ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ СЕРВОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК F15B9/10 F15B11/06 

Изобретение относится к пневмоавтоматике и может быть использовано в конструкциях тормозных устройств автомобилей.

Известен пневматический серводвигатель, содержащий корпус, разделенный поршнем на переднюю камеру, сообщенную с источником разрежения, и заднюю камеру, в которой размещено распределительное устройство, взаимодействующее со штоком управления [1]
Техническим недостатком этого серводвигателя является низкое быстродействие.

Известен также пневматический серводвигатель, содержащий корпус, разделенный поршнем на переднюю камеру, сообщенную с источником разрежения, и заднюю камеру, в которой размещено распределительное устройство с кольцевым клапаном, подпружиненным относительно штока управления, шарнирно соединенного с плунжером, который установлен с возможностью поступательного перемещения и взаимодействия с упорным диском в ступенчатой расточке поршня, связанной через выполненное на торце последнего нормально открытое кольцевое седло с передней камерой и через нормально закрытое кольцевое седло, выполненное на торце плунжера, с атмосферой, а также соединенной с задней камерой радиальным пазом, в котором размещен с зазором подпружиненный с одной стороны плоский ограничитель перемещения плунжера, установленный одним концом на опоре в поршне, а другим между двумя выступами плунжера [2]
Техническим недостатком этого серводвигателя также является низкое быстродействие, обусловленное тем, что при торможении уменьшается канал, открытый для атмосферного воздуха в задней камере, что замедляет движение воздуха в направлении задней камеры и увеличивает время срабатывания серводвигателя в случае резкого торможения.

Технической задачей изобретения является создание пневматического серводвигателя, время срабатывания которого при резком торможении транспортного средства было бы как можно меньшим.

Сущность изобретения заключается в том, что пневматический серводвигатель, содержащий корпус, разделенный поршнем на переднюю камеру, сообщенную с источником разрежения, и заднюю камеру, в которой размещено распределительное устройство с кольцевым клапаном, подпружиненным относительно штока управления, шарнирно соединенного с плунжером, который установлен с возможностью поступательного перемещения и взаимодействия с упорным диском в ступенчатой расточке поршня, связанной через выполненное на торце последнего нормально открытое кольцевое седло с передней камерой и через нормально закрытое кольцевое седло, выполненное на торце плунжера, с атмосферой, а также соединенной с задней камерой радиальным пазом, в котором размещен с зазором подпружиненный с одной стороны плоский ограничитель перемещения плунжера, установленный одним концом на опоре в поршне, а другим между двумя выступами плунжера, снабжен вспомогательным распределительным устройством ускоренного дополнительного сообщения задней камеры с атмосферой, клапан которого размещен на ограничителе перемещения плунжера, а нормально закрытое седло выполнено на поверхности радиального паза поршня и соединено дополнительно выполненным продольным каналом с атмосферой, причем в частных случаях целесообразно расстояние между двумя выступами плунжера выполнить меньшим, чем расстояние между плунжером и упорным диском, а также ограничитель перемещения разместить с возможностью поворота под воздействием одного из выступов плунжера и одновременно ограничитель перемещения установить с возможностью поворота вокруг своей опоры в поршне.

В пневматическом серводвигателе, благодаря оснащению его вспомогательным распределительным устройством, позволяющим в случае резкого торможения открывать дополнительный канал между задней камерой и атмосферой, удалось существенно уменьшить время срабатывания в режиме резкого торможения.

На чертеже изображен разрез задней камеры, обращенной к тормозной педали автомобиля.

Пневматический серводвигатель содержит корпус 1, имеющий ось X-X симметрии. Поршень 2 установлен в корпусе 1 и оснащен мембраной 3 из эластомера, усиленной в своей центральной части металлическим диском 4, которая разделяет внутреннее пространство корпуса 1 на переднюю камеру 5 и заднюю камеру 6. Периферийный наружный край (не показан) мембраны 3 герметично зафиксирован в стенке корпуса 1. Внутренний край этой же мембраны 3 оканчивается утолщением, герметично вставляемым в кольцевую выточку на наружной периферийной поверхности поршня 2, расположенного по оси X-X серводвигателя. Поршень 2 имеет трубчатый участок 7, который герметично проходит через отверстие в задней стенке корпуса 1. Герметичность этого соединения обеспечивается кольцевым уплотнением 8, которое крепится кольцом 9 в центральной части трубчатого участка 7, продолжающегося за заднюю стенку корпуса 1.

