制动真空助力器设计

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1、金峰设计资料（制动真空助力器-1） 技术-密 2/12/2005整理浙江金峰制动真空助力器设计 2003年3月16日 目 录一、制动真空助力器的设计31.1 制动真空助力器的参数设计31.1.1 助力比的确定31.1.2 伺服膜片直径的确定:51.1.3 回位弹簧抗力的确定:51.2 制动真空助力器的特性(曲线)计算61.2.1 启动值Fa的确定71.2.2 跳增值JP的确定71.2.3 最大助力点的计算71.2.4 残留值Fa1的确定81.2.5 返程曲线的描绘91.3 装配尺寸链的计算91.4 锥簧刚度的计算91.4.1 锥簧半径每圈增量101.4.2 锥簧大圈压死时抗力f2101.4.3

2、 锥簧小圈压死时抗力f1101.4.4 锥簧大圈压死后, 抗力与变形之间有下列关系:111.5 制动真空助力器的橡胶制品材料及过盈量的确定:111.6 部件铆接的要求及强度计算121.6.1 控制阀杆与空气阀座的铆接121.6.2 螺栓与壳体的铆接:121.6.3 前、后壳体收口，或旋合的连接强度121.6.4 护圈与助力盘的铆接131.7 零部件强度的校核131.7.1 静载荷时单个螺栓强度的计算：131.7.2 螺栓的疲劳强度计算:141.7.3 阀杆部件的强度校验151.7.4 控制阀体的强度校核:151.8 制动真空助力器特性曲线的综合评价151.8.1 启动值Fa的一般要求及其性能含

3、意161.8.2 最大助力点E161.8.3 升压曲线与降压曲线161.8.4 关于制动真空助力器标准曲线的形成181.8.5 有关试验条件的说明191.8.6 改变制动真空助力器的助力比对助力器性能的影响201.8.7 助力器的密封性21一、 制动真空助力器的设计 1.1 制动真空助力器的参数设计 制动真空助力器的参数设计包括以下内容: A.助力比的确定; B.伺服膜片直径的确定; C.回位弹簧抗力的确定; D.与制动主缸相匹配后输出压力的关系.1.1.1 助力比的确定制动真空助力器的助力比是指助力器的输出力与输入力之比。 图 1 双膜片制动真空助力器结构简图 制动真空助力器的助力比与制动系

4、统中的踏板力、杠杆比、制动主缸直径、制动所需最大液压之间存在下列关系：P = F.I.IT1 (1.1) / 4 D22 P-最大液压(MPa) F-踏板力(N) I-踏板杠杆 It-助力比 D-制动主缸直径(mm) 1-助力器效率(0.95) 2-制动主缸效率(0.96) 则助力器的助力比可以用下式计算： IT = /4D2P/2 FI1 (1.2) 其中:踏板力推荐值F500N(见FMVSS135-4.13) 当采用真空助力器时，应按下列选取 轿车200-250(N) 货车300-350(N) 最大450(N)例 某轻型车的制动系统的主要参数为： 最大液压: 9MPa. 主缸直径:20.6

5、4mm 杠杆比:4.05 如加装助力器请计算其助力比 IT= ? IT =/420.6429/0.96 = 3.26 2504.050.95 该助力器的助力比应为IT=3.26 根据ECE法规，当制动强度为0.3时，制动真空助力器失效(即助力比为1)，该时的踏板力不得大于500N。 当助力器失效时的踏板力为:F = /4D2P0/2 (1.3) I1 其中:P0是当制动强度为0.3时的制动液压。 P0值的选取可参考下列公式近似计算。 P0 = P/0.3 P-制动管路最大液压(Mpa) -设计的最大同步附着系数 承上例 试计算该制动系统，当制动强度为0.3时的管路压力，及当助力器失效时的制动踏

6、板力： P0 = 9/0.750.3 = 3.6(Mpa) 则当助力器失效时的踏板力为: F = /420.6423.6/0.96 = 326 (N) 4.050.95 1.1.2 伺服膜片直径的确定: 助力器的伺服膜片的直径与使用的真空度、助力比、踏板力之间存在下列之间关系: DS2 = (IT-1)4F (1.4) P0 DS -伺服膜片直径 (mm) P0 -使用的真空度 承上例 P0 = 0.0667 (Mpa) 试计算使用该助力器的伺服膜片的直径： 伺服膜片直径为:DS = (3.26-1)42504.05 = 209 (mm) 0.0667 伺服膜片直径的计算结果应按下表系列化来确

