家 用 轎 車 （ 長 安 悅 翔 ） 真 空 助 力 器的 改 進 設 計摘要本次設計的目標是家用轎車（長安悅翔）真空助力器的改進設計，汽車真空助力器是汽車制動系統(tǒng)中的一個關鍵部件，它被廣泛地應用在轎車和輕型車上作為制動助力裝置。由于制動真空助力器中膜片材料選擇與分隔皮膜的設計參數(shù)不當，在使用過程當中可能產(chǎn)生裂紋、制動失靈、制動時間長，真空助力器內(nèi)的負壓無法保持，導致制動助力降低，制動踏板變硬，在常規(guī)制動操作條件下，制動距離將變長，導致的交通事故。本次對長安悅翔真空助力器改進設計主要從伺服膜片的材料上進行選材，同時還對長安悅翔真空助力器的結(jié)構(gòu)進行改進設計，結(jié)合長安悅翔真空助力器工作過程與其各種性能指標，提出了幾個重要的工作原理，詳細地闡述了汽車真空助力器的性能指標，給出了特性曲線的分析方法。關鍵詞：長安悅翔；真空助力器；改進設計；伺服膜片F(xiàn)amily sedan (length Yuexiang) to improve the design of the vacuum boosterABSTRACTThe goal of this design is a family car (changan yue xiang) improvement design of vacuum booster car vacuum booster is a key part of automobile braking system, it is widely used in cars and light vehicle as a brake booster device. Because of braking vacuum booster diaphragm material selection and design parameters of separating skin membrane improper, cracks may be produced during the process of using, the brake failure, the braking time is long, the negative pressure can't keep inside the vacuum booster, results in the decrease of brake booster, brake pedal harden, under the condition of the conventional brake operation, braking distance will be longer, lead to traffic accidents. This design for changan yue xiang vacuum booster improvement from the servo diaphragm on the material selection, at the same time also to changan yue xiang structure to improve the design of vacuum booster, in combination with changan yue xiang the working process of the vacuum booster and its various performance indicators, puts forward several important works, in detail elaborated the performance of the automobile vacuum booster, the analysis method of the characteristic curve is given.Keywords: Changan yue xiang; Vacuum booster. Improved design; Servo film目 錄1 緒論 11.1 背景 .11.2 研究的意義與目的 .22 汽車真空助力器工作原理的研究 42.1 真空助力器的作用 42.2 汽車真空助力器的結(jié)構(gòu)及工作原理 .42.2.1 液壓管路聯(lián)接形式 42.2.2 真空助力器的工作原理 52.2.3 真空助力器的構(gòu)造與各個不同工作狀態(tài) 63 真空助力器的性能指標 83.1 密封性 .83.2 空行程 .83.3 反應時間和釋放時間 .83.4 輸入— 輸出特性 94 真空助力器的重要特性 .104.1 真空助力器的閥口的三個平衡位置的原理 104.2 真空助力器平衡位置的動態(tài)轉(zhuǎn)換的原理 104.3 實際的真空助力器的工作過程 104.4 反作用盤的核心作用和性能要求 115 制動真空助力器的設計 .135.1 制動真空助力器的參數(shù)設計 135.1.1 助力比的確定 .135.1.2 伺服膜片直徑的確定: 