УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ВАКУУМА В УСИЛИТЕЛЕ ТОРМОЗОВ
DEVICE FOR IMPROVING VACUUM IN BRAKES AMPLIFIER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам улучшения характеристик вакуума для вакуумных усилителей в тормозной системе транспортных средств.
Уровень техники
Вакуумный усилитель тормозов представляет собой компонент, применяемый в тормозной системе автомобильных транспортных средств для помощи водителю за счет уменьшения усилия ноги на педаль, которое необходимо приложить для торможения транспортного средства. Вакуумный усилитель, применяемый в тормозной системе, также называют вакуумным сервоусилителем, усилителем тормозной системы или просто усилителем. В вакуумном усилителе применяют заранее созданное разрежение для увеличения силы, прилагаемой водителем на тормозную педаль перед ее передачей на главный тормозной цилиндр. Разрежение обычно можно создать с помощью одного из двух различных способов в зависимости от того, используется двигатель внутреннего сгорания или другая движущая сила (как в электромобилях). В транспортных средствах с бензиновыми двигателями без наддува в качестве источника разрежения, как правило, используют впускной коллектор, а в полностью электрических транспортных средствах или транспортных средствах с турбонаддувом или дизельными двигателями часто может быть предусмотрен отдельный вакуумный насос. В случае с бензиновым двигателем без наддува вакуумный усилитель обычно соединен с цилиндрами двигателя, при этом разрежение может быть создано во время такта впуска поршней двигателя. Соединение с цилиндрами обычно обеспечено полужестким пластмассовым трубопроводом, в котором установлен обратный клапан для разъединения усилителя и источника разрежения. В качестве клапана, который обеспечивает в нормальных условиях прохождение среды (жидкости или газа) только в одном направлении, в данном случае по направлению к двигателю, может быть использован обратный клапан, створчатый клапан, перепускной клапан или запорный клапан.
В вакуумных усилителях может быть также использовано устройство улучшения характеристик вакуума для создания в усилителе более сильного разрежения, чем доступно непосредственно за счет впускного коллектора двигателя. Устройство улучшения характеристик вакуума может содержать эжектор, расположенный между воздухозаборником и впускным коллектором в обход дросселя, для обеспечения ускоренного притока среды с целью создания эффекта Вентури и более глубокого уровня разрежения в усилителе. Устройства улучшения вакуума в тормозной системе, известные из уровня техники, имеют всегда открытую трубку Вентури малого размера. Скорость образования разрежения с помощью данных трубок Вентури малого размера невелика, при этом в двигатель поступает неизмеренное количество воздуха, что является нежелательным.
Пример устройства повышения разрежения с закрываемым эжектором описан в патенте США №6,035,881 на имя Эммериха (Emmerich) и др., который включен в настоящий документ посредством ссылки.
Для открывания регулятора потока эжектора в данном документе предлагается использовать разность давлений между патрубком вакуумного усилителя и впускным коллектором. Впускной коллектор не находится под полным атмосферным давлением, давление во впускном коллекторе может быть изменено по мере загрязнения воздушного фильтра. Кроме того, при наличии во впускном коллекторе транспортного средства турбонагнетателя, который раскручивает турбину и создает разрежение во впускном коллекторе, разность давлений будет даже больше. Варьирование разности давлений для открывания и закрывания эжектора в различные моменты времени приводит к неустойчивой работе устройства.
Для открывания и закрывания эжектора в данной публикации также используют гибкие мембраны. Обычными материалами, которые применяют в данном типе конструкции, являются листовая резина, резина, усиленная арамидными волокнами, нейлоновая ткань, где каждый из этих материалов имеет жесткость, зависящую от температуры. Изменения жесткости мембраны по причине старения также могут привести к изменениям разности давлений для открывания и закрывания клапана. Например, для открывания новых устройств в холодном климате необходим больший уровень разрежения по сравнению со старыми устройствами, использованными в условиях жаркого климата. Непостоянная жесткость мембран также приводит к неустойчивой работе устройства.
