（机械电子工程专业论文）基于反求设计的汽车真空助力器总成的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 汽车真空助力器是汽车制动系统中的一个关键部件，它被广泛地应用在轿 车和轻型车上作为制动助力装置。由于真空助力器对行车的安全起着至关重要 的作用，所以一直是汽车制动系统研究的焦点之一。 本课题是对汽车真空助力器总成进行的反求设计研究。由于我国汽车真空 助力器像很多其它的工业产品一样，是以国外的同类产品为参照设计出来的。 尽管由我国自主设计并生产的汽车真空助力器已经有近二十年的时间，但是产 品的质量并不是十分令人满意的。 在本学位论文中，将详细地阐述真空助力器的工作原理；在理论上推导出 重要的性能参数的计算公式；给出如何评价和分析真空助力器特征性能曲线的 方法；深入研究了影响真空助力器回程速度的原因；探讨了现有的技术标准中 对密封检验的要求的不足，进一步补充了密封检验的技术标准；最后，针对真 空助力器实验台，在软、硬件的设计方案上提出了建议。文章中出现的所有的真 空助力器的特性曲线都是取自实验台上通过实验所得到的一些真实的特性曲 线。 在国内重要的学术期刊和文献中，具有一定理论深度的关于汽车真空助力 器的文献和资料十分匮乏。本课题的研究旨在为我国汽车真空助力器的生产企 业的研究人员提供一本比较系统的、详实的关于汽车真空助力器的资料，为国 内汽车真空助力器的设计和研究奠定一定程度的理论基础。 关键词；汽车真空助力器；反求设计：性能参数；特性曲线；密封检验标准； 实验台 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t a u t o m o b i l ev a c u u mb o o s t e r , ap a r to f a u t o m o b i l eb r a k es y s t e m ，i su s e dw i d e l y a sa l la s s i s t o rd e v i c ei n l i g h t - c a ra n ds e d a n a l w a y s ，i ti sf o c u so ns t u d yo f a u t o m o b i l eb r a k es y s t e m ，w h i c hi so f v i t a li m p o r t a n tf o rt h e i rs e c u r i t yo fd r i v e ra n d p a s s e n g e r s t h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no f v a c u u mb o o s t e r , l i k eo t h e ri n d u s t r i a lp r o d u c t so f c h i n a , u s e dt or e f e r e n c ed e s i g no fp e e r so fs o m ea d v a n c e dc o u n t r i e s i ti sc a l l e da s r e v e r s ee n g i n e e r i n g t h o u g hv a c u u mb o o s t e r sd e s i g n e da n dp r o d u c e db yc h i n ae x i s t f o rm o t h a nt w e n t yy e a r s i ti ss t i l ld i s s a t i s f a c t o r yf o ru so ft h eq u a l i t ya n dt h e a s s e m b l ye f f i c i e n c yo f t h o s ep r o d u c t s i nt h et h e s i s ，t h e s ew i l lb ef i n i s h e dt oi l l u m i n a t et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f v a c u u mb o o s t e r , t od e d u c et h ef o r m u l a so fs o m ei m p o r t a n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ， t op r o p o s et h ea n a l y s i sw a yt oc h a r a c t e r i s t i cc m v e ，t os t u d yo nt h er e t u r nv e l o c i t y w h e nav a c u u mb o o s t e ri su n l o a d e d ，t oa r g u et h ea i r - p r o o fi n s p e c t i o nc r i t e r i o no f v a c u u mb o o s t e r s p e a k i n ge s p e c i a l l y , a l lo fd a t u ma n dc h a r a