汽车坡路起车辅助气动系统设计

摘 要针对目前手动档机动车半坡起步经常出现的溜车现象，设计一种适用于手动档机动车的半坡起步辅助气动系统。包括确定起车斜坡起步辅助系统组成，确定各气动元件，根据辅助系统的工作要求对气动控制阀的结构进行设计，包括主阀芯的结构、密封件的结构等。在分析汽车气压制动系的基本组成和工作原理的基础上，确定汽车斜坡起步辅助系统气动控制阀在汽车整个气动管路中的位置及功能，从而以通用的气动元件，设计和分析能够实现该功能的气动系统方案，并通过实验来验证该气动系统方案的合理性。设计一种汽车斜坡起步辅助系统，并对汽车斜坡起步辅助系统气动控制阀进行设计。半坡起步辅助系统的关键技术就是系统根据制动部件的支承反力的大小和方向的变化情况自动控制驻车制动力。起步辅助系统可以彻底解决手动档机动车坡道起步时的后溜现象，有效地防止溜车产生的隐患，且不影响平地起步。所以说，半坡起步辅助系统的开发具有极其重要的意义。关键字：汽车；坡路起步；气动控制; 传感器；起步辅助系统to of to up to of of of of of in to of of a of is of of to of of of in of do 摘 要.第1章绪论. 课题的技术要求. 本课题主要完成的任务. 汽车坡路起车辅助气动系统的发展现状及趋势. 本课题的研究内容及意义. 动系统的组成. 气动系统的工作原理. 气动系统的总布置设计. 本章小结. 制阀基本参数的确定. 控制阀结构参数的设计计算. 控制阀的阀芯密封力的计算. 控制阀. 控制阀控制活塞的密封设计. 控制阀的阀芯套杆的设计计算. 控制阀控制活塞直径的计算校核. 控制阀弹簧的设计计算. 控制阀电磁阀的设计计算.0本章小结. 转速传感器的选用. 扭矩感器的选用. 本章小结.术要求气压系统工作压力：气筒的压力范围：统最高压力：要完成的任务主要完成设计方案；气压系统组成；气动控制阀设计计算及校核。系统图的绘制；控制阀的结构图绘制。车坡路起车辅助气动系统的发展现状及趋势气压制动系是发展最早的一种动力制动系。气压式制动传动装置是利用压缩空气作力源的动力式制动装置。驾驶员只须按不同的制动强度要求，控制制动踏板的行程，便可以控制制动气压的大小来获得所需要的制动力。其供能装置和传动装置全部是气压式的。由于气压制动系制动能源是空气压缩机产生的，压缩空气气压制动系的制动力大，制动灵敏，广泛用于中、重型汽车上。我国生产的中型以上货车或客车一般都采用了气压制动系，其回路和液压制动系一样采用了双或多回路制动系。当其中一个回路发生故障失效时，另一回路仍能继续工作，以维持汽车具有一定的制动能力，从而提高了汽车行驶的安全性。目前利用气压做辅助起步的装置大致有以下几种：烟台鸿桥高科技有限公司的江大建、高启、江大中等的发明一种机动车坡路辅助起步电磁装置(申请号：02213587，公告号：2520272)，该装置是一种机动车坡路辅助起步电磁装置，是对配置手动变速器的机动车实施自动离合或自动变速改造的坡路驻车控制装置，是由电磁铁、阀芯、压簧、单向阀和管路等构成，在自动离合或自动变速总装置中承担坡路辅助起步功能的执行机构，具有结构简单合理、坡路起步只需踩油门、简化操作步骤、安全性高的特点。其另一个发明一种机动车坡路辅助起步装置(申请号：02212675，公告号：2520271)，该装置是一种机动车坡路辅助起步装置，是对配置手动变速器的机动车实施自动离合或自动变速改造的坡路驻车控制装置，是由直流减速电机、截止阀、单向阀等构成，在自动离合或自动变速总装置中承担坡路辅助起步功能的执行机构，具有结构简单，合理、坡路起步只需踩油门、简化操作步骤、安全性高的特点。