Раскрытие изобретения
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение относится к устройству улучшения вакуума в усилителе тормозной системы, которое имеет корпус с четырьмя отверстиями. Первое отверстие соединено с усилителем. Второе отверстие соединено с впускным коллектором. Третье отверстие соединено с воздухозаборником. Четвертое отверстие сообщается с атмосферой. Устройство улучшения вакуума также имеет обратный клапан, расположенный между первым отверстием и вторым отверстием, эжектор, расположенный между вторым отверстием и третьим отверстием, и поршень, расположенный между третьим отверстием и четвертым отверстием и который может быть выполнен с возможностью выборочного ограничения потока среды, проходящего через эжектор, на основании разности давлений между первым отверстием и четвертым отверстием.
Устройство улучшения вакуума может иметь пружину поршня, расположенную между третьим отверстием и четвертым отверстием и контактирующую с поршнем для смещения поршня по направлению к четвертому отверстию. Разность давлений между первым отверстием и четвертым отверстием может представлять собой разность между атмосферным давлением и вакуумом в усилителе, и усилие пружины поршня может быть выбрано таким образом, чтобы выборочно ограничивать поток среды, проходящий через эжектор, на основании заранее заданного уровня разрежения в усилителе.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к устройству улучшения вакуума для вакуумного усилителя, имеющему канал эжектора и узел поршня для выборочного ограничения потока среды, проходящего через канал эжектора. Канал эжектора способен повышать разрежение в усилителе с помощью соединения для текучих сред, проходящего от воздухозаборника к впускному коллектору. Узел поршня имеет первую поверхность, сообщающуюся с атмосферой, и вторую поверхность, имеющую соединение с усилителем. Узел поршня выборочно ограничивает поток при заранее заданной разности давлений между первой и второй поверхностями.
В соответствии с данным аспектом узел поршня может иметь пружину, взаимодействующую с поршнем для смещения узла поршня в положение, которое позволяет каналу эжектора поддерживать соединение между воздухозаборником и впускным коллектором. Устройство улучшения вакуума может иметь канал усилителя, сообщающийся в одном направлении с каналом эжектора, за счет чего поток среды, проходящий через канал эжектора, создает эффект Вентури в канале усилителя, что повышает разрежение в усилителе.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложено устройство улучшения вакуума для вакуумного усилителя тормозной системы транспортного средства, которое имеет четыре отверстия. Первое отверстие соединено с вакуумным усилителем. Второе отверстие соединено с источником вакуума и с первым отверстием. Третье отверстие соединено воздухозаборником двигателя вблизи фильтра и выборочно соединяется со вторым отверстием. Четвертое отверстие сообщается с атмосферой.
В соответствии с данным аспектом в устройстве улучшения вакуума может быть использован скользящий поршень, расположенный между третьим отверстием и четвертым отверстием, для выборочного открывания и закрывания соединения между вторым отверстием и третьим отверстием. Первая часть поршня может постоянно сообщаться с атмосферой. Противоположная от атмосферы поверхность поршня может постоянно сообщаться с первым отверстием и, таким образом, с усилителем тормозной системы. Источник вакуума может представлять собой впускной коллектор двигателя.
Вышеуказанные аспекты настоящего изобретения и другие аспекты более подробно описаны ниже со ссылкой на сопроводительный чертеж.
Краткое описание чертежа
На чертеже представлен схематичный вид устройства улучшения вакуума в вакуумном усилителе транспортного средства.
Осуществление изобретения
Далее представлено подробное описание вариантов осуществления изобретения. Описанные варианты приведены исключительно в качестве примеров, которые могут быть воплощены в различных формах. Фигуры необязательно выполнены в масштабе. Некоторые элементы могут быть увеличены или уменьшены с целью изображения деталей конкретных компонентов. Конкретные конструкционные и функциональные особенности, изложенные в данном описании, не должны рассматриваться как ограничение, и приведены лишь в качестве иллюстрации для ознакомления специалистов в данной области техники с вариантами реализации изобретения.