c t e r i s t i cc u r v e si nt h e t h e s i sa r eo b t a i n e db yo n - t h e s p o te x p e r i m e n t si nf a c t o r i e s o fa l li n f o r m a t i o nr e s o u r c e si nt h ef i e l do f a u t o m o b i l eb r a k es y s t e mo fc h i n a , t h eh i g h l yv a l u a b l el i t e r a t u r e sa n dp a p e r so nt h ef a m o u sp e r i o d i c a l so fv e h i c l ea r e r a r e m ys t u d yo nv a c u u mb o o s t e ra i m st ow r i t eas y s t e m i c 、d e t a i l e d ，a c a d e m i c p a p e ro nd e s i g na n dd e v e l o p m e n to fv a c u u mb o o s t e rf o re n g i n e e r si nf a c t o r i e sa n d r e s e a r c h e r si ni n s t i t u t i o n s ，t os u p p l ys o m eu s e f u li n f o r m a t i o n , b a s e do nt h e o r ya n d p r a c t i c e k e y w o r d s ：a u t o m o b i l ev a c u u mb o o s t e r ；r e v e r s ed e s i g n ；p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ； c h a r a c t e r i s t i cc u r v e ；a i r - p r o o f i n s p e c t i o nc r i t e r i o n ；t e s t - b e d 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 日期： 指导老师签名： 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 提出了汽车真空助力器在工作状态下三个平衡位置的原理和平衡位置动 态转换的原理；提出了汽车真空助力器在工作过程中的启始平衡位置和最后平 衡位置的概念。 2 定义了真空助力器控制阀总成的两个种类，复合式的控制阀总成和叠加 式的控制阀总成，并依此从理论推导出了汽车真空助力器各性能参数的计算公 式或设定方法。 3 对汽车真空助力器的回程速度以及密封检验标准进行深入的研究。给出 了结构上和参数设定上来控制回程速度的方法，肯定了新的密封检验标准的检 验方法对旧标准中检验方法的补充的正确性。同时，又补充了新的标准仍然存 在的不足，提出增加了在卸载过程中最大助力点以下位置进行密封检验的技术 要求的建议。 4 提出了利用最小二乘法来作为对汽车真空助力器检验台采样得到的数据 进行助力比计算的计算方法的建议。同时，提出并定义了真空助力器的助力比 的线形度参数三。作为真空助力器助力比线形化优良程度的评价指标。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 3 0 几年前美国的b e n d i x 公司( h t t p ：w w w b e n d i x c o m ) 成功地研制了反 作用盘式的真空助力器，并从此得到了广泛的应用。现在，该类型的真空助力 器作为助力装置已经被广泛使用在各种档次的轿车和轻型车的制动系统和离合 系统上。由于真空助力器是制动系统的动力部件，它的性能和品质的好坏对行 车的安全有极为重要的影响，因此，一直是汽车制动系研究的焦点之一。 在汽车工业历史上，曾经出现过很多种结构的汽车真空助力器，而发展到 今天被市场认可和大量使用的基本是美国b e n d i x 公司的反作用盘式的真空助 力器，本课题所研究的对象均指反作用盘式的真空助力器。 在本章节中，将阐明本课题研究的现实背景、研究的意义、研究手段和研 究的内容、目的。 1 1 本课题的研究的现实背景 我国汽车真空助力器研制和生产始于上世纪八十年代前中期，并在1 9 8 7 年制订了我国的第一部关于汽车真空助力器的汽车行业标准“”。汽车真空助 力器的发展像汽车行业其他的产品一样走过了引进、消化、吸收、改进和创新 的一个过程。但是，由于我国工业基础的落后和理论研究的能力有限，关于汽车 真空助力器相对系统的、且学术性较强的文献资料“8 “”3 直到上世纪九十年代初 期才在一些重要的学术期刊中出现。而其他大多数的文章仍然只停留在维修层 面上和加工工艺层面上的论述，或在汽车类书籍中的相关章节中泛泛而谈。直 到上个世纪末，一些关于汽车真空助力器的论文才开始较多的出现在重要的期 刊中和书籍中，其中，还包括了一些关于汽车真空助力器实验台研制的文章。 