真空助力器原理及性能參數(shù)計算

..一、單滑體式真空助力器工作原理1、未抽真空和抽真空平衡后均為圖1(a)所示狀態(tài)真空閥，此處同前真空腔連通空氣閥，此處同后空氣腔連通空氣閥，此處同后空氣腔連通真空閥，此處同前真空腔連通空氣閥，此處同后空氣腔連通空氣閥，此處同后空氣腔連通真空閥，此處同前真空腔連通真空閥，此處同前真空腔連通真空閥開啟，空氣閥關(guān)閉，前后腔導(dǎo)通真空閥開啟，空氣閥關(guān)閉，前后腔導(dǎo)通2、當(dāng)緩慢推動控制推桿,控制閥活塞及控制閥總成前行Δ后,真空閥口關(guān)閉,控制閥活塞與控制閥總成別離,大氣閥口翻開如圖1(b)所示。真空閥關(guān)閉，空氣閥開啟，前后腔隔開。真空閥關(guān)閉，空氣閥開啟，前后腔隔開。3、助力器的后腔進入一定量的大氣,使前后腔形成一定的壓差,當(dāng)壓差對動力缸產(chǎn)生的推力大于動力缸回位簧預(yù)緊力時,便在助力器出力桿(也叫助力器推桿)產(chǎn)生輸出力,同時該力的反力使反力盤變形,如果此時反力盤的變形尚未消除反力盤與控制閥活塞之間的間隙,那么在輸入力(控制閥、外彈簧預(yù)緊力的合力)幾乎不變的情況下,大氣閥口繼續(xù)翻開,隨著后腔的大氣不斷進入,前后腔壓差隨之增大,輸出力增大,反力盤的變形也大了,直到反力盤與控制閥活塞之間的間隙消除,此時輸出力的反力以等壓強傳遞原理按一定比例(這個比例即為靜特性曲線中的助力比。根據(jù)壓強傳遞原理,助力比=出力桿座面積/控制閥活塞頭部面積)傳到控制閥活塞上,使控制局部處于圖1(c)所示的動平衡狀態(tài)。前后壓力差推動反應(yīng)盤變形向后凸消除活塞頭部同反應(yīng)盤之間的間隙并推動活塞后移關(guān)閉空氣閥，真空閥也關(guān)閉，此時系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。前后壓力差推動反應(yīng)盤變形向后凸消除活塞頭部同反應(yīng)盤之間的間隙并推動活塞后移關(guān)閉空氣閥，真空閥也關(guān)閉，此時系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。4、這個狀態(tài)隨著輸入力的增大一直維持到靜特性曲線的最大助力點(此點兩腔壓差到達(dá)最大)。隨著輸入力的繼續(xù)增大,動平衡狀態(tài)被打破,控制局部處于圖1(d)所示狀態(tài),此時輸出力與輸入力等量變化。輸入桿增加輸入力，打破平衡，活塞桿前移空氣閥翻開?？諝忾y翻開，真空閥關(guān)閉輸入桿增加輸入力，打破平衡，活塞桿前移空氣閥翻開?？諝忾y翻開，真空閥關(guān)閉5、撤去輸入力,助力器又回到圖1(a)所示狀態(tài)。撤銷輸入力，活塞回到初始位置。空氣閥關(guān)閉，真空閥翻開。撤銷輸入力，活塞回到初始位置。空氣閥關(guān)閉，真空閥翻開。鎖片定位單閥體式真空助力器工作原理1、在未抽真空時,控制局部如圖2(b)所示,此時由于動力缸彈簧的壓力促使鎖片將控制閥活塞向前"推動〞,使控制閥活塞與控制閥總成別離,空氣閥翻開，真空關(guān)閉。鎖片強制拉動活塞前移，真空閥關(guān)閉，空氣閥翻開。鎖片強制拉動活塞前移，真空閥關(guān)閉，空氣閥翻開。2、當(dāng)抽真空時,前腔形成一定真空度,后腔仍處于常氣壓狀態(tài)。隨著壓差增大,其產(chǎn)生的推力克制了動力缸回位簧的預(yù)緊力時,動力缸局部向前移動,形成了圖2(c)所示狀態(tài),使前后腔同時處于抽真空狀態(tài)。當(dāng)兩腔壓差緩和到僅能克制動力缸回位簧預(yù)緊力時,動力缸局部在回位簧作用下后移,形成圖2(d)所示平衡狀態(tài)。真空接通后前后腔壓差導(dǎo)致黃色的動力缸向前移動，紫色的密封圈前移關(guān)閉空氣閥，密封圈同動力缸密封邊脫開，真空閥翻開。真空接通后前后腔壓差導(dǎo)致黃色的動力缸向前移動，紫色的密封圈前移關(guān)閉空氣閥，密封圈同動力缸密封邊脫開，真空閥翻開。當(dāng)兩腔壓差緩和到僅能克制動力缸回位簧預(yù)緊力時,當(dāng)兩腔壓差緩和到僅能克制動力缸回位簧預(yù)緊力時,動力缸局部在回位簧作用下后移，關(guān)閉真空閥。到達(dá)平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)真空助力器兩腔狀態(tài)平衡狀態(tài)真空助力器兩腔狀態(tài)3、當(dāng)緩慢推動控制推桿時,大氣閥立即翻開(故該構(gòu)造助力器的空行程為零,這就是鎖片定位單閥體式真空助力器與單閥體式真空助力器相比在性能上的優(yōu)越之處)。這以后它的工作過程與單閥體式構(gòu)造一樣。當(dāng)緩慢推動控制推桿時，空氣閥馬上翻開當(dāng)緩慢推動控制推桿時，空氣閥馬上翻開二、特性曲線及參數(shù)介紹最大助力點：最大助力點在規(guī)定的真空條件下測得。升壓曲線同降壓曲線：FaEZ為升壓曲線，F(xiàn)a1E1Z為降壓曲線。輸入力為最大助力30%的輸出力，輸入力為最大助力80%的輸出力，通過這兩點計算助力比的值較準(zhǔn)確。助力器滯后率，當(dāng)助力器輸出力為最大助力的50%時，對降壓曲線上的E0.5min及升壓曲線上的E0.5max,E0.5min/E0.5max稱為滯后率。跳躍值，跳躍值的大小取決于空氣閥座同反應(yīng)盤之間的間隙。釋放力，釋放力是保證助力器裝配有一定的預(yù)緊力，保證助力器能夠完全回位，一般應(yīng)大于30N.三，性能計算1.反應(yīng)盤式真空助力器的力平衡方程式根據(jù)上述的理論分析，可列出當(dāng)助力器工作時處于"雙閥關(guān)閉〞的平衡狀態(tài)時的力平衡等式為：FP=FR+PO〔A1–A2〕+P〔A2–A3〕+〔P–P0〕A4–F1

