刹车真空助力器工作原理

刹车真空助力器工作原理

详解真空助力制动系统的真空泵技术

汽油发动机在进气歧管可以产生较高的真空压力，而在柴油发动机和汽油直喷发动机需安装真空泵提供真空来源，满足真空助力制动系统要求。
真空助力制动系统
乘用车和轻型商用车的制动系统主要采用液压作为传动媒介，与可以提供动力源的气压制动系统相比，其需要助力系统来辅助驾驶员进行制动。真空制动助力系统也称作真空伺服制动系统，伺服制动系是在人力液压制动的基础上加设一套由其他能源提供制动力的助力装置，使人力与动力可兼用，即兼用人力和发动机动力作为制动能源的制动系。在正常情况下，其输出工作压力主要由动力伺服系统产生，因而在动力伺服系统失效时，仍可全由人力驱动液压系统产生一定程度的制动力。
如图1所示为某轿车的真空助力式（直动式）伺服制动系回路图，它采用了左前轮制动油缸与右后轮制动油缸为一液压回路、右前轮制动油缸与左后轮制动油缸为另一液压回路的布置，即为对角线布置的双回路液压制动系统。真空助力器气室与控制阀组合的真空助力器在工作时产生推力，也同踏板力一样直接作用在制动主缸的活塞推杆上。

其中核心部件真空助力器的工作过程是：在非工作的状态下，控制阀推杆回位弹簧将控制阀推杆推到右边的锁片锁定位置，真空单向阀口处于开启状态，控制阀弹簧使控制阀皮碗与空气阀座紧密接触，从而关闭了空气阀口。此时真空助力器的真空气室和应用气室分别通过活塞体的真空气室通道与应用气室通道经控制阀腔处相通，并与外界大气相隔绝。发动机起动后，发动机的进气歧管处的真空度上升，随之，真空助力器的真空气室、应用气室的真空度均上升，并处于随时工作的准备状态。
当进行制动时，踩下制动踏板，踏板力经杠杆放大后作用在控制阀推杆上。首先，控制阀推杆回位弹簧被压缩，控制阀推杆连同空气阀柱往前移。当控制阀推杆前移到控制阀皮碗与真空单向阀座相接触的位置时，真空单向阀口关闭。此时，助力器的真空气室、应用气室被隔开。此时，空气阀柱端部刚好与反作用盘的表面相接触。随着控制阀推杆的继续前移，空气阀口将开启。外界空气经过滤气后通过打开的空气阀口及通往应用气室的通道，进入到助力器的应用气室（右气室），伺服力产生。由于反作用盘的材质（橡胶件）有受力表面各处的单位压强相等的物理属性要求，使得伺服力随着控制阀推杆输入力的逐渐增加而成固定比例（伺服力比）增长。由于伺服力资源的有限性，当达到最大伺服力时，即应用气室的真空度为零时（即一个标准大气压），伺服力将成为一个常量，不再发生变化。此时，助力器的输入力与输出力将等量增长；取消制动时，随着输入力的减小，控制阀推杆后移，真空单向阀口开启后，助力器的真空气室、应用气室相通，伺服力减小，活塞体后移。就这样随着输入力的逐渐减小，伺服力也将成固定比例（伺服力比）的减少，直至制动被完全解除。

真空泵的组成和工作原理
对于真空助力系统的真空来源，装有汽油发动机的车辆由于发动机采用点燃式，因此在进气歧管可以产生较高的真空压力，可以为真空助力制动系统提供足够的真空来源，而对于柴油发动机驱动的车辆，由于发动机采用压燃式CI（Compression Ignition cycle），这样在进气歧管处不能提供相同水平的真空压力，所以需要安装提供真空来源的真空泵，另外，对于为了满足较高的排放环保要求而设计的汽油直喷发动机GDI（Gasoline Direct Injection），在进气歧管处也不能提供相同水平的真空压力来满足真空制动助力系统的要求，因此也需要真空泵来提供真空来源，真空泵在系统中的位置如图3所示。
真空泵主要由泵体、转子、叶片以及进排气口等部分组成，如图4所示，以单叶片真空泵为例，当驱动扭矩通过发动机凸轮轴和真空泵连接器来使转子旋转，从而带动塑料的单叶片沿着真空泵容腔的轮廓，并以容腔的偏心位置进行转动，图4位置的单叶片的上侧分为两个容腔，左侧为真空腔，随着单叶片的旋转其容腔的容积越来越大，从而产生真空度同时通过与真空助力器相连接并带有单向阀的进气口使真空助力器增加真空度，右腔为压缩腔，随着单叶片的旋转其容腔的容积越来越小，将润滑油和从真空助力器中抽取的空气压缩到发动机。来自发动机的润滑油从转子中心进入来润滑真空泵容腔和相应的部件，并起到对单叶片上的浮动端子和容腔轮廓之间的密封作用。
在汽车领域的制动助力真空系统应用的真空泵，其主要类型有以下几种：单叶片式真空泵、柱塞式真空泵和多叶片式真空泵，其中单叶片式真空泵和多叶片式真空泵应用的较多。这三种真空泵的主要驱动形式如下：
单叶片式真空泵的驱动形式一般为发动机凸轮轴驱动。
柱塞式真空泵的驱动形式一般为凸轮驱动。
多叶片式真空泵的驱动形式一般为皮带、发电机、齿轮和电机。

真空泵的技术特点
为真空助力器系统提供真空来源的真空泵，其技术特点主要有：
1．由于真空泵的驱动源来自发动机的凸轮轴，因此应对其连接触点和执行部件进行加载动态分析，根据客户提供的发动机凸轮轴振动谱和输入扭矩进行动态分析，保证其在动态载荷下的可靠性。
2．通过对真空泵的动态分析，可以获得发动机凸轮轴和真空泵连接器的接触点的加载值，从而根据接触点的加载输入数据对真空泵的连接部件和执行部件进行静态分析和疲劳分析保证其可靠性。
3．真空泵容腔的轮廓对叶片的加速度和减速度、叶片与轮廓之间的摩擦、功率的消耗，NVH振动和噪声等都有较大影响。因此容腔的轮廓设计非常重要，威伯科公司通过真空泵轮廓设计优化软件对其进行最优化设计，可以获得唯一最优的容腔轮廓。

通过最优化设计获得的真空泵特有的唯一轮廓参数可以优化以下性能：使加速度过渡更加平顺；降低发动机功率的消耗；降低振动和噪声；降低零部件之间的磨损；延长真空泵的使用寿命。
4．在真空泵的主要应用类型中，其中单叶片式真空泵应用最多，因为单叶片真空泵有其无法替代的优点：基于高的成本有效率的设计；较低的发动机功率消耗，对节能有着重要的意义；在适用的温度范围内更加有效的真空性能、较高的耐用性、较低的润滑油流量、重量轻和零部件少、较低的振动和噪声。
5．单片式真空泵与多片式真空泵的对比
叶片式真空泵的单叶片和多叶片，各自有其不同的技术特点，其中单叶片真空泵主要应用在转速较低的范围，而多叶片真空泵主要应用在高转速的范围领域，如图6所示。单叶片和多叶片真空泵的特点对比如附表所示。