单膜片、双膜片真空助力器的结构和工作原理上课讲义

2.1真空助力器的结构和工作原理真空助力器是汽车制动系统中的重要部件， 装在汽车制动踏板推杆和制动主缸之间，利用辅助真空泵产生的真空或者发动机进气歧管真空，使真空腔和大气腔产生压力差，从而产生伺服力，减轻司机制动时的脚踏力，缩短制动距离。 真空助力器的真空源一般是发动机的进气歧管，有一部分是安装了真空泵作为真 空源。在制动系统中，真空助力器简图如图 2.1所示：iii.讥卫器后制动探图2.1助力器简图对于单膜片和双膜片真空助力器的控制阀部分的工作原理是相同的。控制阀部分的结构如图2.2 :图2.2真空助力器控制阀部分的结构简图具体的结构工作过程如下：制动的时候，踩下制动踏板。由驾驶员给予的制动踏板上的脚踏力经过踏 板杠杆比放大。放大后的力经过控制阀推杆。这时，推杆回位弹簧受推杆上力的 作用被压缩、控制阀推杆推动控制阀活塞（柱塞）向前移动。当控制阀橡胶皮碗 与真空阀座相接触的时候，真空阀关闭了。控制阀推杆上的橡胶皮碗从接触真空 阀座后，逐渐产生变形。这时候，控制阀的空气阀口继续前移，空气阀口准备开 启。随后，空气阀口初产生变形。这是真空助力器升压时所在的平衡位置。此时 控制阀活塞端部是还没有与反馈盘的主面接触的。控制阀推杆继续向前移动，空气阀打开。外界的空气经过滤清圈后通过此时打开的大气阀进入真空助力器的大 气腔。伺服力即助力，此时产生了。这时，反作用盘的主面即与推杆活塞即将接 触的反馈盘的作用面还没有与柱塞活塞的断面接触。助力器还没有能够到达平衡 状态。空气进入大气腔后，大气腔的气压的到改变，伺服膜片产生伺服力，使得 反作用盘的副面受力。而主面没有受力，这样，受力的不同，反馈盘的主面向后 凸起。当到达副面产生的助力的大小能促使主面凸起的高度到达与活塞推杆的作 用块接触时，助力器达到这时的平衡位置了。随后，随着输入力推杆传递的输入力越来越大， 这时的助力成固定比例（助 力比）增加，在特性曲上为一斜率为助力比与助力器效率的乘积的直线。由于大气气压是固定值，当达到最大助力点时，即大气腔的气压等于外界的大气压强时， 助力将不会发生改变。这时候的助力器的输入力与输出力等比例增加（不考虑真 空助力器的效率）。这时，向后凸起的主面将在柱塞力的挤压作用下，逐渐减小 向后凸起的高度。当输入力推杆上的力足够大时，反馈盘的主面到达与副面平衡 的位置。之后，反馈盘的主面甚至开始向反方向凸起。这时候，空气阀打开的程 度越来越大，助力器的大气腔（变压腔）与外界空气完全相通，取消制动时随着 输入力的减小。控制阀活塞向后退移动，但是伺服力这个时候还是固定值， 大气 阀口的间隙越来越小，知道刚好关闭的位置，并随之产生变形。但是，这个时候 的位置并不是降压过程的平衡位置。输入力接着继续减小，真空阀口关闭。此时， 真空助力器就处在降压曲线中的平衡点位置。 升压的平衡位置与降压的平衡位置 有一个差值。这是由于真空阀与大气阀的两个材料的变形引起的。大小是两个变形值的和。真空阀打开后，助力器的真空腔和大气腔相通，真空腔的真空度逐渐下降，助力逐渐减小了。此时的活塞体向后移动。在这个降压的过程当中。大气 阀阀口始终是变形的，但是真空阀没有变形。到了反馈盘主面作用力为零的时候, 真困难该助力器最后达到了最后的平衡位置。若是这是真空助力器输入力推杆继续向后退，助力器的平衡被打破。回复到初始的原始状态即非工作状态。2.1单膜片真空助力器的结构和工作原理单膜片真空助力器的结构如图2.3所示:前腔-后壳体助力活塞体主缸顶杆活塞回位弹簧（.）前壳体真空密封圈反馈盘空气阀体一irI 一后腔, 通道, _-空气阀口 ._控制阀回位弹簧（卜）鶴害1推杆真空阀口通道后壳密封圈控制阀皮碗-控制阀推杆-控制阀皮碗压簧r-皮膜膜片衬板锁片真空管图2.3 单膜片真空助力器结构真空助力器主要由壳体、膜片、控制阀、活塞体、控制阀推杆、反馈盘等 组成。