柱塞式制動主缸的結構優化設計

黃建霖

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

制動主缸是汽車液壓制動系統中的關鍵部件，它的主要作用是通過踏板力的作用，經真空助力器放大后，作用在制動主缸活塞上，使其向前運動，進而在制動主缸壓力腔產生液壓，再通過制動主缸出油口向整車的制動系統輸送液壓，從而實現汽車的剎車功能。

在汽車的制動主缸進行全新開發或進行設計更改時，從整車布局的合理性考慮，制動主缸基本上要求布置在汽車前艙，前艙空間狹隘，制動主缸（與油壺和真空助力器組裝在一起）布置時比較受限制，特別是發動機前置的汽車尤為明顯，這樣就要求制動主缸總長度越短越好，這樣能盡量避免不良因素的影響；同時國內塞柱式主缸的公司眾多，在保證產品質量的情況下，通過結構優化能取得自身柱塞式主缸的價格優勢，提高產品競爭力。本文將對柱塞式制動主缸的現狀、結構優化設計要點以及工作原理進行主要說明。

1 柱塞式制動主缸的現狀以及工作原理

1.1 柱塞式制動主缸的現狀

目前大多數的柱塞式制動主缸[1]的結構主要包括主缸缸體、第二彈簧座Ⅰ型、第二彈簧座螺釘、制動主皮碗、制動副皮碗、第二彈簧座Ⅱ型、第二活塞、第一彈簧座Ⅰ型、第一彈簧座螺釘、第一彈簧座Ⅱ型、第一活塞等零件，詳見圖1。

圖1 柱塞式制動主缸結構示意圖

柱塞式制動主缸分為兩個工作腔，分別為第一腔和第二腔。

第一腔是由主缸缸體、制動主皮碗、制動副皮碗和第一活塞組成的一個相對封閉的區域，制動主缸不工作時，制動液沿著曲線E經過通道A和活塞孔閥口C流入到第一腔內，詳見下圖2和圖3。

圖2 第一活塞示意圖

圖3 第一腔示意圖

第二腔是由主缸缸體、制動主皮碗和第二活塞組成的一個相對封閉的區域，制動主缸不工作時，制動液沿著曲線F經過通道B和活塞孔閥口D流到第二腔內，詳見下圖4和圖5。

圖4 第二活塞示意圖

圖5 第二腔示意圖

1.2 柱塞式制動主缸工作原理

柱塞式制動主缸的工作原理[2，3]及過程詳見圖6的工作特性曲線，S1+S2+S3+S4+S5是柱塞式制動主缸兩個工作腔完成一次動作的全過程，第一腔和第二腔在制動主缸工作時動作的過程完全一樣，詳見如下：

圖6 塞柱式制動主缸工作特性曲線

活塞開始動作：作用力開始推動第一活塞，同時第一活塞通過第一彈簧座推動第二活塞，即第一活塞和第二活塞幾乎是同時向前運動的。

空行程：第一活塞和第二活塞已經向前運動，但第一腔的活塞孔閥口C和第二腔的活塞孔閥口D未達到完全密封關閉狀態時，這時的運動行程是不能建立壓力的，這段距離就是空行程。

加壓：如圖7所示，當第一腔的活塞孔閥口C和第二腔的活塞孔閥口D達到完全密封關閉時，制動液已經不能從通道和活塞孔閥口流入第一腔和第二腔，第一腔和第二腔開始建立壓力，并隨著作用力和行程的增加而壓力漸漸加大。

圖7 活塞孔閥口關閉示意圖

保壓：當作用力和行程達到某一特定的值時，作用力和行程不再增加的情況下，壓力保持一個相對的穩定值。

減壓：當作用力和行程漸漸減小時，第一活塞和第二活塞是往后運動的，而且此時第一腔的活塞孔閥口C和第二腔的活塞孔閥口D繼續保持完全密封關閉狀態，第一腔和第二腔的壓力開始慢慢減小，直到壓力為零。

空行程：當壓力降為零時，此時第一腔的活塞孔閥口C和第二腔的活塞孔閥口D未達到完全密封關閉，第一活塞和第二活塞仍然往后運動著。

回到原位：當作用力完全消失時，第一活塞和第二活塞回到原來位置。

2 柱塞式制動主缸的結構優化設計以及工作原理

2.1 柱塞式制動主缸的結構優化設計

重點對關鍵零部件主缸缸體、第一活塞和第二活塞等進行簡潔實用設計[4，5]，同時對總成內部其它零件結構細節方面優化設計，從而得到了更具競爭力成本更低的柱塞式制動主缸產品，結構優化設計后的柱塞式制動主缸的結構包括主缸缸體、第二彈簧座Ⅰ型、制動主皮碗、制動副皮碗、第二活塞、第一彈簧座Ⅰ型、第一活塞等零件，詳見下圖8。

