基于反求设计的汽车真空助力器总成的研究.docx
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基于反求设计的汽车真空助力器总成的研究
基于反求设计的汽车真空助力器总成的研究
国内图书分类号:
U463.217
西 南 交 通 大 学
研 究 生 学 位 论 文
基于反求设计的汽车真空助力器
总成的研究
年 级 二○○四级
姓 名 赵凯
申请学位级别 工学硕士
专 业 机械电子工程
指导教师 管会生 副教授
二○○七年四月
西南交通大学
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。
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日期：
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西南交通大学学位论文创新性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本学位论文的主要创新点如下：
1.提出了汽车真空助力器在工作状态下三个平衡位置的原理和平衡位置动态转换的原理；提出了汽车真空助力器在工作过程中的启始平衡位置和最后平衡位置的概念。
2.定义了真空助力器控制阀总成的两个种类，复合式的控制阀总成和叠加式的控制阀总成，并依此从理论推导出了汽车真空助力器各性能参数的计算公式或设定方法。
3.对汽车真空助力器的回程速度以及密封检验标准进行深入的研究。
给出了结构上和参数设定上来控制回程速度的方法，肯定了新的密封检验标准的检验方法对旧标准中检验方法的补充的正确性。
同时，又补充了新的标准仍然存在的不足，提出增加了在卸载过程中最大助力点以下位置进行密封检验的技术要求的建议。
4.提出了利用最小二乘法来作为对汽车真空助力器检验台采样得到的数据进行助力比计算的计算方法的建议。
同时，提出并定义了真空助力器的助力比的线形度参数作为真空助力器助力比线形化优良程度的评价指标。
ClassifiedIndex:
U463.217
SouthwestJiaotongUniversity
MasterDegreeThesis
STUDYONAUTOMOBILEVACUUMBOOSTERASSEMBLYBASEDONREVERSEDESIGN
Grade:
Postgraduate2004
Candidate:
ZhaoKai
AcademicDegreeAppliedfor:
MasterDegree
Speciality:
MechatronicsEngineering
Supervisor:
Prof.GuanHuisheng
Apr.2007
摘 要
汽车真空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。
由于真空助力器对行车的安全起着至关重要的作用，所以一直是汽车制动系统研究的焦点之一。
本课题是对汽车真空助力器总成进行的反求设计研究。
由于我国汽车真空助力器像很多其它的工业产品一样，是以国外的同类产品为参照设计出来的。
尽管由我国自主设计并生产的汽车真空助力器已经有近二十年的时间，但是产品的质量并不是十分令人满意的。
在本学位论文中，将详细地阐述真空助力器的工作原理；在理论上推导出重要的性能参数的计算公式；给出如何评价和分析真空助力器特征性能曲线的方法；深入研究了影响真空助力器回程速度的原因；探讨了现有的技术标准中对密封检验的要求的不足，进一步补充了密封检验的技术标准；最后，针对真空助力器实验台,在软、硬件的设计方案上提出了建议。
文章中出现的所有的真空助力器的特性曲线都是取自实验台上通过实验所得到的一些真实的特性曲线。
在国内重要的学术期刊和文献中，具有一定理论深度的关于汽车真空助力器的文献和资料十分匮乏。
本课题的研究旨在为我国汽车真空助力器的生产企业的研究人员提供一本比较系统的、详实的关于汽车真空助力器的资料，为国内汽车真空助力器的设计和研究奠定一定程度的理论基础。
关键词：
汽车真空助力器；反求设计；性能参数；特性曲线；密封检验标准；实验台
Abstract
Automobilevacuumbooster,apartofautomobilebrakesystem,isusedwidelyasanassistordeviceinlight-carandsedan.Always,itisfocusonstudyofautomobilebrakesystem,whichisofvitalimportantfortheirsecurityofdriverandpassengers.
Thedesignandproductionofvacuumbooster,likeotherindustrialproductsofchina,usedtoreferencedesignofpeersofsomeadvancedcountries.Itiscalledasreverseengineering.Thoughvacuumboostersdesignedandproducedbychinaexistformorethantwentyyears,itisstilldissatisfactoryforusofthequalityandtheassemblyefficiencyofthoseproducts.
Inthethesis,thesewillbefinishedtoilluminatetheworkingprincipleofvacuumbooster,todeducetheformulasofsomeimportantperformanceparameters,toproposetheanalysiswaytocharacteristiccurve,tostudyonthereturnvelocitywhenavacuumboosterisunloaded,toarguetheair-proofinspectioncriterionofvacuumbooster.Speakingespecially,allofdatumandcharacteristiccurvesinthethesisareobtainedbyon-the-spotexperimentsinfactories.
Ofallinformationresourcesinthefieldofautomobilebrakesystemofchina,thehighlyvaluableliteraturesandpapersonthefamousperiodicalsofvehiclearerare.Mystudyonvacuumboosteraimstowriteasystemic、detailed、academicpaperondesignanddevelopmentofvacuumboosterforengineersinfactoriesandresearchersininstitutions,tosupplysomeusefulinformation,basedontheoryandpractice.