真空助力器通过后壳体上的螺栓固定在汽车的前围板上，通过前壳体上的 螺栓与制动主缸连接。膜片把伺服室分隔成前后两腔，前腔通过真空管与发动机 的进气歧管连接。1）非工作状态当真空助力器处于非工作状态时，制动踏板推杆没有力的作用，控制阀和活 塞体之间的真空阀开启，柱塞与橡胶皮碗组成的大气阀关闭，前后腔通过活塞体 的通道A和真空阀口连通，当发动机工作时，前后腔空气被抽空，都保持真空状图2.4非工作状态2）工作状态刚才下制动踏板，给输入力推杆一定的力时，控制阀推杆在力的作用下向前运动，同时，控制阀回位弹簧与控制阀皮碗弹簧被压缩，在弹簧的作用下，控 制阀阀座向前移动，真空阀口关闭，这样，前后两腔隔绝。继续给踏板增加踏板 力，控制阀座与柱塞分离，空气阀开启，外界空气通过滤圈、通道B进入后腔,从而使助力器前后两腔产生压力差，该压力差作用在膜片上。膜片的有效面积产 生伺服力，回位弹簧的作用力和产生的伺服力方向相反，伺服力除了克服回位弹 簧回位力的作用外，其余的力通过反馈盘作用在主缸推杆上， 用于推动主缸活塞 运动。此时，反馈盘内圈受到柱塞的挤压力而变形。图2.5工作状态3 ）平衡状态当空气继续进入大气腔，反馈盘外圈受到活塞体的作用力越来越大，压力 也越来越大，此时，反馈盘内外圈受到的压力是不一样的， 空气通道因此能继续 开放，大气能继续进入后腔。空气的继续进入，使得反馈盘内外圈受到的压强差 越来越小，当内外圈压强相等的时候，在制动主缸推杆的反作用力的作用下， 柱 塞（空气阀座）向后（右）移动，直至空气阀座与控制皮碗接触压紧，空气阀关 闭，此时，助力器达到平衡状态。平衡状态时，前后腔隔绝，A通道关闭。图2.6平衡状态把三个状态用一个表格描述，即:大气阀真空阀真空腔大气腔反馈盘两腔关系非工作状态关闭开启有真空度有真空度未变形连通工作状态开启关闭有真空度大气进入变形量不等未连通平衡状态关闭关闭有真空度无真空度变形量相等未连通表1单膜片真空助力器三个工作状态时的相互关系2.2双膜片真空助力器的结构和工作原理双膜片真空助力器的结构如图2.7所示：图2.7双膜片真空助力器结构1-六角螺母2-弹簧垫圈3-主缸顶面板4-真空口防尘套 5-前壳总成6-前壳密圭寸胶 圈7-前壳密封胶圈骨架 8-前壳弹性挡圈9-前橡胶膜片衬板 10-橡胶膜片11-后橡 胶膜片衬板12-后橡胶膜片13-连接滑套14-后壳总成15-0形密封圈16-0形密封接套固定圈 30- 后腔内套盘 31 膜片垫圈 32-O 形密封圈 33- 锁母 34- 回位弹簧35-主缸顶杆总成 36-前防尘套橡胶阀座色橡胶阀座弹簧 弹簧座控制阀推杆(55压缩弹簧 弹簧座 空气阀座双膜片真空助力器的部件主要由前壳体、 后壳体、 前后橡胶膜片、 活塞体、 回位弹簧、柱塞、橡胶皮碗、反馈盘、主缸推杆、输入踏板推杆、中间隔板等组 成。双膜片真空助力器与单膜片真空助力器两者的工作原理相似， 都是通过气压 差产生力作用。 但是，双膜片真空助力器比单膜片真空助力器在活塞体上多了导 气机构，多了一块把气室分隔成前后两气室的中间隔板等。2.3 方案设计此设计所采用的方案设计如图 2.7 所示。图 2.8 本方案双膜片真空助力器结构1. 连接叉 2. 螺母 3. 挡圈 4. 防尘罩 5. 后壳气封 6. 后壳气封支承圈 7. 后壳气封挡圈 8. 螺杆 9. 后壳体 10. 后膜片 11. 后膜片衬板 12. 中间隔板 13. 隔板气封 14. 隔板气封支承圈 15. 气封挡圈 16. 前膜片衬板 17. 前膜片 18. 前膜片挡圈 19. 前壳体 20. 前壳加强板 21. 回位弹簧 22. 主缸推杆 23. 推杆螺栓 24. 前壳气封 25. 前壳气封支承圈 26. 气封挡圈 27. 反馈盘 28. 回位弹簧座 29. 真空管 30. 推杆活塞作用块座 31. 