应用真空助力泵的汽车制动系统关键技术研究

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学 位 论 文 应用真空助力泵的汽车 制动系统关键技术研究 李 宁 刘 杰 教授 东北大学机械工程与自动化学院 硕 士 学科类别： 专业学位 机械工程 2012年6月1日 论文答辩日期： 2012年6月27日 答辩委员会主席： 东 北 大 学 2012 年6 月

A Dissertation in Mechanical Electronic Engineering

The key technology research for brake system

of vehicles application of vacuum booster pump

By: Lining

Supervisor: Liujie

Northeastern University

June 2012

独创性说明

本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中所

取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

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应用真空助力泵的汽车制动系统关键技术研究

摘 要

随着汽车技术的发展，在汽车制动过程中，为提高制动效果、制动的安全性、

制动的平稳性及其舒适性，以及降低驾驶人员的操作强度，现代汽车制动系统广

泛采用伺服助力式液压制动，即真空助力器—制动主缸总成。在汽车行驶过程中，

仅仅由传统方式，即将在发动机进气歧管中产生的负压力导入到真空室中，因为

发动机进气歧管所能产生的真空度有限，当遇到紧急情况需要连续制动时，往往

真空助力器真空室内所积累的负压力，不足以满足制动要求，所以我们应用一个

真空泵来辅助为真空室提供足够的真空度。

本课题内容主要是研究应用真空泵汽车的整个制动系统的关键技术。其中包

括真空助力器的研究与改进，制动系统中液压系统的设计与研究，真空助力泵的

研究与数据计算，汽车制动系统中电气控制的研究。

在真空助力器的研究中，参考了单模片真空助力器的原理与结构，在单模片

真空助力器的基础上进行三维造型设计，并做出二维剖切投影图，最后对其进行

了一系列数据计算。

在液压系统的研究中，主要对制动主缸的结构和尺寸进行了详细的设计与计

算，另外，通过查阅相关资料，对制动轮缸、制动器和感载比例阀进行了选型和

安装。

在真空泵的设计中，参照了单级旋片真空泵和水环泵的结构和原理，在两者

的基础上进行结构的融合和改进，最终设计出此干式旋片泵。并且也做了大量的

公式推导与数据计算。

在电气控制的设计中，通过对汽车制动过程的研究，设计出应用真空助力泵

的汽车行车制动系统的控制流程图，并且设计了此种控制方法的硬件电路图。

通过本课题的研究，对于一辆已知用途和大小的车辆，通过对其制动系统关

键技术的研究，其中包括机械结构、液压系统、汽车理论、机械电子和真空系统，

如此，就能够自主开发出整套应用真空制动泵的汽车刹车系统。

关键词：真空助力泵，双模片，刹车系统，制动主缸

The key technology research for brake system of

vehicles application of vacuum booster pump

Abstract

With the development of automobile technology, during braking of the Vehicles,

to enhance the braking effect, safety, stability and comfort, and reduce the driver's

operating strength, a wide range of modern automotive brake systems servo assisted

hydraulic brake, the vacuum booster - brake master cylinder assembly. Over the

course of driving the car, just from the traditional way, will the engine intake

manifold negative pressure produced into a vacuum chamber, because the engine

intake manifold vacuum can generate is limited, as in case of emergency needs

continuous braking, the vacuum booster vacuum chamber is often accumulated

negative pressure, insufficient to meet the braking requirements, so we apply a

vacuum to assist the vacuum chamber to provide sufficient vacuum.

The design of the main vehicle for the application of the brake vacuum pump

system design. Including the vacuum booster design and improvement, the brake

system hydraulic system design and research, the vacuum booster pump data

calculation and design, and automotive braking systems of electric control.

In the vacuum booster design, the reference to the single-mode vacuum booster

chip principle and structure of the vacuum booster in the single-mode chip based on

the three-dimensional design, and then made into two-dimensional cutting projection,

made out the final assembly drawing .