165.1.3 回位彈簧抗力的確定: 165.2 制動真空助力器的特性(曲線)計算 175.2.1 啟動值 Fa 的確定 175.2.2 跳增值 JP 的確定 185.2.3 最大助力點的計算 .185.2.4 殘留值 Fa1 的確定 .195.2.5 返程曲線的描繪 195.3 裝配尺寸鏈的計算 205.4 錐簧剛度的計算 205.4.1 錐簧半徑每圈增量 .215.4.2 錐簧大圈壓死時抗力 f2： .215.4.3 錐簧小圈壓死時抗力 f1.225.4.4 錐簧大圈壓死后, 抗力與變形之間有下列關系: 225.5 制動真空助力器的橡膠制品材料及過盈量的確定 225.6 部件鉚接的要求及強度計算 245.6.1 控制閥桿與空氣閥座的鉚接 .245.6.2 螺栓與殼體的鉚接: 245.6.3 前、后殼體收口，或旋合的連接強度： .255.6.4 護圈與助力盤的鉚接 .255.7 零部件強度的校核 255.7.1 靜載荷時單個螺栓強度的計算： .255.7.2 螺栓的疲勞強度計算: 266 長安悅翔真空助力器橡膠隔膜材料的改進 .286.1 技術要求 286.2 疲勞性能與硫化膠物理機械性能的關系 286.3 升 壓 曲 線 與 降 壓 曲 線 286.4 關 于 制 動 真 空 助 力 器 標 準 曲 線 的 形 成 306.5 改 變 制 動 真 空 助 力 器 的 助 力 比 對 助 力 器 性 能 的 影 響 317 長安悅翔真空助力器的結(jié)構(gòu)改進設計 .327.1 伺服膜片直徑的改進設計 327.2 伺服氣室后外殼改進設計 337.3 伺服氣室前外殼改進設計 347.4 總裝配圖的改進設計 357.5 伺服膜片的改進設計 36結(jié)論 .38參考文獻 .39致 謝 40附錄 .41本科畢業(yè)論文（設計）01 緒論1.1 背景我國汽車真空助力器研制和生產(chǎn)始于上世紀八十年代前中期,并在 1987 年制訂了我國的第一部關于汽車真空助力器的汽車行業(yè)標準。汽車真空助力器的發(fā)展像汽車行業(yè)其他的產(chǎn)品一樣走過了引進、消化、吸收、改進和創(chuàng)新的一個過程。但是,由于我國工業(yè)基礎的落后和理論研究的能力有限,關于汽車真空助力器相對系統(tǒng)的、且學術性較強的文獻資料直到上世紀九十年代初期才在一些重要的學術期刊中出現(xiàn)。而其他大多數(shù)的文章仍然只停留在維修層面上和加工工藝層面上的論述,或在汽車類書籍中的相關章節(jié)中泛泛而談。直到上個世紀末,一些關于汽車真空助力器的論文才開始較多的出現(xiàn)在重要的期刊中和書籍中,其中,還包括了一些關于汽車真空助力器實驗臺研制的文章?？陀^地講,我國現(xiàn)有的關于真空助力器的理論水平和產(chǎn)品品質(zhì)同國外的理論研究成果和產(chǎn)品質(zhì)量相比較,還存在相當大的差距。比較系統(tǒng)的和理論性較強的關于汽車真空助力器的研究文獻十分匿乏,這種現(xiàn)狀對我國真空助力器生產(chǎn)和研制企業(yè)提高真空助力器產(chǎn)品的品質(zhì)和開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的相關產(chǎn)品是十分不利的。雖然,我國已經(jīng)有很多生產(chǎn)汽車真空助力器的廠家,其中,不乏一些在國內(nèi)己經(jīng)頗有名氣的企業(yè)。例如萬向集團、浙江亞太等企業(yè)。這些廠家具有幾十萬套的生產(chǎn)配套能力,并給數(shù)十家汽車廠配套。但仍然處于大而不強的狀態(tài)下,具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品很少,其研發(fā)能力也十分有限。當然,這和我國的工業(yè)基礎差,科技還不夠發(fā)達,以及發(fā)達國家對我國的技術封鎖等諸多因素不無關系。在國際上,對真空助力器的相關理論進行過研究的最知名的學者是美國加利福尼亞州大學 Berkeley 分校的 Gerdes C.J.、Macirca D.B.和 Hedrick J.K.等幾名著名學者。在他們早期的研究中,特別是在他們的博士學位論文 [5][6]中,對反作用盤式的真空助力器數(shù)學模型的建立和控制方法作過詳細的研究。而且,在其后又進行了一系列的研究,進一步對其研究結(jié)果進行了不斷地修正、補充和應用,并在汽車的諸多控制領域方面取得了豐富的研究成果,這些研究成果為現(xiàn)代汽車理論和汽車制動系統(tǒng)的控制的研究奠定了良好的基礎。目前,他們的研究成果仍然在被大多數(shù)的國內(nèi)、外汽車研究領域內(nèi)的學者所引用和借鑒。在真空助力器的生產(chǎn)和研發(fā)領域內(nèi),比較著名的企業(yè)是美國的天合公司。目前,美家用轎車(長安悅翔)真空助力器的改進設計 1國天合公司已經(jīng)在我國的上海市設立了自己的研發(fā)中心和生產(chǎn)助力器的工廠。