汽車液壓制動主缸的發展演變過程及其結構特點

彭建成

(浙江亞太機電股份有限公司，浙江 杭州 311203)

0 引言

自從德國人卡爾·本茨在1885年研制成功第一輛單缸三輪汽車開始，汽車已經伴隨著人類社會的發展經歷了120多年的時間［1］。制動系統作為汽車的關鍵安全系統，一直伴隨著汽車的發展進步在不斷地更新發展，作為液壓制動系統工作能量的輸出心臟，汽車液壓制動主缸也在不斷地發展改進［2］。

圖1是液壓制動主缸在整車上的位置，它的發展變化主要經歷了單管路制動主缸、帶殘余壓力閥制動主缸、雙腔制動主缸和汽車防抱死系統ABS用制動主缸的發展過程，其每個階段又有針對不同使用要求而開發的不同結構形式。文中即對各種液壓制動主缸的發展過程、結構形式、工作原理及其制造要點進行分析說明。

1 早期制動主缸

該類主缸屬于最初期的結構形式，在中國應用于汽車工業的首批汽車，它主要分為單腔和雙腔兩種結構，單腔分為普通型和帶殘余壓力閥型。圖2為該類主缸的系統布置圖。

雙腔分為普通型、緊湊型和帶比例閥功能主缸。圖3為該類主缸的系統布置圖，圖4為該類主缸的典型結構，圖5為帶比例閥功能主缸的典型局部結構。

早期類型主缸目前均已逐步被淘汰，文中僅對帶比例閥功能的主缸作簡單說明。比例閥功能主缸是為滿足汽車在制動時對前后輪制動力的比例分配要求［3］，提高其制動效能，充分利用地面和汽車輪胎的摩擦力(附著力)而設計出來的，能對后輪的輸入、輸出液壓按圖6輸出［4］。

2 柱塞式雙腔制動主缸

2.1 柱塞式主缸簡述

柱塞式主缸分為普通柱塞式主缸、短型柱塞式主缸(圖7)和缸體結構優化后的主缸(圖8)。文中僅對短型柱塞式主缸和缸體結構優化后的主缸作介紹。

2.2 結構特點

補償孔在活塞上的柱塞式雙腔制動主缸(以下簡稱柱塞式主缸)是為解決有些汽車布置空間狹小，無法安裝傳統制動主缸的車型而設計的，它具有結構緊湊、短小精悍的特點，它的內部結構就如同電視機的天線，零件相互套在一起，所以可像天線一樣伸縮自如，有效地節約了產品的軸向空間，它的長度只有傳統主缸的一半左右。同時它又可以滿足汽車安裝ABS(防抱死制動系統)和ESP(電子穩定系統)的要求。具有傳統主缸無法比擬的優點，但由于這種主缸加工比較困難，工藝難度較大，所以目前應用范圍不大，國內目前在做該主缸的公司寥寥無幾。不過通過近一二年的努力，該結構主缸通過不斷地結構優化和工藝改進，已經越來越顯露出取代所有其他結構主缸的趨勢，成為所有汽車的首選結構。

2.3 工作原理

如圖7所示，在原始狀態，制動液通過供液腔、補償孔進入制動腔，工作時推動活塞左移，當補償孔通過主皮碗時，制動腔開始建壓，制動液由出油口泵入制動管路內。

2.4 與傳統主缸的區別

(1)軸向安裝長度短

如圖8所示，由于其內部零件均相互套在一起，所以總成長度可以做得很短，長度只有傳統主缸的一半左右。

(2)柱塞式主缸可直接配ABS使用

由于ABS工作時需將減壓過程中排出的制動液重新泵入制動主缸［5］，傳統制動主缸活塞由于主缸內液壓的變化反復往返運動，特別是在低附著系數路面制動時，主皮碗運動區域離補償孔很近，甚至于在補償孔處往復運動，當主皮碗處于補償孔位置時，制動腔的高壓將皮碗擠入補償孔內，高壓脈動極易破壞傳統主缸主皮碗，造成制動失效。而柱塞式主缸由于將補償孔布置到了活塞上，所以活塞在運動過程中補償孔經過主皮碗時，其兩側的壓力是相同的(圖9)，從而杜絕了主皮碗的這一破壞形式，其推廣使用將大大提高汽車制動系統的使用壽命，同時滿足ABS對制動主缸的要求，令汽車行駛更加安全可靠。

(3)可以滿足ESP(電子穩定系統)對制動主缸大流量的要求

由于ESP工作時需要主缸瞬間提供大流量的制動液用于主動制動［6］，而柱塞式主缸在活塞上可以布置大量的補償孔(圖8)，所以能夠輕易地滿足該要求，而普通補償孔式和中心閥式制動主缸無法大量布置油道，所以目前采用ESP的汽車的趨勢為采用柱塞式主缸。

2.5 柱塞式主缸的制造要點

生產這類主缸的關鍵控制點是必須在保證主皮碗與活塞的密封性的前提下，還需要保證制動液可以通過主皮碗補入制動腔內，同時制造時須控制缸孔、滑套和活塞的尺寸、形位公差，防止活塞運動時卡死。