客观地讲，我国现有的关于真空助力器的理论水平和产品品质同国外的理论研 究成果和产品质量相比较，还存在相当大的差距。比较系统的和理论性较强的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 关于汽车真空助力器的研究文献十分匮乏，这种现状对我国真空助力器生产和 研制企业提高真空助力器产品的品质和开发具有自主知识产权的相关产品是十 分不利的。 虽然，我国已经有很多生产汽车真空助力器的厂家，其中，不乏一些在国 内已经颇有名气的企业。例如：万向集团、浙江亚太等企业。这些厂家具有几 十万套的生产配套能力，并给数十家汽车厂配套。但仍然处于大而不强的状态 下，具有自主知识产权的产品很少，其研发能力也十分有限。当然，这和我国 的工业基础差，科技还不够发达，以及发达国家对我国的技术封锁等诸多因素 不无关系。 在国际上，对真空助力器的相关理论进行过研究的最知名的学者是美国加 利福尼亚州大学b e r k e l e y 分校的g e r d e sc j 、m a c i u c ad b 和b e d r i c kj k ，等几名著名学者。在他们早期的研究中，特别是在他们的博士学位论文 3 4 3 9 j 中，对反作用盘式的真空助力器数学模型的建立和控制方法作过详细 的研究。而且，在其后又进行了一系列的研究，进一步对其研究结果进行了不 断地修正、补充和应用，并在汽车的诸多控制领域方面取得了丰富的研究成果， 这些研究成果为现代汽车理论和汽车制动系统的控制的研究奠定了良好的基 础。目前，他们的研究成果仍然在被大多数的国内、外汽车研究领域内的学者 所引用和借鉴。 在真空助力器的生产和研发领域内，比较著名的企业是美国的天合公司 ( t r wa u t o m o t i v e ) 。目前，美国天合公司已经在我国的上海市设立了自己的研 发中心和生产助力器的工厂。而日本的一些企业，如a i s i n 精工公司等，也有 自己设计的系列产品和设计理论。近年来，天合公司又成功地开发出d u a l r a t e 型带有应急事件处理功能的新型汽车真空助力器并逐步向市场推广，标志着具 有复合功能和更多控制功能的真空助力器的问世，最具代表性的产品是 l s c l 3 0 t h e d r f 系列的真空助力器。 近年来，我国汽车工业科技人员在真空助力器的研发上也做了一些大胆的 尝试和创新。其中，浙江亚太机电股份有限公司取得的实用新型专利变助力比 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 真空助力器呻1 就是一个典型的例子之一，该专利已经为部分汽车厂的部分车型 ( 哈飞赛马等) 提供配套。但是，总的来说，我国具有自主知识产权和实用意 义比较显著的产品的创新还有待进一步的出现和提高。在在学术领域内，对汽 车真空助力器进行系统研究的资料很少见，特别是深层次的研究成果很少，这 种现状对我国真空助力器的生产企业和整个汽车行业是非常不利的。 我国现有的关于真空助力器的标准是汽车行业标准q c t3 0 7 - 1 9 9 9 国家。 原有的z bt 2 4 0 0 3 8 7 真空助力器技术条件，z bt 2 40 0 4 - 8 7 真空助力器实验方 法已经为新的技术标准所取代。 1 2 本课题的研究意义 正是带着汽车技术变革的思考和我个人在汽车制动系统从业经历，特别是 在真空助力器领域的研究，本人曾经就职于一家汽车真空助力器的生产企业， 对真空助力器进行过反求设计，虽然曾取得过一定的研究成果嘲嘲，但仍然感 到对汽车真空助力器的研究还有许多不足之处。特别是随着汽车行业的发展， 电子技术、控制技术对提高汽车零部件的品质的要求和要求建立精确的数学模 型来应用于汽车的各种控制系统中去等要求。所以，我选取了汽车真空助力器 总成的反求设计这个课题，并对汽车真空助力器的性能参数计算方法、数学模 型的建立、技术要求和实验台的研制等各方面作进一步深入的研究。 随着汽车制动技术的发展，线控技术的出现和生态环保的要求使得电动能 源有可能取代燃油发动机成为新的制动能源。但是，其执行元件仍然可以是真 空助力器。事实上，在目前的电动汽车制动系统的研发中，真空助力器仍然是 制动系统的执行元件协】。 虽然，近些年来我国从德国大众、法国雷诺、美国通用、日本日产等外国汽 车公司引进了轿车，不少零配件的国产率也比较高，但引进的主要是总成及零配 件，没有引进开发技术。所以我国自行开发轿车的能力，跟发达国家相比差距还 很大“”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 在真空助力器的理论上存在的问题是：在国内尚且没有一部完整的真空助 力器的设计手册及系统而深入的相关理论。部分重要的原理被忽视或未被发现， 缺乏一些必要的理论公式作为设计的依据，在实验中所采集数据的处理方法缺 乏统一的规范。所有这些问题，将严重影响我国企业对汽车真空助力器的设计 能力的提高，也使得真空助力器的产品质量缺乏必要的保证。 在真空助力器的生产过程中，显然提高生产效率是控制成本的最重要的因 素。汽车真空助力器是一个气动部件，由许多不同材质的零件组合而成，除金 属件外，活塞体是电木材质，而膜片和密封件及反作用盘都是橡胶件。一旦由 于设计、制造或装配不当造成的失误，想寻找其故障原因会非常困难而且耗时。 现场的唯一作法就是：根据经验来判断可能发生问题的部件，并加以更替：但 是，如果产品检验仍然不合格，就得重新寻找其它有可能存在缺陷的部件，直 到找到真正有问题的部件，使得真空助力器的密封检验合格为止。