液壓制動系統氣壓助力器總成研發

李同占，封萬程，劉永傳

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，吉林 長春 130011）

前言

傳統輕型載貨汽車的液壓制動系統多采用真空助力器總成，因真空助力器總成受結構、尺寸以及大氣壓強的限制，僅能應用于小噸位的輕型載貨汽車；同時針對國五、國六排放標準，輕型載貨汽車需配有高壓氣源作為尿素供給系統的驅動，因此利用氣壓助力器來替代真空助力器，采用氣壓助力系統提高液壓制動性能是輕型載貨汽車液壓制動系統改進的重大課題。

1 氣壓助力器總成結構及原理

輕型載貨汽車的液壓制動系統一直存在制動踏板感覺差、制動信心不足等問題；即使有產品的氣壓助力器可提高制動系統性能，由于未采用柔性件實現氣壓助力器隨動平衡導致制動性能不穩定；因此可參考氣壓制動系統的制動主閥結構來實現氣壓助力器的進氣隨動平衡，從而在提高制動系統性能的同時能夠改善制動踏板感覺。

氣壓助力器總成在未制動狀態時，高壓空氣通過進氣座進氣口進入到C腔，由于閥門處于關閉狀態，從而隔絕高壓空氣進入A腔，此時A腔、B腔均為大氣壓強。

在制動狀態時，踏板力傳遞到輸入推桿，通過橡膠彈簧將力傳遞給活塞，活塞將閥門打開，高壓空氣進入到D腔，D腔內高壓氣體通過導套及閥體總成分布的通道進入A腔產生伺服力；由于助力平衡由橡膠彈簧和活塞來實現，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，從而使制動時具有良好的隨動性和操縱感。

圖1 氣壓助力器總成結構

取消制動時，隨著輸入力的繼續減小，A腔內高壓空氣通過導套及閥體總成分布的通道進入到D腔，再經過活塞與閥門間間隙、閥門中心孔到達B腔排入大氣中，直至制動完全取消。

2 氣壓助力器性能計算

2.1 氣壓助力器平衡方程

當制動踏板使氣壓助力器輸入推桿收到一定的輸入力F0并使助力活塞達到一定行程時，閥門與閥體、活塞同時接觸，進氣通道和排氣通道同時關閉，達到助力平衡狀態。如圖 2所示，可列出如下平衡方程：

式中：Fp—氣壓助力器輸出力，N；F0—輸入推桿的有效輸入力，N；p0—氣壓助力器A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—閥門回位彈簧力，N；F3—運動部件摩擦力，N。

圖2 氣壓助力器結構簡圖

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，用來平衡D腔內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：

相對于氣壓助力器輸出力Fp，助力活塞回位彈簧力F1、閥門回位彈簧力F2、運動部件摩擦力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到最大助力點時的輸出力Fp為：

通常，η取0.85～0.95。

當氣壓助力器達到最大助力點時，氣壓助力器A腔與B腔間壓力差最大，即P0=p，則6式變為：

當氣壓助力器的輸出超過最大助力點時，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，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以后輸出力的計算公式。

所謂始動力是指氣壓助力器A腔與B腔間產生壓力差，需要有效助力的產生，因此氣壓助力器始動力為克服活塞回位彈簧力F4，將活塞壓靠于閥門并克服閥門回位彈簧力F2，此時閥門即將打開，高壓氣體進入助力器A腔產生有效助力，因此始動力Fb為：

3 氣壓助力器實例計算

3.1 整車參數

某輕型載貨汽車整車參數如表1所示，制動器及制動主缸參數已知，不在本文贅述。

表1 整車參數

3.2 性能目標

a. 在0.7附著系數的路面上，助力拐點處管路壓力滿足總重8.5噸車輛制動抱死使用要求；

b.助力拐點處輸入力不大于800N；

c.始動力不大于120N。

3.3 氣壓助力器結構參數

在進行氣壓助力器結構參數前，需要計算液壓制動系統的最大有效壓力，即前后輪同時抱死時的管路壓力，通過計算最大有效壓力P=16.5MPa，通過制動主缸缸徑就可確定出助力拐點處助力器輸出力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；閥門回位彈簧力 F2=55N；運動部件摩擦力F3=196N；活塞回位彈簧力F4=35N。

受結構限制，氣壓助力器導套外徑D2=56mm；設助力氣壓 p0=0.72MPa，由性能目標 b及助力拐點處助力器輸出力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位置，助力氣壓值越高，活塞直徑越大，助力拐點來得越遲。

助力活塞回位彈簧力、閥門回位彈簧力、運動部件摩擦力、活塞回位彈簧力影響著氣壓助力器工作能力，在保證運動部件復位的基礎上，彈簧回位力盡量的小；同時閥門回位彈簧力、活塞回位彈簧力影響著始動力。

4 結論

本文對氣壓助力器結構及原理進行了闡述，對氣壓助力器結構簡化后，計算其平衡方程、助力比以及特性曲線方程。

根據現有車型整車參數、制動器參數，以及整車制動性能開發目標；計算出氣壓助力器結構參數、并繪制出其特性曲線。

最后本文簡略的分析了影響氣壓助力器特性的因素，本文內容可作為氣壓助力器開發的設計參考。

參考文獻

[1] 黃國興.雙膜片真空助力器結構原理與性能計算.[J]汽車研究與開發.1995.08.

[2] 趙凱.汽車真空助力器的原理及參數計算.[J]汽車技術.2001.1.