而日本的一些企業(yè),如精工公司等,也有自己設計的系列產(chǎn)品和設計理論。近年來,天合公司又成功地開發(fā)出一型帶有應急事件處理功能的新型汽車真空助力器并逐步向市場推廣,標志著具有復合功能和更多控制功能的真空助力器的問世,最具代表性的產(chǎn)品是一一系列的真空助力器。近年來,我國汽車工業(yè)科技人員在真空助力器的研發(fā)上也做了一些大膽的嘗試和創(chuàng)新。其中,浙江亞太機電股份有限公司取得的實用新型專利變助力比真空助力器就是一個典型的例子之一,該專利已經(jīng)為部分汽車廠的部分車型哈飛賽馬等提供配套。但是,總的來說,我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)和實用意義比較顯著的產(chǎn)品的創(chuàng)新還有待進一步的出現(xiàn)和提高。在學術領域內(nèi),對汽車真空助力器進行系統(tǒng)研究的資料很少見,特別是深層次的研究成果很少,這種現(xiàn)狀對我國真空助力器的生產(chǎn)企業(yè)和整個汽車行業(yè)是非常不利的。 我國現(xiàn)有的關于真空助力器的標準是汽車行業(yè)標準 QC/T 307-1999 國家。原有的ZB T24003-87 真空助力器技術條件,ZB T24 004-87 真空助力器實驗方法己經(jīng)為新的技術標準所取代。1.2 研究的意義與目的 正是帶著汽車技術變革的思考和我個人在汽車制動系統(tǒng)研究經(jīng)歷,特別是在真空助力器領域的研究,對真空助力器進行過改進設計,雖然曾取得過一定的成果,但仍然感到對汽車真空助力器的研究還有許多不足之處。特別是隨著汽車行業(yè)的發(fā)展,電子技術、控制技術對提高汽車零部件的品質(zhì)的要求和要求建立精確的數(shù)學模型來應用于汽車的各種控制系統(tǒng)中去等要求。所以,我選取了汽車真空助力器改進設計這個課題,并對汽車真空助力器的性能參數(shù)計算方法、結(jié)構(gòu)改進、技術要求和實驗臺的研制等各方面作進一步深入的研究。隨著汽車制動技術的發(fā)展,線控技術的出現(xiàn)和生態(tài)環(huán)保的要求使得電動能源有可能取代燃油發(fā)動機成為新的制動能源。但是,其執(zhí)行元件仍然可以是真空助力器。事實上,在目前的電動汽車制動系統(tǒng)的研發(fā)中,真空助力器仍然是制動系統(tǒng)的執(zhí)行元件。雖然,近些年來我國從德國大眾、法國雷諾、美國通用、日本日產(chǎn)等外國汽車公司引進了轎車,不少零配件的國產(chǎn)率也比較高,但引進的主要是總成及零配件,沒有引進開發(fā)技術。所以我國自行開發(fā)轎車的能力,跟發(fā)達國家相比差距還很大。本科畢業(yè)論文（設計）2在真空助力器的理論上存在的問題是在國內(nèi)尚且沒有一部完整的真空助力器的設計手冊及系統(tǒng)而深入的相關理論。部分重要的原理被忽視或未被發(fā)現(xiàn),缺乏一些必要的理論公式作為設計的依據(jù),在實驗中所采集數(shù)據(jù)的處理方法缺乏統(tǒng)一的規(guī)范。所有這些問題,將嚴重影響我國企業(yè)對汽車真空助力器的設計能力的提高,也使得真空助力器的產(chǎn)品質(zhì)量缺乏必要的保證。在真空助力器的生產(chǎn)過程中,顯然提高生產(chǎn)效率是控制成本的最重要的因素。汽車真空助力器是一個氣動部件,由許多不同材質(zhì)的零件組合而成,除金屬件外,活塞體是電木材質(zhì),而膜片和密封件及反作用盤都是橡膠件。一旦由于設計、制造或裝配不當造成的失誤,想尋找其故障原因會非常困難而且耗時。現(xiàn)場的唯一作法就是根據(jù)經(jīng)驗來判斷可能發(fā)生問題的部件,并加以更替。但是,如果產(chǎn)品檢驗仍然不合格,就得重新尋找其它有可能存在缺陷的部件,直到找到真正有問題的部件,使得真空助力器的密封檢驗合格為止。而所依據(jù)的經(jīng)驗就是對真空助力器工作原理的了解和該企業(yè)質(zhì)量管理體系中提供的相關的技術統(tǒng)計數(shù)據(jù)。在現(xiàn)代的質(zhì)量管理體系中,有這樣一句已經(jīng)形成共識的名言產(chǎn)品質(zhì)量缺陷的百分之八十是在設計中產(chǎn)生的。由此可見,只有全面了解真空助力器的工作原理和掌握其設計要領,才能使生產(chǎn)企業(yè)提高生產(chǎn)和裝配效率,從而降低成本；同時,才能給我國科技人員能夠研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車制動系統(tǒng)的產(chǎn)品提供良好的理論基礎。因此,選取汽車真空助力器總成的改進設計來進行課題的研究有其實在的現(xiàn)實意義和長遠戰(zhàn)略意義。家用轎車(長安悅翔)真空助力器的改進設計 32 汽車真空助力器工作原理的研究2.1真空助力器的作用乘用車和輕型商用車的制動系統(tǒng)主要采用液壓作為傳動媒介，與可以提供動力源的氣壓制動系統(tǒng)相比，其需要助力系統(tǒng)來輔助駕駛員進行制動。