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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文
目 錄
摘 要 Ⅱ
第1章 緒論 1
1.1 本課題的技術(shù)要求 1
1.2 本課題主要完成的任務(wù) 1
1.3 汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 1
1.4 本課題的研究內(nèi)容及意義 2
第2章 汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)的設(shè)計方案 4
2.1 氣動系統(tǒng)的組成 4
2.2 氣動系統(tǒng)的工作原理 4
2.3 氣動系統(tǒng)的總布置設(shè)計 5
2.4 本章小結(jié) 6
第3章 汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)控制閥的設(shè)計計算 7
3.1 控制閥基本參數(shù)的確定 7
3.2 控制閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計計算 10
3.3 控制閥的閥芯密封力的計算 13
3.4 控制閥O型密封圈的設(shè)計計算 15
3.5 控制閥控制活塞的密封設(shè)計 19
3.6 控制閥的閥芯套桿的設(shè)計計算 22
3.7 控制閥控制活塞直徑的計算校核 25
3.8 控制閥彈簧的設(shè)計計算 26
3.9 控制閥電磁閥的設(shè)計計算 32
3.10本章小結(jié) 33
第4章 轉(zhuǎn)速傳感器與力傳感器的選用及安裝 34
4.1 轉(zhuǎn)速傳感器的選用 34
4.2 扭矩感器的選用 48
4.3 本章小結(jié) 40
結(jié) 論 41
致 謝 42
參考文獻(xiàn) 43
Ⅰ
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
摘 要
針對目前手動檔機(jī)動車半坡起步經(jīng)常出現(xiàn)的溜車現(xiàn)象，設(shè)計一種適用于手動
檔機(jī)動車的半坡起步輔助氣動系統(tǒng)。包括確定起車斜坡起步輔助系統(tǒng)組成，確定各氣動元件，根據(jù)輔助系統(tǒng)的工作要求對氣動控制閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，包括主閥芯的結(jié)構(gòu)、密封件的結(jié)構(gòu)等。
在分析汽車氣壓制動系的基本組成和工作原理的基礎(chǔ)上，確定汽車斜坡起步輔助系統(tǒng)氣動控制閥在汽車整個氣動管路中的位置及功能，從而以通用的氣動元件，設(shè)計和分析能夠?qū)崿F(xiàn)該功能的氣動系統(tǒng)方案，并通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該氣動系統(tǒng)方案的合理性。設(shè)計一種汽車斜坡起步輔助系統(tǒng)，并對汽車斜坡起步輔助系統(tǒng)氣動控制閥進(jìn)行設(shè)計。
半坡起步輔助系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)就是系統(tǒng)根據(jù)制動部件的支承反力的大小和方向的變化情況自動控制駐車制動力。起步輔助系統(tǒng)可以徹底解決手動檔機(jī)動車坡道起步時的后溜現(xiàn)象，有效地防止溜車產(chǎn)生的隱患，且不影響平地起步。所以說，半坡起步輔助系統(tǒng)的開發(fā)具有極其重要的意義。
關(guān)鍵字：汽車；坡路起步；氣動控制; 傳感器；起步輔助系統(tǒng)
ABSTRACT
According to the manual green hill starting motor vehicle often sneak car, and designed a kind of phenomenon applies to manual Gear motor vehicle green hill start auxiliary pneumatic system. Including sure start up car auxiliary system composition, slope determines various pneumatic components, according to the work of auxiliary system requirements of pneumatic control valve of the structure design, including the main valve core structure, seal structure, etc.
On the analysis of car air brake the basic composition and working principle, and on the basis of sure start pneumatic auxiliary system car slope in the pneumatic pipe valves car the position and functions, thus to general pneumatic components, design and analysis can realize the function of the pneumatic system solutions, and through the experiments to verify the pneumatic system solutions of rationality. Design a car slope, and start auxiliary system car slope started auxiliary system design of the pneumatic control valves.
Slope started auxiliary system is the key technology of brake parts of supporting system according to the size of the force and the direction of the change of the automatic control system in car power. Start auxiliary system can completely solve manual started after the motor vehicle ramp slip phenomenon, effectively prevent slipped the hidden trouble of the car, and do not produce influence the ground started. So, Slope started auxiliary system development has very important significance.