In the hydraulic system design, the main brake master cylinder on the structure

and size of the detailed design and calculations, addition, through access to relevant

information on the brake wheel cylinders, brake and load sensing proportioning valve

to the selection and installation.

In the vacuum pump design, the reference to the single-stage rotary vane vacuum

pump and water ring structure and principle of the two structures on the basis of the

integration and improvement of the final design of the dry rotary vane pump. And

also made out the related three-dimensional modeling and animation.

In the design of electrical control, through the braking process of car design the

application of vacuum brake booster pump system of automobile traffic flow chart

and design the hardware circuit diagram of this control method.

Through this research project will develop a set of independent application of

vacuum brake pump brake system. Knowledge structure of the network will be

multi-disciplinary integration, the research process, including mechanical design,

hydraulic design, automotive design, mechanical electronics and vacuum design.

Key words: vacuum booster pump, brake system, brake master cylinder

目 录

摘 要 ................................................................................. V

Abstract ............................................................................... V

目 录 ................................................................................. V

第1章 绪论 ......................................................................... 1

1.1 汽车制动系统简介 ........................................................ 1

1.2 制动系统的分类与功用.................................................. 2

1.2.1按照制动系统的功用分类 .......................................... 2

1.2.2按照制动系统的制动能源分类 ................................... 3

1.2.3按照制动系统的能量的传递方式分类 ......................... 3

1.3 制动系统的发展现况 ..................................................... 3

1.4 提高制动性能的措施 ..................................................... 4

第2章 制动系统原理及助力器特性分析 ................................. 5

2.1制动系统工作原理 ......................................................... 5

2.2真空助力器简介............................................................. 6

2.3真空助力器工作原理及结构研究 ..................................... 7

2.3.1工作原理 ................................................................. 7

2.3.2助力器控制阀总成 ................................................... 10

2.4真空助力器的特性分析.................................................. 11

2.5双模片制动真空助力器的应用........................................ 13

第3章 液压—真空系统性能分析与设计计算 ......................... 16

3.1制动踏板简介 ............................................................... 16

3.2制动踏板的性能要求 ..................................................... 16

3.3液压传动原理及其组成.................................................. 18

3.3.1液压传动原理.......................................................... 18

3.3.2液压传动系统的组成................................................ 19

3.4制动主缸结构及其工作原理 ........................................... 20

3.5汽车总制动力的计算 ..................................................... 20

3.6液压制动主缸设计与计算 .............................................. 22

3.6.1工作负载与液压主缸推力 ......................................... 22

3.6.2主要结构尺寸计算 ................................................... 22

3.7制动主缸—真空助力器总成反求计算.............................. 23

3.7.1制动器中制动块受到的力 ......................................... 23

3.7.2制动主缸对制动块施加的力...................................... 24

3.7.3由制动主缸输出的液压力 ......................................... 24

3.7.4验证踏板力 ............................................................. 25

3.7.5真空助力器真空室的真空度...................................... 25

3.8制动主缸结构计算和校核 .............................................. 26

3.9制动器的分类、原理与选用原则 .................................... 27

3.10感载比例阀的结构与工作原理 ...................................... 28

第4章 真空泵的设计与研究................................................. 30

4.1旋片式真空泵简介 ........................................................ 30

4.2旋片真空泵的结构组成与抽气原理 ................................. 31

4.3电动真空泵的抽气原理与结构研究 ................................. 32

4.4电动真空泵的相关数据计算 ........................................... 33

4.4.1 真空泵名义抽速的确定 ........................................... 33

4.4.2 真空泵主要几何尺寸的确定 ..................................... 34

4.4.3真空泵所需功率计算................................................ 36

4.5电动真空泵零件材料的选择 ........................................... 37

4.5.1真空泵材料的基本性能 ............................................ 37

4.5.2材料的其它性能 ...................................................... 38

4.5.3真空材料的选材原则................................................ 39

第5章 真空泵电机的结构设计与研究 ................................... 41

5.1微电机的分类与结构形式 .............................................. 41

5.1.1微电机的分类.......................................................... 41

5.1.2几种常用微电机的结构形式...................................... 42

5.2微电机的结构特点与结构设计........................................ 45

5.2.1微电机的结构特点 ................................................... 45

5.2.2微电机的结构研究 ................................................... 47

第6章 电动真空泵的自动控制系统....................................... 49

6.1电动真空泵的自动控制方式 ........................................... 49

6.2控制系统的硬件部分 ..................................................... 52

6.2.1控制系统的硬件选择................................................ 52

6.2.2系统硬件设计与实现................................................ 53

第7章 结论 ........................................................................ 57