3 中心閥式雙腔制動主缸

該類主缸主要是為了配合汽車ABS使用而研制開發，其制動系統布置方式如圖10［7］所示，主要用于帶防抱死系統ABS的汽車使用。

3.1 結構特點

中心閥式制動主缸是為解決原制動主缸密封主皮碗易于破壞、壽命相對較短這一缺點而開發設計，特別是裝有ABS(防抱死制動系統)的高檔汽車，由于ABS工作時需將減壓過程中排出的制動液重新泵入制動主缸，制動主缸活塞由于主缸內液壓的變化反復往返運動，特別是在低附著系數路面制動時，主皮碗運動區域離補償孔很近，甚至于在補償孔處往復運動，高壓脈動極易破壞制動主缸主皮碗，造成制動失效。而該產品由于取消補償孔而采用了中心閥結構，所以杜絕了主皮碗的這一破壞形式，其推廣使用將大大提高汽車制動系統的使用壽命，滿足ABS對制動主缸的要求，令汽車行駛更加安全可靠。

3.2 與原制動主缸的區別

中心閥式制動主缸與原制動主缸的區別在于中心閥式制動主缸有中心閥，無補償孔;而原制動主缸有補償孔，無中心閥。原制動主缸工作時主皮碗在補償孔附近反復往返運動，主皮碗容易被割傷破壞，特別是裝有ABS的高檔汽車，由于ABS工作時需將減壓過程中排出的制動液重新泵入制動主缸，制動主缸活塞由于主缸內液壓的變化反復往返運動，特別是在低附著系數路面制動時，主皮碗運動區域離補償孔很近，高壓脈動極易破壞制動主缸主皮碗，造成制動失效。而該產品由于取消補償孔而采用了中心閥結構(圖11)，主皮碗的反復往返運動將不必通過補償孔，而是在光滑的缸孔內運動，所以將大大提高主缸使用壽命。

3.3 工作原理

如圖12所示，在原始狀態，制動液通過供液腔、中心閥孔進入制動腔，工作時推動活塞左移，當中心閥關閉時，制動腔開始建壓，制動液由出油口泵入制動管路內。

3.4 中心閥式主缸的制造要點

該類主缸在制造時在滿足串列雙腔制動主缸制造要點的同時，還需特別注意控制中心閥總成和活塞閥密封面的尺寸、形位公差，防止中心閥低壓0.02 MPa以下的泄漏，并且須保證中心閥在裝配后能運動自如無卡阻。中心閥的密封性對清潔度偏差很敏感，主缸內部清潔度應符合表1規定，才能確保中心閥的密封性能。

表1 兩種結構型式下的清潔度

總成內部雜質:金屬不大于總雜質的50%，顆粒不大于70 μm;

非金屬不大于總雜質的50%，顆粒不大于600 μm。

中心閥預壓彈簧的預緊力F除以中心閥的密封面積即中心閥被反向打開油壓的壓強，推薦小于0.03 MPa，以利于加快制動液補償，提高主缸的回位速度，同時能提高人工加注制動液的速度。

4 總結

根據以上介紹的制動主缸的主要類型，不難發現主缸的發展演變主要按以下方式進行:

(1)整車制動安全對主缸要求的不斷提高而作的改進，包括安全性、可靠性以及其余制動原件的設計改進而對主缸所提出的新要求。

(2)主缸自身的質量改進，使之不斷朝性能更優、成本更低、外形更小等要求發展。

(3)隨著汽車ABS(防抱死制動系統)的不斷普及，以及對制動系統性能、壽命穩定性要求的不斷提高，預計中心閥式制動主缸和超短型主缸將得到普及，極有可能會代替所有類型的制動主缸而成為制動主缸的主導產品。

(4)隨著汽車ESP(電子穩定系統)的不斷推廣，對汽車快速主動制動要求，柱塞式制動主缸成為汽車制動的所選主缸結構。

(5)隨著電子駐車系統EPB(Electrical Park Brake)及其他電控系統的不斷普及，在制動主缸上增加活塞位置傳感器的結構也已經有了少量的使用。

【1】汽車百科全書編纂委員會．汽車百科全書［M］．北京:機械工業出版社，1992．

【2】QC/T 311-2008汽車液壓制動主缸性能要求及臺架測試方法［S］．北京:中國計劃出版社，2008．

【3】GB12676-1999汽車制動系統結構、性能和試驗方法［S］．北京:中國標準出版社，2005．

【4】劉惟信．汽車制動系的結構分析與設計計算［M］．北京:清華大學出版社，2004．

【5】張豫南．汽車防抱死系統(ABS)結構原理與維修［M］．北京:中國物資出版社，1996．

【6】馮淵．汽車電子控制技術［M］．2版．北京:機械工業出版社，2005．

【7】陳家瑞．汽車構造(下冊)［M］．北京:機械工業出版社，2001．