Структурный синтез вакуумных усилителей тормозного привода автотранспортных средств

УДК 629.062

СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ВАКУУМНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ТОРМОЗНОГО ПРИВОДА АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

В.Н. Скляров, доцент, к.т.н., Н.В. Скляров, ассистент, к.т.н.,

ХНАДУ

Аннотация. Предложена методика функционального синтеза структуры вакуумных усилителей тормозного привода автотранспортных средств.

Ключевые слова: вакуумный усилитель, структура, синтез.

Введение

В современных автомобильных тормозных гидроприводах преимущественное применение получили вакуумные усилители (ВУ).

Известно значительное разнообразие конструктивных решений ВУ. Однако практически отсутствует информация исследовательского характера об особенностях взаимодействия элементов ВУ.

Для совершенствования существующих конструкций и создания новых необходима разработка методики их структурного синтеза, позволяющая получить качественную оценку связей элементов.

Анализ публикаций

Обобщённая схема классификации ВУ и примеры наиболее известных конструкций приведены в [1, 2]. Однако в публикациях по ВУ отсутствуют данные по исследованию взаимодействия элементов ВУ.

Цель и постановка задачи

В процессе разработки ВУ возникают проблемы связанные с изучением взаимного влияния различных частей усилителя на его рабочий процесс. В связи с этим необходим инструмент теоретического исследования взаимодействия элементов ВУ.

Для определения функциональных связей элементов ВУ необходимо:

- установить общую структуру различных конструкций ВУ;

- разработать схему функционального взаимодействия элементов в структурных составляющих ВУ.

Анализ конструкций ВУ позволил составить обобщённую структуру ВУ, рис. 1.

Рис. 1. Структура ВУ

Каждая структурная составляющая ВУ включает набор различных элементов, обеспечивающих соответствующие функции рабочего процесса.

Пример наиболее известной конструкции однокамерного вакуумного усилителя приведен на рис. 2.

Существенную роль в организации рабочего процесса выполняет распределительное устройство, состоящее из атмосферного и вакуумного клапанов. В значительной степени работа распределительного устройства зависит от взаимодействия с другими элементами усилителя. В первую очередь это относится к следящему устройству. Следящее

устройство обеспечивает пропорциональность между входным и выходным усилиями. Выходное усилие формируется при участии исполнительного устройства.

Рис. 2. Схема однокамерного вакуумного усилителя: 1 - толкатель; 2 - поршень; 3 - шток; 4 - следящее устройство

Взаимодействие распределительного, следящего и исполнительного устройств, а также их элементов, предлагается рассматривать исходя из объединения структурных составляющих ВУ силовыми и кинематическими связями. Состояние равновесия соответствует следующим зависимостям толкателя (1), поршня (2), штока(3):

I Рп + 1 Рт - Рн - шш ч^т

—2

/ш ч

са

ч

н л ш

где - сумма усилий на поршне и

толкателе; Сн - жёсткость нагрузки; тш -масса штока; /ш - коэффициент демпфирования штока; хш - перемещение штока.

Особо следует обратить внимание на действие сил в распределительном устройстве Гка и FКВ. Эти усилия формируются перепадом давления на площадях манжеты клапанов в соответствии со схемами (рис. 3).

F^a= 0,785Ч

ЕКВе = 0,785Ч

где р0 - атмосферное давление; рв - разрежение.