7、定 mm 153 165 205 228 267 305 in 6 6.5 8 9 10.5 12 按表确定为 228(mm) 助力器 1.1.3 回位弹簧抗力的确定: 制动真空助力器的回位弹簧的主要作用是保证控制阀体的迅速回位。因此，其抗力值应尽可能取较大值，以提高返程时间的指标。但由于其抗力值直接影响助力器的输出效率(0.95)，因此制动真空助力器回位弹簧的抗力(F1) 与助力器的最大输出力(F)存在下列关系: F = FItI F1 = F 0.05 (1.5) 承上例 计算该助力器的回位弹簧的抗力： F1 = 2504.053.260.05 = 165(N) 回位弹簧的预装抗力应为:

8、F1 d时, 簧圈最终将被压在一个平面上。1.4.2 锥簧大圈压死时抗力f2： f2 = Gd4（H0 - H3） (1.15) 32n.r22 (r2+r1) H0-锥簧的自由高度(mm) H3-锥簧全压缩高度(mm) 当K d时: f2 = Gd4 . (1.16) 32 r22 - 锥簧螺旋角 = H0 - d (1.17) n. .(r2+r1) 1.4.3锥簧小圈压死时抗力f1 f1 = Gd4（H0 - H3） (1.18) 32n.r12 (r2+r1) 当K d时: f1 = Gd4 . (1.19) 32 r12 1.4.4锥簧大圈压死后, 抗力与变形之间有下列关系: K d

9、时: = H0 - d 2- f2 - ( r1 )4 - f (1.20) 21-(r1/r2)2 f r2 f2 f 锥簧的最大负荷 (N) K d时: = H0 - d 2 - f -( r1 )4 - f (1.21) 21-(r1/r2)2 f2 r2 f21.5制动真空助力器的橡胶制品材料及过盈量的确定:为确保制动真空助力器的产品性能及其耐久性的可靠, 必须对助力器所采用的橡胶制品进行过盈可靠性计算, 现对助力器所采用的橡胶制品的过盈量及材料、硬度作一般性规定。（用户有特殊要求的除外）过盈量以单侧过盈（mm）表述，具体数值见下表：序密封部位材料邵尔硬度过盈量 1前壳密封与主缸推杠N

10、BR/SBRA 7050.50.8 2前壳密封与前壳体0.35-0.45 3膜片与控制阀体 SBRA 6551.62.2 4膜片与壳体 0.81.6 5反馈盘与控制阀体 NBRA 603 0.15 6橡胶阀部件与控制阀体 EPDMA 50 50.30.5 7后壳密封与控制阀体 NBRA 70 50.50.8 8后壳密封与后壳体 0.30.5 9接头座与前壳体 CRA 55 51.2-2 注：EPDM 三元乙丙 NBR 丁晴橡胶 CR 氯丁橡胶 SBR 丁苯橡胶1.6部件铆接的要求及强度计算1.6.1控制阀杆与空气阀座的铆接 图 4 控制阀杆与空气阀座的铆接示意图 在空气阀座的外园上均匀分布铆接

11、3或6点。铆接后两件之间的轴向间隙应小于0.2, 各向摆角应大于3度。(特殊情况按用户要求确定)。 铆接后强度指标见下表：铆接点数量铆接点宽度铆接深度铆接强度空气阀座材料Y 12或Y153个铆接点约1mm约0.5mm2500N约2mm约0.8mm4000N6个铆接点约2mm约0.8mm5000N1.6.2螺栓与壳体的铆接: 螺栓与加强板，壳体之间应满足密封要求，间隙应小于0.1mm。在进行扭矩检查时，螺栓与壳体之间不得有相对移动。螺栓的铆接高度推荐为1.41.6mm。 扭矩检验按下表：螺栓精度等级 螺体性能等级 拧紧力矩 材料 M8-6h 5.8 20N.M 35 M8-6h 6.8 24N.

