一种新型制动信号灯开关结构

A new structure of brake light switch

宋晓峰，张世强，杨圣文，李　敬，杨欢欢

（吉林东光奥威汽车制动系统有限公司研发中心，长春 130012）

SONG Xiao-feng,　ZHANG Shi-qiang,　YANG Sheng-wen,　LI Jing,　YANG Huan-huan



一种新型制动信号灯开关结构

A new structure of brake light switch

宋晓峰，张世强，杨圣文，李敬，杨欢欢

（吉林东光奥威汽车制动系统有限公司研发中心，长春 130012）

SONG Xiao-feng,ZHANG Shi-qiang,YANG Sheng-wen,LI Jing,YANG Huan-huan

摘要：为了打破传统的制动信号灯开关结构，满足一汽大众主机厂的要求，提出了一种安装在柱塞式制动主缸上的制动信号灯开关结构。对该制动信号灯开关的结构及原理进行了介绍，采用尺寸链的方法对其制动报警区间进行了理论计算，并根据理论计算结果制作了产品样件，利用现有的制动主缸综合性能试验台对其制动报警区间进行了检测，得到了该制动信号灯开关结构的报警区间为1.64mm～2.34mm，该结果与理论计算得到的结果较符合，误差在1.5%以内，也处于主机厂要求的中间范围，从而验证了理论计算的合理性及该方案的可行性。

关键词：制动信号灯开关；霍尔传感器；制动报警区间；柱塞式制动主缸；尺寸链

0　引言

制动信号装置主要由制动信号灯和制动信号灯开关组成。制动信号灯是安装在汽车后部，在驾驶员刹车时即发亮，以提醒后车驾驶员注意。传统的制动信号灯开关装在汽车制动回路中，根据制动能源的不同，可以是液压式或气压式的，两种结构的原理相似。液压式制动信号灯开关的结构如图1所示。当驾驶员踩下制动踏板时，液压管路中的压力增加，迫使膜片上拱，将开关的触点接通，使信号灯发亮[1]。该制动信号灯开关安装在液压制动总泵前端或气压控制制动阀下方，根据压力变化情况实现制动信号灯开关的接通和断开[2]。该装置的缺点是易损坏、易发生报警滞后、报警断开和常报警的情况，并且报警范围不好控制。

随着市场需求的不断增加，人们对制动报警装置有了更高的要求，为了能更准确的判断汽车发生制动，对汽车发生制动的位置进行控制，并根据汽大众主机厂的要求，本文在普通的柱塞式制动主缸的基础上，提出了种新的安装在该制动主缸上的制动信号灯开关结构。该结构打破了传统的接触式结构，具有安装方便、体积小、使用寿命长、控制准确等优点。本文将对该制动信号灯开关的结构、原理进行详细说明，并采用尺寸链的方法对该制动信号灯的报警区间进行了理论计算，最后根据理论计算的结论制作了产品样件，在现有的制动主缸综合性能试验台上对该样件进行制动报警范围试验，验证该方案的可行性。