梁志军的发明一种汽车坡道起步装置(申请号：0123407l，公告号：2493469)，该装置是一种汽车坡道起步装置，该装置有制动阀、拉臂及联动调整器等组成，并设置在汽车制动阀与离合器之间，其工作原理是：司机操作离合器，并带动联动调整器运动，推动拉臂及控制阀的阀芯做往复运动，从而完成打开或关闭制动阀排气孔的工作，使汽车在坡道上的三配合操作减为二配合操作，达到在任何路况下都能平稳起步之目的。该装置不仅结构简单，而且安装方便，它即解决了司机在坡道上操作手忙脚乱的弊端，也避免了不安全因素的发生，具有很高的实用价值及推广前景。孙智的发明机动车斜坡起步自动配合的方法和装置(申请号：99117403，公开号：1297830)，是一种机动车斜坡起步自动配合的方法和装置，该发明是采用离合器控制制动在现有机动车的刹车油泵或气泵和轮胎制动闸之间，安装一个止回阀和一个电磁阀；刹车时止回阀开启，电磁阀关闭油或气不能回流至制动总泵，油压(气压)使制动闸紧紧制动着机动车轮圈，机动车不能移动；当起动时电磁阀开启，油或气回流至制动总泵，制动闸自动松开。本发明方案巧妙，实施容易，所用零件和器件不多，制作和安装都比较容易。国内目前主要采用的是电磁装置，对配置手动变速器的机动车实施自动离合或自动变速装置。在现有机动车的刹车油泵或气泵和轮胎制动闸之间，安装一个止回阀和一个电磁阀；刹车时止回阀开启，电磁阀关闭油或气不能回流至制动总泵，油压(气压)使制动闸紧紧制动着机动车轮圈，机动车不能移动；当起动时电磁阀开启，油或气回流至制动总泵，制动闸自动松开。而采用微电子技术的车上得到了较好的应用。丰田汽车公司也在化了操作，提高了汽车的安全性能。广州五十铃客车有限公司引进日本技术组装生产的单台万。虽然日本、美国等汽车工业发达国家对取得的技术成果不对中国开放，而以高价产品的形式实现垄断。国内对这项技术的研究还基本上处于空白阶段。实现内文献中基本上采用的是电磁阀和止回阀的组合，而比较先进的国外及进口技术则采用整体的控制阀。课题的研究内容及意义设计一种汽车斜坡起步辅助气压系统，包括确定汽车斜坡起步辅助系统组成，确定各气动元件，根据辅助系统的工作要求，对气动控制阀（结构进行设计，包括主阀芯的结构、密封件的结构等。目的是设计一种汽车斜坡起步辅助气压系统。包括确定汽车斜坡起步辅助系统组成，确定各气动元件，根据辅助系统的工作要求，对气动控制阀（结构进行设计，包括主阀芯的结构、密封件的结构等。意义是在斜坡起动时，可以不用频繁的交替踩踏板，而只需通过踩油门就可顺利起步，从而有效的减少了工作疲劳程度，增强行车安全性。使国内的汽车制造技术有一个长足的进步，制造出更安全、更易于操作、配置更豪华，性价比更高的好车。车坡路起车辅助气动系统的组成主要由空气压缩机、调压阀、驻车应急制动储气筒、手控制动阀、四回路压力保护阀、湿储气筒、起车辅助气筒、安全阀、快放阀、起车辅助控制阀、复合式后制动气室、继动阀、后桥储气筒、双针气压表、放水阀、前轴储气筒、双腔制动阀、前制动器室、传感器（。车坡路起车辅助气动系统的工作原理1)气压制动回路由发动机驱动的单缸风冷式空气压缩机产生的压缩空气经调压阀将压缩空气输入湿度储气筒内，在此冷却并进行大部分油水分离后，压缩空气通过四回路压力保护阀再输入前轴储气筒、后桥储气筒、驻车一应急制动储气筒、汽车辅助气筒内，前轴储气筒、后桥储气筒的气压由驾驶室内仪表板上双针气压表指示。在空气压缩机连续工作时，气筒上有放水阀，用以在必要时排放被压缩空气携入并凝聚在筒内的水分。四回路压力保护阀的作用是将前、后、应急、辅助等回路互相隔绝，而且在任一回路的供能管路漏气时，仍能对完好的各回路充气；驾驶员通过踏板机构操纵双腔制动阀或直接操纵手控制动阀，可以使前、后轮制动气室和储气筒连通，促动制动器进入工作，或者使制动气室通大气以解除制动。