真空制動助力系統(tǒng)也稱作真空伺服制動系統(tǒng)，伺服制動系是在人力液壓制動的基礎上加設一套由其他能源提供制動力的助力裝置，使人力與動力可兼用，即兼用人力和發(fā)動機動力作為制動能源的制動系。在正常情況下，其輸出工作壓力主要由動力伺服系統(tǒng)產(chǎn)生，因而在動力伺服系統(tǒng)失效時，仍可全由人力驅(qū)動液壓系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的制動力。2.2 汽車真空助力器的結(jié)構(gòu)及工作原理2.2.1 液壓管路聯(lián)接形式真空助力器液壓對角雙回路制動系統(tǒng)聯(lián)接如圖2.11.制動踏板 2.真空助力器 3.制動主缸 4.制動管路5.制動管路 6.前輪盤式制動器 7.后輪鼓式制動器 8.比例閥圖 2.1 汽車制動系統(tǒng)示意圖制動主缸 3 的第一腔出油口通過比例閥與右前輪、左后輪的制動管路 4 聯(lián)接相通。制動主缸 3 的第二腔出油口通過比例閥與左前輪、右后輪的制動管路 5 聯(lián)接相通。兩本科畢業(yè)論文（設計）4個制動管路 4、5 呈交叉型對角線布置。這種液壓對角線雙回路制動系統(tǒng)的聯(lián)接形式，能保證在某一個回路出現(xiàn)故障時仍能得到總制動效率的 50%。此處，這種制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，而且直行緊急制動的穩(wěn)定性好。 2.2.2 真空助力器的工作原理 圖 2.2 真空助力器工作原理圖在非工作的狀態(tài)下,控制閥推桿回位彈簧將控制閥推桿推到右邊的鎖片鎖定位置, 真空閥口處于開啟狀態(tài),控制閥彈簧使控制閥皮碗與空氣閥座緊密接觸,從而關閉了空氣閥口。此時助力器的真空氣室和應用氣室分別通過活塞體的真空氣室通道與應用氣室通道經(jīng)控制閥腔處相通,并與外界大氣相隔絕。發(fā)動機啟動后, 發(fā)動機的進氣歧管處的真空度（發(fā)動機的負壓）將上升至-0.0667MPA（即氣壓值為 0.0333MPA，與大氣壓的氣壓差為 0.0667MPA）。隨之，助力器的真空、應用氣室的真空度均上升至-0.0667MPA，并處于隨時工作的準備狀態(tài)。當進行制動時,制動踏板被踏下,踏板力經(jīng)杠桿放大后作用在控制閥推桿上。首先, 控制閥推桿回位彈簧被壓縮,控制閥推桿連同空氣閥柱前移。當控制閥推桿前移到控制閥皮碗與真空閥座相接觸的位置時,真空閥口關閉。此時，助力器的真空、應用氣室被隔開。此時，空氣閥柱端部剛好與反作用盤的表面相接觸。隨著控制閥推桿的繼續(xù)前家用轎車(長安悅翔)真空助力器的改進設計 5移,空氣閥口將開啟。外界空氣經(jīng)過濾氣后通過打開的空氣閥口及通往應用氣室的通道,進入到助力器的應用氣室(右氣室),伺服力產(chǎn)生。由于反作用盤的材質(zhì)（橡膠件）有受力表面各處的單位壓強相等的物理屬性要求，使得伺服力隨著控制閥推桿輸入力的逐漸增加而成固定比例(伺服力比)增長。由于伺服力資源的有限性,當達到最大伺服力時,即應用氣室的真空度為零時(即一個標準大氣壓),伺服力將成為一個常量，不再發(fā)生變化。此時，助力器的輸入力與輸出力將等量增長；取消制動時,隨著輸入力的減小，控制閥推桿后移。當達到最大助力點時，真空閥口開啟后,助力器的真空、應用氣室相通,應用氣室的真空度將下降,伺服力減小,活塞體后移。就這樣隨著輸入力的逐漸減小,伺服力也將成固定比例(伺服力比)的減少,直至制動被完全解除。2.2.3 真空助力器的構(gòu)造與各個不同工作狀態(tài)真空助力器結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示。 1.閥桿 2.毛氈濾芯 3.防塵罩 4.彈簧座 5.推桿回動彈簧 6.閥門彈簧 7.橡膠閥部件 8.密封圈部件 9.鎖止定位墊10.鎖片 11.后殼體 12.膜片 13.助力盤 14.回位簧座 15.回位簧 16.真空管 17.前殼體螺栓 18.空氣閥座 19.壓塊 20.反饋盤 21.后殼體螺栓 22.閥體 23.護圈 24.推桿座 25.鎖軸 26.主缸推桿 27.前殼體 28.加強板 29.推桿頭本科畢業(yè)論文（設計）6圖 2.3 真空助力器結(jié)構(gòu)圖真空助力器的后殼體螺栓 21 固定在車身前圍板上，閥桿 1 與制動踏板桿連接。真空助力器前殼體螺栓 17 與制動主缸連接。助力器由前、后殼體 27、11 組成工作腔，由膜片 12、助力盤 13、閥體 22 共同組成助力器工作腔，并分成前、后（A、B）兩腔，前腔 A 真空管 16 接發(fā)動機進氣歧管，以獲得發(fā)動機的真空度，使助力器工作。后腔 B通過真空閥口 E 及空氣閥口 G 的開關，或與前腔相通，或與大氣相通，真空助力器工作腔與外界大氣隔絕。橡膠閥部件與閥體組成真空閥口 E，與空氣閥座組成空氣閥口G。