На чертеже представлен вакуумный усилитель 10 для тормозной системы автомобильного транспортного средства, соединенный с источником 12 вакуума. Вакуумный усилитель тормозной системы также называют вакуумным усилителем, усилителем тормозной системы или просто усилителем. Источник 12 вакуума создает разрежение в вакуумной камере 14 для увеличения усилия, прилагаемого водителем на тормозную педаль 16 для осуществления торможения, перед передачей этого усилия главному цилиндру 18 тормозной системы (не показана). Далее главный цилиндр 18 распределяет тормозную жидкость по тормозной системе для замедления или остановки транспортного средства. В данном варианте в качестве источника 12 вакуума использован впускной коллектор 20, соединенный с двигателем 22. На чертеже показана часть двигателя 22 с одним цилиндром 24, однако необходимо понимать, что двигатель 22 может иметь, и обычно имеет, несколько цилиндров 24. Во время работы двигателя поршень 26 перемещается вверх и вниз в цилиндре 24, и при перемещении вниз он может всасывать воздух из впускного коллектора 20 (хотя не при всех перемещениях поршня всасывается воздух).
Всасывание воздуха в цилиндр 24 создает зону пониженного давления во впускном коллекторе 20. Вакуумная камера 14 усилителя 10 имеет одностороннее соединение с впускным коллектором 20. Таким образом, давление в вакуумной камере 14 будет стремиться к выравниванию с давлением во впускном коллекторе 20. Если в вакуумной камере 14 давление больше, чем во впускном коллекторе 20, то оно переходит из вакуумной камеры 14 во впускной коллектор 20. Этот поток может привести к образованию разрежения в вакуумной камере 14. Разрежение, или вакуум, как определено в данном описании изобретения, представляет собой давление ниже атмосферного давления. Уровень разрежения в вакуумной камере может быть равен приблизительно 19 дюймам ртутного столба, однако может быть выбран любой уровень разрежения. Уровни разрежения часто измеряют в дюймах ртутного столба или миллибарах, однако может быть использована любая единица измерения давления.
Двигатель 22 может представлять собой двигатель без наддува с циклом, во время которого может происходить всасывание воздуха и который может быть применен для создания разрежения в усилителе 10. В некоторых примерах может быть использован двухтактный, четырехтактный или роторно-поршневой двигатель. Если транспортное средство не имеет двигателя или двигатель не способен выполнять всасывание, достаточное для создания требуемого уровня вакуума, может быть также использован вакуумный насос (не показан). Вакуумный насос может представлять собой электрический вакуумный насос, питаемый от аккумулятора или электрической системы транспортного средства, или механический вакуумный насос, приводимый двигателем, мотором, двигателем и коробкой передач транспортного средства или их сочетанием.
Входной воздушный поток двигателя 22 может быть дозирован при прохождении через дроссель 28. Дроссель 28 регулирует количество воздуха, поступающего в двигатель 22 в соответствии с нажатием педали газа водителем или другим электронным контроллером двигателя (не показан). Дроссель 28 может представлять собой корпус дроссельной заслонки, применяемый в двигателях с впрыском топлива, или карбюратор, применяемый в двигателях без впрыска топлива. Дроссель 28 расположен между впускным коллектором 20 и воздухозаборником 30.
Дроссель 28 обеспечивает протекание наружного воздуха от воздухозаборника 30 к впускному коллектору 20 и двигателю 22. Поскольку грязь или посторонние предметы могут повредить двигатель 22 при попадании в цилиндр 24, рядом с воздухозаборником 30 установлен фильтр 32.