辅助气筒输入起车辅助控制阀总成,储气筒气压是否充足，是由安装在储气筒上的压力传感器来测量的，压力传感器采集到信号送给果气压不充足，仪表板上的指示灯会亮起，提醒驾驶员此时不宜使用起车辅助气压系统。2)供能装置供能装置包括：产生气压能的单缸风冷式空气压缩机和存储气压能的湿储气筒、前轴储气筒、后桥储气简、驻车一应急制动储气筒、起车辅助气筒；将工作压力限制在安全范围内，防止气路过载的调压阀，去除水、油等污染物的湿度储气筒；在一个回路失效时用以保护其余回路充气和供气，使系统气压能不受损失的四回路保护阀。3)控制装置控制装置包括：气压行车制动主要控制装置双腔制动阀；驻车制动和应急制动控制装置手控制动阀；保证解除制动时复合式后制动气室中的压缩空气迅速排入大气的快放阀；缩短复合式后制动气室的充气管路，加速气室充气过程的继动阀。急制动储气筒 章小结本章确定了汽车坡路起车辅助气动系统的实验原理，分析了组成，确定了传感器的选用及安装，并根据要求，确定出汽车坡路起车辅助气动系统的设计方案及总气路图的基本结构。为后续的设计奠定了良好的基础。压力气筒的压力范围：统最高压力： 流量厚为1径为8计算公式为：2 1 20273 p 220 1 1273 93 293q D p 式中 20q 当 2 1/p p0528(音速)，气温为20mq 当 2 1/p p0528(音速)，气温为过小孔或阀的流量(m1p小孔上游的绝对压力(小孔流量系数D小孔直径(阀的有效截面积(所以 2 2 320 1 273 )4 293 4 293q D p m 即标准额定流量 20q =22946（l标准状态下（t=20C）的空气流量 的空气流量与工作压力及小孔直径/效截面积0q =2294.6(lS=20的公称通径表公称直径（3 4 6 8 10 15 20 25接管螺纹 ( / )m h 2 3 l/170 340 570 1150 2300 3400 630010900额定流量 3( / )m h 7 10 20 30在额定流量下压降（20 20 20 15 15 15 12 12有效截面积S值( 3 4 5 10 20 40 60 定阀的实际通径阀的一项基本参数，是设计阀的重要依据之一。阀的公称通径表中规定的是公称通径的名义值，比按流通能力的要求计算的通径值大得多。为了减少阀的外形尺寸，又能满足使用流通能力的要求，一般还需按照下面方法计算阀的实际通径换向阀视为一薄壁节流孔，压缩空气在具有节流孔的管道内流动时，流孔的体积流量为：2 2( ) ( / )v p m s 2 22 ( )4 式中节流孔流量系数，一般取O500652A节流孔面积令 2A= )s sD 所以 此。可以得到际 接管 准额 额定 在额定流 有效截面通径 通径 螺纹 流量 流量 量下压降 积( / )m h l/( / )m h 3/8 300 7 15 一般计算出来都比较小，为便于加工和提高使用寿命，在设计时，芯套连杆尺寸 （称通径D 15 1525 2540 4050 5080连杆直径d 36 68 812 1215 1520本设计所设计的阀的公称通径为1O 阀芯套连杆直径d=6于控制活塞在阀芯套中，通过推阀芯连杆来实现的阀芯的密封动作，所以阀芯套连杆、控制活塞的推杆的直径均取d=6 芯套连杆、直径D (3中K 流通面积系数，与流通面积结构有关，阀的实际通径。的流通面积系数座连杆处 平面阀芯 锥面阀芯 球面阀芯系数K 11， 627)D 密封面宽度先根据经验数据，选定一个初值，即根据阀的通径，时，需要在下一步的计算中通过计算密封力对其进行校核，以保证有足够的密封力来实现密封性能，同时避免过大的密封比压，以延长密封件的使用寿命。 