机械毕业设计（论文）-真空助力器-制动主缸总成测试试验台设计【全套图纸】.doc

黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要真空助力器和制动主缸是现代汽车液压制动系统的重要组成部件。合格的真空助力器和制动主缸是汽车行车安全的保障。各国均制定了标准对其性能进行规定。本文在分析汽车真空助力器和制动主缸的原理的基础上，研制出一台汽车真空助力器制动主缸总成试验台，它能完成中华人民共和国行业标准中规定的全部测试项目和部分企业标准中规定的测试项目。该试验台的研制成功为真空助力器制动主缸总成性能的试验、检测提供了手段，通过对密封性、反应时间、释放时间、输入输出特性等测试数据的分析，能够提高真空助力器、制动主缸的生产质量。本文提出了汽车真空助力器制动主缸总成的综合测试项目采用机电气液一体化的原理方法，研制出了总成综合性能测试系统，详细论述了测试系统各组成部分，并对部分结构和组件进行计算。该系统测试方法合理，功能齐全，测试结果准确可靠。关键词：真空助力器；制动主缸；结构设计；测试装置；试验台 全套图纸，加153893706ABSTRACTVacuum strengthener and brake master cylinder are important parts in Hydraulic brake system of modern cars. Eligible vacuum strengthener and brake master cylinder are a guarantee for traveling safety. Every country establishes a standard to prescribe their capability.An automobile vacuum strengthener and brake master cylinders test-table is developed in this paper, based on analyzing structure and theory of automobile vacuum strengthener and brake master cylinder. It can finish all the test items specified in the Peoples Republic of China Industry Standard and some test items specified in the enterprise standard.The successful development of this test board not only offers means of testing and experimenting vacuum strengthener and brake master cylinder, but also improves the quality of vacuum strengthener and brake master cylinder, according to analyzing the date of feedback time , release time, encapsulation and the characteristic of input-output.According to the technical condition and testing approach of vacuum strengthener with brake master cylinder, the test equipment and the control system for the performance were designed, moreover it was made calculation of some structure and subassembly The each composition and its function were introduced in detail.Keywords: Vacuum Strengthener; Brake Master Cylinder; Configuration Design; Testing Device; Test-bedII目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 