^ + FKA

- ^ Ч^: ^ Л

Ft

Fв - FR

—2 хт

тТ Ч—т

а2

где ¥т - усилие на толкателе; ¥ка - усилие на толкателе от атмосферного клапана; ¥А - усилие пружины атмосферного клапана; ¥в -усилие пружины вакуумного клапана; FR -реакция следящего устройства; тт - масса толкателя; /т - коэффициент демпфирования толкателя; хт - перемещение толкателя;

^ + ^В + ^ + ^ + ^.п

F,

пп

Л 2 Х т Чи Хп

тп Л2

/п ч ^—г = 0,

ш

где Fп - усилие на поршне от перепада давления; Fкв - усилие от вакуумного клапана; Fcп - усилие на ступице поршня; Fпп - усилие возвратной пружины поршня; Fн - усилие нагрузки; тп - масса поршня; /п - коэффициент демпфирования поршня; хп - перемещение поршня;

Рис. 3. Схемы работы распределительного устройства: а - торможение; б - растор-маживание. Rв, Ra - реакция в контакте вакуумного и атмосферного клапанов соответственно; F1 - суммарная реакция пружин; Fкв, FкА - усилия пневматических составляющих вакуумного и атмосферного клапанов соответственно; С - наружный диаметр манжеты клапанов; Св, Са - диаметры клапанов вакуумного и атмосферного соответственно

Используя преобразование Лапласа Ж 5 = —Ц

и — ш

, из уравнений (1), (2), (3) определяются перемещения толкателя (6), поршня (7) и штока (8).

^ + FKA FA ^

тТ Ч 52 + /т Ч 5

0

0

R

F + F + F + F + F - F - F

П KB A В УП 1 ПП 1 H

m

4S2 + fn 4S

,

xn -

Рис. 4. Схема функционального синтеза ВУ

е п + е ^Т

1Ш

т.

2 + fШ Ч^С

Приведенные аналитические зависимости позволяют объединить взаимодействие структурных составляющих ВУ и их элементов в общую схему функционального синтеза ВУ представленную на рис. 4.

Кроме приведенных выше параметров в схеме рис. 4 приняты следующие обозначения:

Риа - усилие предварительного сжатия пружины атмосферного клапана; ¥Шп - усилие предварительного сжатия возвратной пружины поршня; - суммарное усилие пружин клапанов; - сумма сил на штоке;

СВ - жёсткость пружины вакуумного клапана; СА - жёсткость пружины атмосферного клапана; Ап - активная площадь поршня; ^ - перемещение вакуумного клапана до его

закрытия; рл - давление в атмосферной поло-

dQ

сти усилителя;

dx

массовый расход возду-dp

ха через распределительное устройство;

dQ

- изменение давления в атмосферных поло-

dQ

стях при изменении расхода; - - измене-

dV

ние расхода при изменении объёма;

dQ

- изменение расхода при изменении давления; КУ - коэффициент усиления (характеристика следящего устройства).

Особенность предложенной схемы прежде всего заключается в том, что она даёт возможность качественно оценивать взаимодействие узлов и деталей ВУ. Фактически её можно разделить на блоки, объединяющие распределительное, следящее и исполнительное устройства, как в исходном положении,

так и в процессе работы ВУ. Кроме качественной оценки данная схема позволяет получить количественные данные взаимодействия деталей ВУ.

Предлагаемая схема функционального синтеза ВУ при включении блока дополнительного поршня позволяет исследовать взаимодействие элементов двухкамерных ВУ.

Выводы

Предложенная методика позволяет:

- выполнять синтез структуры ВУ в соответствии с задачами проектирования;

- определять функциональные связи структур и элементов ВУ;

- определять начальные и граничные условия;

- исследовать рабочие процессы ВУ различной конструкции.

Литература

1. Шуклинов С.Н., Скляров Н.В. Совершен-

ствование конструкции двухкамерных вакуумных усилителей тормозов // Вестник НТУ «ХПИ» Сб. научн. тр. Тематический выпуск «Автомобиле- и тракторостроение». - Харьков: НТУ «ХПИ». -2005. - №10. - С. 146 - 150;

2. Гинцбург Л.Л., Есеновский-Лашков Ю.К.,

Поляк Д.Г. Сервоприводы и автоматические агрегаты автомобилей. - М.: Транспорт, 1968. - 168 с.

Рецензент: М.А. д.т.н., ХНАДУ.

Подригало, профессор,

Статья поступила в редакцию 19 марта 2008 г.

Н