座密封面宽度 （的通径4 610 1525密封宽度b 12在多数情况下，实际的密封力足以保证密封性能，因此，为延长密封件的使用寿命，采用较大的密封宽度，故取b=1 开口量座与阀芯之间所形成的通道的开度(开口量的计算是为了保证气动阀有足够的通流面积来实现流量的要求，此处以阀座密封与阀芯之间的垂直距离流通面积的关系，并考虑流通面积系数K，阀座与阀芯之间所形成的通道的流通面积应不小于控制阀本身所要求的流通面积，即有如下的关系式：24D K (34 (3K=得所需的开口量 )4 4 取整为：y=程制活塞为推动阀芯动作所移动的最大距离s，由上图可知道，为保证阀芯与阀座的可靠接触，必须保证行程须保证sy，才能保证阀芯与阀座有一定的初始预紧力，从而实现可靠密封。由y=取s=2 本结构参数表 （ 目 连杆直径d 阀座直径D 密封面宽b 开口量y 行程 6 车坡路起车辅助气动系统控制阀的阀芯密封力的计算阀芯密封力的计算的目的是为了保证可靠的密封效果和保证阀芯应有的使用寿命，因此，对密封力的计算包括保证密封性能所需的最小密封力际密封力证密封寿命的密封面强度的校核。P 的确定密封力是为了保障密封副的密封性能而需加在阀芯上的轴向的最小作用力，用 示。根据力的平衡原理，如下的计算公式：M Z P （3中介质静压力作用在阀芯上的轴向力(N)；形成密封的接触力(N)。的受力示意图对于 有: 24 p (3于 : 1( )2 (3中 阀座密封面外径(D阀座底口直径(b密封面宽度(p介质静压力(q密封比压(密封比压可以通过查图表来计算，也可采用如下的经验公式：q=3以有 2 1( )4 2M Z P D p D 2 1( ) ( 2D p D Db p (3(3示了当输入口与输出口的压力相等的情况下的最小密封力，但在实际工作的状态下，输入口排空，没有压力，此时式(3变为：1( ) ( Db p (3此，分以下几种情况计算：1 、输入输出口的压力相等时的最小密封力a、标准工作压力(p=06的最小密封力将=p=b=1）b、最大工作压力(p的最小密封力将=p=b=1）、输入口没有压力，输出口有压力时的最小密封力a、 标准工作压力(p=的最小密封力将=p=b=1）b、最大工作压力(p的最小密封力将=p=b=1）际密封力 此，214p D p a、 标准工作压力(p= )4 b、 最高工作压力(p= )4 由于 显然，实际的密封力能够保证阀芯的密封效果。密封面单位面积上的受力情况在密封材料允许的范围之内，从而保证阀芯的密封寿命。阀芯的最大受力发生在最大气压的情况下，此时的最大密封力为：2 2 )4 4P p N 密封比压为： 2 )4 查允许比压表，有q=大的密封比压q=合要求。其他的弹簧也用上述的方法计算，簧的设计计算表计 算 项 目 活塞复位弹簧 阀芯复位弹簧1、设计要求安装载荷（要求） 1 F (N) H (9工作载荷（要求） 2 F (N) 2 k (N/） 100000 100000载荷类型 类 类2、材料材料名称 琴钢丝钢丝79000 79000弹性模量E（206000 206000抗拉强度 b （2059 2059许用切用力 b （772 7723、端部形式端部形式 Y n l25 l25压并圈数 2n 2 24、弹簧基本参数钢丝直径d（1 18 16旋绕比C 18 n 2 2弹簧总圈数 1n ) 核与分析要求刚度k(N/) ） f (计） 1F（） f (计） 2F（N） / sF f 装） 1足要求 满足要求最大变形比 2 / sF f 作） 2足要求 满足要求最小切应力b 足要求 满足要求稳定性要求 足要求 满足要求弹簧自振频率n(足要求 满足要求6、其余尺寸参数自由高度 0H （H （9工作高度 2H （4 ） 气规格的选择对电磁阀来说。电气规格的选择主要包括电源种类、电压大小、功率大小、导线引出方式、先导阀的手操作方法、是否需要有指示灯和冲击电压保护装置等。