Keyword：Automobile；Hill start；Pneumatic control；sensor；Started auxiliary system
0
第1章 緒 論
1.1 技術(shù)要求
氣壓系統(tǒng)工作壓力：0.6Mpa；儲氣筒的壓力范圍：0.67～0.73Mpa；系統(tǒng)最高壓力：0.8Mpa。
1.2 主要完成的任務(wù)
主要完成設(shè)計方案；氣壓系統(tǒng)組成；氣動控制閥設(shè)計計算及校核。系統(tǒng)圖的繪制；控制閥的結(jié)構(gòu)圖繪制。
1.3 汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
氣壓制動系是發(fā)展最早的一種動力制動系。氣壓式制動傳動裝置是利用壓縮空氣作力源的動力式制動裝置。駕駛員只須按不同的制動強(qiáng)度要求，控制制動踏板的行程，便可以控制制動氣壓的大小來獲得所需要的制動力。其供能裝置和傳動裝置全部是氣壓式的。
由于氣壓制動系制動能源是空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的，壓縮空氣氣壓制動系的制動力大，制動靈敏，廣泛用于中、重型汽車上。
我國生產(chǎn)的中型以上貨車或客車一般都采用了氣壓制動系，其回路和液壓制動系一樣采用了雙或多回路制動系。當(dāng)其中一個回路發(fā)生故障失效時，另一回路仍能繼續(xù)工作，以維持汽車具有一定的制動能力，從而提高了汽車行駛的安全性。
目前利用氣壓做輔助起步的裝置大致有以下幾種：
煙臺鴻橋高科技有限公司的江大建、高啟、江大中等的發(fā)明《一種機(jī)動車坡路輔助起步電磁裝置》(申請?zhí)枺?2213587，公告號：2520272)，該裝置是一種機(jī)動車坡路輔助起步電磁裝置，是對配置手動變速器的機(jī)動車實(shí)施自動離合或自動變速改造的坡路駐車控制裝置，是由電磁鐵、閥芯、壓簧、單向閥和管路等構(gòu)成，在自動離合或自動變速總裝置中承擔(dān)坡路輔助起步功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單合理、坡路起步只需踩油門、簡化操作步驟、安全性高的特點(diǎn)。其另一個發(fā)明《一種機(jī)動車坡路輔助起步裝置》(申請?zhí)枺?2212675，公告號：2520271)，該裝置是一種機(jī)動車坡路輔助起步裝置，是對配置手動變速器的機(jī)動車實(shí)施自動離合或自動變速改造的坡路駐車控制裝置，是由直流減速電機(jī)、截止閥、單向閥等構(gòu)成，在自動離合或自動變速總裝置中承擔(dān)坡路輔助起步功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單，合理、坡路起步只需踩油門、簡化操作步驟、安全性高的特點(diǎn)。
梁志軍的發(fā)明《一種汽車坡道起步裝置》(申請?zhí)枺?0123407l，公告號：2493469)，該裝置是一種汽車坡道起步裝置，該裝置有制動閥、拉臂及聯(lián)動調(diào)整器等組成，并設(shè)置在汽車制動閥與離合器之間，其工作原理是：司機(jī)操作離合器，并帶動聯(lián)動調(diào)整器運(yùn)動，推動拉臂及控制閥的閥芯做往復(fù)運(yùn)動，從而完成打開或關(guān)閉制動閥排氣孔的工作，使汽車在坡道上的三配合操作減為二配合操作，達(dá)到在任何路況下都能平穩(wěn)起步之目的。該裝置不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且安裝方便，它即解決了司機(jī)在坡道上操作手忙腳亂的弊端，也避免了不安全因素的發(fā)生，具有很高的實(shí)用價值及推廣前景。