而所依据的 经验就是对真空助力器工作原理的了解和该企业质量管理体系中提供的相关的 技术统计数据。 在现代的质量管理体系中，有这样一句已经形成共识的名言：产品质量缺 陷的百分之八十是在设计中产生的。 由此可见，只有全面了解真空助力器的工作原理和掌握其设计要领，才能 使生产企业提高生产和装配效率，从而降低成本；同时，才能给我国科技人员 能够研制出具有自主知识产权的汽车制动系统的产品提供良好的理论基础。 因此，笔者选取汽车真空助力器总成的反求设计来进行课题的研究有其实 在的现实意义和长远战略意义。 1 3 本课题的研究方法 在本课题的研究中，主要所采用的研究手段是反求设计m 的方法。同时， 结合理论分析和逻辑推理等正设计的方法来进一步完善汽车真空助力器的各方 面尚未明确的理论和尚且存在问题的地方，最终达到促进并提高我国科技人员 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 设计汽车真空助力器的水平和能力的目的。 1 3 1 反求设计的出现和发展的时代背景 二次大战中，几十个国家卷入战祸，饱受战争创伤。特别是战败国，在二 战结束后，急于恢复和振兴经济。日本在6 0 年代初提出科技立国方针：。一代 引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、 光学设备和家电等行业上最突出。为要国产化的改进，追切需要对别国产品进 行消化、吸收、改进和挖潜。这就是反求设计( i n v e r s ed e s i g n ) 或反求工程 ( i n v e r s ee n g i n e e r i n g ) ，这两者是同一内涵，仅是不同国家的不同提法。发 展到现在，己成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段或重要对策，反求工 程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。 实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、 技术的继承和应用借鉴。因而反求思维在工程中的应用己源远流长，而提出这 种术语并作为一门学问去研究，则是6 0 年代初出现的。 市场经济竞争机制已渗透到各个领域，如何发展科技和经济，世界各国都 在研究对策。从共性特征可概括为4 个方面对策：( 1 ) 大力提倡创造性。包括新 的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、新技术、新材料、新工艺、 新仪器等等。对于发展一个国家的国民经济来说，创造性是永恒主题。( 2 ) 研究 和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的方法，使能既快又好地设计出 新型产品。( 3 ) 把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程( 预测、决策、 管理、设计制造、试验、销售服务等) 中，以期达到这些过程的一体化、智能化 和自动化。( 4 ) 研究和应用反求工程，使能在高的起点去创造新产品。 1 3 2 反求设计的含义 反求设计是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，以现代设计理 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维， 对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计，这就是反求设计 的含义，特别强调再创造是反求的灵魂。 反设计是从已知事物的有关信息( 包括硬件、软件、照片、广告、情报等) 去寻求这些信息的科学性，技术性，先进性、经济性、合理性、国产化的可能 性等等，要回溯这些信息的科学依据，即充分消化和吸收，而更重要本质是在 此基础上要改进、挖潜进行再创造。反求的目标如仅限于仿制，是最原始、低 级的模仿，其质量和生命周期不会有竞争力，更严重的是侵权行为，要受产权 保护制裁。 图卜1 正设计过程示意图 如果说正设计的关键要解答“怎么做? ，即设计任务提出后，怎样实现和 达到预定目标，那么反求的关键要解答“为什么要这样做? ”，即已知目标后，要 探索和掌握这种目标的设计者是如何一步一步实现的，反求别人脑袋里是怎样 想、怎样做的，要摸清设计意图、所用技术、关键和设计理论与方法。从这个 意义上说，正设计是主动的创造，而反求是先被动后主动的创造，别有一番难 已知一个确定的事物 ( 产品，照片或实物) 通过消化，进行再t j 违 形成市场竞争 的新产品 图2 反设计过程示意图 度。故反求设计并非正设计的简单逆过程，因为一个先进成熟的产品，凝集着 设计者的智慧和技术，要去吃透、消化，包含很多复杂内容。往往吃透别人的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 技术比自己创造还难，这是因为：( 1 ) 先进产品中总有“绝招”、“诀窍”和关键技 术，我们并不掌握；( 2 ) 别人的思维不会告诉你，要想“钻进别人脑袋里去挖出 来”，要花艰苦劳动。多年来我国测绘仿制的产品，大多数达不到原产品的水平， 涉及原因、内容和技术是多方面的，正说明发展反求设计的研究和应用是多么 重要。