Фильтр 32 представляет собой экранирующий материал, предназначенный для предотвращения попадания в двигатель 22 грязи и посторонних предметов, которые могут его повредить, при этом за счет своей конструкции фильтр 32 может также ограничивать воздушный поток, проходящий в воздухозаборник 30. Благодаря такому ограничению в воздухозаборнике 30 может быть создано давление ниже атмосферного давления. По мере загрязнения фильтра 32 поток всасываемого воздуха может быть еще больше ограничен, при этом давление в воздухозаборнике 30 может упасть еще ниже. Изменяющаяся степень чистоты фильтра 32 может привести к изменению уровня давления в воздухозаборнике 30, особенно при старении фильтра 32. Кроме того, если транспортное средство имеет турбонагнетатель (не показан), то при раскрутке турбины турбонагнетатель может создать еще более глубокий вакуум в воздухозаборнике, что будет только усугублено загрязненным фильтром.
Устройство 40 улучшения вакуума в усилителе тормозной системы может быть соединено с вакуумным усилителем 10, источником 12 вакуума и воздухозаборником 30. Устройство 40 сконструировано таким образом, чтобы обеспечить более быстрое достижение разрежения и/или более сильное разрежение в вакуумной камере 14 по сравнению с использованием только источника 12 вакуума. Устройство 40 имеет эжектор 42, который может быть расположен последовательно с дросселем 28. Воздух может протекать в двигатель 22 мимо дросселя 28 через эжектор 42. Эжектор 42 создает эффект Вентури в сопле Лаваля для преобразования энергии давления движущейся среды (воздушного потока, обходящего дроссель 28) в кинетическую энергию, что создает зону более низкого давления (большее разрежение), чем создавалось бы от впускного коллектора 20, образуя более глубокий вакуум в вакуумной камере 14.
Дроссель 28 предназначен для дозирования воздушного потока, а также может останавливать воздушный поток. Неизмеренный воздушный поток, проходящий из воздухозаборника 30 во впускной коллектор 20 по обводному каналу, не позволит полностью перекрыть воздушный поток. Учитывая это, в известных решениях применяли эжекторы малого размера, которые обеспечивали прохождение малого количества воздуха в обход дросселя 28. Таким образом, может быть желательным выборочно перекрывать поток среды из воздухозаборника 30 во впускной коллектор 20. Кроме того, наличие возможности для ограничения или остановки воздушного потока в обход дросселя 28 позволит применить эжектор 42 большего размера, поскольку он не будет создавать постоянный выпуск воздуха, что способствует более быстрому увеличению разрежения по сравнению с конструкцией, которая не может быть перекрыта.
Устройство 40, приведенное на чертеже, имеет корпус 44 с четырьмя отверстиями. Первое отверстие 46 соединено с усилителем 10. Это соединение обеспечивает сообщение между первым каналом 48, выполненным в устройстве 40, и вакуумной камерой 14 усилителя 10. Второе отверстие 50 может быть соединено с источником 12 вакуума, представленным в данном описании впускным коллектором 20. Это соединение позволяет второму каналу 52, выполненному в устройстве 40, сообщаться с источником 12 вакуума. В устройстве улучшения вакуума предусмотрено сообщение между первым отверстием 46 и вторым отверстием 50; первый канал 48 соединен со вторым каналом 52 с помощью первого канала 54 с обратным клапаном. Первый обратный клапан 56 обеспечивает перемещение потока среды от первого канала 48 ко второму каналу 52 только в одном направлении. Первый обратный клапан 56 расположен между первым отверстием 46 и вторым отверстием 50.
Путь прохождения потока среды из первого отверстия 46 в первый канал 48 через канал 54 обратного клапана (через первый обратный клапан 56), во второй канал 52 и далее из второго отверстия 50 может быть назван первым каналом усилителя, обозначенным стрелками 58. Данный канал представляет собой односторонний путь прохождения потока из вакуумной камеры 14 усилителя 10 через устройство 40 в источник 12 вакуума без усиления.