真空助力器工作過程（1）未制動時，真空助力器處于非工作狀態(tài)。在閥門彈簧 6 的作用下，橡膠閥部件 7緊壓在空氣閥座 18 的端面上，空氣閥口 G 被關閉，使 A 氣室和 B 氣室與外界空氣隔絕。此時真空閥口 E 面開啟，通往 A 氣室的通道 C 與通往 B 氣室的通道 D 相通，A、B 兩氣室壓力差為零。在發(fā)動機工作時，A、B 兩氣室的真空度絕對值與發(fā)動機進氣管處相同。真空助力器工作過程（2）制動時，駕駛員踩下制動踏板，踏板力 F1 推動閥桿 1 連同空氣閥座 18 向左移動，消除反饋盤 20 與壓塊 19 之間間隙后，壓縮反饋盤 20 并推動主缸推桿 26 左移動，使制動主缸產(chǎn)生一定的液壓。與此同時，橡膠閥部件 7 在閥門彈簧 6 的作用下與閥體 22接觸，真空閥口 E 被關閉，A、B 兩氣室被隔絕，閥桿 1 繼續(xù)左移，空氣閥座 18 在閥桿1 的作用下與橡膠閥部件 7 脫離，空氣閥口 G 打開。外界空氣經(jīng)毛氈濾芯 2 和通道 D 進入 B 氣室。這時 A、B 兩氣室之間產(chǎn)生壓力差。于是在主缸推桿上產(chǎn)生助推力。真空助力器工作過程（3）當踏板力達到一定值時，閥桿 1 也停止左移，由于兩腔壓力差的存在，而整個閥體部件與膜片 12 與助力盤 13 一起繼續(xù)向左移，這時空氣閥口 G 逐漸關閉，于是出現(xiàn)了真空閥口 E 和空氣閥口 G 同時關閉的平衡狀態(tài)。此時主缸推桿 26 作用于反饋盤上的力與閥桿 1 和閥體部件作用于反饋盤上的合力相平衡，當 B 腔氣壓達到大氣壓時，助力器達到最大助力點。真空助力器工作過程（4）解除制動時，在主缸回位簧力的作用下，推動閥體部件右移，使真空閥口 E 打開，助力器的 A、B 兩氣室相通，這時 A、B 兩腔均成為真空狀態(tài)，膜片 12、助力盤 13 和閥家用轎車(長安悅翔)真空助力器的改進設計 7體 22 在回位彈簧 15 的作用下，推回到原始位置，制動主缸即解除制動狀態(tài)。若真空助力器失效或真空管路無真空度時，踏板上閥桿通過空氣閥座直接推動閥體和主缸推桿 26 向左移動，使制動主缸產(chǎn)生制動壓力。3 真空助力器的性能指標3.1 密封性真空助力器是通過操縱制動踏板改變真空閥和空氣閥的開啟與關閉狀態(tài)，進而控制制動膜片兩邊的壓力差來起到助力作用的。密封性不好，不能形成壓力差或壓力差較小，助力器就無法正常工作，所以密封性是真空助力器最基本也是最重要的評價指標。真空助力器密封性檢測有靜密封性能檢測和動密封性能檢測兩項。靜密封性是指真空助力器處于非工作狀態(tài)時的密封性，又稱為非工作密封性。此時真空閥口打開，前、后氣室相通，兩氣室的真空度相同，空氣閥口關閉，助力器內(nèi)部與外界大氣相隔絕。靜密封性檢測的目的是確定助力器與外界的密封是否合格。動密封性是指真空助力器工作時的密封性，分為最大助力點以下密封性和最大助力點以上密封性(簡稱“點下”和“點上”密封性)。最大助力點以下密封性是指助力器前后氣室和后氣室與外界大氣存在壓差時的密封性，此時真空助力器的真空閥與空氣閥都處于關閉狀態(tài)。最大助力點以上密封性是指助力器前后氣室相分隔，后氣室與外界相通，后氣室為大氣壓時的密封性，此時真空閥關閉，空氣閥完全打開。對真空助力器的動密封進行檢測，可以測出助力器前、后氣室的密封是否合格。3.2 空行程空行程是指從助力器輸入推桿由靜止位置開始，位移到助力器的輸出桿開始運動時的行程?？招谐踢^大或過小，都對真空助力器性能產(chǎn)生影響?？招谐踢^大，則緊急制動時所需時間較多，影響到行車安全性;空行程過小，會使駕駛員沒有“腳感”，或一些誤操作亦會引起真空助力器工作，從而影響正常行車?？招谐痰拇笮。谝欢ǔ潭壬峡梢苑磻婵罩ζ髟O計的合理性，所以它也是性能評價指標之一。3.3 反應時間和釋放時間本科畢業(yè)論文（設計）8反應時間是指在真空助力器的正常工作條件下，快速制動，從加力到最大助力點的 97%所用的時間。反應時間和釋放時間是檢測真空助力器的工作靈敏性。反應時間這一靈敏性要求主要考核真空助力器的輸入力推桿在一定速度、一定位移、一定負荷條件下動作的靈敏性。釋放時間是體現(xiàn)真空助力器在解除工作狀態(tài)時輸入力推桿的復位速度，也是防止制動系統(tǒng)出現(xiàn)解除制動時的滯后現(xiàn)象的重要性能指標。3.4輸入—輸出特性真空助力器的輸入一輸出特性用真空助力器特性曲線來表示，它反應輸入力與輸出力之間的關系，即制動踏板與制動主缸輸出液壓力之間的關系，是評價真空助力器基本性能的主要方式。家用轎車(長安悅翔)真空助力器的改進設計 94 真空助力器的重要特性4.1 真空助力器的閥口的三個平衡位置的原理汽車真空助力器在工作過程中存在著三個平衡位置，在加載時（或制動時）空氣閥口處于若即若離狀態(tài)，此時控制閥在空氣閥口處于無形變，而真空閥口處于關閉狀態(tài)，控制閥在真空閥口處有形變。在卸載時（或取消制動時）真空閥口處于若即若離的狀態(tài)，此時控制閥在真空閥口處無形變，而空氣閥口處于關閉狀態(tài)，控制閥在空氣閥口處有形變。