正设计和反设计既有区别又相辅相成，具有丰富正设计经验和水平的人， 可以显著提高反求水平；反设计的成功经验可以促进正设计的水平。但缺乏正 设计经验者，反设计中也不能充分消化吸收。作为一个国家来说，吃透别人的 技术仅仅是第一步，在此基础上结合本国的国情进行再创造，变成有自主权和 竞争的新产品，才是反求工程的完整意义和目的。 从工程技术角度看，反求工程的对象可概括为实物反求、软件反求和影像 反求三类。本课题反求工程的研究对象属于实物反求的范畴。 1 3 3 实物反求对象的定义和内容 顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和详细分析，提出再 创造的关键。其中包括功能反求、性能反求、方案、结构、材质、精度、使用 规范等众多方面的反求。实物反求的对象可以是整机、部件组件和零件。 1 ，3 4 试验方案和试验方法 实物反求，首先要在未解体前进行功能、性能等全面试验考核，测试其各 项功能和性能指标。为此，可结合采用以下几项内容： ( 1 ) 根据样本、使用说明书，摸清有哪些功能指标； ( 2 ) 为要进行试验，制定试验条件和试验规范； ( 3 ) 选择和完善试验台及相应测试仪表及精度； ( 4 ) 对试验结果的科学处理，其中有静态数据和动态数据； ( 5 ) 试验中出现故障现象的记录，为进一步分析提供依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 总之，通过试验，要客观捕捉和反映原机的真实面貌，总结其优点和不足。 对有些样机，不仅要作台架试验，必要时还要作现场试验。 1 4 本课题研究的内容和目的 在本课题的研究中，由于对真空助力器的研究范围较广和研究的内容比较 详细。因此，将真空助力器的研究分为以下六个章节，其中，包括理论层面和 技术层面的研究。在每个章节中均有一定的研究成果，并在每章的总结中对本 章中的研究成果做出说明。 ( 1 ) 汽车真空助力器的结构和一些工作原理； ( 2 ) 汽车真空助力器的性能参数的计算和数学模型的建立； ( 3 ) 汽车真空助力器的性能曲线和分析方法； ( 4 ) 汽车真空助力器的回程速度的研究； ( 5 ) 汽车真空助力器的密封性能标准的研究； ( 6 ) 汽车真空助力器的实验台的研制； 本课题的研究目的：通过本课题的研究，形成国内较为领先的，在关于汽 车真空助力器的理论和技术上的相对系统和完整的研究成果，为国内的汽车真 空助力器的设计和生产企业以及相关领域的科研机构的研究人员提供相对系统 的、详实的、具有相当认识程度的关于汽车真空助力器的理论和技术。为我国 汽车行业能够尽早的设计并生产出具有自主知识产权的汽车真空助力器或相关 产品提供具有一定的理论基础和技术指导的文献。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章汽车真空助力器工作原理的研究 对汽车真空助力器的结构和工作原理的基本论述可见于大多数的汽车构造 伽3 和研究汽车制动系统1 的书籍和学术文献中。本章将对从汽车真空助力器的 结构出发，阐述真空助力器在工作过程中的基本原理。同时，将重点阐述在研 究过程中发现到的在目前文献中尚未提到的、但对真空助力器的工作过程起着 重要作用的几个原理。 2 1 真空助力器的结构和工作原理 在本节中，将给出双膜片助力器的具体结构。叙述在大多数的教材和关于 真空助力器的文献中，对真空助力器工作原理的一般性的理解。 2 1 1 反作用盘式的真空助力器总成的结构 反作用盘式的汽车真空助力器可分为：单膜片的真空助力器和双膜片的真空助 力器。由于双膜片的真空助力器的结构比较复杂，如果了解了双膜片真空助力 器的结构，那么对单膜片真空助力器的结构就非常容易理解。所以下面给出一 个双膜片真空助力器+ 制动主缸总成的较为具体的结构图。 图2 一l 所示的是一个双膜片汽车真空助力器的总成的结构。常见的真空助 力器是单膜片的真空助力器，其结构较为简单一些。双膜片的真空助力器由于 各公司设计方法的不同，其结构也有所不同，但其工作原理和工作目的是完全 一致的。例如，日本a i s i n 精工公司生产的一种双膜片的真空助力器增加了如 下一些零件：轴套、隔离套、0 型圈、中隔板、小膜片及小膜片盘等。双膜片 的真空助力器活塞体的结构也比单膜片的助力器活塞体的结构要复杂得多。常 见的双膜片真空助力器有8 ”+ 9 型双膜片真空助力器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 双膜片真空助力器产生的主要原因和作用是：因为单膜片真空助力器在产 生同等大小的伺服力条件下，其径向尺寸占用了过大的径向尺寸空间，最大的 单膜片真空助力器可达1 2 。为了减小径向尺寸空间的占用，具有较小的径向尺 1 制动主缸2 储液罐3 液面报警开关4 活塞体回位弹簧5 壳体6 膜片7 活塞 体8 、1 7 、2 0 密封件9 滤芯l o 控制阀推杆1 1 防尘罩1 2 控制阀推杆同位弹簧1 3 弹 簧1 4 柱塞1 5 橡胶反作用盘1 6 中隔板1 8 输出力推杆1 9 真空单向阀 图2 - 1 双膜片的总成的结构 寸的双膜片真空助力器产生了。不过，双膜片的真空助力器虽然实现了径向尺 寸空间的减小，却由于真空助力器有行程上的要求，其轴向尺寸空间却有所增 加。不过在汽车的结构设计上，这一点还是可以被接受的。 