12、M 35 M8-6e 8.8 30N.M 40Cr1.6.3前、后壳体收口，或旋合的连接强度：壳体收口处的深度应均匀一致，允许个别点收口深度超差，但不允许碰到壳体壁上。旋合的凸出部份应凸出壳体外缘0.5mm。前后壳体连接拉力载荷试验按下表进行：连接方式壳体材料厚度 拉力载荷 收口 1 mm 10KN 1.5 mm 20KN 旋合 1.5 mm 10KN前后壳体受拉力载荷时，其变形量按下表要求进行： 轴向拉力载荷:6860N 二次 壳体弹性变形1.4mm 壳体永久变形18000 40 8 1.7.4 控制阀体的强度校核:控制阀体是助力器总成的主要零件, 为保证其工作的安全性,应对其强度进行校核,

13、 试验内容按下表:阀体材料*装反馈盘部位容胀方法(N)压力剪切(N)聚对苯二甲酸丁二脂 28. 721400014000酚醛塑料 30140005000酚醛塑料 2570001.8制动真空助力器特性曲线的综合评价 近几年来，随着我国汽车工业的迅速发展，尤其是引进车型的国产化，极大地促进了汽车零部件工业及其零部件制造技术的提高。制动真空助力器就是目前汽车液压制动系统中应用非常广泛的制动部件之一。 由于制动真空助力器目前尚无有效的国际标准可依，而国内目前所采用的制动真空助力器产品又来自不同的国家；因此其结构和技术条件也不一致。目前，国内制动真空助力器按所用车型的情况大致可分为：用于奥迪、捷达、桑塔

14、纳等车型采用德国大众标准；用于江铃、庆铃等车型的采用日本五十铃标准；用于夏利、奥拓等车型的采用日本尼桑标准；用于广州标致的采用法国标致标准，用于切诺基的采用美国克莱斯勒标准。由于标准的不一致，造成为汽车主机厂配套的制动真空助力器生产厂家，只能根据主机厂引进车型的需要而制定相应的各自企业标准。而对于为市场配套的真空助力器生产厂家，由于没有针对性的特殊要求，只能按我国现行行业标准ZB T24 003-87执行。由于采用标准的不一致性，则限制了产品的通用化和系列化，也不利于产品的质量监督和技术交流。 制动真空助力器的特性曲线，是评价制动真空助力器基本性能的主要指标，在各种不同的标准中，都对于制动真空

15、助力器的特性曲线提出了较为详细的要求。因此，对制动真空助力器特性曲线的评价，是对制动真空助力器基本工作特性的最基本的描述。 经综合分析目前所收集到的各类型的制动真空助力器标准，认为德国大众的标准相对来说比较严密、准确。现按德国大众标准的要求，结合目前对制动真空助力器所掌握的情况，对真空助力器的特性曲线进行简单的综合评价。 1.8.1启动值Fa的一般要求及其性能含意 Fa值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F2推杆回动弹簧F3。检测该值的目的是：保证助力器在进入工作状态时有一门限。如果该值过小，则稍有输入力时，助力器则有输出，司机将失去明显

16、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，同时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，则踏板力将增大，降低助力器的灵敏度和延长反应时间。一般该值的要求为 Fa110N 1.8.2最大助力点E 最大助力点E，是在规定的真空度条件下测得的。该点时助力器的输入力；输出力的值是制动真空助力器的主要性能指标。该点的输入力将影响制动系统的踏板力，而输出力则将用来使制动主缸产生制动液压。 1.8.3升压曲线与降压曲线 由Fa-E-Z所形成的曲线，是在输入力不断增加的情况下测得的，一般称为升压曲线；而由Z-E1-Fa1 所形成的曲线，是在输入力不断

17、减少，输出力也随之下降的情况下测得的， 一般称之为降压曲线。 由Fa-E-Z-E1-Fa1所围成的图形，描绘了助力器的全部工作过程中的特性。通过升压曲线和降压曲线可以描述以下几项指标： (1)输入力为300N时的输出力（E300min E300max） 在输入力为300N时，相对于升压曲线上的点与降压曲线上的点建立一个区域，该区域确定了产品特性曲线在输入力300N时的最大输出值（E300max）和最小输出值（E300min）。该区域检查的目的是：限制制动真空助力器由于装配原因而造成的输出力增加或减少。 (2)输入力为800N(或600N)时的输出力(E800min E800max) 输入力为6

18、00N或800N，取决于助力器的最大助力点时的输入力的大小。一般取最大助力点时的输入力的75%80%左右。在该值（600N或800N）时，对应于升压曲线上的点（E800min）和降压曲线上的点（E800max）建立了一个区域，检查该区域的目的不仅与检查输入力为300N时的输出力的目的相同，更主要的是通过E300min和E800min这两点比较准确的描绘输入力与输出力之间的关系，用来计算助力器的助力比是比较客观的。由于E点是一园弧过渡的点，如果用E点值来计算助力比将非常不准确。大量的试验表明，E300min、E800min及点E并不在一条直线上。助力器的助力比应用下列公式计算： It=(E800

