液压制动系统气压助力器总成研发

李同占，封万程，刘永传

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林 长春 130011）

前言

传统轻型载货汽车的液压制动系统多采用真空助力器总成，因真空助力器总成受结构、尺寸以及大气压强的限制，仅能应用于小吨位的轻型载货汽车；同时针对国五、国六排放标准，轻型载货汽车需配有高压气源作为尿素供给系统的驱动，因此利用气压助力器来替代真空助力器，采用气压助力系统提高液压制动性能是轻型载货汽车液压制动系统改进的重大课题。

1 气压助力器总成结构及原理

轻型载货汽车的液压制动系统一直存在制动踏板感觉差、制动信心不足等问题；即使有产品的气压助力器可提高制动系统性能，由于未采用柔性件实现气压助力器随动平衡导致制动性能不稳定；因此可参考气压制动系统的制动主阀结构来实现气压助力器的进气随动平衡，从而在提高制动系统性能的同时能够改善制动踏板感觉。

气压助力器总成在未制动状态时，高压空气通过进气座进气口进入到C腔，由于阀门处于关闭状态，从而隔绝高压空气进入A腔，此时A腔、B腔均为大气压强。

在制动状态时，踏板力传递到输入推杆，通过橡胶弹簧将力传递给活塞，活塞将阀门打开，高压空气进入到D腔，D腔内高压气体通过导套及阀体总成分布的通道进入A腔产生伺服力；由于助力平衡由橡胶弹簧和活塞来实现，使得伺服力随输入推杆输入力的逐渐增加而成固定比例增长，从而使制动时具有良好的随动性和操纵感。

图1 气压助力器总成结构

取消制动时，随着输入力的继续减小，A腔内高压空气通过导套及阀体总成分布的通道进入到D腔，再经过活塞与阀门间间隙、阀门中心孔到达B腔排入大气中，直至制动完全取消。

2 气压助力器性能计算

2.1 气压助力器平衡方程

当制动踏板使气压助力器输入推杆收到一定的输入力F0并使助力活塞达到一定行程时，阀门与阀体、活塞同时接触，进气通道和排气通道同时关闭，达到助力平衡状态。如图 2所示，可列出如下平衡方程：

式中：Fp—气压助力器输出力，N；F0—输入推杆的有效输入力，N；p0—气压助力器A腔与B腔压力差，MPa；A0—助力活塞的总面积；其直径为D0，mm；A2—导套的总面积；其直径为 D2，mm；F1—助力活塞回位弹簧力，N；F2—阀门回位弹簧力，N；F3—运动部件摩擦力，N。

图2 气压助力器结构简图

有效输入力F0是踏板作用于输入推杆的输入力F'0克服活塞回位弹簧力F4，的剩余部分，用来平衡D腔内作用于活塞上的高压气体，则有：

式中：A1—活塞的总面积；其直径为D1，mm。

将2式带入1式，则有：

2.2 气压助力器助力比计算

气压助力器助力比It是指气压助力器的输出力与有效输入力的比，其大小可用下列公式表示：

相对于气压助力器输出力Fp，助力活塞回位弹簧力F1、阀门回位弹簧力F2、运动部件摩擦力F3很小，助力比It用下列公式估算：

2.3 气压助力器特性曲线方程

由1式，考虑到气压助力器的效率η，则气压助力器在未达到最大助力点时的输出力Fp为：

通常，η取0.85～0.95。

当气压助力器达到最大助力点时，气压助力器A腔与B腔间压力差最大，即P0=p，则6式变为：

当气压助力器的输出超过最大助力点时，气压助力器A腔与B腔间压力差不变，7式中的P(A0-A2)为常数，气压助力器的输出力与输入力同步变化，因此7式也可以作为助力拐点以后输出力的计算公式。

所谓始动力是指气压助力器A腔与B腔间产生压力差，需要有效助力的产生，因此气压助力器始动力为克服活塞回位弹簧力F4，将活塞压靠于阀门并克服阀门回位弹簧力F2，此时阀门即将打开，高压气体进入助力器A腔产生有效助力，因此始动力Fb为：

3 气压助力器实例计算

3.1 整车参数

某轻型载货汽车整车参数如表1所示，制动器及制动主缸参数已知，不在本文赘述。

表1 整车参数

3.2 性能目标

a. 在0.7附着系数的路面上，助力拐点处管路压力满足总重8.5吨车辆制动抱死使用要求；

b.助力拐点处输入力不大于800N；

c.始动力不大于120N。

3.3 气压助力器结构参数

在进行气压助力器结构参数前，需要计算液压制动系统的最大有效压力，即前后轮同时抱死时的管路压力，通过计算最大有效压力P=16.5MPa，通过制动主缸缸径就可确定出助力拐点处助力器输出力Fp‘为15875N。按气压助力器的最低效率，则Fp=18676N。

助力活塞回位弹簧力 F1=356N；阀门回位弹簧力 F2=55N；运动部件摩擦力F3=196N；活塞回位弹簧力F4=35N。

受结构限制，气压助力器导套外径D2=56mm；设助力气压 p0=0.72MPa，由性能目标 b及助力拐点处助力器输出力Fp可得出活塞直径D2=36mm，助力活塞直径D0=190mm。

输入推杆的输入力F'0=767.5N；助力比It=26.4；始动力Fb=90N；因此气压助力器的特性曲线如图3所示。

图3 气压助力器特性曲线

3.4 影响气压助力器特性的因素

助力活塞直径和助力气压值决定着气压助力器工作能力，助力气压值越高，助力活塞直径越大，助力器最大助力值越大。

活塞直径和助力气压值决定着气压助力器拐点位置，助力气压值越高，活塞直径越大，助力拐点来得越迟。

助力活塞回位弹簧力、阀门回位弹簧力、运动部件摩擦力、活塞回位弹簧力影响着气压助力器工作能力，在保证运动部件复位的基础上，弹簧回位力尽量的小；同时阀门回位弹簧力、活塞回位弹簧力影响着始动力。

4 结论

本文对气压助力器结构及原理进行了阐述，对气压助力器结构简化后，计算其平衡方程、助力比以及特性曲线方程。

根据现有车型整车参数、制动器参数，以及整车制动性能开发目标；计算出气压助力器结构参数、并绘制出其特性曲线。

最后本文简略的分析了影响气压助力器特性的因素，本文内容可作为气压助力器开发的设计参考。

参考文献

[1] 黄国兴.双膜片真空助力器结构原理与性能计算.[J]汽车研究与开发.1995.08.

[2] 赵凯.汽车真空助力器的原理及参数计算.[J]汽车技术.2001.1.