孫智的發(fā)明《機(jī)動車斜坡起步自動配合的方法和裝置》(申請?zhí)枺?9117403，公開號：1297830)，是一種機(jī)動車斜坡起步自動配合的方法和裝置，該發(fā)明是采用離合器控制制動在現(xiàn)有機(jī)動車的剎車油泵或氣泵和輪胎制動閘之間，安裝一個止回閥和一個電磁閥；剎車時止回閥開啟，電磁閥關(guān)閉油或氣不能回流至制動總泵，油壓(氣壓)使制動閘緊緊制動著機(jī)動車輪圈，機(jī)動車不能移動；當(dāng)起動時電磁閥開啟，油或氣回流至制動總泵，制動閘自動松開。本發(fā)明方案巧妙，實(shí)施容易，所用零件和器件不多，制作和安裝都比較容易。
國內(nèi)目前主要采用的是電磁裝置，對配置手動變速器的機(jī)動車實(shí)施自動離合或自動變速裝置。在現(xiàn)有機(jī)動車的剎車油泵或氣泵和輪胎制動閘之間，安裝一個止回閥和一個電磁閥；剎車時止回閥開啟，電磁閥關(guān)閉油或氣不能回流至制動總泵，油壓(氣壓)使制動閘緊緊制動著機(jī)動車輪圈，機(jī)動車不能移動；當(dāng)起動時電磁閥開啟，油或氣回流至制動總泵，制動閘自動松開。
而采用微電子技術(shù)的HSA裝置已在國外一些著名汽車生產(chǎn)廠家的大型客車、貨車上得到了較好的應(yīng)用。豐田汽車公司也在Land Cruiser上首先裝上了HSA控制系統(tǒng)，簡化了操作，提高了汽車的安全性能。廣州五十鈴客車有限公司引進(jìn)日本技術(shù)組裝生產(chǎn)的GALA系列客車也裝備了HSA系統(tǒng)，其單臺HSA裝置的售價為2—3萬。雖然日本、美國等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家對HSA技術(shù)已開展了長時間的研究，但取得的技術(shù)成果不對中國開放，而以高價產(chǎn)品的形式實(shí)現(xiàn)壟斷。國內(nèi)對這項(xiàng)技術(shù)的研究還基本上處于空白階段。
實(shí)現(xiàn)HSA功能的控制閥，國內(nèi)文獻(xiàn)中基本上采用的是電磁閥和止回閥的組合，而比較先進(jìn)的國外及進(jìn)口技術(shù)則采用整體的控制閥。
1.4 本課題的研究內(nèi)容及意義
設(shè)計一種汽車斜坡起步輔助氣壓系統(tǒng)，包括確定汽車斜坡起步輔助系統(tǒng)組成，確定各氣動元件，根據(jù)輔助系統(tǒng)的工作要求，對氣動控制閥（HSA控制閥)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，包括主閥芯的結(jié)構(gòu)、密封件的結(jié)構(gòu)等。
目的是設(shè)計一種汽車斜坡起步輔助氣壓系統(tǒng)。包括確定汽車斜坡起步輔助系統(tǒng)組成，確定各氣動元件，根據(jù)輔助系統(tǒng)的工作要求，對氣動控制閥（HSA控制閥)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，包括主閥芯的結(jié)構(gòu)、密封件的結(jié)構(gòu)等。
意義是在斜坡起動時，可以不用頻繁的交替踩踏板，而只需通過踩油門就可順利起步，從而有效的減少了工作疲勞程度，增強(qiáng)行車安全性。使國內(nèi)的汽車制造技術(shù)有一個長足的進(jìn)步，制造出更安全、更易于操作、配置更豪華，性價比更高的好車。
第2章 汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)的設(shè)計方案
2.1 汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)的組成
主要由空氣壓縮機(jī)、調(diào)壓閥、駐車—應(yīng)急制動儲氣筒、手控制動閥、四回路壓力保護(hù)閥、濕儲氣筒、起車輔助氣筒、安全閥、快放閥、起車輔助控制閥、復(fù)合式后制動氣室、繼動閥、后橋儲氣筒、雙針氣壓表、放水閥、前軸儲氣筒、雙腔制動閥、前制動器室、傳感器（如圖2.1所示）等。
圖2.1 傳感器的使用
2.2 汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)的工作原理
1)氣壓制動回路