2 1 2 真空助力器在理想状态的工作原理 下面，首先阐述在大多数的文献资料中对真空助力器工作原理的一般性的 理解和描述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 在非工作的状态下，控制阀推杆回位弹簧将控制阀推杆推到右边的锁片锁 定位置，真空阀口处于开启状态，控制阀弹簧使控制阀皮碗与空气阀座紧密接触， 从而关闭了空气阀口。此时助力器的真空气室和应用气室分别通过活塞体的真 空气室通道与应用气室通道经控制阀腔处相通，并与外界大气相隔绝。发动机启 动后，发动机的进气歧管处的真空度( 发动机的负压) 将上升至0 0 6 6 7 m p a ( 即 气压值为0 0 3 3 3 m p a ，与大气压的气压差为0 0 6 6 7 砌p a ) 。随之，助力器的真 空、应用气室的真空度均上升至0 0 6 6 7 枷p a ，并处于随时工作的准备状态。 当进行制动时，制动踏板被踏下，踏板力经杠杆放大后作用在控制阀推杆 上。首先，控制阀推杆回位弹簧被压缩，控制阀推杆连同空气阀柱前移。当控制 阀推杆前移到控制阀皮碗与真空阀座相接触的位置时，真空阀口关闭。此时，助 力器的真空、应用气室被隔开。此时，空气阀柱端部刚好与反作用盘的表面相 接触。随着控制阀推杆的继续前移，空气阀口将开启。外界空气经过滤气后通过 打开的空气阀口及通往应用气室的通道，进入到助力器的应用气室( 右气室) ，伺 服力产生。由于反作用盘的材质( 橡胶件) 有受力表面各处的单位压强相等的 物理属性要求，使得伺服力随着控制阀推杆输入力的逐渐增加而成固定比例( 伺 服力比) 增长。由于伺服力资源的有限性，当达到最大伺服力时，即应用气室的真 空度为零时( 即一个标准大气压) ，伺服力将成为一个常量，不再发生变化。此时， 助力器的输入力与输出力将等量增长；取消制动时，随着输入力的减小，控制阀 推杆后移。当达到最大助力点时，真空阀口开启后，助力器的真空、应用气室相 通，应用气室的真空度将下降，伺服力减小，活塞体后移。就这样随着输入力的逐 渐减小，伺服力也将成固定比例( 伺服力比) 的减少，直至制动被完全解除。 2 1 3 真空助力器的核心尺寸链 在助力器的设计中，核心尺寸链的设计是保证助力器工作性能的关键，其 中最为关键的尺寸配合是空气阀柱长度厶与真空阀座到反馈盘主面的距离： ( 对于双膜片的助力器来说，工：是指真空阀口到活塞体凸台上端面的距离与轴 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 套同凸台相接触的端面到轴套同反馈盘表面相接触的端面距离之和) 和控制阀 的真空阀口处的形变量s ，之间的配合关系。理想状态下，工l = l ：+ 卸。 在上述的理想状态工作过程的叙述中，我们可以注意到在理想的工作状态 下的当空气阀口到达打开的瞬间位置时，空气阀柱端部应刚好与反作用盘接触， 可以看出在理论上成立的状态在现实中是不可能实现的。第一，每个零件的尺 寸是有它的尺寸公差带；第二，大量部件的生产是符合统计规律的，实际的尺 寸区间是一个公差带，而理想的位置只是在公差带上的一个点而已。那么，在 实际设计中，是如何处理这个矛盾的。其核心的尺寸链的配合采取的是间隙配 合。也就是说，当空气阀口打开的时候，空气阀柱的端部没有到达反作用盘的 接触面上，存在一定的间隙。在实际设计中，为取得良好的始动力和释放力等 技术参数，采用了间隙配合，即厶 0 不变 已 0 无形变有形变 有形变 真空阀口f ， 0不变 p 0 变化占，= 0 有形变 有形变无形变 2 2 3 实际的真空助力器的工作过程 由上述的阐述可以看到，实际的工作过程与理想的工作过程是有所不同的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 在核心尺寸链为问隙配合的条件下，结合工作状态的三个平衡位置的理论。真 空助力器的实际的工作过程是：制动时，制动踏板被踏下。踏板力经过杠杆的放 大后作用在控制阀推杆上。首先，推杆回位弹簧被压缩，控制阀推杆连同空气阀 柱前移。当控制阀推杆前移到控制阀皮碗与真空阀座相接触的位置时，真空阀口 关闭，控制阀的真空阀口处从刚刚接触直到产生形变。此时，真空、应用气室 被隔开，控制阀推杆继续前移使得空气阀口处于即将开启状态。此时，控制阀的 空气阀口处已经没有形变。此处是助力器升压时的平衡位置，此时空气阀柱端 部还没有与反作用盘的主面相接触。随着控制阀推杆的继续前移，空气阀将开 启。外界空气经过滤气后通过打开的空气阀口及通过到应用气室的通道，进入到 助力器的应用气室( 右气室) ，伺服力产生。由于反作用盘的主面没有与控制阀的 端部接触，因此，助力器还没有达到平衡。而空气进入到应用气室产生的伺服 力使得反作用盘的副面受力，于是反作用盘的主面隆起，直到副面上产生的伺 服力的大小使得主面隆起的高度达到与控制阀的端面接触时，助力器初始平衡 位置建立。然后，随控制阀推杆输入力的逐渐增加而伺服力成固定比例( 伺服力 比) 增长。由于伺服力资源的有限性，当达到最大伺服力时，即应用气室的真空度 为零时( 应用气室气压为一个大气压) ，伺服力将不再发生变化。此时助力器的输 入力与输出力将等量增长，隆起的主面将在控制阀力的作用下，逐渐减小隆起 的高度，当达到足够到的输入力时，反作用盘的主面甚至开始下凹，此时的空 气阀口处打开的间隙越来越大，助力器的应用气室与外界空气完全相通；取消 制动时，随着输入力的减小，控制阀推杆后移，伺服力仍然是个固定值，控制阀 口开启的间隙越来越小直到退后到空气阀口刚好关闭并随之产生形变。