汽车制动系统的历史11.1.2 我国汽车制动系统现状21.2 选题目的和意义41.2.1 课题的意义41.3 设计要解决的问题4第2章 真空助力器特性62.1 真空助力器的工作原理62.1.1 概述62.1.2 真空助力器的工作原理62.1.3 真空助力器在使用过程中的状态72.2 助力器的性能指标82.2.1 密封性82.2.2 反应时间和释放时间82.2.3 输入输出特性82.3 本章小结10第3章 测试原理设计113.1 测试目标的分析113.2 设计测试原理123.3 测试方法设计123.3.1 真空助力器测试项目123.3.2 制动主缸测试项目143.4 本章小结15第4章 测试系统各主要组成部件的选择164.1 推动部件的选择164.1.1 电动缸的选择164.2 真空发生设备的选择和计算164.2.1 真空泵的选择164.2.2 真空罐容积的确定174.2.3 真空罐的结构设计184.3 力传感器的选择224.4 位移传感器的选择224.5 液压回路电磁换向阀的选择224.6 夹具的选择及校核计算234.6.1 夹紧形式的确定234.6.2 夹具校核计算234.7 本章小结24结论25参考文献26致谢28不要删除行尾的分节符，此行不会被打印II黑龙江工程学院本科生毕业设计千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行III 黑龙江工程学院本科生毕业设计1 第1章 绪 论1.1 课题背景1.1.1 汽车制动系统的历史从汽车诞生之日起，人们一方面使汽车跑的更快、更稳当;另一方面努力使行驶的汽车能迅速可靠的停下来。汽车制动由最早的马拉货车制动器转变而来的是外部鼓式制动器，柔性制动带包在汽车后轮毂上，踩下制动踏板，收缩制动带，轮毅箍紧，以实现制动。车速为 22. 5km/h时的制动距离为 6-12m。由于存在着发动机制动的优势.其制动距离较马拉货车要短得多。盘式制动器早在上个世纪末便诞生了，但在汽车上的广泛使用则是本世纪中期的事，盘式制动器较鼓式制动器有如下优点:(1)盘式制动器摩擦表面压力分布均匀，制动盘轴向热膨胀极小，径向膨胀对制动性能根本无影响，无增势作用，因而不存在热衰退，热稳定性好。(2)摩擦表面压力分布均匀且受高压作用，易于将水挤出。制动盘旋转，在离心力作用下易将水甩出。(3)由于盘式制动器热稳定性好，故制动间隙小，这就使制动间隙调整问题大为简化，易于实现制动间隙自动调整。(4)由于制动盘两侧表面均可作为摩擦面，故与鼓式制动器相比，在输出制动力矩相同的条件下，其尺寸、质量均要小的多，有结构紧凑的优势。制动块的更换较鼓式制动器衬片的更换亦要方便的多，加之制动间隙自动调整机构的简化等使盘式制动器的保养修理简化了。(5)易于排污和散热。空气制动也是一种有效的高速制动方式，当代主要用于赛车上。其作用原理有二:(1)利用高速时空气阻力大的原理，增大汽车正投影面积的方法实现高速制动。(2)增大制动时的轴荷，以增大地面附着力，改善制动性能，利用空气动力学的原理，制动时在汽车上增加向下的空气作用力，以增大轴荷。制动器的操纵机构，最初为机械式，其最大优点是可靠性较高，故直到现在还用在赛车上，但由于操纵力大，结构复杂，加工、安装量大且难于布局，故诞生了气压制动系统、液压制动系统及汽液混合制动系统等操纵机构。 汽车制动时，前轴抱死滑移，虽是稳定工况，但汽车仅能直线行驶，丧失转向能力;后轴抱死滑移，是一不稳定工况，车速越高，危害越大。汽车制动时，车轮拖死滑移，不能充分利用道路潜在的附着性能，制动效能受到影响，为适应高速公路网的不断延伸，汽车工业飞速发展，汽车行驶速度越来越高的现状，汽车制动时后轴不能先于前轮拖死滑移，以防止汽车不稳定工况的发生、在本世纪20年代诞生了制动防抱死 (ABS)技术，该技术不仅可以提高汽车制动时的同步附着系数，而且可以保证汽车制动时有良好的操纵稳定性。汽车防抱死系统最初是由Werner在1932年发明的，它最早于1948年用于飞机制动系统上，随着电子技术的发展和公路运输事业发展的实际需要，防抱死装置的可靠性大大提高，成本大幅度降低，为制动防抱死技术的推广使用创造了良好的时机。由于轿车的日渐普及，人们不但对制动的安全性和稳定性提出了越来越高的要求，而由于汽车驾驶人员组成的多样化也对制动时踏板力提出了更高的要求。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。利用汽车发动机进气歧管产生的真空为动力源的各种真空助力器，弥补了人力制动的不足。