乘用轿车电动助力制动系统硬件设计

乘用轿车电动助力制动系统硬件设计

摘要

本次设计的目标是家用轿车（长安悦翔）电动助力器制动系统硬件设计，汽车电动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。由于制动电动助力器中膜片材料选择与分隔皮膜的设计参数不当，在使用过程当中可能产生裂纹、制动失灵、制动时间长，电动助力器内的负压无法保持，导致制动助力降低，制动踏板变硬，在常规制动操作条件下，制动距离将变长，导致的交通事故。本次对长安悦翔电动助力器设计主要从伺服膜片的材料上进行选材，同时还对长安悦翔电动助力器的结构进行设计，结合长安悦翔电动助力器工作过程与其各种性能指标，提出了几个重要的工作原理，详细地阐述了汽车电动助力器的性能指标，给出了特性曲线的分析方法。

关键词：长安悦翔；电动助力器；设计；伺服膜片

Family sedan (length Yuexiang) to improve the design of the vacuum booster

ABSTRACT

The 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 录

1 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 研究的意义与目的 2

2 汽车电动助力器工作原理的研究 4

2.1电动助力器的作用 4

2.2 汽车电动助力器的结构及工作原理 4

2.2.1 液压管路联接形式 4

2.2.2 电动助力器的工作原理 5

2.2.3 电动助力器的构造与各个不同工作状态 6

3 电动助力器的性能指标 8

3.1 密封性 8

3.2 空行程 8

3.3 反应时间和释放时间 8

3.4输入—输出特性 9

4 电动助力器的重要特性 10

4.1 电动助力器的阀口的三个平衡位置的原理 10

4.2 电动助力器平衡位置的动态转换的原理 10

4.3 实际的电动助力器的工作过程 10

4.4 反作用盘的核心作用和性能要求 11

5 制动电动助力器的设计 13

5.1 制动电动助力器的参数设计 13

5.1.1 助力比的确定 13

5.1.2 伺服膜片直径的确定: 16

5.1.3 回位弹簧抗力的确定: 16

5.2 制动电动助力器的特性(曲线)计算 17

5.2.1 启动值Fa的确定 17

5.2.2 跳增值JP的确定 18

5.2.3 最大助力点的计算 18

5.2.4 残留值Fa1的确定 19

5.2.5返程曲线的描绘 19

5.3 装配尺寸链的计算 20

5.4 锥簧刚度的计算 20

5.4.1 锥簧半径每圈增量 21

5.4.2 锥簧大圈压死时抗力f2： 21

5.4.3 锥簧小圈压死时抗力f1 22

5.4.4 锥簧大圈压死后, 抗力与变形之间有下列关系: 22

5.5 制动电动助力器的橡胶制品材料及过盈量的确定 22

5.6 部件铆接的要求及强度计算 24

5.6.1 控制阀杆与空气阀座的铆接 24

5.6.2 螺栓与壳体的铆接: 24

5.6.3 前、后壳体收口，或旋合的连接强度： 25

5.6.4 护圈与助力盘的铆接 25

5.7 零部件强度的校核 25

5.7.1 静载荷时单个螺栓强度的计算： 25

5.7.2 螺栓的疲劳强度计算: 26

6 长安悦翔电动助力器橡胶隔膜材料制动系统硬件 28

6.1 技术要求 28

6.2 疲劳性能与硫化胶物理机械性能的关系 28

6.3升压曲线与降压曲线 28

6.4 关于制动电动助力器标准曲线的形成 30

6.5 改变制动电动助力器的助力比对助力器性能的影响 31

7 长安悦翔电动助力器的结构设计 32

7.1 伺服膜片直径制动系统硬件设计 32

7.2 伺服气室后外壳设计 33

7.3 伺服气室前外壳设计 34

7.4 总装配图制动系统硬件设计 35

7.5 伺服膜片制动系统硬件设计 36

结论 38

参考文献 39

致 谢 40

附录 41

1 绪论

1.1 背景

我国汽车电动助力器研制和生产始于上世纪八十年代前中期,并在1987年制订了我国的第一部关于汽车电动助力器的汽车行业标准。汽车电动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、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,关于汽车电动助力器相对系统的、且学术性较强的文献资料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,一些关于汽车电动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电动助力器实验台研制的文章。客观地讲,我国现有的关于电动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关于汽车电动助力器的研究文献十分匿乏,这种现状对我国电动助力器生产和研制企业提高电动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电动助力器的厂家,其中,不乏一些在国内己经颇有名气的企业。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,对电动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Berkeley分校的Gerdes C.J.、Macirca D.B.和Hedrick J.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[5][6]中,对反作用盘式的电动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。

在电动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。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一型带有应急事件处理功能的新型汽车电动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电动助力器的问世,最具代表性的产品是一一系列的电动助力器。

近年来,我国汽车工业科技人员在电动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电动助力器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。在学术领域内,对汽车电动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,这种现状对我国电动助力器的生产企业和整个汽车行业是非常不利的。 

我国现有的关于电动助力器的标准是汽车行业标准QC/T 307-1999国家。原有的ZB T24003-87电动助力器技术条件,ZB T24 004-87电动助力器实验方法己经为新的技术标准所取代。

1.2 研究的意义与目的  

正是带着汽车技术变革的思考和我个人在汽车制动系统研究经历,特别是在电动助力器领域的研究,对电动助力器进行过设计,虽然曾取得过一定的成果,但仍然感到对汽车电动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,我选取了汽车电动助力器设计这个课题,并对汽车电动助力器的性能参数计算方法、结构、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电动助力器。事实上,在目前的电动汽车制动系统的研发中,电动助力器仍然是制动系统的执行元件。

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。

在电动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电动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电动助力器的设计能力的提高,也使得电动助力器的产品质量缺乏必要的保证。

在电动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。汽车电动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,使得电动助力器的密封检验合格为止。而所依据的经验就是对电动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,只有全面了解电动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,选取汽车电动助力器总成制动系统硬件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。

2 汽车电动助力器工作原理的研究

2.1电动助力器的作用

乘用车和轻型商用车的制动系统主要采用液压作为传动媒介，与可以提供动力源的气压制动系统相比，其需要助力系统来辅助驾驶员进行制动。电动制动助力系统也称作电动伺服制动系统，伺服制动系是在人力液压制动的基础上加设一套由其他能源提供制动力的助力装置，使人力与动力可兼用，即兼用人力和发动机动力作为制动能源的制动系。在正常情况下，其输出工作压力主要由动力伺服系统产生，因而在动力伺服系统失效时，仍可全由人力驱动液压系统产生一定程度的制动力。

附录

附录A总装配图1张

附录B伺服气室前外壳零件图1张  

附录C阀杆零件图1张

附录D开题报告

附录E外文翻译