汽车液压制动主缸的发展演变过程及其结构特点

1、 收稿日期:20120502作者简介:彭建成(1972,男,浙江杭州人,工程师,主要从事制动系统产品的设计研发工作。E-mail :ytpjc 。汽车液压制动主缸的发展演变过程及其结构特点彭建成(浙江亚太机电股份有限公司,浙江杭州311203摘要:汽车液压制动系统的心脏制动主缸从出现至今,随着高速公路路网的不断扩展、汽车车速的不断提高以及车流密度的增大、安全法规对制动系统的工作可靠性要求的日益提高,其结构在不断地改进,新的结构形式不断地出现。在其不断更新的过程中产生了众多的主缸结构形式,经过实践使用验证和市场选择,陆续出现了一些典型的结构形式。有必要对其典型结构作一些分析介绍,为制动主缸的设计

2、开发提供经验数据,防止在产品设计开发上走回头路,为产品的研发制造提供较为详尽的参考资料。关键词:汽车液压制动主缸;结构特点;工作原理;制造要点The Development and Structure of Automobile Hydraulic Braking Master CylinderPENG Jiancheng(Zhejiang Asia-Pacific Mechanical Electronic Co,Ltd,Hangzhou Zhejiang 311203,China Abstract :Up to this day ,as the continual expansion of

3、 the expressway network ,the increase of vehicle /s velocity as well as traffic stream density ,and the increasing advance of the reliability requirement of the security law to brake system ,brake master cylinder which is the heart of the automobile hydraulic brake system ,its new structure styles a

4、re appeared without intermissionDuring the process of continual renovation ,the brake master cylinder come out many structure stylesSome typical structure styles come out successively through practice use verification and market selectionThere is necessary for doing some analyses of the typical stru

5、cture in order to provide empirical date to the exploitation of the brake master cylinder ,and prevent the repetition on design and exploitation of the productElaborate reference information is provided for the product designers and manufacturersKeywords :Automobile hydraulic braking master cylinder

6、 ;Structural features ;Work principle ;Key point of the manufacture0引言自从德国人卡尔·本茨在1885年研制成功第一辆单缸三轮汽车开始,汽车已经伴随着人类社会的发展经历了120多年的时间1。制动系统作为汽车的关键安全系统,一直伴随着汽车的发展进步在不断地更新发展,作为液压制动系统工作能量的输出心脏,汽车液压制动主缸也在不断地发展改进2。图1是液压制动主缸在整车上的位置,它的发展变化主要经历了单管路制动主缸、带残余压力阀制动主缸、双腔制动主缸和汽车防抱死系统ABS 用制动主缸的发展过程,其每个阶段又有针对不同使用要求而

7、开发的不同结构形式。文中即对各种液压制动主缸的发展过程、结构形式、工作原理及其制造要点进行分析说明 。图1汽车中的液压制动主缸1 早期制动主缸图2单腔制动主缸系统布置图该类主缸属于最初期的结构形式,在中国应用于汽车工业的首批汽车,它主要分为单腔和双腔两种结构,单腔分为普通型和带残余压力阀型。图2为该类主缸的系统布置图。 双腔分为普通型、紧凑型和带比例阀功能主缸。图3为该类主缸的系统布置图,图4为该类主缸的典型结构,图5为带比例阀功能主缸的典型局部结构。 图3双腔制动主缸系统布置图 图4串列双腔制动主缸早期类型主缸目前均已逐步被淘汰,文中仅对带比例阀功能的主缸作简单说明。比例阀功能主缸是为满足汽

8、车在制动时对前后轮制动力的比例分配要求3,提高其制动效能,充分利用地面和汽车轮胎的摩擦力(附着力而设计出来的,能对后轮的输入、输出液压按图6输出4。图5带比例阀的主缸出油口结构图6带比例阀功能主缸后轮输入、输出液压曲线2柱塞式双腔制动主缸2.1柱塞式主缸简述柱塞式主缸分为普通柱塞式主缸、短型柱塞式主缸(图7和缸体结构优化后的主缸(图8。文中仅对短型柱塞式主缸和缸体结构优化后的主缸作介绍。 图7短型柱塞制动主缸剖视图 图8缸体结构优化后的柱塞主缸三维剖图2.2结构特点补偿孔在活塞上的柱塞式双腔制动主缸(以下简称柱塞式主缸是为解决有些汽车布置空间狭小,无法安装传统制动主缸的车型而设计的,它具有结构