而机械直动式真空助力器 (简称真空助力器或助力器)以其制动结构简单，工作可靠，便于实现双回路控制，在失去真空的情况下，还可以直接制动等特点，越来越引起了人们的关注。日本早在 50年代就己开始了真空助力器的研究，到 60年代中期已在轻型汽车上广泛应用。在改革开放的大潮中，我国的汽车工业水平有了极大的提高。在 80年代初，以引进日本 “五十铃”P系列轻型汽车为先导开始了真空助力器的研究和应用，主要采用单膜片结构，近年来，制动技术发展的一个方面是追求较小的踏板力，产生 0.62g(重力加速度)减速度时所需踏板力在15N以下已极为普遍。因此，在某些需要使用大容量真空助力器，且径向空间又比较窄小的汽车上，双膜片真空助力器得到了应用。现代的汽车制动系典型结构是真空助力式双回路液压制动系，前轴采用盘式制动器，后轴则采用鼓式制动器，前后管路彼此独立，同时，为了提高制动稳定性，提高附着系数的利用率，安装ABS防抱装置。而ABS或者其他制动干预系统则是根据每个制动器的需要对油液压力进行调节，但是成本较高。后来，凯西-海斯(K-H)公司在一辆实验车上安装了一种电-液(EU)制动系统，向完全电路制动的方向迈出了重要的一步。而BBW（Break-By-Wire）也是未来制动控制系统的发展方向。1.1.2 我国汽车制动系统现状到了今天，虽然关于汽车制动控制的新理论和方法不断被提出，新技术不断被实践。但是在我国，由于复杂性和经济性的原因，真空助力器配合制动主缸的液压操纵方式仍然是最可靠、最经济的制动方式，也是中低档汽车的主要制动方式。这种广泛应用的伺服助力式液压制动方式的工作原理如图1.1,1.2所示。大气图1.1 真空助力器工作原理示意图图1.2 制动主缸工作原理示意图踩下制动踏板之前，隔膜左右气室的压强相等，都等于进气管中的空气压强；当踩下制动踏板以后，隔膜右边的气室与大气相通，此时右气室的压强与大气相同。这就使左右气室产生了压强差。这个压强作用在隔膜上，就产生了对中心推杆的推力。在真空泵的帮助下，人力作用于制动踏板的力被放大了很多倍。真空制动器放大后的机械力是由制动主缸转化为液压力的：真空助力泵通过推杆推动主动活塞向左前进，活塞推动主缸里面的液压油，通过液压油把制动力传到制动执行机构的分泵活塞，由于分泵活塞的直径比主泵活塞大，所以制动力又能放大数倍。我们从上图可以看出，液压主泵有两个独立的液压系统，在主活塞的推动 下，从动活塞也能向左移动。主动活塞和从动活塞各负责一组车轮的制动。具体负责哪一组要看制动系统的配管方式，如果是前后独立方式配管，两液压室就分别负责前轮和后轮。如果是X配管方式，那么一个液压室负责左前右后轮，另一个液压室负责右前左后轮。这样设计的目的，就是一但有某个车轮的液压管路漏液，也不会丧失整车的制动能力。1.2 选题目的和意义1.2.1 课题的意义 制动系统是汽车的重要组成部分之一，它是为使行驶的汽车减速或停车而配置的。而真空助力器和液压制动主缸则是制动系统的关键元件，其作用是将驾驶员作用在踏板上的机械力转化成液体压力并传递到四个车轮的制动器。因此真空助力器和液压制动主缸的性能好坏直接影响到制动系统的性能。 本毕业设计课题所要设计的真空助力器-液压制动主缸总成测试试验台是依据汽车行业标准和市场的需要所进行的，它应该能够准确快速地测试真空助力器与单双控制动主缸总成的产品性能，并对检验结果进行合格与否的判断，用来保证所生产的真空助力器和液压制动主缸质量。 真空助力器带制动主缸总成作为制动系的一部分在汽车制动过程中起着关键作用，其性能的好坏将直接影响车辆的制动效果。它具有体积小，结构设计巧妙，助力效果显著的特点，被广泛应用于汽车真空助力系统中它的作用是将驾驶员作用在主缸活塞上的力放大，使传递到轮缸及卡钳活塞的制动液的压力提高，改善刹车性能。真空助力器是汽车制动系统的重要部件，对其性能进行检测是汽车试验中必不可少的项目。对汽车真空助力器，真空助力器技术条件 QC/T307-1999规定了一般要求，基本性能要求，和可靠性要求。而基本性能要求包括密封性、空行程、反应时间、释放时间、输入输出特性等。对汽车制动主缸，汽车液压制动主缸技术条件 QC/T311-1999规定了基本要求、性能要求，而性能要求有包括常温性能要求、低温性能要求、高温性能要求。其中常温性能要求主要包括残留阀性能要求、空行程要求、输出功能要求、排量要求、回程时间要求、密封性能要求、耐压性能要求等。满足这些技术性能要求的制动部件才是合格产品，对于这些技术要求和性能要求，必须通过专门的仪器进行检测和测试。