图1　液压式制动信号灯开关

图2　普通柱塞式制动主缸总成结构示意图

1　制动信号灯开关结构及原理

1.1普通柱塞式制动主缸总成结构及原理

普通柱塞式制动主缸总成结构如图2所示，共有8个零部件组成[3]。其中主皮碗7、副皮碗4和两个连接套3是起密封作用的，同时两个主皮碗和两个副皮碗把整个制动主缸分为四个工作腔，分别是第常压腔、第制动腔、第二常压腔和第二制动腔。常压腔始终与贮液罐相通，内部液压与罐中液压相同，我们简单视为零；制动腔通过出油孔与制动油管相连，其中液压随输入力和行程变化而变化。第活塞8和第二活塞5是制动主缸中很关键的运动部件，通过他们的运动状态将制动主缸分为非工作状态和工作状态。非工作状态时他们没有产生运动，主缸内部各处液压相等，整车处于正常行驶状态或闲置状态；工作状态时，即整车开始制动，汽车踏板通过助力器将力作用在第活塞8上，活塞前移，活塞上的小孔通过皮碗，从而使常压腔与制动腔断开，常压腔中压力不变仍与贮液罐中压力相同，为常压，而制动腔则成为独立的封闭腔，因液体是不可压缩的，受活塞上作用力作用而产生液压，液压通过出油口及制动管路传递给制动器，从而实现汽车制动。解除制动时，助力器作用在活塞上的力撤消，主缸中两个活塞分别在第弹簧部件6和第二弹簧部件2中的弹簧的作用下迅速回位，制动腔与常压腔又通过活塞小孔相连，因制动腔存在瞬时真空，制动液部分通过活塞小孔补偿到制动腔。待到制动液完全返回到制动腔时，多余的制动液又通过进油孔回到贮液罐中，等待下次制动[4]。

图3　磁铁安装位置示意图

1.2制动信号灯开关结构及原理

本文中的制动信号灯开关结构是在上述柱塞式制动主缸的基础之上提出的，该装置主要有以下两部分组成：是安装在主缸体内部第、二活塞之间的磁铁部分，其具体结构和安装示意图如图3所示；二是安装在主缸体外表面上的霍尔传感器部分，其具体结构和安装示意图如图4所示。由图3可见，它是在普通的柱塞式主缸的基础之上添加了两个挡圈9、11和个磁铁10。由于磁铁材料具有定的脆性，单独使用时很容易因受到撞击而碎裂，所以磁铁两边分别安装了个挡圈，挡圈的材料是用钢板制成的，他们既起到保护磁铁的作用，还起到传导磁性的作用。磁铁主要安装在第二活塞的尾部，通过第弹簧部件中的弹簧限位座顶住挡圈，从而限制住磁铁和挡圈的轴向窜动。从而不至于在第、二活塞之间运动而产生异响。从径向的角度考虑，挡圈和磁铁的最大外径均设计成小于第二活塞的外径及主、副皮碗的内径，保证在全行程的状态下不会产生由于挡圈和磁铁与皮碗接触而造成对皮碗的磨损或刮伤，从而延长皮碗的使用寿命。由图4可知，霍尔传感器13是通过锁紧盖12和螺钉14固定在主缸体外表面上的。该安装霍尔传感器的外表面是在保证装车不干涉的情况下在主缸体外表面上加工的平面。当第活塞向前运动时，第弹簧部件产生压缩并向前移动，磁铁便随着第弹簧部件及第二活塞起向前运动，当运动到定距离时，就会与安装在主缸上的霍尔传感器接通，产生磁场，从而通过霍尔传感器输出信号使制动信号灯发亮。该制动信号灯开关结构的核心元件就是霍尔传感器。霍尔传感器是种磁电转换器件，是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制成，它可以方便的把磁输入信号转换成电信号。根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件，是种基于霍尔效应的磁传感器，可在各种与磁场有关的场合中使用，符合本结构的要求，所以本结构中采用霍尔元件，它具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、耐震动、耐腐蚀等优点。它主要有霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是块矩形半导体单晶薄片，引出四个线，两根加激励电压或电流，称为激励电极；另两根为霍尔引出线，称为霍尔电极。壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。由霍尔效应得到的霍尔电势公式U=K·I·B/d（其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场的磁感应强度，d是薄片的厚度）可知，在定的工作电流的情况下，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。

图4　霍尔传感器安装位置示意图

2　计算制动信号灯开关的制动报警区间

计算封闭环公差通常有两种方法，极值法和统计法。当组成环的环数较少时，以极值法的算法为准。极值法计算尺寸链是以保证完全互换为基本出发点，而不考虑各环实际尺寸分布特性的影响。通常是由各组成环的极限尺寸计算出封闭环的极限尺寸，从而求得封闭环的公差。