Между поршнем 2 и передней стенкой (не показана) корпуса 1 размещена пружина 10 сжатия, которая удерживает перпендикулярно поршень 2 и диск 4 в заднем нерабочем положении, показанном на чертеже, в котором задняя камера 6 имеет минимальный объем, а передняя камера 5 максимальный объем.

В своей центральной части, находящейся между трубчатым участком 7 и передней частью, в которой закреплены мембрана 3 и диск 4, поршень 2 имеет ступенчатую расточку 11, в которой с возможностью скольжения размещен плунжер 12, также вдоль оси X-X. Передней конец штока 13 управления серводвигателя, также расположенный по оси X-X, шарнирно установлен в плунжере 12. Задний конец штока 13, который выступает наружу из трубчатого участка 7 поршня 2, управляется непосредственно тормозной педалью автомобиля (не показано).

Кольцевое пространство 14 между штоком 13 управления и трубчатым участком 7 поршня 2 сообщено с атмосферой со стороны задней части серводвигателя, например через воздушный фильтр 15. Впереди это кольцевое пространство 14 может быть сообщено с задней камерой 6 через радиальный паз 16 в центральной части поршня 2.

Распределительное устройство выполнено в виде трехходового клапана, включающего кольцевой клапан 17, размещенный в трубчатом участке 7 поршня 2, и два (нормально открытое и закрытое) кольцевых клапанных седла 18 и 19, образованных соответственно на торце центрального участка 7 поршня 2 и на торце плунжера 12.

Клапан 17 представляет собой гибкую втулку из эластомера, передней конец которой имеет меньший диаметр, а задний конец оканчивается утолщением, герметично устанавливаемым внутри трубчатого участка 7 поршня 2. Это утолщение удерживается металлической манжетой 20, в которую упирается пружина 21 сжатия, стремящаяся переместить клапан 17 вперед.

Кольцевое седло 19 образовано на задней торцевой поверхности плунжера 12. Точно также кольцевое седло 18 клапана 17 образовано на задней торцевой стороне центральной части поршня 2, концентрично седлу 19. В зависимости от положения плунжера 12 внутри поршня 2 такое размещение позволяет клапану 17 постоянно герметично упираться, по меньшей мере, в одно из седел 19 или 18 под действием пружины 21.

Канал 22 образован в центральной части поршня 2 почти параллельно его оси X-X для сообщения передней камеры 5 серводвигателя с кольцевой камерой 23, образованной вокруг клапана 17 внутри трубчатого участка 7 поршня 2. Когда плунжер 12 занимает нерабочее положение, в котором клапан 17 герметично упирается в седло 19 плунжера 12 и отодвинут от седла 18 поршня 2, передняя камера 5 и задняя камера 6 серводвигателя сообщены между собой по каналу 22, кольцевой камере 23 и пазу 16.

Серводвигатель содержит, кроме того, плоский ограничитель 24 перемещения плунжера 12, смонтированный в радиальном гнезде центрального участка 7 поршня 2 и ограничивающий аксиальный ход назад плунжера 12 внутри поршня 2. Плунжер 12 удерживается в заднем нерабочем положении ограничителем 24 посредством пружины 25 сжатия, расположенной между манжетой 20 и шайбой 26, которая опирается на выступ, образованный на штоке 13 управления.

В своей центральной части поршень 2 имеет передний кольцевой торец 27, в центральной части которого находится расточка 11. Этот передней кольцевой торец 27 поршня 2 воздействует на задний торец поршневого штока 28 через упорный диск 29 из деформируемого материала, такого как эластомер. Поршневой шток 28 и упорный диск 29 расположены по оси X-X серводвигателя соосно штоку 13 управления и плунжеру 12. Диск 29 расположен в стакане 30, выполненном заодно с поршневым штоком 28, расположенным по оси X-X серводвигателя и взаимодействующим с кольцевой проточкой, образованной на центральной части поршня 2 вокруг переднего кольцевого торца 27 последнего.