9、紧凑、短小精悍的特点,它的内部结构就如同电视机的天线,零件相互套在一起,所以可像天线一样伸缩自如,有效地节约了产品的轴向空间,它的长度只有传统主缸的一半左右。同时它又可以满足汽车安装ABS (防抱死制动系统和ESP(电子稳定系统的要求。具有传统主缸无法比拟的优点,但由于这种主缸加工比较困难,工艺难度较大,所以目前应用范围不大,国内目前在做该主缸的公司寥寥无几。不过通过近一二年的努力,该结构主缸通过不断地结构优化和工艺改进,已经越来越显露出取代所有其他结构主缸的趋势,成为所有汽车的首选结构。2.3工作原理如图7所示,在原始状态,制动液通过供液腔、补偿孔进入制动腔,工作时推动活塞左移,当补偿孔通过

10、主皮碗时,制动腔开始建压,制动液由出油口泵入制动管路内。2.4与传统主缸的区别(1轴向安装长度短如图8所示,由于其内部零件均相互套在一起,所以总成长度可以做得很短,长度只有传统主缸的一半左右。(2柱塞式主缸可直接配ABS使用由于ABS工作时需将减压过程中排出的制动液重新泵入制动主缸5,传统制动主缸活塞由于主缸内液压的变化反复往返运动,特别是在低附着系数路面制动时,主皮碗运动区域离补偿孔很近,甚至于在补偿孔处往复运动,当主皮碗处于补偿孔位置时,制动腔的高压将皮碗挤入补偿孔内,高压脉动极易破坏传统主缸主皮碗,造成制动失效。而柱塞式主缸由于将补偿孔布置到了活塞上,所以活塞在运动过程中补偿孔经过主皮碗

11、时,其两侧的压力是相同的(图9,从而杜绝了主皮碗的这一破坏形式,其推广使用将大大提高汽车制动系统的使用寿命,同时满足ABS对制动主缸的要求,令汽车行驶更加安全可靠 。图9主皮碗过补偿孔对比(3可以满足ESP(电子稳定系统对制动主缸大流量的要求由于ESP工作时需要主缸瞬间提供大流量的制动液用于主动制动6,而柱塞式主缸在活塞上可以布置大量的补偿孔(图8,所以能够轻易地满足该要求,而普通补偿孔式和中心阀式制动主缸无法大量布置油道,所以目前采用ESP的汽车的趋势为采用柱塞式主缸。2.5柱塞式主缸的制造要点生产这类主缸的关键控制点是必须在保证主皮碗与活塞的密封性的前提下,还需要保证制动液可以通过主皮碗补

12、入制动腔内,同时制造时须控制缸孔、滑套和活塞的尺寸、形位公差,防止活塞运动时卡死。3中心阀式双腔制动主缸该类主缸主要是为了配合汽车ABS使用而研制开发,其制动系统布置方式如图107所示,主要用于带防抱死系统ABS的汽车使用。 图10中心阀式双腔制动主缸系统布置图3.1结构特点中心阀式制动主缸是为解决原制动主缸密封主皮碗易于破坏、寿命相对较短这一缺点而开发设计,特别是装有ABS (防抱死制动系统的高档汽车,由于ABS 工作时需将减压过程中排出的制动液重新泵入制动主缸,制动主缸活塞由于主缸内液压的变化反复往返运动,特别是在低附着系数路面制动时,主皮碗运动区域离补偿孔很近,甚至于在补偿孔处往复运动,

13、高压脉动极易破坏制动主缸主皮碗,造成制动失效。而该产品由于取消补偿孔而采用了中心阀结构,所以杜绝了主皮碗的这一破坏形式,其推广使用将大大提高汽车制动系统的使用寿命,满足ABS 对制动主缸的要求,令汽车行驶更加安全可靠。3.2与原制动主缸的区别中心阀式制动主缸与原制动主缸的区别在于中心阀式制动主缸有中心阀,无补偿孔;而原制动主缸有补偿孔,无中心阀。原制动主缸工作时主皮碗在补偿孔附近反复往返运动,主皮碗容易被割伤破坏,特别是装有ABS 的高档汽车,由于ABS工作时需将减压过程中排出的制动液重新泵入制动主缸,制动主缸活塞由于主缸内液压的变化反复往返运动,特别是在低附着系数路面制动时,主皮碗运动区域离

14、补偿孔很近,高压脉动极易破坏制动主缸主皮碗,造成制动失效。而该产品由于取消补偿孔而采用了中心阀结构(图11,主皮碗的反复往返运动将不必通过补偿孔,而是在光滑的缸孔内运动,所以将大大提高主缸使用寿命 。图11短型中心阀式制动主缸3.3工作原理如图12所示,在原始状态,制动液通过供液腔、中心阀孔进入制动腔,工作时推动活塞左移,当中心阀关闭时,制动腔开始建压,制动液由出油口泵入制动管路内。 图12短型中心阀式制动主缸3.4中心阀式主缸的制造要点该类主缸在制造时在满足串列双腔制动主缸制造要点的同时,还需特别注意控制中心阀总成和活塞阀密封面的尺寸、形位公差,防止中心阀低压0.02MPa 以下的泄漏,并且

