部位的横截面积，这样可以增加空气的流量，减小空气进入时间。经过这些相关的优化后，9＋9寸双腔助力器的反应时间提高到了0.25s以内，这样与国家标准相比我们可以为客户节约宝贵的0.15s制动时间，避免交通事故的出现。

双腔真空助力器的零空行程设计

双腔真空助力器的空行程是制动踏板在制动过程中的无效行程，其经过踏板杠杆的放大后对制动感觉造成了负面影响，更严重的是其造成了制动时间的延迟，在某些紧急制动时刻增加了制动行程，造成了一定的安全隐患。因此为了增强制动过程中的踏板感觉，提高制动安全性，必须减小双腔真空助力器的空行程。为了达到减小双腔真空助力器空行程的目的，我们从双腔真空助力器的原理出发，进行多次分析讨论，计划利用助力器内部的各种弹簧力和气压力之间的平衡关系，确定了一种最优化的方案，使得助力器在预制动位置已经克服了无效行程。我们初步确定的零空行程双腔真空助力器如图2。该助力器在没有工作时，助力器内部零件受到大弹簧弹力的作用，整体向右运动，直到被伸出阀体外部的挡销阻挡在后壳体上，达到平衡状态，此时空气阀口处于打开位置，真空阀口关闭。在助力器内部被发动机进气歧管逐渐抽真空的过程中，助力器的前后腔内形成一定的压力差，使得助力器内部零件整体向左运动，空气阀口逐渐关闭，真空阀口打开。最终助力器内部前后腔内空气都被抽出，并达到了另一种平衡状态，此时助力器空气阀口和真空阀口都处于关闭状态，其前后腔内存在微弱的压力差用于克服各种弹簧力，助力器处于预制动状态。当制动踏板被踩下的同时，与踏板刚性相连的助力器空气阀口也同时被打开，大量空气进入助力器后腔，形成前后腔压力差，完成助力过程。所以该助力器在制动过程中没有多余行程，其可以最快地将踏板力转化为制动力，改善制动时的踏板感觉，并提高行车安全性能。

双腔助力器前腔和后腔空气流通结构设计研究

如图3所示，原双腔助力器的前腔和后腔的气流流通在前腔与后腔流通连接位置，这样的结构设计造成气流运动路径长，而且通过多个凸起的孔，气流流通阻力增大，从而造成前大气腔进气效率降低，也增加无用功耗。本设计利用隔板和后壳体连接的支撑套筒进气，即支撑套筒又是连接支撑结构件，同时又集成了前腔与后腔气流通道结构，图4为支撑套筒内的气流从后腔流入前腔示意图。所以，支撑套筒的结构设计是关键问题，且与套筒体积小、占空间小、重量轻、结构、材料等都密切相关。除了进行理论计算分析，同时还要进行必要的试验，以保证设计满足设计要求。

作者：李振 单位：上海汽车制动系统有限公司