〔1〕式〔1〕中FP——助力器的輸出力；FR——閥桿輸入力；PO——真空腔與大氣腔間的壓力差；A1——助力器有效作用面積；A2——閥體柄部截面積；A3——主缸推桿柄部截面積；A4——空氣閥座密封面截面積；P——真空腔的真空度；F1——回位簧抗力。P1——真空腔的絕對氣壓值P2——空氣腔的絕對氣壓值P3——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力值說明：P1為真空腔的絕對氣壓值，P2為空氣腔的絕對氣壓值，P3為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力值，所以真空腔的真空度等于：P=P3-P1,真空腔同空氣腔之間的壓力差等于：P0=P2-P1FP=FR+PO〔A1–A2〕+P〔A2–A3〕+〔P–P0〕A4–F1

=FR+(P2-P1)〔A1–A2〕+(P3-P1)〔A2–A3〕+(P3-P2)A4–F1

=FR+(P2-P1)〔A1–A2〕+(P3-P1)〔A2–A3〕+((P+P1)-(P0+P1))A4-F1

=FR+PO〔A1–A2〕+P〔A2–A3〕+〔P–P0〕A4–F1

P3P2P1F1A3A2A1FRFPP3P2P1F1A3A2A1FRFP式〔1〕可轉(zhuǎn)化為：FP=FR+POA1+〔P–P0〕〔A2–A4〕–PA3–F1