1.3 设计要解决的问题双击上一行的“1”“2”试试，J(本行不会被打印，请自行删除)根据汽车行业标准和汽车配件生产厂家实际需求，确定了以下几个测试项目：对真空助力器的密封性测试、空行程测试、反应时间测试、释放时间测试、输入输出特性测试；对制动主缸的密封性能测试、耐压性能测试、输出功能（单腔失效）测试。 本次设计所要完成的任务就是，课题在制动主缸和真空助力器检测标准的基础上设计制动主缸助力器总成性能检测台基本结构，并以此为依托，设计制动主缸助力器的检测方法。在研制和开发过程中解决以下问题: 一、研究制动主缸和真空助力器的工作原理，为检测产品的开发和试验步骤的分析提供理论依据。 二、以中华人民共和国汽车行业标准中QC/T307一1999汽车真空助力器技术条件和QC/307一2008汽车液压制动主缸性能要求及台架试验方法中所规定的要求，来确定试验设备的设计方案。三、以国家检测标准为依据，针对厂家的系列产品设计出一套完善的检测方法，该检测方法要能涵盖厂家要求的所有性能指标，试验方法应具备可行性和相对的通用性。第2章 真空助力器特性2.1 真空助力器的工作原理2.1.1 概述真空助力制动器利用发动机进气歧管真空或辅助真空泵产生的真空帮助驾驶员减轻用于制动的力。真空用来驱动助力膜片总成。这种真空助力制动器通常称为助力器。助力膜片总成位于机舱隔热板上的主缸后面。真空助力器装在制动踏板推杆与主缸之间，当进气歧管真空用作助力器的动力时，从进气歧管到膜片组件用软管连接起来。真空助力器是汽车制动系统的伺服装置，它能减轻踏板力，缩短踏板行程，提高管路压力，有效地补偿人力制动时的不足，使司机操纵轻便并得到满意的制动效果。按动力源的不同，助力器可分为真空助力器、气压助力器、液压助力器，真空液压串联助力器，在各种型式的助力器中，应用最广的是真空助力器，真空助力器主要用于轿车、轻型车和小型客车上，规格在612寸之间，一般直接利用发动机的真空作为动力源。为了满足日益严格的排放法规要求，增加的各种净化装置和燃油喷射系统，导致发动机真空度下降，于是人们又大量采用双膜片真空助力器来弥补真空度的不足，利用有限的空间，增大有效助力面积，提高输出力。2.1.2 真空助力器的工作原理真空伺服气室用螺栓固定在车身前围饭上，借调整叉与制动踏板相连。伺服气室的前腔经单向阀通向发动机进气管，外界空气则经滤清后进入制动气室后腔。伺服气室外壳边缘与膜片11压合在一起。膜片及其附带活塞将气室分成前腔和后腔两个 腔。发动机启动后，与发动机进气管相通的前腔产生一定的负压;后腔的气压可调节，产生大气压力差，辅助人力制动，将压力差导向制动主缸推杆，进而形成制动助力。制动踏板未受力时，回位弹簧3将滑柱和橡胶阀座压紧在右边的位置上，此时的大气阀滑柱紧靠在橡胶阀滑座上，大气阀处于未开启状态，使后腔与大气隔绝，而与前腔相通。发动机开始工作时真空弯管9处产生一定的真空度，致使真空单向阀开启，由于两腔与大气隔绝，也会产生一定的真空度。此时，将制动踏板踩至一定的位置，前腔与后腔之间的通道关闭，两腔隔开。使制动踏板继续移动，阀柱压紧橡胶反馈盘14，打开后腔的空气阀，大气进入后腔，推动活塞使人力和伺服力传导至输出推杆7。 当前腔和后腔都处于真空状态时，真空助力器没有力的输入和输出。制动时，制动踏板力经过杠杆的放大加在输入力推杆上。回位弹簧3被压缩，真空阀关闭，此时前后腔隔开。推杆继续移动后，空气阀柱端和反馈盘，4相接触，空气阀打开，外界大气进入后腔，产生压差伺服力。真空助力器在工作状态中，反馈盘受压表面各处的压强均相等，从而使得助力器输出力推杆和输入力推杆受力增量成正比，为驾驶员提供了良好的操纵性。取消制动时，伺服力随输入力的逐渐减小而成比例的减小。随着输入力的减小，控制阀推杆后移，回程经过最大助力点时，空气阀关闭。控制阀推杆的持续后移致使真空阀到达启闭的临界状态，此时，真空助力器达到平衡位置。随着输入力的继续减小，真空阀开启，前腔与后腔连通，使后腔的气压下降，制动力降低。 图1 真空助力器结构图1-输入力推杆 2-防尘罩 3-输入力推杆回位弹簧 4-控制阀卡座 5-前壳体 6-螺栓 7-输出力推杆 8-活塞体回位弹簧 9-真空弯管 10-膜片盘 11-膜片 12-后壳体 13-弹簧座 14-反馈盘 15-活塞体 16-控制阀弹簧2.1.3 真空助力器在使用过程中的状态 当前腔和后腔都处于真空状态时，真空助力器没有力的输入和输出。制动时，制动踏板力经过杠杆的放大加在输入力推杆上。回位弹簧3被压缩，真空阀关闭，此时前后腔隔开。推杆继续移动后，空气阀柱端和反馈盘，4相接触，空气阀打开，外界大气进入后腔，产生压差伺服力。