由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的單缸風(fēng)冷式空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)調(diào)壓閥將壓縮空氣輸入濕度儲氣筒內(nèi)，在此冷卻并進(jìn)行大部分油水分離后，壓縮空氣通過四回路壓力保護(hù)閥再輸入前軸儲氣筒、后橋儲氣筒、駐車一應(yīng)急制動儲氣筒、汽車輔助氣筒內(nèi)，前軸儲氣筒、后橋儲氣筒的氣壓由駕駛室內(nèi)儀表板上雙針氣壓表指示。在空氣壓縮機(jī)連續(xù)工作時，該壓力應(yīng)保持在0.67～0.73Mpa。儲氣筒上有放水閥，用以在必要時排放被壓縮空氣攜入并凝聚在筒內(nèi)的水分。四回路壓力保護(hù)閥的作用是將前、后、應(yīng)急、輔助等回路互相隔絕，而且在任一回路的供能管路漏氣時，仍能對完好的各回路充氣；駕駛員通過踏板機(jī)構(gòu)操縱雙腔制動閥或直接操縱手控制動閥，可以使前、后輪制動氣室和儲氣筒連通，促動制動器進(jìn)入工作，或者使制動氣室通大氣以解除制動。輔助氣筒輸入起車輔助控制閥總成,儲氣筒氣壓是否充足，是由安裝在儲氣筒上的壓力傳感器來測量的，壓力傳感器采集到信號送給ECU，如果氣壓不充足，儀表板上的指示燈會亮起，提醒駕駛員此時不宜使用起車輔助氣壓系統(tǒng)。
2)供能裝置
供能裝置包括：①產(chǎn)生氣壓能的單缸風(fēng)冷式空氣壓縮機(jī)和存儲氣壓能的濕儲氣筒、前軸儲氣筒、后橋儲氣簡、駐車一應(yīng)急制動儲氣筒、起車輔助氣筒；②將工作壓力限制在安全范圍內(nèi)，防止氣路過載的調(diào)壓閥，去除水、油等污染物的濕度儲氣筒；③在一個回路失效時用以保護(hù)其余回路充氣和供氣，使系統(tǒng)氣壓能不受損失的四回路保護(hù)閥。
3)控制裝置
控制裝置包括：①氣壓行車制動主要控制裝置雙腔制動閥；②駐車制動和應(yīng)急制動控制裝置手控制動閥；③保證解除制動時復(fù)合式后制動氣室中的壓縮空氣迅速排入大氣的快放閥；④縮短復(fù)合式后制動氣室的充氣管路，加速氣室充氣過程的繼動閥。
2.3 汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)的總布置設(shè)計
總體設(shè)計如圖2.2所示：
圖2.2 氣動系統(tǒng)總布置圖
1.空氣壓縮機(jī) 2.調(diào)壓閥 3.駐車—應(yīng)急制動儲氣筒 4.手控制動閥 5.四回路壓力保護(hù)閥 6.濕儲氣筒 7.起車輔助氣筒 8.安全閥 9.快放閥 10.起車輔助控制閥 11.復(fù)合式后制動氣室 12.繼動閥 13.后橋儲氣筒 14.雙針氣壓表 15.放水閥 16.前軸儲氣筒 17.雙腔制動閥 18.前制動器室
2.4 本章小結(jié)
本章確定了汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)原理，分析了組成，確定了傳感器的選用及安裝，并根據(jù)要求，確定出汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)的設(shè)計方案及總氣路圖的基本結(jié)構(gòu)。為后續(xù)的設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。
第3章 汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)控制閥的設(shè)計計算
3.1 汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)控制閥基本參數(shù)的確定
3.1.1 作壓力p的確定
本設(shè)計的技術(shù)要求為氣動系統(tǒng)的工作壓力：0.6Mpa；儲氣筒的壓力范圍：0.67～0.73Mpa；系統(tǒng)最高壓力：0.8Mpa。
3.1.2 流量q的確定
汽車制動系統(tǒng)所用的銅管一般外徑為10 mm，壁厚為1mm，內(nèi)徑為8mm。