推杆活塞作用块 32. 推 杆活塞挡圈 33. 推杆活塞 34. 后膜片挡圈 35. 控制阀弹簧 36. 橡胶皮碗37. 橡胶皮碗座 38. 推杆回位弹簧 39. 推杆回位弹簧座 40. 滤清圈 41. 活塞体 42. 消声圈 43. 输入力推杆该方案与其他方案不同的地方在于，它没有用锁片定位推杆活塞（柱塞） 而是在推杆活塞的末端加一个轴向挡圈， 推杆活塞由轴向挡圈限制其向右的极限 位置。在推杆活塞的末端， 有一块作用块。 该作用块的半径与推杆活塞的半径相 等，作用块由一作用块座限制其径向位移。如图 2.11 所示为该结构的放大图：2.11 反应盘部分的结构图 由上图可以看出，没有工作时，反应盘与柱塞作用块之间有一段间隙，这 段间隙是必须有的，防止作用块与反应盘长时间接触挤压，消耗反应盘的作用。 这个间隙大约是 1mm。该方案的通气通道都是在活塞体上实现的，在活塞体中部与中间隔板接触 的附近有一个大小适宜的孔， 连通着两个真空腔。 在活塞体的斜角的地方， 有一 个扁形的通道，连接着两个大气腔。大气腔和真空腔的连通是通过真空阀实现的， 这和普通的真空助力器一样。 助力器的真空源是发动机， 与发动机的进气歧管相 连。双膜片真空助力器的中间隔板、前后壳体是铆接的，过盈密封配合，中间隔 板与中间隔板的气封组件式通过铆接连接过硬密封的。中间隔板是固定不动的， 可以在活塞体上滑动。下面从三个工作状态对工作实现方式进行说明。1） 非工作状态图 2.8 非工作状态 双膜片真空助力器处于非工作状态时，即驾驶员没有踩下制动踏板，输入 推杆没有力的作用时， 双膜片真空助力器的真空阀处于开启状态， 柱塞和橡胶皮 碗组成的大气阀关闭， 外界大气与气室隔绝。 此时，前真空腔通过通道 A 与后真 空腔相连通，前大气腔与后大气腔通过通道 D相连通。而此时，真空腔与大气腔 通过真空阀和通道C相连通。因此，四个腔此时都是连通的，气压一样，没有压 差。当发动机工作时， 由于真空助力器真空阀口与进气歧管相连， 在发动机的作 用下，四个腔的空气被抽走，造成一定真空度。2）工作状态图 2.9 工作状态当踩下制动踏板，输入推杆受到了力的作用，输入推杆推动柱塞轴向向前 移动，橡胶皮碗与真空阀座接触，真空阀关闭，前后真空腔与前后大气腔断开， 但是前真空腔与后真空腔还是连通的， 前大气腔和后大气腔也是连通的。 与此同 时，大气阀座与橡胶皮碗分离，大气阀打开，空气通过大气阀，再通过通道 C 进入后大气腔。因为后大气腔与前大气腔通过通道 D连通，所以空气就能进入前 大气腔，此时，前后大气腔的压力逐渐改变。然而由于真空腔的气压没有改变， 这样，在真空腔与大气腔之间就产生了气压差， 气压差通过前后膜片的作用产生 了压力差， 压力差作用在活塞体上， 活塞体在这个压力差的作用下向左移动。 该 压力差除克服回位弹簧的抗力外， 其余部分通过反作用盘作用在主缸推杆上， 使 主缸推杆获得力的作用向左轴向运动， 推动主缸活塞移动， 产生油压差， 产生制 动力。3）平衡状态图 2.10 平衡状态当空气继续进入大气腔，反馈盘外圈受到活塞体的作用力越来越大，压力 也越来越大， 此时，反馈盘内外圈受到的压力是不一样的， 空气通道因此能继续 开放，大气能继续进入后腔。 空气的继续进入， 使得反馈盘内外圈受到的压强差 越来越小， 当内外圈压强相等的时候， 在制动主缸推杆的反作用力的作用下， 柱 塞（空气阀座）向后（右）移动，直至空气阀座与控制皮碗接触压紧，空气阀关闭，此时，助力器达到平衡状态。平衡状态下，大气阀关闭，真空阀关闭，两真 空腔连通，两大气腔连通。把此三个状态下的相互关系用一个表格表达:大气阀真空阀反馈盘真空腔和大气腔关系非工作状态关闭开启未变形量不等连通工作状态开启关闭变形未连通平衡状态关闭关闭变形量相等未连通表2双膜片真空助力器三个状态下的相互关系