汽车制动真空助力器的课程设计.doc

目录第1部分.第2部分第3部分.前言汽车真空助力器是汽车制动系统中的一个关键部件。由于对行车安全起着至关重要的作用，因此真空助力器一直是汽车制动系统研究的焦点之一。阐述了其工作原理、特性曲线及其应用情况，并介绍该结构真空助力器特性值的确定方法及公式，并进行了理论计算。随着汽车工业的不断发展，各种类别的制动助力器被开发出来，以便通过较小的制动踏板力来获取较大的制动减速度，提高驾驶人员的安全性和制动效率。目前，国内外主要采用的有反馈盘式真空助力器、杠杆式真空助力器和电子式助力器等。其中，反馈盘式真空助力器由于具有结构简单、工作可靠、装配工艺好和性价比高等优点，其应用最为广泛。第1部分 真空助力器的结构图1 真空助力器结构示意图汽车制动真空助力器（简称助力器）主要由控制阀部件、后壳体铆接部件、压块、膜片、助力器盘、护圈、前壳体部件、主缸推杆、回位簧、反馈盘、阀体和锁片等零部件组成。其中控制阀部件由阀杆、阀杆回动簧、橡胶阀簧、橡胶阀部件和空气阀座等零件组成（见图1）。当助力器处在非工作状态时，通过膜片、反馈盘将真空腔与大气腔分隔开，二者的惟一通道是阀体与橡胶阀部件间的真空阀口（见图2）。图2 大气阀口与真空阀口位置示意图根据产品的结构要求真空阀口间隙可以是正值或负值。当真空阀口间隙为正值时，真空腔与大气腔常通；为负值时，二者在无真空条件下处于分隔状态（本文介绍的东风标致206助力器的真空阀口间隙为负值）。真空阀口的间隙大小直接影响助力器的无效行程即空行程，真空阀口间隙越大空行程越大，反之则越小，二者为非线性递增关系。在回位簧的抗力作用下前壳体部件、阀体、锁片、空气阀座和后壳体铆接部件相互定位处在平衡状态。空气阀座与橡胶阀部件在橡胶阀簧的作用下处于密封状态，二者的间隙为大气阀口（见图2）。此时助力器的所有零部件均处在内力的平衡状态，真空腔与大气腔内的压强均为大气压。第2部分 真空助力器的工作原理当汽车发动机开启后，真空泵开始对助力器的真空腔进行抽真空。由于该产品的真空阀口为负值，真空腔与大气腔处于分隔状态。为此，在真空力的作用下，大气腔与真空腔产生压力差产生伺服力，在伺服力的作用下膜片带动助力盘、阀体克服回位簧的抗力向前移动，使阀体与橡胶阀部件分离，真空阀口开启，真空腔与大气腔畅通，二者间压差降至零，阀体不再前移。真空阀口间隙为正值的助力器，由于真空腔与大气腔一直为常通状态，为此抽真空时阀体不发生前移。图3 特性曲线示意图在汽车制动时，阀杆输入力（本文中的阀杆前进及返程速率均为5mm/s）推动控制阀部件的阀杆、空气阀座及橡胶阀部件等前移，橡胶阀部件与阀体密封面接触并密封关闭真空阀口，使助力器的大气腔与真空腔分隔开。在输入力和真空力的作用下，空气阀座克服阀杆回动簧的抗力继续前移，与橡胶阀部件分离打开大气阀口，空气开始进入真助力器大气腔，从而使大气腔与真空腔再次产生压力差，使助力器产生伺服力，此时阀杆的输入力为特性曲线（见图3中的特性曲线1）的始动力（Fa）。同时空气阀座通过压块将输入力传送至反馈盘内圈上（见图4中受力图1），并将输入力传送到主缸推杆。而压力差产生的伺服力是通过膜片、助力盘和阀体作用到反馈盘的外圈上而传递到主缸推杆。此时，反馈盘内圈受到的压强大于伺服力对反馈盘外圈作用的压强（见图4中受力图1）。图4 反馈盘受力状态示意图当阀杆输入力达到一定数值时，由于进入大气腔的大气不断增加，从而迅速增大两腔的压力差，并使整个阀体、膜片和助力盘在伺服力的作用下加速前移，并将伺服力作用在反馈盘外圈上，直至大气阀口逐渐关闭，反馈盘内外圈压强相等，于是出现了“双阀关闭”的第一次平衡状态（见图4中受力图2）。 