参考文献 ............................................................................. 58

致 谢 ............................................................................. 60

第1章 绪论

1.1 汽车制动系统简介

使行驶中的汽车减速甚至停车，使下坡行驶中的汽车速度保持稳定，以及使

已经停止行驶的汽车保持不动，这些作用统称为汽车制动[1]。

对汽车起到制动作用的是作用在汽车上，其方向与汽车行驶方向相反的外

力。作用在行驶的汽车上的滚动阻力、上坡阻力、空气阻力都能对汽车起到制动

作用，但这些外力的大小都是随机的、不可控制的。因此，汽车上必须装有一些

专门装置，以便驾驶员能根据道路和交通等情况，使外界（主要是路面）对汽车

某些部分（主要是车轮）施加一定的力，对汽车进行一定程度的强制制动。这种

可控制的对汽车进行的外力称为制动力，相应的一系列专门的装置即称为制动系

统。

制动系统是汽车的一个重要组成部分，他直接影响汽车的安全性。据有关资

料介绍，在由于汽车本身造成的交通事故中，制动故障引起的事故占事故总量的

45%。可见，制动系统是保证行车安全的极为重要的一个系统。

制动系的工作原理简介[2-3]

Fig.1.1 Brake system components

制动系统的一般工作原理是，利用与车身(或车架)相连的非旋转元件和与车

轮(或传动轴)相连的旋转元件之间的相互摩擦来阻止车轮的转动或转动的趋势。

（1）制动系不工作时

制动蹄间有间隙，车轮和制动鼓可自由旋转 。

（2）制动时

要汽车减速，脚踏下制动器踏板通过推杆和主缸活塞，使主缸油液在一定压

力下流入轮缸，并通过两轮缸活塞推动使制动蹄绕支承销转动，上端向两边分开，

而使其摩擦片压紧在制动鼓的内圆面上。 不转的制动蹄对旋转制动鼓产生摩擦

力矩，从而产生制动力 。

（3）解除制动

当放开制动踏板时回位弹簧即将制动蹄拉回原位，制动力消失。

图1.2 制动系统图示

Fig.1.2 Brake System icon

1.2 制动系统的分类与功用

1.2.1按照制动系统的功用分类

（1）行车制动系统[4-6]