空氣流過小孔時的空氣流量與工作壓力及小孔直徑的關(guān)系可由圖3.1查出，其計算公式為：
式中——當(dāng)≤0．528(音速)，氣溫為20°C時通過小孔或閥的流量(m3／min)
——當(dāng)≤0．528(音速)，氣溫為T時，通過小孔或閥的流量(m3／min)
——小孔上游的絕對壓力(MPa)
α——小孔流量系數(shù)
D——小孔直徑(mm)
S——閥的有效截面積(mm2)
所以
即標(biāo)準(zhǔn)額定流量=2294．6 （l／min)。
標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（t=20°C）的空氣流量 其它溫度時的空氣流量
圖3.1 通過小孔/閥的空氣流量與工作壓力及小孔直徑/S值的關(guān)系
3.1.3 有效截面積s的確定
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)額定流量=2294.6( l／min)，查閥的公稱通徑表3.1，取S=20mm。
表3.1 閥的公稱通徑表
公稱直徑（mm） 3 4 6 8 10 15 20 25
接管螺紋 G1/8 G1/8 G1/8 G1/4 G3/8 G1/2 G3/4 G1
、C值 0.15 0.3 0.5 1 2 3 5.6 9.6
標(biāo)準(zhǔn)額定流量（l/min） 170 340 570 1150 2300 3400 6300 10900
額定流量 0.7 1.4 2.5 5 7 10 20 30
在額定流量下壓降（kPa） ≤20 ≤20 ≤20 ≤15 ≤15 ≤15 ≤12 ≤12
有效截面積S值(mm2) 3 4 5 10 20 40 60 110
3.1.4 確定閥的實(shí)際通徑Ds
閥的公稱通徑Dg的大小直接反映了閥的流通能力，是閥的一項(xiàng)基本參數(shù)，是設(shè)計閥的重要依據(jù)之一。
閥的公稱通徑Dg一般是根據(jù)系統(tǒng)對該閥的流通能力的要求查上表來確定。但表中規(guī)定的是公稱通徑的名義值，比按流通能力的要求計算的通徑值大得多。
為了減少閥的外形尺寸，又能滿足使用流通能力的要求，一般還需按照下面方法計算閥的實(shí)際通徑Ds：
將換向閥視為一薄壁節(jié)流孔，壓縮空氣在具有節(jié)流孔的管道內(nèi)流動時，見圖3.2所示，節(jié)流孔的體積流量為：
圖3.2 空氣通過節(jié)流孔的體積流量
式中——節(jié)流孔流量系數(shù)，一般取O．50～0．65
——節(jié)流孔面積
令 =S
則
所以 =6.27（mm）
由此?？梢缘玫紿SA控制閥的基本參數(shù)(如表3.2)
表3.2 HSA控制閥的基本參數(shù)表
公稱 實(shí)際 接管 標(biāo)準(zhǔn)額 額定 在額定流 有效截面
通徑 通徑 螺紋 C值 定流量 流量 量下壓降 積S值
mm mm l/min kPa
10 6.27 G3/8 2.0 2300 7 ≤15 20
3.2 汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)控制閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計計算
3.2.1閥芯套連桿直徑d的計算
根據(jù)閥芯套桿在工作中的受力情況可計算出閥芯套連桿的直徑d，但一般計算出來都比較小，為便于加工和提高使用壽命，在設(shè)計時，一般是根據(jù)閥的通徑大小直接按表3.3來選取。
表3.3 閥芯套連桿尺寸 （mm）
公稱通徑D ～15 >15～25 >25～40 >40～50 >50～80
連桿直徑d 3～6 >6～8 >8～12 >12～15 >15～20
本設(shè)計所設(shè)計的閥的公稱通徑為1O mm，按表3.3，取閥芯套連桿直徑d=6 mm。
由于控制活塞在閥芯套中，通過推閥芯連桿來實(shí)現(xiàn)的閥芯的密封動作，所以閥芯套連桿、控制活塞的推桿的直徑均取d=6 mm。
圖3.3 閥芯套連桿、控制活塞推桿
3.2.2 座直徑D的計算
閥座直徑D的計算如下
(3-1)