Серводвигатель снабжен вспомогательным распределительным устройством ускоренного дополнительного сообщения камеры 6 с атмосферой через, по меньшей мере, один дополнительный продольный канал 31, выполненный в трубчатом участке 7 поршня 2. Канал 31 соединяет радиальный паз 16, образованный в центральной части поршня 2, с воздухом под атмосферным (или более высоким) давлением за серводвигателем посредственно или через воздушный фильтр 15. Этот аксиальный канал 31 образован между стенкой трубчатого участка 7 поршня 2 и манжетой 20, которая продолжается назад и закреплена неподвижно относительно поршня 2. Канал 31 с пазом 16 образует нормально закрытое седло 39 клапана 32 вспомогательного распределительного устройства. Клапан 32 размещен на ограничителе 24 перемещения плунжера 12, который служит для определения нерабочего положения плунжера 12 относительно поршня 2. Для этого ограничитель 24 прижат в направлении закрытия клапана 32 упругим элементом 33, например, таким, как плоская пружина или шайба Бельвиля. Ограничитель 24 с клапаном 32 и элементом 33 расположены в радиальном пазу 16, образованном в центральной части поршня 2, то есть радиальное местоположение ограничителя 24 совпадает с радиальным пазом 16. В связи с этим, упругий элемент 33 упирается в переднюю стенку паза 16 и прижимает клапан 32 к задней стенке паза 16 в месте, куда выходит продольный канал 31, то есть к седлу 39. Количество каналов 31 может быть увеличено.

Ограничитель 24 также определяет нерабочее положение плунжера 12 при отжатии назад пружины 25. На конце 34 ограничителя 24, радиально наиболее удаленном от оси X-X, предусмотрено аксиальное удерживание этого конца 34 посредством опоры, выполненной в виде отогнутого конца 35, применяемого для радиального удерживания ограничителя 24 с возможностью поворота его под воздействием выступов 37, 38. Можно, например, предусмотреть для этого паз в отогнутом конце 35, взаимодействующий с концом 34 ограничителя 24 с возможностью поворота вокруг последнего и оси Z. Таким образом, ограничитель 24, будучи оттянутым своим концом, взаимодействующим с плунжером 12 или внутренней концевой зоной 36 ограничителя 24 назад, будет прижимать клапан 32 к задней стенке паза 16. Зона 36 ограничителя 24 расположена между выступами 37 и 38 плунжера 12, расстояние D между которыми выполнено меньшим, чем между плунжером 12 и диском 29.

Пневматический серводвигатель работает следующим образом.

Когда серводвигатель установлен на автомобиле, передняя камера 5 постоянно сообщена с источником вакуума.

В нерабочем положении, представленном на чертеже, то есть когда серводвигатель не приводится в действие и когда камеры передняя 5 и задняя 6 находятся под пониженным давлением, поршень 2, также как диск 4 и мембрана 3, которая связана с ними, находятся в заднем нерабочем положении, благодаря поджатию герметичного кольцевого уплотнения 8 и кольца 9 соответствующим выступом.

Шток 13 управления, а также плунжер 12 оттянуты назад пружиной 25, при этом плунжер 12 упирается в ограничитель 24 выступом 37, обращенным назад, прижатым к внутренней концевой зоне 36 ограничителя 24.

В первой фазе нажатие, производимое плавно на тормозную педаль водителем, создает эффект уравнивания усилия предварительного напряжения пружины 25, уменьшающий усилие предварительного натяжения пружины 21. При небольшом перемещении штока 13 управления и плунжера 12 клапан 17 под действием пружины 21 перемещается с седла 19 плунжера 12 до тех пор, пока клапан 17 не соприкоснется с седлом 18 поршня; в этом случае передняя камера 5 и задняя камера 6 серводвигателя оказываются изолированными одна от другой.

При этом выступ 37 плунжера 12 отходит от конца 36 ограничителя 24, но клапан 32 остается на своем седле 39 под действием пружины 33.

Во второй фазе срабатывания тормоза плунжер 12 перемещается достаточно вперед для того, чтобы клапан 17 оказался в герметичном контакте с седлом 18 поршня 2 и начал отделяться от седла 19 плунжера 12. При этом задняя камера 6 серводвигателя изолируется от передней камеры 5 и оказывается сообщенной с атмосферой.