行驶中的减低速度甚至停车的一套专门装置。

（2）驻车制动系统

使已经停止的汽车驻留原地不动的一套装置。

（3）第二制动系统

在行车制动系统失效的情况下，保证汽车仍能实现减速或停车的一套装置。

（4）辅助制动系统

在汽车下长坡时用以稳定车速的一套装置。

1.2.2按照制动系统的制动能源分类

（1）人力制动系统

以驾驶员的肌体作为唯一的制动能源的制动系统

（2）动力制动系统

完全由发动机动力所转化的气压或液压形式的势能进行制动的制动系统。

（3）伺服制动系统

兼用人力和发动机动力进行制动的制动系统。

1.2.3按照制动系统的能量的传递方式分类

机械式、液压式、气压式和电磁式等到几种。

本研究所涉及的制动系统按照制动系统的功用分类方式属于行车制动系统；

按照制动系统的制动能源分类方式属于伺服制动系统；按照制动系统的能量的传

递方式分类属于真空助力液压式伺服制动系统。

1.3 制动系统的发展现况

现代汽车制动器的发展起源于原始的机械控制装置[7-9]，最原始的制动控制

只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，那时的汽车重量比较

小，速度比较低，机械制动已经能够满足汽车制动的需要，但随着汽车自身重量

的增加，助力装置对机械制动器来说越来越显得非常重要。从而开始出现了真空

助力装置。

1932年生产重量为2860kg的凯迪拉克V16车四轮采用直径419.1mm的鼓式

制动器，并有制动踏板控制的真空助力装置。林肯公司也于1932年推出V12轿

车，该车采用通过四根软索控制真空助力器的鼓式制动器。随着科学技术的发展

及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，车辆制动有了新的突破，

液压制动是继机械制动后的又一重大革新。

DuesenbergEight车率先使用了轿车液压制动器，克莱斯勒的四轮液压制动器

于1924年问世，美国通用汽车公司和福特汽车公司分别于1934年和1939年采

用了液压制动技术。到20世纪50年代，液压助力制动器才成为现实。经过80

多年的发展，液压制动技术是如今最成熟、经济的制动技术，并应用在当前绝大

多数乘用车上。

汽车液压制动系统可以分为行车制动、辅助制动、伺服制动等，主要制动部

件包括制动踏板机构、真空助力器、制动主缸、制动软管、比例阀、制动器和制

动警示灯等。在制动系统，真空助力器、制动主缸和刹车制动器是最为重要的部

分，另外，汽车防抱死制动系统（ABS）也已经成为电子制动的标准配置。

1.4提高制动性能的措施

有汽车参与的交通事故中，事故的预防、事故的回避、乘客保护等安全领域

与汽车的运动性能有密切的关系。事故预防中起主要作用的是驾驶员，事故发生

瞬间对乘客保护主要是汽车的被动安全设备起作用，而事故的回避则与汽车的制

动控制系统有紧密的关系。在事故预防环节中人和环境的作用是主要的，在事故

回避环节中车的作用是主要的。在汽车中，提高安全性的制动控制系统除了ABS、

TCS、ESP（VSC、VDS）等，另外还有BAS（Brake Assist System，制动器辅助

系统）。

制动辅助系统BAS是当紧急刹车时，根据踩的速度、力度，制动系统自动

感知而输出更强的制动力。它的工作原理是，令刹车泵里的真空量增加，使你一

脚踩下去，制动力度大大提高，从而提高了驾驶安全性。即使车子已经熄火了，

它还会使刹车制动能力保持一段时间。它的功能是在紧急制动时，提供一个附加

的制动力来帮助没能及时形成较大制动力的驾驶员，制动助力加快制动踏板的移

动；当司机施加在制动踏板上的制动力不太大时，增加制动力，使车辆的紧急制

动性能最佳。有关调查显示，约有90％的汽车驾驶员紧急情况刹车时缺乏果断，

而BAS则能从驾驶员踩下制动踏板的速度，探测车辆行驶情况。紧急情况下，

当驾驶员迅速踩下制动踏板力度不足时，BAS便会启动，并在不足1秒的时间内

把制动力增至最大，从而缩短紧急制动刹车距离。

第2章 制动系统原理及助力器特性分析

2.1制动系统工作原理

本课题研究的制动系统采用的是对角线布置的双回路液压—真空助力制动系

统[10]，即在左前轮缸与又后轮缸为一液压回路，右前轮缸与左后轮缸为另一液压

回路。真空助力器安装于制动踏板和制动主缸之间，由制动踏板通过输入推杆直

接操纵。助力器与制动踏板产生的力叠加在一起，作用在制动主缸推杆上，以提

高制动主缸的输出压力。在课题研究中，参照了南京依维柯汽车公司[11]生产的“跃

进”牌轻型客车，此车为“前置后驱”（发动机前置，后轮驱动）型车，考虑到刹车

的安全性，前轮采用了盘式制动器，后轮采用鼓式制动器。整个系统的流程图如

图2.1所示，示意图如图2.2所示如下。

图2.1 应用真空助力泵的汽车制动系统流程图[30]