19、min-E300min)/(800-300) (3)助力器的平均滞后率 E0.5 当助力器的输出力为最大助力点时的50%时，对应于降压曲线上点E0.5min和升压曲线上的点E0.5max ，是用来描述助力器的滞后率的。其中:E0.5min/E0.5max的比值称为助力器的平均滞后率。 如果认为在助力器升压曲线的形成过程中已包含了助力器的效率因素，如各种抗力及摩擦力，那么在降压曲线的形成过程中，则可以认为该时的助力器的效率为100%，助力器的效率除取决于回位弹簧的抗力外，还受其它密封件的影响。例如:用提高回位弹簧的抗力，将有利于提高返程时间的指标；用增大密封件的过盈量及密封带，将有利于提高密封性

20、指标。但这两项措施都将降低助力器的工作效率，而影响助力器的滞后率。为综合考核助力器的性能，检查助力器的平均滞后率是十分必要的。助力器的平均滞后率应用下列公式计算: E0.5max/E0.5min100%= 一般应大于75% (4)跳增值 在制动真空助力器的升压曲线测试中，存在一种现象。即当助力器在产生输出力时，助力器的输入力不变，而输出力呈直线上升的一直线段。该直线段称为跳增值。有时也用输入力的启动值与助力器的升压曲线的延长线表示。跳增值的存在是由助力器的结构尺寸所决定的。其产生的主要原因是：当在助力器的控制推杆上施加推力，而使控制阀口动作而使控制阀体产生动作时，控制阀体是由静摩擦转为动摩擦的

21、过程。由于其摩擦系数的转换及运动惯量的原因而产生跳增值。跳增值的大小，主要取决于空气阀座与反馈盘之间的间隙。间隙越大，跳增值越大，反之则越小。同时也与助力器的大气阀口的间隙及空气阀座与反馈盘的间隙之间的匹配合理性有关。 检查助力器的跳增值的目的在于检查助力器的设计合理性与装配的正确性。跳增值过大将破坏助力器的随动性，产生脉冲制动现象。同时也将使助力器的耐久性能急剧下降。助力器的跳增值一般应控制在300N以下，其依据的原则是：与助力器相匹配的制动主缸，在其产生的跳增值作用下，制动主缸所产生的液压必须小于0.6Mpa。制动主缸的直径越小，要求控制的跳增值也越小。设计较好而装配也正确的助力器，其跳增

22、值很小，形成园滑曲线过渡(见图4)。即提高了助力器的随动性，也使其耐久性有所提高。 图4 设计较好的跳增值曲线 (5)残留值Fa1 的存在及检查目的: 当助力器的降压曲线中的输出力降为零时，显示出助力器内部仍存有一输入力即Fa1 ，即称之为残留值。Fa1 值的大小与始动值Fa的大小的原因是一样的。检查残留值Fa1 的目的是保证即使助力器的控制推杆有一定的装配预紧推力，也能保证助力器的输出力能降为零，而使制动主缸的液压也降为零。残留值一般控制在 Fa1 30(N)。 制动真空助力器是汽车液压制动系统中的主要安全部件，其工作的灵敏性、随动性，将直接影响制动效果的程度。因此，检查其跳增值、启动值是非

23、常必要的。必要时应将助力器特性曲线的根部(包括跳增值、启动值)曲线放大，以便直观检查。 1.8.4 关于制动真空助力器标准曲线的形成 从上述简单的综合分析可以得出：制动真空助力器的特性曲线，不仅客观地反映出产品设计的合理性，同时也反映出产品装配的正确性，因此助力器特性曲线的形成就必须包括设计与实际两方面的因素。仅以设计为依据，将无法评价产品装配过程中的各零件的变形、过盈、压力以及一些动态过程中的矢量、惯量的存在（实际上这些因素也是无法通过计算来确定的），而仅以实际为依据又将失去设计的指导性和技术上的可控性。所以助力器的特性曲线形成应分为两个部份： (1) 设计的理论曲线 理论曲线是通过纯理论分