式中K ——流通面積系數(shù)，與流通面積結(jié)構(gòu)有關(guān)，按表3.4選??；
——閥的實(shí)際通徑。
表3.4 閥的流通面積系數(shù)K
閥開口量處
流通面積位置 閥座連桿處 平面閥芯 錐面閥芯 球面閥芯
系數(shù)K 1～1.2 1.1～1.3 1～1.3 1.1～1.3
將K=1．1， =6．27mm代入式(3-1)，有
圖3.4 閥座結(jié)構(gòu)示意圖
3.2.3 座密封面寬度b的確定
閥座密封面寬度b的確定，可先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選定一個初值，即根據(jù)閥的通徑，參考表3.5選取，同時，需要在下一步的計算中通過計算密封力對其進(jìn)行校核，以保證有足夠的密封力來實(shí)現(xiàn)密封性能，同時避免過大的密封比壓，以延長密封件的使用壽命。
表3.5 閥座密封面寬度 （mm）
閥的通徑Dg ～4 6～10 15～25
密封寬度b ～0.5 0.5～1 1～2
在多數(shù)情況下，實(shí)際的密封力足以保證密封性能，因此，為延長密封件的使用壽命，采用較大的密封寬度，故取b=1mm，如圖3.4。
3.2.4 開口量y的設(shè)計計算
開口量是指氣動閥中，閥座與閥芯之間所形成的通道的開度(見圖3.5)，開口量的計算是為了保證氣動閥有足夠的通流面積來實(shí)現(xiàn)流量的要求，此處以閥座密封與閥芯之間的垂直距離y來表示。
由流通面積的關(guān)系，并考慮流通面積系數(shù)K，閥座與閥芯之間所形成的通道的流通面積應(yīng)不小于控制閥本身所要求的流通面積，即有如下的關(guān)系式：
(3-2)
(3-3)
將K=1.1，=6.27mm，D=6.58ram代入式(3-3)，得所需的開口量y為：
取整為：y=1.8 （mm）
圖3.5 開口量與行程示意圖
3.2.5 行程s的計算
行程是控制閥產(chǎn)生動作起密封作用時，控制活塞為推動閥芯動作所移動的最大距離s，由上圖可知道，為保證閥芯與閥座的可靠接觸，必須保證行程s大于或等于開口量y，即須保證s≥y，才能保證閥芯與閥座有一定的初始預(yù)緊力，從而實(shí)現(xiàn)可靠密封。由y=1.8mm，可取s=2 mm
根據(jù)上述的計算，將基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)列表3.6如下：
表3.6 基本結(jié)構(gòu)參數(shù)表 （mm）
項(xiàng) 目 連桿直徑d 閥座直徑D 密封面寬b 開口量y 行程s
數(shù) 據(jù) 6 6.58 1 1.8 2
3.3 汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)控制閥的閥芯密封力的計算
閥芯密封力的計算的目的是為了保證可靠的密封效果和保證閥芯應(yīng)有的使用壽命，因此，對密封力的計算包括保證密封性能所需的最小密封力PM的確定，實(shí)際密封力Ps的計算，保證密封壽命的密封面強(qiáng)度的校核。
3.3.1最小密封力的確定
密封力是為了保障密封副的密封性能而需加在閥芯上的軸向的最小作用力，用表示。根據(jù)力的平衡原理，參見圖3.6，有如下的計算公式：
（3-4）
式中——介質(zhì)靜壓力作用在閥芯上的軸向力(N)；
——形成密封的接觸力(N)。
圖3.6 閥的受力示意圖
對于，有:
(3-5)
對于，有:
(3-6)
式中 D1——閥座密封面外徑(mm)；
D——閥座底口直徑(mm)；
b——密封面寬度(mm)；
p——介質(zhì)靜壓力(MPa)；
q——密封比壓(MPa)。
密封比壓q是密封面單位面積上保證密封所需施加的壓緊力，既可以通過查圖表來計算，也可采用如下的經(jīng)驗(yàn)公式：
q=1.06p+0.04 (3-7)
所以有
(3-8)
式(3-8)表示了當(dāng)輸入口與輸出口的壓力相等的情況下的最小密封力，但在實(shí)際工作的狀態(tài)下，輸入口排空，沒有壓力，此時式(3-8)則變?yōu)椋?