直流电磁铁的特性电源类型 交流吸力大得多，故动铁芯不能吸合 行程无电磁铁特性 时，易烧毁线圈 关，蜂鸣声标准电压(V) 220、110 24非标准电压 240、120、110、148、 110、100、48、12、6、（V） 24、12 5、于电磁阀的通径比较小，行程短，汽车刹车时动作的频率比较频繁，同时为了提高电磁铁的可靠性，采用标准电压的24汽车上一般提供的电源恰好是此，时，必须保证脉冲电信号的通断电时间应在O1免时间过短，主阀尚未被完全切断而出现误动作。若脉冲电信号太短，应通过时间继电器使脉冲电信号保持一定的时间。效截面积的计算将控制气室及相通的空间看成一个气罐，那么，向该气罐充气到气源压力时，所需时间为t，则0(pt p 3 0 （3中 p为气源绝对压力(0P 为气罐内初始绝对压力(为充气与放气的时间常数(s)；V为气罐容积（L）；S为有效截面积(；T 室温(K)；K绝热指数，取14。由式（3： 3 0 0 (p VS p (3t=将p=p =293K，k=310 有： S=了避免加工的难度，取较大的=1.6 合上面的分析和计算，确定电磁阀的参数，磁阀的基本参数阀芯结构形式 动作方式 密封形式 电流电压 有效截面积阀座式 直动式 弹性密封 24V， 章小结本章先对起车辅助控制阀零部件进行了设计，包括阀芯套杆、阀芯、阀芯复位弹簧、活塞、活塞复位弹簧进行设计计算和强度校核，完成了起车辅助控制阀的装配零件设计。第4章转速传感器与力传感器的选用及安装4 速传感器选择起步辅助系统需要对汽车速度小于且还需要检测车轮的旋转方向，而一般的此，需要选用一种既能测低速又判断转向的轮速传感器代替原有轮速传感器。本设计选用是一种混合信号磁场转换器，具有很大的测速范围(02500较宽的操作温度范围(50C)。它可在较大的车速范围内对汽车铁磁性目标轮进行车速与转动方向的测量。于在50的温度范围、+20在瞬时电压高达+27止偏置值为7该传感器的输出电流脉冲的上升沿可准确定位于目标轮的轮毂。输出脉冲宽度则可由目标轮的运动方向和磁场强度来决定，并可按照主流系统制造商所推荐的现行工业标准为一组根据目标轮的运动方向和磁场强度预先定义的时间间隔编码。B4常磁场)、2B4磁范围)、B2低磁范围)三种不同磁场中具有不同的宽度输出。另外，在正常和低磁情况下，它还可提供车轮转动方向的测量。在不同磁场强度范围及车轮正反转情况下，同磁场强度范围下的输出脉冲宽度在初始上电、目标轮停止或其它原因造成检测不到动态信号时，一个安全停止的失败信号就会以大约15有相应的电路来减小霍尔器件参数的温漂，在与器件的补偿效果最佳。该结构充分发挥了而能够使传感器在要求的环境下准确工作。能准确地检测出目标轮轮毂的位置。此结构减小了由于封装和温度对霍尔传感器阵列所造成的、使其输出脉冲的上升沿与上升沿之间的时间间隔存在2偏差的影响。为保证测量的精确度，采用数字信号处理技术来增强功能，同时可减少在电磁兼容（限条件下可能产生的伪脉冲或脉冲丢失现象。封装形式，十分适合于作为车速传感器使用，它可方便地与一个安放在其后的偏置磁铁进行装配。大电源电压：+27V；最大输出电流(管脚2)：18作温度范围：40150：片芯最高温度：190。可根据磁场在空间的差模变化产生相应的电流脉冲。在其应用于轮速传感器时，它所探测到的磁场是由一个放置于其后面的永久磁铁和位于传感器前端、目标轮上的铁制凹槽标记相互作用产生的。在这种条件下，传感器必须抵消恒定的磁场偏置，并放大差模调制磁场，从而准确判断目标轮的转动情况。而抵消了偏置磁场的影响。此霍尔结构由直线排列的三组霍尔单元构成，可用于一些不窄于5组霍尔单元都由4个独立的、直径为200 列成空间十字形的霍尔片并联构成(如下图所示)。此排列方式有利于减轻使用时逐渐增加的倾斜度对霍尔信号电压造成的影响。