Keywords:
automobilevacuumbooster;reversedesign;performanceparameter;characteristiccurve;air-proofinspectioncriterion;test-bed
目录
第1章 绪论 1
1.1本课题的研究的现实背景 1
1.2本课题的研究意义 3
1.3本课题的研究方法 4
1.3.1反求设计的出现和发展的时代背景 5
1.3.2反求设计的含义 5
1.3.3实物反求对象的定义和内容 7
1.3.4试验方案和试验方法 7
1.4本课题研究的内容和目的 8
第2章 汽车真空助力器工作原理的研究 9
2.1真空助力器的结构和工作原理 9
2.1.1反作用盘式的真空助力器总成的结构 9
2.1.2真空助力器在理想状态的工作原理 10
2.1.3真空助力器的核心尺寸链 11
2.2.真空助力器的三个重要的工作原理 12
2.2.1真空助力器的阀口的三个平衡位置的原理 12
2.2.2真空助力器平衡位置的动态转换的原理 13
2.2.3实际的真空助力器的工作过程 13
2.2.4真空助力器两个平衡位置的概念 15
2.2.5反作用盘的核心作用和性能要求 16
2.3.本章小节 17
第3章 汽车真空助力器的性能参数计算 18
3.1真空助力器的力学关系方程 18
3.2助力器的控制阀总成的分类 19
3.3真空助力器的性能参数的计算 21
3.3.1真空助力器的始动力 21
3.3.2助力器的系统始动力的偏移 22
3.3.3真空助力器的释放力定义及其意义 23
3.3.4助力器的跳跃值 24
3.3.5助力器跳跃值产生的根本原因 24
3.3.6影响跳跃值的因素和跳跃值的意义 25
3.3.7系统始动力、跳跃值和释放力之间的联系 25
3.3.8影响滞后率的因素 26
3.4汽车制动系统的数学模型 26
3.4.1真空助力器的数学模型 27
3.4.2制动液压系统的数学模型 31
3.4.3真空助力器非线性问题的研究 32
3.4.4制动系统滑模控制方案的选择 33
3.5本章小结 35
第4章 汽车真空助力器的特性曲线分析方法 37
4.1理论上的特性曲线及其各特征参数 37
4.2真空助力器特性曲线实例分析 38
4.3本章小结 45
第5章汽车真空助力器回程速度的研究 47
5.1．影响真空助力器回程速度的因素 47
5.1.1助力器的结构设计对回程速度的影响 48
5.1.2助力器密封性能对回程速度的影响 48
5.1.3助力器的技术参数设计对回程速度的影响 48
5.2真空助力器的回程速度与特性曲线的关系 51
5.3建压曲线反映的数据采样特点 54
5.4本章小结 54
第6章 汽车真空助力器的密封性能的研究 56
6.1真空助力器的密封性能的技术标准 56
6.2汽车真空助力器的新旧密封检验标准的比较 57
6.2.2对现有真空助力器的密封性能检验要求的补充 60
6.2.3真空助力器的动、静检验测试时间 60
6.3本章小结 61
第7章 汽车真空助力器的实验台的研制 63
7.1真空助力器总成的测试要求 63
7.1.1真空助力器密封性能检验要求 64
7.1.2真空助力器回程时间的要求 64
7.1.3真空助力器耐压性能要求 64
7.2汽车真空助力器的实验台设计 64
7.2.1实验台的硬件系统的设计 65
7.2.2实验台的软件系统的设计 68
7.3过程性能参数的设定 69
7.3.1助力比的求解方法 69
7.3.2助力比的线形度参数 70
7.4本章小节 71
结 论 72
致 谢 74
参考文献 75
攻读硕士学位期间发表的论文 78
第1章 绪论
30几年前美国的Bendix公司（）成功地研制了反作用盘式的真空助力器，并从此得到了广泛的应用。
现在，该类型的真空助力器作为助力装置已经被广泛使用在各种档次的轿车和轻型车的制动系统和离合系统上。
由于真空助力器是制动系统的动力部件，它的性能和品质的好坏对行车的安全有极为重要的影响，因此，一直是汽车制动系研究的焦点之一。
在汽车工业历史上，曾经出现过很多种结构的汽车真空助力器，而发展到今天被市场认可和大量使用的基本是美国Bendix公司的反作用盘式的真空助力器，本课题所研究的对象均指反作用盘式的真空助力器。
在本章节中，将阐明本课题研究的现实背景、研究的意义、研究手段和研究的内容、目的。
1.1本课题的研究的现实背景
我国汽车真空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真空助力器的汽车行业标准[19][20]。
汽车真空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、改进和创新的一个过程。
但是,由于我国工业基础的落后和理论研究的能力有限,关于汽车真空助力器相对系统的、且学术性较强的文献资料[18][16]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，一些关于汽车真空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真空助力器实验台研制的文章。
客观地讲，我国现有的关于真空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真空助力器的研究文献十分匮乏,这种现状对我国真空助力器生产和研制企业提高真空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真空助力器的厂家，其中，不乏一些在国内已经颇有名气的企业。
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，对真空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GerdesC.J.、MaciucaD.B.和HedrickJ.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[34][39]中，对反作用盘式的真空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。
在真空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（TRWAutomotive）。
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Aisin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Dual-Rate型带有应急事件处理功能的新型汽车真空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真空助力器的问世，最具代表性的产品是LSC130T-HEDR-F系列的真空助力器。