根据尺寸链的概念，结合本结构中的实际情况组成封闭环，由于组成环的环数较少，所以采用极值法计算，按照理论计算公式得到了本文中封闭环的极限尺寸为：

3　试验验证该制动信号灯开关的制动报警区间

上述结论是在假设当磁铁的中心与霍尔传感器的中心重合时便可产生磁场这个前提下进行理论设计计算的，下面对该结果进行试验验证。根据上述理论及结果，为了减小误差，制造出对霍尔传感器的安装位置调整后的结构共6个产品样件，分别对这些产品样件进行试验验证，将得到的报警范围分别记录并取平均值，最后与理论计算相比较，校核设计的合理性。实验装置采用本单位现有的制动主缸综合性能试验台，整套结构模拟了汽车在行驶过程中进行刹车的状况，主要有驱动装置、负载装置、测量装置及连接管路组成。驱动装置用于模拟制动踏板力，他的推杆头部与实车的样件推杆头部尺寸规格致，推杆与样件轴线夹角不大于2°，驱动装置可以推动活塞运动，然后由测量装置检测活塞移动的位移，同时测量装置还可以检测霍尔传感器的接通点和断开点，即制动报警区间，该测量装置的有效测量数值均不低于需要测量的值，测量的相对误差不大于1%。该整套实验装置如图5所示。下面以1号样件为例，得到了在该实验装置上进行试验的制动信号灯开关的制动报警区间实验曲线如图6所示，测得的报警区间为1.60mm～2.41mm。满足汽大众主机厂的制动报警区间为0.6mm～3.75mm的要求。本次试验对6个产品样件都进行了测量，得到的结果如表1所示。由该表中的数据可以看出试验测得的报警区间的平均值为1.64mm～2.34mm，处于主机厂要求的中间范围。同时试验得到的结论与理论计算得到的结论相致，结果也较符合，从而验证了理论计算的合理性。

表1　样件的制动报警感应点统计表

图5　制动主缸综合性能试验台

图6　制动信号灯开关的制动报警区间曲线

4　结论

本文在普通的柱塞式制动主缸的基础上增加了制动信号灯开关结构，实现了在制动主缸上对汽车发生制动而产生报警信号，可以对制动信号的发生位置进行控制。文中对该装置的结构及工作原理进行了详细的介绍，通过尺寸链的方法理论计算了该制动信号灯开关的制动报警区间，得到了对霍尔传感器的安装位置进行进后的报警区间为1.625mm～2.375mm，此时报警区间处于主机厂要求的中间范围，结果较好。最后按照理论计算中得到的进后的结构制作了6个产品样件，并对该样件进行试验验证，得到了6个样件的制动报警范围的平均值为1.64mm～2.34mm。该结果与理论计算得到的结果相致，即报警区间处于主机厂要求的中间范围，结果较好，且理论计算误差在1.5%以内。从而验证了理论计算的合理性及该方案的可行性，也满足汽大众主机厂的要求。

参考文献：

[1] 陈家瑞.汽车构造[M].北京:机械工业出版社,2007:402-405.

[2] 李春成,梁红玉.制动信号灯常见故障排除及进[J].汽车实用技术,2004,(3):48-49.

[3] 宫建,徐继福,王红梅,等.汽车制动主缸内置磁环保护装置:中国,200620149553.4[P].2008-01-09.

[4] 张晓健.浅谈柱塞式超短液压制动主缸[J].中国高新技术企业,2011,(19):72-73.

[5] 宫建,柳恩芬.柱塞式汽车制动主缸用插入式固定挡圈装置:中国,200620173008.9[P].2008-01-02.

[6] 阎艳,余美琼,王国新,等.平面尺寸链公差分析算法研究[J].北京理工大学学报,2011,31(7):799-802.

[7] 张玉,刘平.几何量公差与测量技术[M].沈阳:东北大学出版社,2003:247-260.

作者简介：宋晓峰（1986 -），女，助理工程师，硕士，主要从事汽车制动系统研究。

收稿日期：2015-09-28

中图分类号：TP277

文献标识码：B

文章编号：1009-0134(2016)03-0067-04