Fig.2.1 Application of automotive brake vacuum booster pump system flow char

图2.2 车辆行车制动系统示意图

Fig.2.2 Vehicle brake system schematic

其工作原理如下所述[12-14]：

（1）在车辆行驶过程中，当需要刹车时，踏动脚踏板，踏板力由制动踏板

放大后输入给真空助力器，力再经放大传递给制动主缸，制动主缸活塞受力移动，

压缩液压油进入制动轮缸，制动轮缸拉动制动器刹车。

（2）真空助力器中的所积累的负压力（真空度）有两种来源方式。其一，

通过发动机进气管来积累负压力；其二，当由发动机进气管在真空室中所积累的

负压力不能满足真空助力器所需要的真空度时，电动真空泵开始工作，维持真空

室中的真空度。

（3）电动真空泵的运行，由控制单元来控制，当传感器输入的信息流满足

电动真空泵的运行条件时，控制单元发出信号给电机继电器，使电动真空泵得电

运转。

2.2真空助力器简介

绝大多数的轿车和装载质量小于3.5 t(或最大总质量6 t)的轻型汽车多采用真

空助力伺服制动系统[1]。传统内燃机轿车的制动系统真空助力装置的真空源来自

于发动机进气歧管,真空度负压一般可达到0.05~0.07MPa。

以较小的制动踏板力来获取较大的制动减速度，提高制动的安全性和制动效

率，是提高轻型汽车制动水平的重要内容之一。减小踏板力的主要方法，是依靠

制动助力装置。日本在50年代就已开始研制和采用真空助力器，到60年代中期

已在轻型汽车上广泛应用。

真空助力器[14-18]的真空伺服气室由带有橡胶膜片的活塞分为真空室与变压

腔(大气阀打开时可与大气相通),一般真空室的真空度为60～80kPa(即真空泵可

以提供的真空度大小)。真空助力器所能提供助力的大小取决于其真空室与变压腔

气压差值的大小。当变压腔的真空度达到外界大气压时,真空助力器可以提供最大

的制动助力。真空泵所产生的真空度的大小及速度关系到真空助力器的工作状态,

真空泵的容量大小关系到助力器的性能,进而影响到制动系统在各种工况下能否

正常工作。

利用真空助力器的输入、输出特性,可以求得制动踏板力与液压输出特性,继

而可以求得制动轮缸对制动块施加的力及盘式制动器的制动力矩,最后计算得出

真空助力制动系统所需要的最小真空度值。

2.3真空助力器工作原理及结构研究

2.3.1工作原理

图2.3为双模片真空助力器的结构示意图[18]（非工作状态）。

控制阀实质上是一个直接由制动踏板控制的气继动阀。当踏下制动踏板时，

输入推杆克服控制阀外弹簧的张力向左移动，同时，在控制阀内弹簧的作用下，

控制阀也随之向左移动与真空阀座接触，使真空阀处于关闭状态。控制阀座密封

组件隔断了真空室A、C与变压腔B、D之间的通道，但真空室A、C之间及变

压腔B、D之间仍继续相通。输入推杆在制动踏板作用下继续左移，由于此时控

制阀已与真空阀座接触而不能再移动，因此输入推杆推动控制活塞向左移动与反

作用盘接触，同时使空气阀座与控制阀分离而处于开启位置，空气即沿空气入口

经阀体上的通道，分别进入变压腔B、D。进入变压腔的空气，建立起变压腔与

真空室之间的压差，通过大伺服膜片和小伺服膜片分别作用在大伺服膜片壳和小

伺服膜片壳上。此压差产生的推力，与输入力F1一起，被反作用盘放大，推动

输出

图2.3 双模片真空助力器结构示意图

Fig.2.3 Dual-chip vacuum booster schematic

1.输入推杆 2.控制阀外弹簧

3.控制阀内弹簧 4.控制阀

5.真空阀座（阀体一部分） 6.控制活塞

A、C—真空室 B、D—变压腔

7.反作用盘 8.空气阀座（控制活塞一部分）

9.空气入口 10.大伺服膜片壳

11.小伺服膜片壳 12.输出推杆