圖8 柱塞式制動主缸結構示意圖

柱塞式制動主缸分為兩個工作腔，分別為第一腔和第二腔。

第一腔是由主缸缸體1、制動主皮碗3、制動副皮碗4、第一活塞7組成的一個相對封閉的區域，制動主缸不工作時，制動液沿著曲線E經過通道A和閥口C流入到第一腔內，詳見下圖9。

圖9 第一腔示意圖

第二腔是由主缸缸體1、制動主皮碗3、第二活塞5組成的一個相對封閉的區域，制動主缸不工作時，制動液沿著曲線F經過通道B和閥口D流到第二腔內，詳見下圖10。

圖10 第二腔示意圖

2.2 結構優化設計的柱塞式制動主缸的工作原理

結構優化設計的柱塞式制動主缸的工作原理及過程詳見圖11的工作特性曲線，S1+S2+S3+S4+S5是柱塞式制動主缸兩個工作腔完成一次動作的全過程，第一腔和第二腔在制動主缸工作時動作的過程完全一樣，詳見如下：

圖11 塞柱式制動主缸工作特性曲線

活塞開始動作：作用力開始推動第一活塞，同時第一活塞通過第一彈簧座推動第二活塞，即第一活塞和第二活塞幾乎是同時向前運動的。

空行程：第一活塞和第二活塞已經向前運動，但第一腔的閥口C和第二腔的閥口D未達到完全密封關閉狀態時，這時的運動行程是不能建立壓力的，這段距離就是空行程。

加壓：如圖12所示，當第一腔的閥口C和第二腔的閥口D達到完全密封關閉時，制動液已經不能從通道和閥口流入第一腔和第二腔，第一腔和第二腔開始建立壓力的，并隨著作用力和行程的增加而壓力漸漸加大。

圖12 閥口關閉示意圖

保壓：當作用力和行程達到某一特定的值時，作用力和行程不再增加的情況下，壓力保持一個相對的穩定值。

減壓：當作用力和行程漸漸減小時，第一活塞和第二活塞是往后運動的，而且此時第一腔的閥口C和第二腔的閥口D繼續保持完全密封關閉狀態，第一腔和第二腔的壓力開始慢慢減小，直到壓力為零。

空行程：當壓力降為零時，此時第一腔的閥口C和第二腔的閥口D未達到完全密封關閉，第一活塞和第二活塞仍然往后運動著。

回到原位：當作用力完全消失時，第一活塞和第二活塞回到原來位置。

3 結構優化設計柱塞式制動主缸的優點

（1）制動主缸總長度較短，占用整車空間位置少，總長度縮短了約20%（如某一款柱塞式制動主缸總長度為110 mm左右，結構優化設計后制動主缸總長度可縮短為90 mm左右）；

（2）主缸缸體總長度減少，節省材料同時降低成本，總長度減少約20%，制動主缸缸徑越大節省的材料越多，成本也就越低；

（3）第一活塞和第二活塞總長度都減少，節省材料同時減低成本，機加工難度小且成本低，第一活塞和第二活塞總長度分別減少10 mm左右，活塞外徑越大節省的材料越多，成本也就越低，第一活塞和第二活塞都取消了圓周方向總共16個Φ1 mm左右活塞孔的機加工，機加工難度小且成本低；

（4）制動主缸減少了第一彈簧座螺釘、第二彈簧座螺釘、第一彈簧座Ⅱ型和第二彈簧座Ⅱ型總共四個零件，節省材料同時降低成本，通過對第一活塞和第二活塞進行優化結構設計，在不增加材料成本的情況下解決與第一彈簧座Ⅰ型和第二彈簧座Ⅰ型的裝配問題；

（5）裝配零件較少，減少物流管理成本，同時減少制動主缸裝配工序及工位；

（6）結構優化設計的柱塞式制動主缸在保證產品質量的情況下，突破常規設計思維，立足行業創新發展方向，在行業中有較高的參考價值。

4 結束語

通過上述詳細對比分析可知，結構優化設計的柱塞式制動主缸完全能滿足制動系統安全性的要求，同時具有傳統柱塞式制動主缸無法比擬的優點，簡潔實用長度短，裝配零件少，成本低，工藝難度低，隨著汽車產業的不斷發展，整車對空間布置要求更緊湊，對成本要求更低，結構優化設計的柱塞式制動主缸會更具市場競爭力，會更廣泛地被推廣應用。