注意此 处的位置并不是降压过程的平衡位置。随着输入力的继续减小，真空阀口将处于 即将开启的状态，此时的真空助力器的控制阀才处于降压过程中的平衡位置。 我们注意到升压时的平衡位置与降压时的平衡位置存在一个的差值，这个差值 就是控制阀在真空阀口和空气阀口处的两个形变值的和，即s + 勖。由于核心 尺寸链是间隙配合，此差值使得反作用盘在助力器降压过程中需要更大隆起高 度来实现平衡。真空阀口开启后，助力器的真空、应用气室相通，应用气室的真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 空度将下降，伺服力减小，活塞体后移。在连续的降压过程中，控制阀的空气阀 口处始终有形变，而控制阀的真空阀口一直处于无形变( 即若即若离的状态) 。 直到反作用盘的主面作用力接近为零。此时，助力器达到了最后的平衡位置。 如果控制阀推杆继续后退，助力器的平衡被打破，恢复到初始的状态。 这就是真空助力器的一次密封检验( 或者说，一次常规的制动过程) 中真空 助力器工作的详细过程，了解这个过程对于理解真空助力器的特性曲线的各性 能参数的理解是至关重要的。在第3 章的真空助力器的性能参数的计算中，就 是依据此过程来得到的。而没有使用间隙配合的真空助力器的性能参数的计算 和曲线以及产生的后果将在第4 章中作详细的讨论。 应该特别注意的两个概念是：在一台设计合理的真空助力器实际工作过程 中，应该存在初始平衡位置和最后平衡位置这两个概念。在输入力一输出力的特 性曲线中，两个平衡位置的力学关系的体现分别对应的是始动力和释放力处跳 跃值变化的过程。 2 2 4 真空助力器两个平衡位置的概念 初始平衡位置的概念：在升压过程中，空气阀口开启的同时，空气阀柱端 部未能触到反作用盘上，即合理的间隙配合。这样空气阀口打开，应用气室进 气，伺服力产生。于是，反作用盘的副面受力，反作用盘发生形变，主面将隆 起，直到隆起的主面与空气阀端部接触，才达到一个稳定的平衡。在此过程中 由于伺服力的增大，使输出力( 或液压) 在输入力不变的情况下增加。 最后平衡位置的概念：在降压过程的末期，随着输入力的降低，当反作用 盘主面的受力几乎为零时，助力器的输出力完全是由伺服力产生的。这个伺服 力同时又保证着反作用盘的形变。此时，如果控制阀推杆继续后移，由于制动 主缸不能产生足够的抗力与残留的伺服力相平衡，使反作用盘不能产生足够的 起补偿作用的形变量，以保持助力器的平衡，则助力器将失去平衡状态。其后， 真空阀口将被打开。伺服力被释放，反作用盘上的形变消失。助力器恢复到起 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 始状态。由于加载时和卸载时的控制阀阀口的平衡位置转变，可以知道，助力 器释放力处的跳跃值应该大于始动力时的跳跃值。 2 2 5 反作用盘的核心作用和性能要求 在课题的研究中发现：在真空助力器的工作过程中，反作用盘起着极其重 要的作用。真空助力器的工作原理要求，当空气阀口开启的瞬间，空气阀柱端 面要刚好触到反作用盘的主面上。又由于反作用盘的材质有要求受力表面各处 压强相等的特性，使得伺服力随着控制阀推杆输入力的逐渐变化而成固定比例 ( 伺服力比) 关系变化。反作用盘的主面与副面同时受力，且受力的大小与主面 和副面的面积成正比。此时，助力器的随动性最好，反作用盘的使用寿命长。 但是，这种理想状态在现实中是很难实现的。设计合理的助力器( 间隙配合) 的反作用盘又起到了补偿作用。当空气阀口开启的瞬间，空气阀柱端面没能触 到反作用盘的主面上，它们之间还有一定的间隙。这时空气阀口开启，助力器 的应用气室进气，产生伺服力，反作用盘的副面受力，主面将隆起。当主面隆 起的高度能够补偿了空气阀柱与反作用盘主面之间的间隙时，助力器达到了平 衡状态。反之，设计不合理助力器当空气阀柱端面触到反作用盘主面上时，空 气阀未能开启，这时反作用盘的主面由于受力而凹下，而副面相对隆起，直到反 作用盘的副面隆起的高度能够使空气阀口开启时，助力器才达到平衡状态。 反作用盘材质具有的这种即要求受力表面各处压强相等又能够产生形变的 材质特征是真空助力器工作原理的核心原理之一。 因此，对反作用盘的性能要求如下：良好的密封性。反作用盘的过盈量要 适当，过盈量太小不能保证密封性；过盈量太大，反作用盘侧面的摩擦力加大， 影响助力器的工作性能。良好的形变能力。反作用盘的材质和形状要有利于反 作用盘的形变。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 2 3 本章小节 在本章节的研究内容中，除了阐述真空助力器的基本原理之外，还提出一 些新的十分重要的原理和概念，而这些概念和原理在现有文献中尚未论述。下 面，将本章的结论总结如下： 1 提出了真空助力器控制阀口三个平衡位置的概念，这对于理解下章中一些 性能参数的计算有着重要的作用。 2 提出了真空助力器控制阀口三个平衡位置之间动态转换的原理，这个原理 对真空助力器的密封性提出了更高的要求。 3 提出并详细阐述了真空助力器的初始平衡位置和最后平衡位置的概念。 这两个平衡位置是由于核心尺寸链采用间隙配合产生的结果，在两个平衡位置处 的跳跃值大小的不同是控制阀的真空阀口和空气阀口处的存在着形变量而产生。 