15、须保证中心阀在装配后能运动自如无卡阻。中心阀的密封性对清洁度偏差很敏感,主缸内部清洁度应符合表1规定,才能确保中心阀的密封性能。表1两种结构型式下的清洁度缸径/mm35单管路主缸杂质/mg 3510双腔制动主缸杂质/mg51020总成内部杂质:金属不大于总杂质的50%,颗粒不大于70m ;非金属不大于总杂质的50%,颗粒不大于600m 。中心阀预压弹簧的预紧力F 除以中心阀的密封面积即中心阀被反向打开油压的压强,推荐小于0.03MPa ,以利于加快制动液补偿,提高主缸的回位速度,同时能提高人工加注制动液的速度。4总结根据以上介绍的制动主缸的主要类型,不难发现主缸的发展演变主要按以下方式进行:(

16、1整车制动安全对主缸要求的不断提高而作的改进,包括安全性、可靠性以及其余制动原件的设计改进而对主缸所提出的新要求。(下转第92页 计算机控制系统通过交流电动机驱动器对交流电动机的控 制使其能够根据车辆速度和加速度的变化，为测功机系统提供 与车速和加速度相应的车辆道路行驶阻力。 控制系统按前馈控制反馈补偿理论，基于如下道路载荷计 算公式，计算道路载荷进行控制 dv + W·D F = A + B · v + C · v2 + dt 其中： A 为常阻力系数； B 为可变阻力系数； C 为空气阻力系数； D 为道路坡度系数； v 为车辆速度； dv 为车辆加速度； d

17、t W 为车重。 除了加速通过的距离与时间，从底盘测控系统还可以读取 此过程中的速度及加速度的变化曲线。 通过研究其变化曲线， 可计算出其最佳动力性换挡点。 文中在此不进行深入探讨，仅 通过计算对试验结果进行验证。 4 结论 作为评价汽车动力加速性能的重要指标，汽车原地加速时 间具有不可或缺的参考价值。所限于我国高速公路路况及测试 场地稀少，汽车加速性能试验路面测试所费不菲，需大量试验 数据才能得出准确数据。 文中试图以底盘测控系统上进行汽车加速性能试验，规避 路面测试风险，在缺乏路面测试条件的情况下提供一种可参考 的试验方法，并对其方法进行试验验证及实例计算，得出可能 存在的误差及其试验中实

18、际存在的问题，并评判了此方法与路 面测试优化对比。 参考文献： 【1 】 韩越， http： / / 刚 宪 约 汽 车 加 速 性 能 模 拟 计 算 方 法 OL wenku. baidu. com / view / c7ad4c0bbb68a98271fefa56. html 【2 】 日本自动车技术会 汽车工程手册 6 ： 动力传动系统试验评价篇 M 中国汽车工程学会， 组译 北京： 北京理工大学出版社， 2010 【3 】 GB 18352. 3 2005 轻型汽车污染物排放限值及测量方法 （ 中国 S 北京： 中国标准出版社， 2005 、 阶段） 【4 】 GB / T 1254

19、32009 汽车加速性能试验方法S 北京： 中国标准 2010 出版社， 3. 1 时速 100 km 功率验证 根据底盘测控系统所记录数据，可以对其功率及力进行 验证： F 牵 = F 电 + a·M P 牵 = F 牵 ·v P 电 = F 电 ·v 将表 2 第一行中 所 记 录 的 电机 力、 牵 引 力、 加 速度、 速 度、电机功率、牵引功率代入公式中： F 牵 = 4. 75 / 3. 6 ·1 590 + 895. 4 F 牵 = 2 827 N P 牵 = F 牵 ·v P 牵 = 2 727 ·97. 3 / 3.

20、 6 P 牵 = 73 kW 计算结果与实际测量结果相差 200 N，功率误差 3 kW，存 在误差值。 （ 上接第 88 页） （ 2 ） 主缸自身的质量改进，使之不断朝性能更优、 成本更 低、外形更小等要求发展。 （ 3 ） 随着汽车 ABS （ 防抱死制动系统） 的不断普及，以 及对制动系统性能、寿命稳定性要求的不断提高，预计中心阀 式制动主缸和超短型主缸将得到普及，极有可能会代替所有类 型的制动主缸而成为制动主缸的主导产品。 （ 4 ） 随着汽车 ESP （ 电子稳定系统） 的不断推广，对汽车 快速主动制动要求，柱塞式制动主缸成为汽车制动的所选主缸 结构。 （ 5 ） 随着电子驻车系统 EPB （ Electrical Park Brake ） 及其 他电控系统的不断普及，在制动主缸上增加活塞位置传感器的 结构也已经有了少量的使用。 3. 2 400 m 加速距离验证 参考文献： 【1 】 汽车百科全书编纂委员会 汽车百科全书 M 北京：