Третье отверстие 60 сообщается с воздухозаборником 30. Это соединение обеспечивает сообщение между третьим каналом 62, выполненным в устройстве 40, и источником 12 вакуума. Третий канал 62 сообщается со вторым каналом 52 через эжектор 42. Путь прохождения потока из третьего отверстия 60 в третий канал 62, затем через эжектор 42 во второй канал 52 и далее из второго отверстия 50 может быть назван эжекторным каналом, обозначенным стрелками 64. Поток, проходящий через эжектор 42, создает эффект Вентури, что образует зону пониженного давления во втором канале 66 с обратным клапаном, в котором расположен второй обратный клапан 68. Второй канал 66 с обратным клапаном сообщается с первым каналом 48 и первым отверстием 46, которое соединено с вакуумной камерой 14 усилителя 10. Эффект Вентури в эжекторе 42 может затем создать более глубокий вакуум в вакуумной камере 14 по сравнению с разрежением, которое может создать непосредственно источник 12 создания вакуума.
Путь прохождения потока из первого отверстия 46 в первый канал 48, затем через второй канал 66 с обратным клапаном (через второй обратный клапан 68) во второй канал 52 и далее из второго отверстия 50 может быть назван вторым каналом усилителя, обозначенным стрелкой 70. Этот канал представляет собой односторонний путь прохождения потока с усилением из вакуумной камеры 14 усилителя 10 через устройство 40 в источник 12 вакуума. Таким образом, поток через эжекторный канал 64 способен увеличить разрежение в усилителе 10 при прохождении потока среды по второму пути 70 в усилителе. Аналогично первому обратному клапану 56, второй обратный клапан 68 также расположен между первым отверстием 46 и вторым отверстием 50, при этом первый обратный клапан 56 расположен на первом пути 58 в усилителе, а второй обратный клапан 68 расположен на втором пути 70 в усилителе таким образом, что из вакуумной камеры 14 поток может протекать только в одном направлении, и в случае установления в вакуумной камере 14 настолько глубокого вакуума, что разность давлений позволит открыть обратный клапан 56, 68, обратные клапаны 58, 68 будут поддерживать уровень вакуума в вакуумной камере 14.
Как указано выше, предпочтительно, чтобы поток среды, проходящий в обход дросселя 28, мог быть перекрыт, поэтому в устройстве 40 улучшения вакуума предусмотрен узел 78 поршня, выборочно ограничивающий поток, проходящий через эжектор 42. Поршень 80 установлен между третьим отверстием 60 и четвертым отверстием 82, которое сообщается с атмосферой. Поршень 80 имеет первую часть 84 с первой поверхностью 86, которая контактирует с атмосферой. Первая часть 84 поршня 80 также имеет вторую поверхность 88, противоположную первой поверхности 86 и сообщающуюся с первым каналом 48, первым отверстием 46 и усилителем 10 при наличии соединения. Поршень 80 имеет вторую часть 90, которая проходит от первой части 84 через область, сообщающуюся с первым каналом 48, и область, сообщающуюся с третьим каналом 62, к третьему отверстию 60. Поршень 80 скользит между четвертым отверстием 82 и третьим отверстием 60 таким образом, что вторая часть 90 может выборочно создавать соединение между вторым отверстием 50 и третьим отверстием 60. Поршень 80 может быть выполнен с возможностью выборочного ограничения потока, проходящего через эжектор 42, на основании разности давлений между первым отверстием 46, которое может быть соединено с вакуумной камерой 14 усилителя 10, и четвертым отверстием 82, которое сообщается с атмосферой. Поршень 80 может быть выполнен с возможностью выборочного ограничения потока, проходящего через эжектор 42 при заранее заданной разности давлений между первой и второй поверхностями 86, 88.
В устройстве 40 могут быть также предусмотрены первый и второй упоры 92, 94 поршня в третьем отверстии 60 и четвертом отверстии 82 соответственно или рядом с ними для удержания поршня 80 в устройстве 40. Первый упор 92 поршня может также взаимодействовать со второй частью 90 поршня 80 для блокирования потока среды, проходящего через эжектор 42, когда поршень 80 прижат к упору 92. На поршень 80 может быть также надета пружина 96, которая может быть расположена между третьим отверстием 60 и четвертым отверстием 82 и может взаимодействовать с поршнем 80 для смещения поршня 80 по направлению к четвертому отверстию 82. Усилие пружины 96 поршня специально выбрано таким образом, чтобы совместно с разностью давлений между вакуумной камерой 14 и атмосферой ограничивать поступление потока среды в третье отверстие 60 при заранее заданном уровне вакуума в усилителе 10.