(3-9)
因此，分以下幾種情況計算：
① 、輸入輸出口的壓力相等時的最小密封力
a、標(biāo)準(zhǔn)工作壓力(p=0．6MPa)下的最小密封力
將Dl=8.58mm，D=6.58mm，p=0.6MPa，b=1mm代入式(3-8)，有
＝20.39＋16.08＝36.47（Ｎ）
b、最大工作壓力(p＝0.8MPa)下的最小密封力
將Dl=8.58mm，D=6.58mm，p=0.8MPa，b=1mm代入式(3-8)，有
＝27.20+21.14=48.34（Ｎ）
②、輸入口沒有壓力，輸出口有壓力時的最小密封力
a、 標(biāo)準(zhǔn)工作壓力(p=0.6MPa)下的最小密封力
將Dl=8.58mm，D=6.58mm，p=0.6MPa，b=1mm代入式(3-8)，有
=16.08（Ｎ）
b、最大工作壓力(p＝0.8MPa)下的最小密封力
將Dl=8.58mm，D=6.58mm，p=0.8MPa，b=1mm代入式(3-8)，有
=21.14（Ｎ）
3.3.2實(shí)際密封力Ps的計算
忽略緩沖定位彈簧力的作用，實(shí)際密封力即為閥芯所受的背壓，因此，
a、 標(biāo)準(zhǔn)工作壓力(p=0.6MPa)下的實(shí)際密封力
b、 最高工作壓力(p=0.8MPa)下的實(shí)際密封力
由于>，顯然，實(shí)際的密封力能夠保證閥芯的密封效果。
3.3.3密封面強(qiáng)度的校核
對閥芯工作過程中受力最大時的密封面進(jìn)行校核，使密封面單位面積上的受力情況在密封材料允許的范圍之內(nèi)，從而保證閥芯的密封壽命。
閥芯的最大受力發(fā)生在最大氣壓的情況下，此時的最大密封力為：
密封比壓為：
查允許比壓表，有[q]=4.0
由于，最大的密封比壓q=1.44<[q]=4.0，所以可以保證密封面的強(qiáng)度。
從本計算結(jié)果看出，HSA控制閥的密封力能夠達(dá)到密封要求，同時也能保證密封材料的使用壽命要求。
3.4 汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)控制閥O型密封圈的設(shè)計計算
在氣動中使用的0形橡膠密封圈尺寸系列及公差一般按國家標(biāo)準(zhǔn)GB3452.1-92液壓氣動用橡膠密封圈尺寸系列及公差標(biāo)準(zhǔn)選用。O形橡膠密封圈通常采用矩形溝槽密封，如圖3.7所示，下面就矩形溝槽進(jìn)行設(shè)計。
圖3.7 O型密封圈結(jié)構(gòu)
3.4.1 O形圈的壓縮量計算
(3-10)
式中 ε——O形圈的相對壓縮量；
δ——O形圈斷面的絕對壓縮量(mm)。
H——溝槽深度(mm)；
d0——O形圈斷面直徑(mm)。
相對壓縮量的大小，直接影響著控制閥的使用性能和壽命。因此，選擇合適的壓縮量是控制閥密封設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。一般地說，不論是靜密封或動密封，在保證密封的前提下，相對壓縮量越小越好。表3.7為氣動密封設(shè)計中推薦的O形圈相對壓縮量值。
表3.7 O型圈相對壓縮量
斷面直徑(mm) 靜密封（圓柱或平面） 動密封(往復(fù)或旋轉(zhuǎn))
1.20±0.06 10～30 6～15
1.80±0.08 10～25 6～12
2.65±0.09 10～22 5～10
3.55±0.10 10～20 4～8
3.4.2 0形圈內(nèi)徑伸長率的計算
(3-11)
式中——O形圈的內(nèi)徑伸長率；
d——O形圈安裝溝槽底徑(mm)；
——O形圈的實(shí)際內(nèi)徑(mm)。
O形圈使用時，內(nèi)徑一般處于拉伸狀態(tài)，其伸長率約為5％，其推薦值見表3.8。
表3.8 O型圈裝配時的伸長率
斷面直徑(mm) 內(nèi)徑伸長率(％) 斷面直徑(mm) 內(nèi)徑伸長率(％)
1.20±0.06 3～4 2.65±0.09 3.5～6.0
1.80±0.08 3～4.5 3.55±0.10 3.5～6.5
3.4.3 確定溝槽寬度b和深度H