顶杆左移，并形成真空助力器的总推力F2。F2作用在制动主缸上，从而使汽车

产生制动力，其工作状态如图2.4所示。图2.5为I处局部放大图。

要说明的一点是，当助力器处于工作状态时，其真空室A、C与变压腔B、

D各自间的隔离和连通，是随着真空阀门和空气阀门启、闭的同时，靠控制阀座

密封组件的密封作用来实现的。这正是该助力器的先进之处。

图2.4 真空助力器工作状态示意图

Fig.2.4State diagram of vac

uum booste

图2.5 I处局部放大图

Fig.2.5I Department partial enlargement

当施加于制动踏板上的力保持一定(制动踏板停在某一定位置)时，输入推杆

和控制活塞停止向左移动。但两个伺服膜片在压差的作用下带动膜片壳还在继续

左移，从而推动阀体左移，控制阀也随之继续左移，并与空气阀座接触，关闭空

气通道。由于空气不再进入，同时在反作用盘的作用下，真空阀座与控制阀继续

保持接触而处于关闭状态，于是，出现了“双阀关闭”的平衡状态。此时各伺服膜

片壳不再移动，汽车维持着一定的制动强度。其制动强度的大小，取决于输入力

F1，亦即取决于踏板力及行程，如果继续增大踏板力并使之一定，则助力器将在

新的位置上达到“双阀关闭”的平衡状态。“双阀关闭”的平衡状态如下图所示。

图2.6 “双阀关闭”平衡状态示意图

Fig.2.6"Double valve closed" state of equilibrium schematic

当继续增大踏板力，使这种“双阀关闭”的随动作用一直保持到两变压腔B、

D的压力相等于大气压力时，该助力器达到工作饱和点而处于“最大助力”状态。

当松开制动踏板解除制动时，控制活塞迅速右移，使空气阀座与控制阀接触，关

闭空气通道。与此同时，真空阀座与控制阀分离而使真空阀开启。此时助力器的

A、B、C、D各腔室恢复相通状态，且都产生一定的真空度，助力器又恢复到非

工作状态。当助力器失效时，汽车的制动将由制动踏板带动输入推杆，直接推动

输出顶杆，继而推动制动主缸产生液压来完成制动作用。但此时的踏板力要大得

多。

2.3.2助力器控制阀总成

控制阀总成结构的不同会引起助力器的特性曲线性能参数的不同。按其结构

的不同将控制阀分为叠加式和复合式两种，并做如下定义

复合式的控制阀总成[1]是指控制阀弹簧一端作用于控制阀皮碗，另一端作用

于控制阀推杆上的控制阀总成，如图2.7所示。

图2.7 复合式控制阀总成

Fig.2.7 Composite control valve assembly

1.空气阀柱 2.控制阀皮碗 3.控制阀弹簧

叠加式的控制阀总成是指控制阀弹簧一端作用于控制阀皮碗，另一端作用于

控制阀卡座上，而不作用于控制阀推杆的控制阀总成，如图2.8所示,其中，本设

计的真空助力器的控制阀采用第一种介绍的复合式控制阀总成。

图2.8 叠加式的控制阀总成

Fig.2.8 Superposition-style control valve assembly

1.空气阀柱 2.控制阀皮碗 3.控制阀弹簧

4.控制阀座 5.控制阀推杆回位弹簧 6.控制阀推杆

2.4真空助力器的特性分析

设真空助力器变压腔的真空度为零（即压力为大气压力101Kpa），不考虑助

力器的机械效率，且忽略复位弹簧的反力和制动主缸推杆截面积的影响，可列出

平衡方程式[17]：

F2 F1 P S有效 (2.1)

1122F1/ d2 P S有效/ (d12 d2) 44 (2.2)

式中 ：

S有效—伺服膜片有效面积

d1—橡胶反作用盘直径

d2—控制阀柱塞直径

P—真空助力器常压腔的真空度，Pa

F1—助力器最大助力点对应的输入力

F2—助力器最大助力点对应的输出力

其中 ：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l0c1.html