根据以上分析，可列如下等式：式中：FVY作用在反馈盘外圈的有效伺服力；FRY 作用在反馈盘内圈的有效输入力；D主缸推杆与反馈盘的最大作用直径；d压块与反馈盘的最大作用直径。而此时两腔压力差产生的伺服力为特性曲线（见图3特性曲线1）的跳跃值（FPT）。其跳跃值的大小取决于助力器第一次“双阀关闭”平衡状态时由于压力差产生的伺服力的大小，二者关系为非线性递增函数。可通过控制压块与反馈盘间的间隙调整大气阀口的开启大小来确定第一次平衡状态时的伺服力的大小，从而控制跳跃值的范围。如果压块与反馈盘的间隙大于空气阀座的行程时，大气阀口将常开，直至大气腔充满大气，伺服力迅速达到最大值FO。此时的特性曲线同主动式助力器特性曲线（见图3特性曲线2）相似FPT=FO。产生跳跃值后，主缸推杆作用于反馈盘上的力与阀杆和阀体作用于反馈盘上的合力相平衡。随着阀杆输入力的继续增加，大气阀口再次打开，致使大气腔继续进入大气，伺服力继续增加，从而打破其平衡状态。为此，其反复作用而产生助力的随动现象，形成斜率等于助力比（It）数值的性能曲线。图5 回程时结构示意图但当大气腔的气压与外界大气达到一致时，大气腔与真空腔的压力差保持不变其伺服力达到最大值将不再增加，伺服力的大小是由真空腔的真空度以及两腔压力差作用面积决定的。真空度、压力差作用面积越大，伺服力越大。为此，根据不同车型的匹配可选用不同的真空度以及不同尺寸规格的助力器，如613乃至双膜片助力器来调整伺服力作用面积，以此来改变特性曲线的伺服力大小。此时真空阀口关闭，大气阀口常开时，助力器达到最大助力点（FO）（见图3特性曲线1）。此后的输出力增加量仅与阀杆输入力增加量和摩擦力等效，在不考虑摩擦力的情况下，助力器的输出力增加量等于阀杆的输入力的增加量，特性曲线为以最大助力点（FO）为起始点，斜率为45的斜线（见图3特性曲线1）。解除制动时，阀杆输入力减小。此时在反馈盘的反作用力和阀杆回动簧抗力作用下，阀杆带动空气阀座迅速回位，空气阀座压缩橡胶阀部件致使大气阀口关闭，橡胶阀部件与阀体密封面脱离使真空阀口打开，助力器的大气腔与真空腔畅通，当两腔间的压力差减小时，助力器达到回程时的最大助力点（回程时结构示意图见图5）特性曲线（见图6特性曲线3）。图6 特性曲线示意图由于两腔间的压力差迅速减小，以及在主缸推杆的反作用力和回位簧的抗力的作用下阀体后移，将真空阀口关闭，此时大气阀口并未开启。于是出现了在回程时“双阀关闭”的第一次平衡状态。随着阀杆输入力继续减小及在阀杆回动簧的作用下，真空阀口再次打开，破坏了平衡状态。为此其反复作用而产生回程时的随动现象，直至锁片与后壳体密封圈接触时，真空腔与大气腔间的压差及主缸推杆的输出力降为零，此时的阀杆输入力为特性曲线的释放力Fs（见图6特性曲线3）。助力器解除制动，然后阀杆输入力降至为零，阀杆回到零点位置。在回位簧抗力的继续作用下阀体继续后移，直至空气阀座带动锁片与阀体接触定位时，回到助力器非工作状态时的位置，真空腔与大气腔均处在真空状态。助力器完成了一次制动和解除制动的过程。当助力器快速回程时，由于真空阀口的开启间隙直接影响真空腔与大气腔间的压力差减小数率。因此，回程时真空阀口开启越大，助力器的返程时间越小，反之亦然。当助力器失效时，汽车的制动输入力将由阀杆带动空气阀座，压缩反馈盘直接推动主缸推杆，继而推动制动主缸产生液压来完成制动作用。此时，需要非常大的输入力来使主缸建压完成制动。第3部分 真空助力器工作性能计算3.1.