當制動穩(wěn)定在某一時刻，輸入力不再變化時（即助力器處于無運動趨勢的狀態(tài)），空氣閥口和真空閥口均處關閉狀態(tài)，控制閥在真空閥口處和空氣閥口處均有形變。這就是助力器在工作狀態(tài)下的三個平衡位置。4.2 真空助力器平衡位置的動態(tài)轉(zhuǎn)換的原理助力器在工作過程中的平衡位置的動態(tài)轉(zhuǎn)換的原理。這是一個極容易被忽視的原理，也是在結(jié)構(gòu)和工藝設計時必須考慮到的重要原理。當加載結(jié)束的瞬間，助力器將由加載平衡位置向制動穩(wěn)定態(tài)平衡位置轉(zhuǎn)換，即控制閥在空氣閥口由無形變向有形轉(zhuǎn)換。此時，空氣閥口的結(jié)構(gòu)設計及加工質(zhì)量是否能夠保證密封性的要求將受到嚴格的考驗。當卸載開始的瞬間，助力器將由制動穩(wěn)定態(tài)平衡位置向卸載平衡位置轉(zhuǎn)換，即控制閥在真空閥口由有形向無形變轉(zhuǎn)換。此時，真空閥口的結(jié)構(gòu)設計及加工質(zhì)量是否能夠保證密封性的要求將受到嚴格的考驗。4.3 實際的真空助力器的工作過程實際的工作過程與理想的工作過程是有所不同的。在核心尺寸鏈為間隙配合的條件下，結(jié)合工作狀態(tài)的三個平衡位置的理論。真空助力器的實際的工作過程是：制動時,制動踏板被踏下。踏板力經(jīng)過杠桿的放大后作用在控制閥推桿上。首先,推桿回位彈簧被壓縮,控制閥推桿連同空氣閥柱前移。當控制閥推桿前移到控制閥皮碗與真空閥本科畢業(yè)論文（設計）10座相接觸的位置時,真空閥口關閉，控制閥的真空閥口處從剛剛接觸直到產(chǎn)生形變。此時，真空、應用氣室被隔開,控制閥推桿繼續(xù)前移使得空氣閥口處于即將開啟狀態(tài)。此時，控制閥的空氣閥口處已經(jīng)沒有形變。此處是助力器升壓時的平衡位置，此時空氣閥柱端部還沒有與反作用盤的主面相接觸。隨著控制閥推桿的繼續(xù)前移,空氣閥將開啟。外界空氣經(jīng)過濾氣后通過打開的空氣閥口及通過到應用氣室的通道,進入到助力器的應用氣室(右氣室),伺服力產(chǎn)生。由于反作用盤的主面沒有與控制閥的端部接觸，因此，助力器還沒有達到平衡。而空氣進入到應用氣室產(chǎn)生的伺服力使得反作用盤的副面受力，于是反作用盤的主面隆起，直到副面上產(chǎn)生的伺服力的大小使得主面隆起的高度達到與控制閥的端面接觸時，助力器初始平衡位置建立。然后，隨控制閥推桿輸入力的逐漸增加而伺服力成固定比例(伺服力比)增長。由于伺服力資源的有限性,當達到最大伺服力時,即應用氣室的真空度為零時(應用氣室氣壓為一個大氣壓),伺服力將不再發(fā)生變化。此時助力器的輸入力與輸出力將等量增長，隆起的主面將在控制閥力的作用下，逐漸減小隆起的高度，當達到足夠到的輸入力時，反作用盤的主面甚至開始下凹，此時的空氣閥口處打開的間隙越來越大，助力器的應用氣室與外界空氣完全相通；取消制動時,隨著輸入力的減小，控制閥推桿后移，伺服力仍然是個固定值，控制閥口開啟的間隙越來越小直到退后到空氣閥口剛好關閉并隨之產(chǎn)生形變。注意此處的位置并不是降壓過程的平衡位置。隨著輸入力的繼續(xù)減小,真空閥口將處于即將開啟的狀態(tài)，此時的真空助力器的控制閥才處于降壓過程中的平衡位置。我們注意到升壓時的平衡位置與降壓時的平衡位置存在一個的差值，這個差值就是控制閥在真空閥口和空氣閥口處的兩個形變值的和，即 。由于核心尺寸鏈是間隙配合，此差值使得反作用盤在助力器降壓過程中需要更大隆起高度來實現(xiàn)平衡。真空閥口開啟后,助力器的真空、應用氣室相通,應用氣室的真空度將下降,伺服力減小,活塞體后移。在連續(xù)的降壓過程中，控制閥的空氣閥口處始終有形變，而控制閥的真空閥口一直處于無形變（即若即若離的狀態(tài)）。直到反作用盤的主面作用力接近為零。此時，助力器達到了最后的平衡位置。如果控制閥推桿繼續(xù)后退，助力器的平衡被打破，恢復到初始的狀態(tài)。這就是真空助力器的一次密封檢驗(或者說，一次常規(guī)的制動過程)中真空助力器工作的詳細過程， 了解這個過程對于理解真空助力器的特性曲線的各性能參數(shù)的理解是至關重要的。4.4 反作用盤的核心作用和性能要求 家用轎車(長安悅翔)真空助力器的改進設計 11在真空助力器的工作過程中，反作用盤起著極其重要的作用。真空助力器的工作原理要求，當空氣閥口開啟的瞬間，空氣閥柱端面要剛好觸到反作用盤的主面上。又由于反作用盤的材質(zhì)有要求受力表面各處壓強相等的特性，使得伺服力隨著控制閥推桿輸入力的逐漸變化而成固定比例(伺服力比)關系變化。反作用盤的主面與副面同時受力，且受力的大小與主面和副面的面積成正比。此時，助力器的隨動性最好，反作用盤的使用壽命長。但是，這種理想狀態(tài)在現(xiàn)實中是很難實現(xiàn)的。設計合理的助力器（間隙配合）的反作用盤又起到了補償作用。當空氣閥口開啟的瞬間，空氣閥柱端面沒能觸到反作用盤的主面上，它們之間還有一定的間隙。這時空氣閥口開啟，助力器的應用氣室進氣，產(chǎn)生伺服力，反作用盤的副面受力，主面將隆起。