真空助力器在工作状态中，反馈盘受压表面各处的压强均相等，从而使得助力器输出力推杆和输入力推杆受力增量成正比，为驾驶员提供了良好的操纵性。取消制动时，伺服力随输入力的逐渐减小而成比例的减小。随着输入力的减小，控制阀推杆后移，回程经过最大助力点时，空气阀关闭。控制阀推杆的持续后移致使真空阀到达启闭的临界状态，此时，真空助力器达到平衡位置。随着输入力的继续减小，真空阀开启，前腔与后腔连通，使后腔的气压下降，制动力降低。无真空状态(无助力)时，踏板力通过输入力推杆1、控制阀卡座4、反馈盘14、塞推杆，输出力推杆7，克服活塞体回位弹簧8的反作用力，传递给制动主缸活使制动主缸腔内建立起制动所需的油压。2.2 助力器的性能指标2.2.1 密封性密封性是真空助力器的基本性能。它分为非工作状态密封、最大助力点以下密封和最大助力点以上密封三项测试。非工作状态密封是真空助力器在规定的真空度下，并在规定的时间内测量真空助力器的真空泄露;最大助力点以下密封和最大助力点以上密封两项测试均是在真空助力器达到一定的行程后，在输入力推杆上施加一个规定的负荷，切断真空源并在规定的时间里测量真空的泄露。2.2.2 反应时间和释放时间反应时间和释放时间是检测真空助力器的工作灵敏性。反应时间这一灵敏性要求主要考核真空助力器的入力推杆在一定速度、一定位移、一定负荷条件下动作的灵敏性。释放时间是体现真空助力器在解除工作状态时入力推杆的复位速度，也是防止制动系统出现解除制动时的滞后现象的重要性能指标。2.2.3 输入输出特性输入输出特性是评价汽车真空助力器基本性能的主要指标，它反映了在汽车制动过程中脚踏力和制动力之间的关系。理想的输入输出特性曲线如图2.3所示，横坐标为输入力，纵坐标为输出力。1.始动力Fa始动力是当制动真空助力器产生输出力时的最小输入力的值。影响该值的主要因素是助力器结构中的阀门弹簧和推杆回动弹簧。检测该值的目的是:保证助力器在进入工作状态是有一个门限。如果该值过小，则稍有输入力时，助力器就有输出，司机将失去明显的脚感，同时也是为了避免由于踏板的重量、振动、或司机的误动作，而产生误制动，这也是为了保证助力器的控制推杆能可靠迅速的回位而要求的。如果该值过大，则踏板力将增加，降低助力器的灵敏度和延长反应时间。一般该值的要求为Fa30N。2.3 本章小结本章对真空助力器的工作原理及其性能指标作了介绍，为测试系统的测试原理设计作了准备。第3章 测试原理设计3.1 测试目标的分析设计试验台主要技术指标如表3.1所示。表3.1 试验台技术指标真空调节范围095kPa真空测量精度0.25%液压测量范围025MPa液压测量精度0.25%气压调节范围00.8MPa气压测量精度0.1kPa力测量范围020000N力测量精度0.05%位移测量范围050mm时间测量精度1 ms数据采集精度1 ms电源220V、50HZ、1.5W单件测试时间4min试验中需要测试项目如表3.2所示。表3.2 试验台测试项目真空助力器测试项目制动主缸测试项目密封性测试密封性测试空行程测试耐压性测试反应时间测试输出功能测试释放时间测试输入输出特性测试从测试项目可以看出，需要对压强、长度、力等物理量进行测量，需要位移传感器，力传感器、真空计等测量元件。并根据关于试验方法和检验规则的相关规定，应采用换向阀、真空发生设备、推力发生设备等组成部件。对于真空发生设备，目前常用的有真空泵和利用压缩空气形成真空的真空发生器两种。真空泵的极限真空度和抽吸流量均能达到较大，真空发生器二者仅能得到其一；真空泵消耗功率较小，真空发生器消耗功率较大；真空泵安装不便，不便于维修；真空发生器安装方便，维修简单；真空泵主要应用场合连续、间歇工作均可，适合集中使用；而真空发生器有压缩空气，宜间歇工作，容量不大，适合分散使用；真空泵价格较低，真空发生器价格较高。经综合考虑比较，真空发生系统采用真空泵配合真空罐的真空发生方式。真空泵进行抽气，真空罐用于稳定压强。真空室和泵之间用开关阀门隔开，当不工作时阀门处于关闭状态，工作时阀开启。对于推进系统，目前常用的有汽缸推动，液压缸推动和电动缸推动三种方式。在精密机床供给系统、测试台和实验设备中，常利用电动缸同各种不同的附件一起使用，执行各种各样的功能。电动缸与油缸和气缸相比，电动缸可替代油缸或气缸实现往复直线运动。当与计算机配套使用时，可以进行编程驱动，按工艺指令实现自动控制或集中控制。适用于高精度加载和危险区无距离操纵。与油缸、气缸相比总造价低于后者数倍或数十倍，并可省去管道、阀门等零部件。动作时间快，无运动惯性。