Во второй фазе действия тормоза задняя камера 6 серводвигателя сообщена с атмосферой лишь через радиальный паз 16, кольцевое пространство в расточке 11 вокруг плунжера 12 и седло 19. При этом появляется перепад давлений на обе стороны диска 4 поршня 2, в результате чего возникает вспомогательное силовое воздействие, передаваемое поршнем 2 на поршневой шток 28. Это вспомогательное силовое воздействие передается передним кольцевым торцом 27 поршня 2 на упорный диск 29. Последний передает часть вспомогательного силового воздействия на шток 28 и расходует другую часть этого силового воздействия для деформации в пространство, заключенное между расточкой 11 и передним торцом плунжера 12. Эта деформация происходит до тех пор, пока деформированная часть упорного диска 29 не соприкоснется с передним торцом плунжера 12. В ходе этой фазы поршень 2 и плунжер 12 идут вперед вместе. В конце этой фазы на плунжере 12 и поршневом штоке 13 появляется противодействие, заставляющее плунжер 12 смещаться относительно поршня 2, что приводит к перекрыванию седла 19.

В случае резкого срабатывания тормоза внезапное усилие оказывает действие на шток 13 управления. Вследствие этого происходит быстрый выброс плунжера 12 вперед в расточке 11. Первая фаза изоляции передней и задней камер 5, 6 протекает аналогично описанному выше. Затем открывается седло 19, что позволяет воздуху под атмосферным давлением проникнуть в заднюю камеру 6 через кольцевое пространство в расточке 11 вокруг плунжера 12 и паз 16. Давление в задней камере 6 вследствие этого возрастает, создавая вспомогательное силовое воздействие на поршень 2. Тем не менее, при внезапности действия, при повышении давления в задней камере 6 и увеличении вспомогательного силового воздействия, плунжер 12 продолжает двигаться вперед в поршне 2 дальше. В результате седло 19 открывается больше, чем при плавном торможении, но открытие остается еще недостаточным. Поэтому вспомогательное распределительное устройство дополнительно открывается для поступления воздуха под атмосферным (или более высоким) давлением в заднюю камеру 6. Так, плунжер 12, переместившись в полости поршня 2 на расстояние, большее, чем при плавном торможении, передвинет и свой выступ 38, обращенный вперед к внутренней концевой зоне 36 ограничителя 24.

При продолжении этого движения выступ 38 плунжера 12 увлечет вперед внутреннюю концевую зону 36 ограничителя 24, который повернется вокруг опоры 35, то есть вокруг оси Z, перпендикулярной направлению скольжения плунжера 12 в расточке 11 поршня 2, то есть перпендикулярной оси X-X. Это поворотное или вращательное движение осуществляется навстречу действию пружины 33.

При вращении ограничителя 24 клапан 32 отходит от своего седла 39, открывая таким образом канал 31 для подачи воздуха под атмосферным давлением в заднюю камеру 6.

Следовательно, в ситуации резкого торможения воздух под атмосферным давлением будет поступать в заднюю камеру 6 серводвигателя через седло 19, кольцевое пространство в расточке 11 вокруг плунжера 12 и радиальный паз 16, а также через аксиальный канал 31, седло 39 и радиальный паз 16. Таким образом, в случае резкого торможения радиальный паз 16 соединен с атмосферой двумя источниками: седло 19 и седло 39. Отсюда более сильный приток воздуха в заднюю камеру 6, следовательно, более быстрое увеличение вспомогательного силового воздействия и, вследствие этого, уменьшение времени срабатывания, что и является решением поставленной задачи. Этот эффект может быть усилен подачей через канал 31 воздуха под давлением выше атмосферного.

В процессе резкого торможения упорный диск 29 также был оттянут передним торцом 27 поршня 2. Но в процессе его деформации назад он очень быстро сталкивается с передним торцом плунжера 12, который оказывается достаточно продвинутым вперед, чтобы открыть седло 39 и канал 41.