尔阵列霍尔阵列由三组匹配的电流源供电，在此电流下的灵敏度为5V组霍尔效应传感器可分为两组，并分别与仪器放大器相连，中间的霍尔片同时与两个放大器相连。这种结构可使两组空间差模磁场信号转变为电信号，其峰此，如果霍尔阵列与车轮斜度相匹配，则尔传感器除了可以产生所需的空间差模信号外，通常还会产生误差，为了补偿误差就需要对信号进行调整，并准确判断差模信号的过零点(差模信号是由霍尔单元产生的相互正交的正弦信号，产生的正弦信号的频率由目标轮的转速决定)。正交信号之间的相位关系可用于判断车轮旋转的方向。模信号与正交信号之间的关系该装置的信号调整采用了两个单独的测量通道。第一通道用于检测过零点信息，并提供边沿信息的主信号源。第二通道仅对信号相位作比较，以提取转动方向的信息。每个通道都包含2个极值采样保持电路和一个10位模数转换器。每个通道都使用由两个A/持电路来对各自的信号进行极值检测。其中一个采样保持电路检测峰值，另一个是检测谷值。个电压的中间值可作为结构可保证在任何操作条件下都可检测出升沿至上升沿)2的相位抖动。通道1还给出了被测信号的峰结果可用于测量与空气隙直接相关的磁场强度或用于空气隙诊断，同时可结合通道2的方向信息计算接收到上电复位信号、停止信号或者无磁场时，每个通道的采样保持电路都将分别复位到它们的最大和最小电压值，然后再向内跟踪直到检测到霍尔信号。即通道1(S霍尔信号最大值增加，通道1(S最小值减小，止或无磁场时的信号跟踪曲线。宽与过零事件的关系为确保得到霍尔信号的峰值，开始的四个过零事件一般不引起信号输出。复位后的第三个过零信号之前也不执行采集操作模式。随着统将在四个过零事件之后，使转换器进入变化模式；此操作模式将使而为车轮跑偏和失调等情况保持一个有效的过零点。脉宽调制器(成信号调制的最后一步是将霍尔信号的过零点信息、信号幅值、车轮转动方向等信息转换为一位脉宽调制信号。脉宽的第一个边沿由通道1的过零事件决定。脉冲宽度由轮速方向和信号幅值决定，如上图所示。所有信号调制事件都是与内部时钟同步的，异步的过零点事件将被排列至下一个时钟沿，而这将导致最大延迟时间为1.4 出脉冲宽度由19位计数器调制，该计数器既可作为脉冲宽度调制器，又可作为一个看门狗定时器。计数器时序如下：(1)计数器收到一个过零事件后复位；(2)延时45 3)幅度阈值和方向被解码，并输出合适宽度的脉冲信号；(4)计数器复位；(5)若在计数器溢出前745 输出1个停止脉冲。4 距传感器的选用在起车辅助气动控制系统的研究中采用了美国主要包括传感器、车轮连接盘和数字式大的特点是无须改变现有车轮和制动器的结构，通过更换连接盘就可方便地将扭矩传感器安装到各种车辆上。1）传感器扭矩传感器采用传统的应力应变式测量法，能测量构件的静态和动态应变，精度很高。它的额定测量范围为3390N m ，最大转速为. 1200 / 工作温度范围为500，能很好地满足各种车型的测量要求。传感器安装在实验车辆上，受力分析如下：f M M I (4车轮受到的地面切向力，r车轮半径，滚动阻力矩，内摩擦力矩，M 制动器制动力矩，I 加装传感器后右后轮的转动惯量， 车轮角速度。 1 M I (4（4扭矩传感器截面力矩平衡方程，M 代表扭矩传感器测量力矩，1I 传感器截面制动鼓侧的转动惯量。可以看出，当未施加制动时，即制动器制动力矩为零，扭矩传感器的测量值极性反映了车轮的滚动方向。由式（4式（4以得到：1fM r M I （4车轮制动时，忽略很小的滚动阻力矩和车轮惯性力矩，扭矩传感器测量值反映了地面切向力的大小，可用来准确测算车辆的坡道起步阻力。2）控制阀的控制逻辑起车辅助控制系统是一种主动控制功能，驾驶员可通过控制阀开关选择是否启用这一功能。认为两个驱动轮受到的地面切向力相等，保证试验车辆稳定的停在30