执行时间由几秒至几十秒，而且只在执行时间内耗用电力，待执行时间不耗费能源，运行中无环境污染。具有结构紧凑，安装方便，使用可靠，维修简单，节约能源等优点。电动缸具有上述优点，结合本次毕业设计考虑，设计中需要推进系统推动真空助力器。电动缸是使用高质量的滚珠丝杠传动，在全部速度范围内可以提供平稳运行。而且由于电动缸不存在粘滞打滑，可以实现非常短的位移，所以本次设计采用电动缸作为推进系统推力发生装置。3.2 设计测试原理根据测试项目及其测试方法，测试原理图如图3.1所示。3.3 测试方法设计3.3.1 真空助力器测试项目1.密封性测试a 非工作密封性将真空助力器与真空源连接，输入推杆处于原始位置的状态下，当真空度达到66.7kPa1.3kPa时，切断真空源，系统压力稳定后，检测时间为15s时的真空度下降值。真空度值下降不大于3.3kPa。b 助力点以下密封性将真空助力器与真空源连接，步进电机通过滚珠丝杠推动真空助力器的输入推杆，其输入推杆行程为全行程的7080后，电磁球阀12、13通电，继续推动真空助力器的输入推杆，检测力传感器，保证真空助力器输入力为最大助力点的5070，当真空度达到66.7kPa1.3kPa时，切断真空源，系统压力稳定后，检测时间为15s时的真空度下降值。真空度值下降不大于6.6kPa。c 助力点以上密封性将真空助力器与真空源连接，步进电机通过滚珠丝杠推动真空助力器的输入推杆，其输入推杆行程为全行程的7080后，电磁球阀12、13通电，继续推动真空助力器的输入推杆，检测力传感器，保证真空助力器输入力为最大助力点的120140，当真空度达到66.7kPa1.3kPa时，切断真空源，系统压力稳定后，检测时间为15s时的真空度下降值。真空度值下降不大于3.3kPa。1-电动缸；2、6-压力传感器；3、5-位移传感器；4-真空助力器；7-制动主缸；8、9-液压传感器；10、11-快换接头12、13、16、17-电磁换向阀；14、15-制动轮缸；18-截止阀；19-真空泵；20-气动开关阀；21-真空罐；22-气动开关阀；23-真空计图3.1 试验台测试原理图2.空行程测试将真空助力器与真空源连接，真空度达到66.7kPa土1.3kPa时，通过步进电机带动滚珠丝杠在助力器的输入推杆，当助力器输出杆产生位移时，检测助力器输入推杆的行程，应不大于2mm。（检测安装在真空助力器两端的位移传感器的值）3.反应时间测试将真空助力器与真空源连接，并保持真空度为66.7kPa 1.3kPa，步进电机通过滚珠丝杠推动真空助力器的输入推杆，其输入推杆行程为全行程的5065后，电磁球阀12、13通电，继续推动真空助力器的输入推杆，检测力传感器，保证真空助力器输入力为最大助力点的130，同时保证真空助力器输入杆作用力上升速率为 (4万4.6万)Ns，保持最少2s。测定从加力到最大助力点的97时的时间。应不大于0.6s。 4.释放时间测试反应时间测试后，步进电机高速返回以迅速解除推杆上的力，测定输出力降到其10的时间，应不大于0.3s。 5.输入输出特性测试将真空助力器与真空源连接，保持真空度为66.7kPa1.3kPa，步进电机通过滚珠丝杠推动真空助力器的输入推杆，其输入推杆行程为全行程的75以上，保证真空助力器输入力为最大助力点的130以上，调整步进电机的转速，保证助力器的输入推杆以150 N300 Ns的速率连续加载到最大助力点的130以上，然后以100N250 Ng的速率连续卸荷，测定加载和卸荷时相应的输入输出力，描绘其特性曲线，并测出或计算下列值；a 始动力（ 110N）b 释放力（ 30N）c 跳跃值（待定，按图纸要求）d 最大助力点 （应在理论值的10%范围内）e 助力点的30%（应在理论值的10%范围内）f 助力点的80%（应在理论值的10%范围内）g 助力比（理论设计值的95%以上）3.3.2 制动主缸测试项目1.密封性测试电磁换向阀16和17交替通电，并使制动主缸反复处于推进的制动状态和制动解除状态（次数在试验中确定），使其充满制动液，然后步进电机通过滚珠丝杠推动真空助力器的输入推杆，最终在制动腔中建立起最高工作液压15MPa，稳压后保持推杆位置不变，30s后记录液压压力下降值，应不大于0.3MPa。2.耐压性测试电磁换向阀16和17交替通电，并使制动主缸反复处于推进的制动状态和制动解除状态（次数在试验中确定），使其充满制动液，然后步进电机通过滚珠丝杠推动真空助力器的输入推杆，调整步进电机的转速应保证15s土5s在制动腔中建立起最高工作液压20MPa，稳压后保持推杆位置不变，5s后记录液压压力下降值，应不大于0.3MPa。