當主面隆起的高度能夠補償了空氣閥柱與反作用盤主面之間的間隙時，助力器達到了平衡狀態(tài)。反之，設計不合理助力器當空氣閥柱端面觸到反作用盤主面上時, 空氣閥未能開啟,這時反作用盤的主面由于受力而凹下，而副面相對隆起,直到反作用盤的副面隆起的高度能夠使空氣閥口開啟時, 助力器才達到平衡狀態(tài)。 反作用盤材質(zhì)具有的這種即要求受力表面各處壓強相等又能夠產(chǎn)生形變的材質(zhì)特征是真空助力器工作原理的核心原理之一。因此，對反作用盤的性能要求如下：①良好的密封性。反作用盤的過盈量要適當，過盈量太小不能保證密封性；過盈量太大，反作用盤側(cè)面的摩擦力加大,影響助力器的工作性能。②良好的形變能力。反作用盤的材質(zhì)和形狀要有利于反作用盤的形變。 本科畢業(yè)論文（設計）125 制動真空助力器的設計5.1 制動真空助力器的參數(shù)設計制動真空助力器的參數(shù)設計包括以下內(nèi)容:A.助力比的確定;B.伺服膜片直徑的確定;C.回位彈簧抗力的確定;D.與制動主缸相匹配后輸出壓力的關系.5.1.1 助力比的確定制動真空助力器的助力比是指助力器的輸出力與輸入力之比。家用轎車(長安悅翔)真空助力器的改進設計 13圖 5.1 膜片制動真空助力器結(jié)構(gòu)圖制動真空助力器的助力比與制動系統(tǒng)中的踏板力、杠桿比、制動主缸直徑、制動所需最大液壓之間存在下列關系：(5.1)214/.????DIFPTP--最大液壓(MPa)F--踏板力(N)I--踏板杠桿It--助力比D--制動主缸直徑(mm)η 1--助力器效率(0.95)本科畢業(yè)論文（設計）14η 2--制動主缸效率(0.96)則助力器的助力比可以用下式計算：(5.2)122/4/????IFPDIT其中:踏板力推薦值 F≤500N(GB 7258-2012 《機動車運行安全技術條件》)當采用真空助力器時，應按下列選取 F轎車 200-250(N)貨車 300-350(N)最大≤450(N)長安悅翔車的制動系統(tǒng)的主要參數(shù)為：最大液壓: 9MPa. 主缸直徑根據(jù)表 5-1 選:22.22mm杠桿比設為:4.23 （該值在 3-5 之間，越小越好）真空度 P0為：0.0667MPa同步附著系數(shù) Φ：0.8 [8] 表 5.1 按日本 MAZDA 的標準選取主缸直徑活塞滑動阻力的標準值（N{kgf})主缸孔徑 D（mm{英寸}） 無真空排放 有真空排放 理論計算值17.46{11/16} 64{6.5} -- 24N19.05{3/4} 74{7.5} 113{11.5} 28.5N20.64{13/16} 74{7.5} -- 33.5N22.22{7/8} 78{8} 118{12} 39N23.81{15/16} -- 142{14.5} 44.5N25.4{1} 147{15} -- 51N26.99{11/16} 147{15} -- 57N28.58{11/8} 147{15} -- 64N家用轎車(長安悅翔)真空助力器的改進設計 1530.16{13/16} 147{15} -- 72N如加裝助力器請計算其助力比 （5.3）62.395.023.45// ????TI該助力器的助力比應為 IT=3.33根據(jù) ECE 法規(guī)，當制動強度為 0.3 時，制動真空助力器失效(即助力比為 1)，該時的踏板力不得大于 500N。當助力器失效時的踏板力為:（5.4） 1202/D/4????PF其中:P 0是當制動強度為 0.3 時的制動液壓。P0值的選取可參考下列公式近似計算。Ps = P/Φ×0.3 （5.5）P-制動管路最大液壓(Mpa)Φ-設計的最大同步附著系數(shù)試計算該制動系統(tǒng)，當制動強度為 0.3 時的管路壓力，及當助力器失效時的制動踏板力：Ps = 7/0.8×0.3 = 3.4(Mpa) （5.6） 則當助力器失效時的踏板力為:（5.7）NF5034195.023.46.// ?????所以助力比為 3.33 滿足設計要求。 5.1.2 伺服膜片直徑的確定:助力器的伺服膜片的直徑與使用的真空度、助力比、踏板力之間存在下列之間關系:（5.8）????02s4)1(DPIFItDS -伺服膜片直徑 (mm)本科畢業(yè)論文（設計）16P0 -使用的真空度P0 = 0.0667MPa試計算使用該助力器的伺服膜片的直徑：伺服膜片直徑為:（5.9）)23006745)13(Ds m（?????伺服膜片直徑的計算結(jié)果應按下表系列化來確定表 5.2 膜片直徑選定表mm 153 165 205 228 254 267 305in 6 6.5 8 9 10 10.5 12按表確定為 254(mm) 助力器5.1.3 回位彈簧抗力的確定: 制動真空助力器的回位彈簧的主要作用是保證控制閥體的迅速回位。因此，其抗力值應盡可能取較大值，以提高返程時間的指標。