近年来，我国汽车工业科技人员在真空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真空助力器[50]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。
在在学术领域内，对汽车真空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，这种现状对我国真空助力器的生产企业和整个汽车行业是非常不利的。
我国现有的关于真空助力器的标准是汽车行业标准QC/T307-1999国家。
原有的ZBT24003-87真空助力器技术条件，ZBT24004-87真空助力器实验方法已经为新的技术标准所取代。
1.2本课题的研究意义
正是带着汽车技术变革的思考和我个人在汽车制动系统从业经历，特别是在真空助力器领域的研究，本人曾经就职于一家汽车真空助力器的生产企业，对真空助力器进行过反求设计，虽然曾取得过一定的研究成果[8][38]，但仍然感到对汽车真空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，我选取了汽车真空助力器总成的反求设计这个课题，并对汽车真空助力器的性能参数计算方法、数学模型的建立、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真空助力器。
事实上，在目前的电动汽车制动系统的研发中，真空助力器仍然是制动系统的执行元件[25]。
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[41]。
在真空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真空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真空助力器的设计能力的提高，也使得真空助力器的产品质量缺乏必要的保证。
在真空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。
汽车真空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，使得真空助力器的密封检验合格为止。
而所依据的经验就是对真空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，只有全面了解真空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，笔者选取汽车真空助力器总成的反求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。
1.3本课题的研究方法
在本课题的研究中，主要所采用的研究手段是反求设计[47]的方法。
同时，结合理论分析和逻辑推理等正设计的方法来进一步完善汽车真空助力器的各方面尚未明确的理论和尚且存在问题的地方，最终达到促进并提高我国科技人员设计汽车真空助力器的水平和能力的目的。
1.3.1反求设计的出现和发展的时代背景
二次大战中，几十个国家卷入战祸，饱受战争创伤。
特别是战败国，在二战结束后，急于恢复和振兴经济。
日本在60年代初提出科技立国方针：
“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。
为要国产化的改进，迫切需要对别国产品进行消化、吸收、改进和挖潜。
这就是反求设计（InverseDesign）或反求工程（Inverse Engineering），这两者是同一内涵，仅是不同国家的不同提法。
发展到现在，己成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段或重要对策，反求工程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。
实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、技术的继承和应用借鉴。
因而反求思维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的。
市场经济竞争机制已渗透到各个领域，如何发展科技和经济，世界各国都在研究对策。
从共性特征可概括为4个方面对策：
（1）大力提倡创造性。
包括新的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、新技术、新材料、新工艺、新仪器等等。
对于发展一个国家的国民经济来说，创造性是永恒主题。
（2）研究和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的方法，使能既快又好地设计出新型产品。
（3）把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程（预测、决策、管理、设计制造、试验、销售服务等）中，以期达到这些过程的一体化、智能化和自动化。
（4）研究和应用反求工程，使能在高的起点去创造新产品。
1.3.2反求设计的含义
反求设计是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计，这就是反求设计的含义，特别强调再创造是反求的灵魂。
反设计是从已知事物的有关信息（包括硬件、软件、照片、广告、情报等）去寻求这些信息的科学性、技术性，先进性、经济性、合理性、国产化的可能性等等，要回溯这些信息的科学依据，即充分消化和吸收，而更重要本质是在此基础上要改进、挖潜进行再创造。
反求的目标如仅限于仿制，是最原始、低级的模仿，其质量和生命周期不会有竞争力，更严重的是侵权行为，要受产权保护制裁。
图1-1 正设计过程示意图
如果说正设计的关键要解答“怎么做?
”，即设计任务提出后，怎样实现和达到预定目标，那么反求的关键要解答“为什么要这样做?
”，即已知目标后，要探索和掌握这种目标的设计者是如何一步一步实现的，反求别人脑袋里是怎样想、怎样做的，要摸清设计意图、所用技术、关键和设计理论与方法。
从这个意义上说，正设计是主动的创造，而反求是先被动后主动的创造，别有一番难
图2反设计过程示意图
度。
故反求设计并非正设计的简单逆过程，因为一个先进成熟的产品，凝集着设计者的智慧和技术，要去吃透、消化，包含很多复杂内容。
往往吃透别人的技术比自己创造还难，这是因为：
（1）先进产品中总有“绝招”、“诀窍”和
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