3.输出功能测试（单腔失效）电磁换向阀16和17交替通电，并使制动主缸反复处于推进的制动状态和制动解除状态（次数在试验中确定），使其充满制动液，然后使电磁球阀16（17）通电，使得第一（第二）制动腔与储油罐相通，通过步进电机加载，加载过程与密封性能测试相同，第二（第一）制动腔中应能建立起最高工作液压15MPa3.4 本章小结本章通过对试验台测试原理做了总体上的设计，设计出可以实现测试功能的系统原理图，为接下来对系统的具体设计做了必要的准备工作。第4章 测试系统各主要组成部件的选择4.1 推动部件的选择4.1.1 电动缸的选择电动缸的总载荷：= （4.1）式中：最大载荷(N)； 使用系数，本试验台属于轻微冲击载荷，惯性中等，取=1.3；计算最大载荷= （4.2）式中：真空助力器的助力比，取4；真空助力器推动制动主缸的力(N)；=20=9817(N) 所以有=2454（N）计算总载荷=3191（N） 采用Parker Automation 的ET80-M10LA型电动缸。其可提供最大推力8300N，导程为10mm，马达零负载扭矩为0.6Nm，推力系数为656N/Nm，当行程为50300mm时，最大允许速度为800mm/s。4.2 真空发生设备的选择和计算4.2.1 真空泵的选择最常见常用的真空泵是油封式旋转机械真空泵。其中，定片式真空泵已经淘汰，我国对于旋片式、滑阀式（或柱塞式）、直联式三种均有系列标准。从应用场合看，旋片式真空泵常用于抽除密封容积中的干燥气体或含有少量可凝性蒸汽的气体。从特点看，旋片式真空泵结构简，使用寿命长，检修容易，一般用于仪器，医疗器械，科研等部门。考虑到所设计试验台的特点，并考虑到成本方面的原因，本次设计真空泵采用旋片式真空泵。旋片式真空泵的工作原理分两种：1单极旋片式真空泵；2双极旋片式真空泵（串联，同向等速旋转）。其中，双极旋片式真空泵的极限真空度比单极旋片式真空泵高。在确定极限真空度时，主泵极限真空比真空室极限真空高半个或者一个数量级，真空室与真空助力器相连接的时候可达到的真空度为66.7kPa土1.3kPa，故主泵可以达到的极限压力最好应低于3.3kPa。国产XD系列真空泵的技术指标如表4.1所示。表4.1 XD系列真空泵技术指标 项目型号极限压力（Pa）抽速(m3h-1)配电机功率(kw)泵质量(kg)淄博莱宝真空泵业有限公司XD-102102100.3715XD-20200.7520XD-40401.1060XD-63631.5065XD-1001003.0083 国产XD系列真空泵尺寸如表4.2所示。表4.2 XD系列真空泵外型尺寸型号尺寸参数长宽高 （mmmmmm）淄博莱宝真空泵业有限公司XD-10405235210XD-20450280210XD-40624312268XD-63665323265XD-100700350280选用功率最小，抽速最小，体积质量也最小的XD-10型真空泵即能满足真空度的需要，故采用XD-10型真空泵。4.2.2 真空罐容积的确定真空发生回路中气罐的作用常见的有三种：1）在气压泵出现故障停止运转后的一段时间内或者在有频率地工作时不抽气的时间段内补充管路所需要的真空度；2）消除真空回路工作端的气压脉动，使气压平稳；3）进一步分离掉压缩空气中的水分和油分。在高真空设备中，如冶炼金属的设备中真空罐主要是起补充真空度的作用。低真空设备，如本试验台中真空罐的作用是为了使真空工作端压力平稳，选用真空罐容积仅从真空室用机械泵抽气时间考虑。真空室用机械泵抽气时间为：=2.3 （4.3）式中：t抽气时间（s）；SP泵的名义抽速（L/s）所选XD-10型真空泵的抽速为10，即 2.78 L/s；p抽时间t后真空作用端的压力（Pa），所需压力p为34.6kPa；V真空设备容积（L），设计真空罐容积不小于50L；Pi设备开始抽气前的压力（Pa），为大气压力101kPa；Kq修正系数，按表4.3选取，=1。表4.3 不同压力下修正系数P(Pa)-1010-111.251.524所以有：=2.3=2.31=19.3(s)从开始抽气到达到所需要真空度只需要19.3秒，可以满足试验需要，设计真空罐容积等于50L。4.2.3 真空罐的结构设计大多数真空室都由筒体、封头、门、冷却水套、法兰、管道等结构组成的，各个真空罐由于用途不同，容积不用，在结构上各有不同，不一定全部拥有上述结构。真空室一般用金属轧制板材制成，对材料的要求是可焊性好，气密性好。对真空度要求不高的真空室，所用材料通常是低碳钢，合金钢，铝材和铜材。