真空助力器的力平衡方程式根据上述的理论分析，可列出当助力器工作时处于“双阀关闭”的平衡状态时的力平衡等式为：FP=FR+PO（A1 A2）+P（A2 A3） +（P P0） A4 F1 （1）式（1）中FP助力器的输出力；FR阀杆输入力；PO真空腔与大气腔间的压力差；A1助力器有效作用面积；A2阀体柄部截面积；A3主缸推杆柄部截面积；A4空气阀座密封面截面积；P真空腔的真空度；F1回位簧抗力。式（1）可转化为：FP=FR+POA1+（P P0） （A2 A4） PA3 F1 （2）由（2）式可以看出当压力差PO增加至最大即（PO=P），阀杆输入力FR不再增加时，助力器输出力FP达到最大助力点（见图3特性曲线1），此时的回位簧抗力为F1，则助力器在最大助力点时的力平衡等式为：FP=FR+P（A1 A3） F1 （3）当真空腔的真空度P为80kPa时,则真空腔与大气腔的气压差为（080）kPa。因此，随着大气腔的真空度的下降，大气压力作用于空气阀座产生的输入力Fk=（P Po）A4与阀体柄部所影响的输入力也越来越小直至下降为零达到最大助力点，其二者变化规律均为减函数。回位簧（9）抗力随着阀体前移而逐渐增加，其变化规律为增函数。为此在达到助力点之前，如果将上述互为反函数的变化值视为近似相等时，则回位簧抗力F1可视为定值。图7 特性曲线图助力器的伺服力Fv=P（A1 A3） （4）在阀杆输入力FR中，一部分输入力用来克服阀杆回动簧的抗力F2，则有效输入力为FRY为：FRY=FRF（5）伺服力产生的助力除部分用来克服回位簧（9）的抗力F1外，还要承受阀杆回动簧的抗力F2之后才作用在反馈盘（10）上，为此作用在反馈盘（10）上的有效伺服力FVY为：Fvy=P（A1 A3） F1+ F2（6）将式（5）、（6）带入式（3）得：Fp= FRY+ FVY （7）根据平衡状态（见图4中的受力图2）时的受力分析，反馈盘（10）的内圈所承受的有效输入力 FRY的压强与外圈所受的有效伺服力FVY的压强相等时，助力器处于“双阀关闭”的平衡状态，可列如下等式：3.2 真空助力器的特性曲线方程考虑到助力器在实际工作过程中，由于相关零部件的摩擦阻力的存在。为此，通常助力器的工作效率为=0.850.95,所以式（2）变化为：FpFR+P0A1+( A2+A4 )( P Po ) PA3 F1上式变化为：FpFR+P ( A1 A3 ) F1当助力器的输出力超过最大助力点时，由于真空度P为定值，则P ( A1 A3 )为常数，输出力FP与输入力FR为线性递增变化。因此式上式可用来计算最大助力点之后的输出力的值。特性曲线图考虑助力器效率可得：Fp( FRY+ FVY) FpFRY It= ( FR F2+Fk)It 式表明，当输入力FR F2 Fk时才能产生输出力。因此，最小输入力（始动力）Fa的等式为：FaF2 Fk当助力器处于非工作状态时，真空腔与大气腔的气压差P0为零，可得：FpFR+P ( A2+A4 A3 ) F1= 0FRF1 P ( A2+A4 A3 ) 因为FR 0所以F1 P ( A2+A4 A3 )可知，回位簧装配抗力与真空腔的真空度、阀体柄部截面积A2、主缸推杆柄部截面积A3和空气阀座密封面截面积A4有关。只有当式（19）成立时，助力器才不会出现自放大的失效模式即输入力为0时产生输出力，阀体才能压紧锁片（12）并靠在助力器的后壳体铆接部件（2）上。当助力器在无真空状态下工作时，PP0 = 0，Fb F1 3.3特性曲线的跳跃值三角区真空助力器的输入输出特性曲线:由输入力的最小始动值Fa1与最大始动值Fa2为起点的特性曲线L1、L2构成的区间，是助力器的特性允许范围。当输入力由0增至最小始动值Fa1