但由于其抗力值直接影響助力器的輸出效率(0.95)，因此制動真空助力器回位彈簧的抗力(F1) 與助力器的最大輸出力(F‘)存在下列關系:F‘ = F×It×IF1 = F‘× 0.05 (5.10)[承上例] 計算該助力器的回位彈簧的抗力：F1 = 250×4.23×3.6×0.05 = 191(N) （5.11）回位彈簧的預裝抗力應為: F1 d 時, 簧圈最終將被壓在一個平面上。5.4.2 錐簧大圈壓死時抗力 f2：(5.15)NrnHdGf40)5041(53237)(2042?????H0--錐簧的自由高度(mm)H3--錐簧全壓縮高度(mm)當 K d 時:(5.16)??2423rdGf??α -- 錐簧螺旋角(5.17) ??????5.12934-6)(120rndH??5.4.3 錐簧小圈壓死時抗力 f1(5.18) NrnHdGf8.153091427)(213041???本科畢業(yè)論文（設計）22當 K d 時:(5.19)??21413rGf??0.564.780?5.4.4 錐簧大圈壓死后, 抗力與變形之間有下列關系:K d 時:(5.20)????86.0 408.1538.153042412521421210? ????????????????????frfrH?f – 錐簧的最大負荷 (N)K d 時:（5.21）??2.4408.153408.1532)/(156 )(/ 214110? ???????????????????frfrH?5.5 制動真空助力器的橡膠制品材料及過盈量的確定為確保制動真空助力器的產(chǎn)品性能及其耐久性的可靠, 必須對助力器所采用的橡膠制品進行過盈可靠性選擇, 現(xiàn)對助力器所采用的橡膠制品的過盈量及材料、硬度作一般性規(guī)定。（用戶有特殊要求的除外）過盈量以單側(cè)過盈（mm）表述，在以下范圍內(nèi)即表示合格，具體值下表 5.5表 5.5 過盈量對不同部位數(shù)值表序 密封部位 材料 邵爾硬度 過盈量（mm）家用轎車(長安悅翔)真空助力器的改進設計 231 前殼密封與主缸推杠 NBR/SBR A 70±5 0.5—0.82 前殼密封與前殼體 - - 0.35-0.453 膜片與控制閥體 SBR A 65±5 1.6—2.24 膜片與殼體 - - 0.8—1.65 反饋盤與控制閥體 NBR A 60±3 0.156 橡膠閥部件與控制閥體 EPDM A 50± 5 0.3—0.57 后殼密封與控制閥體 NBR A 70± 5 0.5—0.88 后殼密封與后殼體 - - 0.3—0.59 接頭座與前殼體 CR A 55± 5 1.2--2“ 注：EPDM 三元乙丙 NBR 丁晴橡膠 CR 氯丁橡膠 SBR 丁苯橡膠”;5.6 部件鉚接的要求及強度計算5.6.1 控制閥桿與空氣閥座的鉚接本科畢業(yè)論文（設計）24圖 5.6 控制閥桿與空氣閥座的鉚接示意圖在空氣閥座的外園上均勻分布鉚接 3 或 6 點。鉚接后兩件之間的軸向間隙應小于0.2, 各向擺角應大于 3 度。(特殊情況按用戶要求確定)。見下表 5.6表 5.6 鉚接后強度指標鉚接點數(shù)量 鉚接點寬度 鉚接深度 鉚接強度約 1mm 約 0.5mm ≥2500N3 個鉚接點約 2mm 約 0.8mm ≥4000N6 個鉚接點 約 2mm 約 0.8mm ≥5000N空氣閥座材料Y 12 或 Y155.6.2 螺栓與殼體的鉚接:螺栓與加強板，殼體之間應滿足密封要求，間隙應小于 0.1mm。在進行扭矩檢查時，螺栓與殼體之間不得有相對移動。螺栓的鉚接高度推薦為 1.4—1.6mm。扭矩的檢查見下表 5.7表 5.7 扭矩檢驗螺栓精度等級 螺體性能等級 擰緊力矩 材料M8-6h 5.8 20N.M 35M8-6h 6.8 24N.M 35M8-6e 8.8 30N.M 40Cr5.6.3 前、后殼體收口，或旋合的連接強度：殼體收口處的深度應均勻一致，允許個別點收口深度超差，但不允許碰到殼體壁上。旋合的凸出部份應凸出殼體外緣≥0.5mm。見下表 5.8家用轎車(長安悅翔)真空助力器的改進設計 25表 5.8 前后殼體連接拉力載荷試驗連接方式 殼體材料厚度 拉力載荷1 mm ≥10KN 收口1.5 mm ≥20KN旋合 1.5 mm ≥10KN前后殼體受拉力載荷時，其變形量按下表要求進行：軸向拉力載荷:6860N 二次殼體彈性變形1.4mm殼體永久變形0.4mm5.6.4 護圈與助力盤的鉚接在助力盤上均勻地鉚接 3 點,鉚接后的連接強度推薦大于 1200N.5.7 零部件強度的校核螺栓是制動主缸總成與助力器總成連接或帶主缸的真空助力器總成與踏板支架連接的安全件, 為保證連接的剛度或緊密性, 因此, 應對螺栓的連接強度進行計算與校核。其首要條件是依據(jù)總成工作載荷的不同要求，來選取不同性能等級的螺栓。5.7.1 靜載荷時單個螺栓強度的計算：A· 螺栓的預緊力 F’(N) 依下式計算:(5.22)NdKTFt8.1470562'minax???Tmax--螺栓的最大擰緊力矩(N.M)M8 取 20N.mKt--擰緊力矩系數(shù)(一般為 0.1--0.3)dmin--螺栓的最小外徑(mm)B·對螺栓施加靜載荷時的總拉力 F0(N)