2
2
2
Размер поршня 80 и усилие пружины могут быть различными для обеспечения отсечки при уровне вакуума, требуемом для каждого конкретного случая применения. Например, поршень 80 с площадью первой поверхности, равной приблизительно 314 мм (сообщающейся с атмосферой), площадью поперечного сечения второй части 90, равной приблизительно 80 мм (при второй поверхности с площадью 234 мм, сообщающейся с вакуумной камерой 14) и усилием пружины, равным 3,38 фунтов, может практически полностью закрыть третье отверстие 60 при давлении в вакуумной камере 14, равном приблизительно 19 дюймам ртутного столба.
Другими словами, если уровень вакуума в усилителе 10 оптимальный, то разность давлений приводит к тому, что атмосферное давление выталкивает пружину 96 поршня, закрывая третье отверстие 60. Если уровень вакуума в усилителе 10 падает ниже заранее заданного уровня, то разность давлений между усилителем 10 и атмосферой становится меньше, пружина 96 поршня толкает поршень 80 по направлению к четвертому отверстию 82, открывая третье отверстие 60 и позволяя потоку среды протекать с ускорением через эжектор 42 и создавать более глубокий вакуум в усилителе 10 до повторного закрывания.
Для ограничения потока среды между третьим отверстием 60 и четвертым отверстием 82 на поршне 80 может быть расположено по крайней мере одно уплотнительное кольцо 98. Для создания уплотнения между первым отверстием 46 и четвертым отверстием 82 на первой части 84 между первой и второй поверхностями 86, 88 может быть расположено по крайней мере одно уплотнительное кольцо 98а. Может быть использовано несколько уплотнительных колец 98а. Уплотнительное кольцо (кольца) 98а практически полностью предотвращает продув под давлением из атмосферы в усилитель 10. Для герметизации между первым каналом 48 и третьим каналом 62 вокруг второй части 90 поршня 80 между этими каналами может быть расположено второе уплотнительное кольцо 98b. Может быть предусмотрено более одного уплотнительного кольца 98b. Уплотнительное кольцо (кольца) 98b практически полностью предотвращает продув под давлением из воздухозаборника 30 в усилитель 10.
Как описано, устройство 40 позволяет потоку среды, проходящему через эжектор 42, создать эффект Вентури для более быстрого создания более глубокого вакуума в усилителе 10 при необходимости в вакууме в усилителе 10. При достижении заранее заданного уровня разрежения в усилителе 10 поршень 80 ограничивает поток среды, проходящий через эжектор 42. Это позволяет применять в данном устройстве эжектор 42 большего размера для создания большего эффекта Вентури с целью достижения разрежения с гораздо большей скоростью по сравнению со случаем, когда канал эжектора остается всегда открытым.
В данной конструкции не применяют разность давлений между вакуумной камерой 14 усилителя 10 и воздухозаборником 30, поскольку воздухозаборник 30 в большинстве транспортных средств может не находиться под полным атмосферным давлением или давление в нем может быть различным. Когда уровень разрежения в усилителе 10 основан на варьирующейся разности давлений, это приводит к тому, что в усилителе 10 уровни вакуума будут варьироваться. Давление в воздухозаборнике 30 будет падать по мере загрязнения воздушного фильтра 32, или во время раскрутки турбины турбонагнетателем, если таковой установлен в транспортном средстве.
Хотя выше приведены иллюстративные примеры вариантов осуществления изобретения, это не означает, что они описывают все возможные формы, ограниченные пунктами формулы. Конкретные термины использованы исключительно в описательных целях и не являются ограничивающими и следует понимать, что возможно внесение различных изменений без отступления от объема и сущности предложенного решения. Характеристические признаки различных вариантов осуществления могут быть объединены для создания других вариантов предложенного решения.