考虑到25号优质碳素钢具有很好的焊接性及冷应变塑性，无回火脆性倾向，常用于制造焊接设备，以及经锻造、热冲压和机械加工的不受高应力的零件。对真空罐的设计采用25号优质碳素钢。筒体分类为：圆筒形，圆锥形，盒形等。由于制造容易且强度容易保证，真空室除了用板材制造外，一般都采用圆筒形。对于直径较小的真空室筒体亦可用热轧无缝钢管制造。 1.壳体壁厚计算圆筒形壳体计算壁厚： （4.4）式中：圆筒计算壁厚（mm）；圆筒内径（mm），设计为400mm；外压设计压力，=0.1MPa；圆筒计算长度（mm），筒体设计为400mm；材料温度为t时的弹性模量（MPa），=200GPa。=1.25400=1.51(mm)圆筒壳体实际壁厚=+=+ （4.5）式中：S圆筒实际壁厚（mm）；C壁厚附加量（mm）；C1最大负公差附加量(mm)，一般取0.5；C2腐蚀裕度(mm)，单面腐蚀取1mm，双面腐蚀取2mm；C3封头冲压时拉伸减薄量(mm)，一般取厚度的10%，且不大于4mm。所以有：=1.51+0.5+1=3(mm) 2.管道壁厚计算当壁温小于120时=+=+ （4.6）式中：管子壁厚(mm)；计算壁厚(mm)；管子外径(mm)，考虑到接口连接处为管螺纹，按照管螺纹标准确定外径为13.6mm；设计压力（MPa）,真空系统取0.1MPa；管子材料许用应力(GPa)，当温度小于120时，=；20时的屈服极限(MPa)；安全系数，内压时取1.8，外压时取2.2；壁减薄量的附加量(mm)，一般取0.5；腐蚀裕度(mm),取1；焊缝系数，单面焊缝取=0.7，双面或有衬垫的单面焊缝=0.8，有特殊检验要求并退火的双面焊缝=0.9，无缝钢管=1。所以有：=+=+0.5+1=1.57（mm），可以取管道壁厚2mm以上即可。3.封头设计计算封头类型一般来说有锥形，平盖形，球冠形，常用标准凸形封头，本次设计与圆筒形筒体的封头设计用球冠形封头。其外型如图4.1所示，其中=，=。设计时设计公称直径为400的球冠形封头，直径400的球冠形封头的名义厚度为3mm，总深度为53mm，内表面积为0.1325，容积为0.0033。此时真空罐的实际容积大约为56L，满足了关于真空罐容积高于50L的要求。图4.1 球冠形封头的示意图 4.法兰设计A法兰上螺栓的载荷计算操作时法兰上螺栓的载荷：=H+=0.785p+2bmp （4.7）预紧时法兰上螺栓的载荷：=by （4.8）式中： p设计压力（MPa）；H总的流体静压轴向力（N）；HP连接件接触面压紧总负荷（N）；DCP密封圈反作用点直径（cm），当b0.6时，为密封圈接触面平均直径，当b0.6时，等于密封圈接触面外径减去2b；b密封圈有效密封宽度(cm)，当0.6时，b=，当0.6cm时，b=0.79,为密封宽度；m密封圈系数；y密封圈比压。本次设计中采用橡胶O型圈系列，采用通用O型圈10.02.65 GB3452.1,沟槽宽度为3.8，沟槽深度为1.97。选用肖氏硬度80的密封圈。所以有：=0.7850.1+20.251.132560.1=0.1007+1.6736=1.168(MPa)=0.251.17751.47=1.308(MPa) B所需要螺栓面积操作时计算所需要螺栓面积：= (4.9)预紧时计算所需要螺栓面积：= (4.10)式中：t温度下螺栓许用应力，=， 按表4.4取值： 表4.4 不同直径下螺栓许用应力系数螺栓直径/mm3030，2724，20，18 162.533.54其中，5号优质碳素钢 215MPa，计算=55Mpa。所以有：=0.239cm2=2.39mm2显然正常情况下选用螺栓，皆可满足所需要螺栓面积的要求。C确定螺栓个数及中心距：螺栓个数：n (4.11)式中：一个螺栓的螺纹根部面积螺栓中心距：L (4.12)式中：d螺栓直径(mm)；t法兰厚度(mm)。由于值很小，螺栓个数大于2即可满足要求，考虑到对称性，设计为6个，螺栓采用M520六角头螺栓。而=23.5mm,只需要满足螺栓间中心距不大于23.5mm即可，所设计法兰盘选用6个螺栓，故螺栓中心距管道轴心的距离相等，螺栓中心线距管道轴心的距离定为20mm，小于23.5mm，满足螺栓中心距的要求。4.3 力传感器的选择在试验中，力传感器仅受到两端的挤压，所选力传感器应该能测量压力，力传感器采用中国航天科技集团公司第701研究所生产的BK-2S型测力传感器，结构紧凑，量程范围广，安装方便，承载方式为拉压式。其主要技术指标如表4.5所示。表4.5 BK-2S型力传感器技术指标技术参数技术指标单位量程