4 明确地提出反作用盘作为弹性体具有的表面各处要求单位面积压强相等的 特性，以及弹性体可以通过形变来补偿间隙配合的特性。这两个特性是真空助力 器具有良好控制线形比例关系的能力及在任意位置可以形成稳定平衡这一最为基 本而关键的原理，只有理解了这个原理才可以真正了解真空助力器是如何工作的。 5 在保证强度的情况下，反作用盘的材质越软，其形状越有利于产生形变， 对提高真空助力器的工作性能越有好处。 6 控制阀的阀口的弹性体的硬度越大，在能够保持密封的情况下，使得空气 阀口和真空阀口处产生的密封所需要的形变量越小，对提高真空助力器的工作性 能指标就越有好处。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第3 章汽车真空助力器的性能参数计算 真空助力器的性能参数在一定程度上反映的是助力器的性能，在现有的技 术要求中对一些性能参数的数值范围有明确而严格的要求。但是，在本课题的 研究过程中，发现一些性能参数的计算公式尚没有计算公式可以依据，也没有 一本完整的真空助力器的设计手册可供参考，生产厂家只能通过实验不断的调 整来获取一些必要的性能参数。 同时，发现更为严重的问题是：在各文献中，关于不同结构的控制阀并没 有明确的定义。对于不同结构的控制阀总成，在始动力、系统始动力( 新定义 的一个概念) 、释放力的计算方法上是完全不同的。因此，不同结构的控制阀应 有相应的计算公式来计算。 本章将根据现有控制阀的结构的不同，分别定义两种不同结构的控制阀， 并推导出与其相关的性能参数公式。 本章中，首先将推导出在设计合理的助力器在正常工作状态下的性能参数 公式。这里所提到的合理和正常的概念是指：保证核心尺寸链的配合是问隙配 合，同时，在结构设计上满足各处的密封技术要求，特别是在控制阀口处的密 封性能。 真空助力器的核心尺寸链在间隙配合状态下的计算公式与非间隙配合状 态下的计算公式是完全不同的。其中，非间隙配合的助力器的各性能参数计算 的参照公式、性能参数变化的原因及在特性曲线上的反映也将在本章节和其它 章节做必要的阐述。 3 1 真空助力器的力学关系方程 真空助力器在工作状态下输入力与输出力的总体关系符合如下公式： 巧+ ( b 一斥) 爿一，矗= f o ( 3 一i ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 式中，f ，为助力器的输入力；f o 为助力器的输出力；石为助力器的应用 气室真空度；p f 为助力器的真空气室真空度；a 为助力器膜片的有效面积；耳。 为助力器活塞体的回位弹簧的抗力。 特别注意的是，( 最一0 ) a 一耳。被称为有效伺服力，它是助力器伺服力 与助力器活塞体回位弹簧装配预紧力之间的一个差值。 f p 。是耗费伺服力资源的一个因素。因此，在能够充分保证助力器活塞体 在自然状态下与后壳体能紧密接触，同时在装配过程中的密封检验时能够保证 在助力器卸载后使活塞体迅速复位的情况下，助力器的活塞体回位弹簧抗力应 被设计的尽可能的小些。这样做可以减少伺服力资源的消耗，同时又方便真空 助力器的装配。 由于反作用盘的材质有要求受力表面各处压强相等的属性，所形成的助力 器的总体力学另一个关系式为， t p 8 一p f 、a f a s = f l | a m ( 3 - 2 ) 式中，a u 为反作用盘的主面面积；4 。为反作用盘的副面面积 或简化为： f o = ( 1 + a ) + e a 为伺服比，即反作用盘的副面面积与主面面积的比值 又= a s | a “ 这是弹性体带来的线形关系的核心属性，正是这个属性实现了真空助力器 的输入力和输出力之间的线形关系。 3 2 助力器的控制阀总成的分类1 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。在课题 的研究过程中，在现有的文献中，尚未查到相关的定义或说明。现在，按其结 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 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3 - 1 所示。 6 1 空气阀柱2 控制附皮碗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 图3 - 1 复合式控制阔总成 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3 2 所示。 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 图3 - 2 叠加式控制阀总成 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 3 真空助力器的性能参数的计算 真空助力器的性能参数有：始动力、系统始动力、释放力，跳跃值以及滞 后率等。不是每个性能参数都可以计算出来，有的性能参数由于涉及的因素很 多，只能通过实验来得到具体数值。 查阅现有的文献中，只有曾留学日本的学者方泳龙在文献 4 1 中，对真空 助力器的性能参数作过一定的推导和运算。 3 3 1 真空助力器的始动力 助力器的始动力的定义为：当制动真空助力器产生输出力时的最小输入力 被称为助力器的始动力。对于单阀体助力器，在助力器的升压过程中，合理的 工作状态下( 间隙配合) 的始动力是： 对于复合式