〔2〕由〔2〕式可以看出當(dāng)壓力差PO增加至最大即〔PO=P〕，閥桿輸入力FR不再增加時，助力器輸出力FP到達(dá)最大助力點〔見圖3特性曲線1〕，此時的回位簧抗力為F1，那么助力器在最大助力點時的力平衡等式為：FP=FR+P〔A1–A3〕–F1

〔3〕當(dāng)真空腔的真空度P為80kPa時,那么真空腔與大氣腔的氣壓差為〔0～80〕kPa。因此，隨著大氣腔的真空度的下降，大氣壓力作用于空氣閥座產(chǎn)生的輸入力Fk=〔P–Po〕A4與閥體柄部所影響的輸入力也越來越小直至下降為零到達(dá)最大助力點，其二者變化規(guī)律均為減函數(shù)?；匚换伞?〕抗力隨著閥體前移而逐漸增加，其變化規(guī)律為增函數(shù)。為此在到達(dá)助力點之前，如果將上述互為反函數(shù)的變化值視為近似相等時，那么回位簧抗力F1可視為定值。助力器的伺服力Fv=P〔A1–A3〕〔4〕在閥桿輸入力FR中，一局部輸入力用來克制閥桿回動簧的抗力F2，那么有效輸入力為FRY為：FRY=FR－F2〔5〕伺服力產(chǎn)生的助力除局部用來克制回位簧的抗力F1外，還要承受閥桿回動簧的抗力F2之后才作用在反應(yīng)盤上，為此作用在反應(yīng)盤上的有效伺服力FVY為：Fvy=P〔A1–A3〕–F1+F2〔6〕將式〔5〕、〔6〕帶入式〔3〕得：Fp=FRY+FVY

〔7〕根據(jù)平衡狀態(tài)時的受力分析，反應(yīng)盤的圈所承受的有效輸入力FRY的壓強與外圈所受的有效伺服力FVY的壓強相等時，助力器處于"雙閥關(guān)閉〞的平衡狀態(tài)，可列如下等式：〔8〕真空助力器的伺服比計算助力器的伺服比IV是指有效伺服力FVY與有效輸入力FRY的比值，可通過等式〔8〕轉(zhuǎn)換表示：〔9〕真空助力器的助力比計算助力器的助力比It為助力器的輸出力Fp與有效輸入力FRY的比值，根據(jù)等式〔7〕和〔9〕可得出：〔10〕真空助力器的特性曲線方程考慮到助力器在實際工作過程中，由于相關(guān)零部件的摩擦阻力的存在。為此，通常助力器的工作效率為η=0.85~0.95,所以式〔2〕變化為：Fp＝[FR+P0A1+(A2+A4)(P–Po)–PA3–F1]×η〔11〕式〔3〕變化為：Fp＝[FR+P(A1–A3)–F1]×η〔12〕當(dāng)助力器的輸出力超過最大助力點時，由于真空度P為定值，那么P(A1–A3)為常數(shù)，輸出力FP與輸入力FR為線性遞增變化。因此式〔12〕可用來計算最大助力點之后的輸出力的值。由等式〔7〕考慮助力器效率可得：Fp＝(FRY+FVY)×η

〔13〕由等式〔9〕可得：FVY＝FRYIV

〔14〕由等式〔10〕、〔5〕可得：Fp＝FRYItη=(FR–

F2)Itη

〔15〕式〔15〕說明，當(dāng)輸入力FR≥F2

時才能產(chǎn)生輸出力。因此，最小輸入力〔始動力〕Fa的等式為：Fa＝F2

〔16〕當(dāng)助力器處于非工作狀態(tài)時，真空腔與大氣腔的氣壓差P0為零，由式〔11〕可得：Fp＝[FR+P(A2+A4–A3)–F1]×η=0

〔17〕根據(jù)式〔17〕可得出：FR＝F1

–P(A2+A4–A3)