Противодействие поршневого штока 28 очень быстро передается на шток 13 управления. Когда водитель достигает максимального усилия торможения или желаемого усилия, что он ощущает при "нажатии" на тормозную педаль, он удерживает постоянным свое усилие торможения или отпускает тормоз, что передается снова на шток 13 управления. Упорный диск 29 стремится в этом случае снова занять положение равновесия для требуемого усилия. Передний кольцевой торец 27 поршня 2 все время передает одно и то же силовое воздействие, поскольку разность давлений по обе стороны диска не изменяется, поэтому упорный диск 29 стремится еще больше деформироваться назад, отталкивая таким образом плунжер 12 относительно поршня 2.

При таком движении выступ 38 плунжера 12 заставляет ограничитель 24 вернуться назад под действием пружины 33. Дополнительный канал 31 вследствие этого снова оказывается закрытым и серводвигатель возвращается к обычному режиму работы.

Относительное нерабочее положение плунжера 12 и поршня 2 определяется при упоре ограничителя 24 в выступ 37. Относительное положение плунжера 12 и поршня 2 в том, что касается открытия седла 39, определяется упором ограничителя 24 в выступ 38. Таким образом, аксиальное расстояние D между выступами 37 и 38 плунжера 12 определяет ход плунжера 12 в поршне 2, при котором принцип плавной работы серводвигателя остается классическим и после которого принцип работы серводвигателя будет изменяться для получения более короткого времени срабатывания в зависимости от скорости или характера воздействия водителя автомобиля на шток 13 управления.

Следовательно, можно установить это расстояние D в зависимости от характеристик, которое хотят получить в данном серводвигателе.

В результате получен серводвигатель, принцип работы которого является классическим при нормальных условиях пользования и где дополнительные воздушные каналы открываются при резких торможениях для уменьшения времени срабатывания серводвигателя в экстремальных условиях.

Использование: в конструкциях тормозных устройств автомобилей. Сущность: пневматический серводвигатель содержит корпус, разделенный поршнем на переднюю камеру, сообщенную с источником разрежения, и заднюю камеру, в которой размещено распределительное устройство с кольцевым клапаном, подпружиненным относительно штока управления, шарнирно соединенного с плунжером. Последний установлен с возможностью поступательного перемещения и взаимодействия с упорным диском в ступенчатой расточке поршня, связанной через выполненное на торце последнего нормально открытое кольцевое седло с передней камерой и через нормально закрытое кольцевое седло, выполненное на торце плунжера, - с атмосферой, а также соединенной с задней камерой радиальным пазом, в котором размещен с зазором подпружиненный с одной стороны плоский ограничитель перемещения плунжера, установленный одним концом на опоре в поршне, а другим - между двумя выступами плунжера. Серводвигатель, кроме того, снабжен вспомогательным распределительным устройством ускоренного дополнительного сообщения задней камеры с атмосферой, клапан которого размещен на ограничителе перемещения плунжера, а нормально закрытое седло выполнено на поверхности радиального паза поршня и соединено дополнительно выполненным продольным каналом с атмосферой. 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Пневматический серводвигатель, содержащий корпус, разделенный поршнем на переднюю камеру, сообщенную с источником разрежения, и заднюю камеру, в которой размещено распределительное устройство с кольцевым клапаном, подпружиненным относительно штока управления, шарнирно соединенного с плунжером, который установлен с возможностью поступательного перемещения и взаимодействия с упорным диском в ступенчатой расточке поршня, связанной через выполненное на торце последнего нормально открытое кольцевое седло с передней камерой и через нормально закрытое кольцевое седло, выполненное на торце плунжера, с атмосферой, а также соединенной с задней камерой радиальным пазом, в котором размещен с зазором подпружиненный с одной стороны плоский ограничитель перемещения плунжера, установленный одним концом на опоре в поршне, а другим между двумя выступами плунжера, отличающийся тем, что он снабжен вспомогательным распределительным устройством ускоренного дополнительного сообщения задней камеры с атмосферой, клапан которого размещен на ограничителе перемещения плунжера, а нормально закрытое седло выполнено на поверхности радиального паза поршня и соединено дополнительно выполненным продольным каналом с атмосферой. 2. Серводвигатель по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между двумя выступами плунжера выполнено меньшим, чем расстояние между плунжером и упорным диском. 3. Серводвигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что ограничитель перемещения размещен с возможностью поворота под воздействием одного из выступов плунжера. 4. Серводвигатель по п. 3, отличающийся тем, что ограничитель перемещения установлен с возможностью поворота вокруг своей опоры в поршне.