24、折而计算的结果，并依此而描绘的曲线。 (2) 实际测得的特性曲线 实际测得的特性曲线，应在一定数量的产品中，以一致的试验条件，并且确认在其它(除曲线所评价的指标以外)技术性能指标均是合格的产品，所进行的一系列产品特性试验而得的一组数据中，进行数理统计分析，同时也包括用户的要求在内的基础上确定的。 助力器的标准曲线是将理论曲线与实际曲线进行比较分析，并且在出入不大，而对于有差异的部份能进行充分说明的前提下综合而成的。因此，制动真空助力器的标准曲线有其极强的针对性，同一型号的产品， 由于其原材料、结构、装配等因素的不同，其产品特性曲线也必将有所差异。 在产品确认时，设计部门在提供产品的标准曲线的同

25、时，也应同时提供设计的理论曲线及计算依据以及实际测得的特性曲线及数理统计过程的有关说明。 1.8.5 有关试验条件的说明 产品的试验结果与试验条件有着直接的关系。在产品特性曲线检查时，影响试验结果的主要因素有: 1)测试时的真空度 2)测试系统的密封性 3)测试试验数据的采集和处理 4)助力器控制推杆的动作速度 5)助力器控制推杆的返程速度 6)全部试验过程的时间 其中，助力器控制推杆的动作速度过快，将使曲线失真（助力器的助力比减小，最大助力点呈现曲线过渡）；速度过慢，不能客观反映产品的性能。因此在产品的技术条件中都有关于控制推杆的运动速度或制动主缸建压速度的要求。 制动真空助力器的特性曲线的

26、综合评价，不仅仅是考核产品装配的正确性，同时也是校验设计合理性的主要手段。全面分析制动真空助力器的特性曲线，理解其测试指标的来源及检查的目的，必将促进产品的设计、制造装配、试验手段的提高，有助于推动制动真空助力器的标准化、系列化发展及产品质量的监督和广泛的技术交流。以上仅是对德国大众公司对于制动真空助力器的特性曲线的要求的一般性理解，供有关从事制动真空助力器的设计及试验的人员参考。 1.8.6 改变制动真空助力器的助力比对助力器性能的影响制动真空助力器的输出力（F）是由输入力（F ）及伺服力（FS）两部份组成的。在一定的真空度条件下，助力器的伺服力是一定值。由助力器的特性得知： F = F +

27、 FS It = 1 + FS / F因此，改变助力比，则必然改变输入力的大小，而对于伺服力没有任何影响。由于助力比与输入力呈反比关系，则增大助力比，必然减少输入力，则输出力也必然减少。因此改变助力比的前提应是以最大助力点时的输出力应满足制动液压的要求，而输入力又符合制动法规中关于踏板力的要求。执意的增大助力比，在制动强度比较小的情况下，可以起到减轻踏板力的作用，但在紧急制动时，则由于助力器的输出力的减少，而出现制动力不足。（虽然从助力器的原理上，允许使用全负荷作用点以上，但在实际使用时，将不符合有关制动法规的要求。改变助力比对助力器产品性能的影响可以从下图中得到明确的说明： 图 5 同一规格

28、而助力比不同的助力器特性曲线1.8.7助力器的密封性制动真空助力器的密封性是制动真空助力器的一个主要指标，在将要执行的新技术条件中对于助力器密封性又将提出新的要求。对于助力器的密封性主要包括静密封和动密封两部份。静密封所试验的是助力器的内部与外部大气之间的密封其主要密封部位是：1前壳体与主缸推杆的密封。2前，后壳体之间联结部份的密封。3后壳体与控制阀体之间的密封。而此三部份密封又都是以橡胶作为介质，只要橡胶件的材料和压缩过盈量可靠，其密封性容易得到保证。但对于动密封则不同了，动密封所试验的是助力器的前腔与后腔之间的密封其主要部位有以下几方面：1助力器的膜片是否漏气。2助力器的膜片与控制阀体之间的密封。3反馈盘与控制阀体之间的密封。4空气阀座与橡胶阀座之间的大气阀口密封。5空气阀座与控制阀体之间的真空阀口密封。尤其是在全负荷作用点以下75% -90%时的动密封性能是比较难以实现的。此时的状态是两个阀口同时关闭的平衡状态，试验的项目是两个阀口同时关闭时的密封性。为此, 则对于控制阀体的真空阀口, 空气阀弹簧, 橡胶阀座的尺寸精度及其材料提出了更高的要求。 2005年2月12日整理22