〔18〕因為FR≥0所以F1≥P(A2+A4–A3)〔19〕根據(jù)式〔19〕可知，回位簧裝配抗力與真空腔的真空度、閥體柄部截面積A2、主缸推桿柄部截面積A3和空氣閥座密封面截面積A4有關(guān)。只有當(dāng)式〔19〕成立時，助力器才不會出現(xiàn)自放大的失效模式即輸入力為0時產(chǎn)生輸出力，閥體才能壓緊鎖片〔12〕并靠在助力器的后殼體鉚接部件〔2〕上。當(dāng)助力器在無真空狀態(tài)下工作時，P＝P0=

0，式〔11〕變化為：Fp＝(FR–F1)×η〔20〕根據(jù)式〔20〕可知，無真空時所需最小輸入力〔始動力〕Fb的等式為：Fb＝F1

〔21〕特性曲線的跳躍值三角區(qū)真空助力器的輸入——輸出特性曲線如圖1所示。由圖可見，由輸入力的最小始動值Fa1與最大始動值Fa2為起點的特性曲線L1、L2構(gòu)成的區(qū)間，是助力器的特性允許圍。當(dāng)輸入力由0增至最小始動值Fa1之前，輸出力Fp為0，而當(dāng)輸入力增至最小始動值Fa1時，輸出力那么出現(xiàn)跳躍值。由FPT1、FPT2、Fa1、Fa2所圍成的三角區(qū)即稱為跳躍值三角區(qū)。特性曲線的起始點越靠近Fa1，其跳躍值越大。越靠近Fa2，其跳躍值越小?？筛鶕?jù)不同的產(chǎn)品及客戶要求，通過調(diào)整壓塊與反應(yīng)盤的間隙來調(diào)整跳躍值的大小。但過大的跳躍值會使助力器部零件過早地磨損，使用壽命大大降低。特性曲線的偏移由于助力器的輸入輸出特性曲線不是從零點開場的，而且其延長線也不一定通過坐標(biāo)原點，因此特性曲線出現(xiàn)了偏移。根據(jù)式〔5〕、〔15〕可得：FP＝FRYItη=FRItη–F2Itη

〔22〕式〔22〕的斜率為：K=Itη截距為：b=

–

F2

Itη最大助力點后輸出力等式〔12〕可變化為：Fp＝[FR+P(A1–A3)–F1]η=FRη+[P(A1–A3)–F1]η

〔23〕式〔23〕的斜率為：K1＝η

截距為：b1＝[P

(A1–A3)–F1]η

根據(jù)式〔22〕、〔23〕繪制特性曲線如圖2所示，兩條曲線的交點為最大助力點。由于在輸入力為Fa1時輸出力具有最大跳躍值FPT1，那么輸出力為FP1：Fp1`＝FR1Itη1–Fa1Itη1

+FPT1

〔24〕Fp1`是在真空度為允許值的最上限、效率為最大值η1時的特性曲線偏移后的最大助力點時的輸出力，與其對應(yīng)的FR1輸入力是偏移后的輸入力，如圖1中L1所示。當(dāng)輸入力為最大始動力Fa2`時輸出力具有最小跳躍值FPT2`，那么輸出力FP2`為：Fp2＝FR2Itη2–Fa2Itη2+FPT2〔25〕Fp2是在真空度為允許值的最下限、效率為最小值η2時的特性曲線偏移后的最大助力點時的輸出力，與其對應(yīng)的FR2輸入力是偏移后的輸入力如圖1中L2所示。以東風(fēng)標(biāo)致206反應(yīng)盤式真空助力器為實例，我們可以繪制其特性曲線。1、助力器的構(gòu)造尺寸〔1〕助力器有效作用直徑：φ224.45+0.2mm；〔2〕閥體柄部直徑：φ40mm；〔3〕主缸推桿柄部直徑：φ90mm；〔4〕空氣閥座密封面直徑：φ21.3+0.05mm；〔5〕主缸推桿與反應(yīng)盤的最大作用直徑：φ25.950mm；〔6〕壓塊與反應(yīng)盤的最大作用直徑：φ10.90mm。2.助力器的相關(guān)參數(shù)〔1〕真空腔的真空度：P=〔0.08±0