（1）溝槽寬度b
溝槽寬度太窄，使O形圈無法滾動，并且容易引起嚴(yán)重磨損；溝槽太寬，O形圈的游動范圍太大，容易扭曲損壞。在一般的情況下，選取槽寬度為O形圈斷面直徑的1．2～1．3倍，具體尺寸從國標(biāo)GB3452．3-92摘錄如表3.9。
（2）溝槽深度H
槽深H是O形圈安裝溝槽設(shè)計的關(guān)鍵性尺寸，它主要取決于O形圈的相對壓縮量。此變形量由O形圈內(nèi)徑處的變形量和外徑的變形量組成，即
(3-12)
表3.9 溝槽寬度b和深度H
O型圈斷面直徑 1.20 1.80 2.65 3.55
溝槽寬度b 1.5 2.2 3.4 4.6
溝 活塞密封 1.05 1.58 2.38 3.25
槽 壓縮率％ 12.5 12.2 10.2 8.5
徑向 深 動密封 活塞桿密封 1.08 1.64 2.44 3.34
度 壓縮率％ 10 9 8 6
H 靜密封 0.9 1.3 2.0 2.7
軸向 溝槽寬度b 1.9 2.6 3.8 5.0
溝槽深度H 0.85 1.28 1.97 2.75
在使用中分為三種情況：通常采用；為使外圍接觸面摩擦輕時，采用；為使內(nèi)周接觸面輕時，采用。溝槽深度H可按上表選取。
3.4.4 槽棱和槽底圓角尺寸的確定
槽棱外圓角r是為防止O形圈裝配時刮傷而設(shè)計的，但太大容易使O形圈發(fā)生“擠出”現(xiàn)象，所以一般取得很小，為r=0．1～O．3 mm。槽底圓角R主要是為了避免在該處產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致O形圈的損壞，一般取R=0．2～O．5 mm。
由于減小尺寸，本文的控制閥所用的0形密封圈采用斷面直徑為1．80mm的O形圈，具體的尺寸和相關(guān)計算如下：
（1）閥座與主閥體的密封
閥座與主閥體的密封是為了防止兩者的漏氣和防塵，屬于靜密封，為減小尺寸，采用端面密封，即軸向靜密封，根據(jù)閥座與閥體的尺寸，由國標(biāo)GB3452．1-92，采用φ26×1．8的O形密封圈。其溝槽尺寸為：
溝槽寬度b: b=2．6mm
溝槽深度H: H=1．28mm
槽棱外圓角r: r=0．1～O．3
槽底圓角R： R=0．2～O．4
壓縮量ε，由式(10)有：
圖3.8 左右閥座的密封槽結(jié)構(gòu)圖
（2）閥芯座的密封
由于閥芯座是固定在主閥體中，為減小徑向的尺寸，采用徑向的靜密封，采用φ17×1．8的O形密封圈，溝槽尺寸如下：
溝槽寬度b： b=2．2mm
溝槽深度H: H=1．38mm
槽棱外圓角r: r =0．1～O．3
槽底圓角R：R=0．2～O．4
壓縮量ε，由式(3-10)有：
內(nèi)徑伸長率α，由式(3-11)有：
圖3.9 閥芯套桿的密封結(jié)構(gòu)圖
將HSA控制閥所用的O型圈的規(guī)格、溝槽尺寸和壓縮量和內(nèi)徑伸長率列表3.10如下：
表3.10 O型圈規(guī)格、溝槽尺寸、壓縮量、內(nèi)徑伸長率
密封的位置 閥座與主閥體之間 閥座芯 閥芯套桿
密封類型 軸向靜密封 徑向靜密封 徑向動密封
O型圈的規(guī)格 φ26×1.8 φ17×1.8 φ2.8×1.8
溝槽寬度b(mm) 2.6 2.2 2.2
溝槽深度H(mm) 1.28 1.38 1.58
相對壓縮量ε% 28.9 23.3 12.2
內(nèi)徑伸長率α% 0 1.41 1.43
3 .5汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)控制閥控制活塞的密封設(shè)計
控制活塞處的密封的設(shè)計包括密封型式的選擇、溝槽尺寸形式的確定，相應(yīng)動摩擦力、開始摩擦力的計算，從而確定活塞復(fù)位彈簧的工作負(fù)荷和提供其它相應(yīng)的計算所需的計算參數(shù)。
3.5.1 密封型式的選擇
在控制活塞處，由于工作時控制端才有控制壓力，其它非工作狀態(tài)時兩端都與大氣。相通，因此，只需對其進(jìn)行單向密封即可，以減少摩擦力。
由于MY型的啟動壓力要求低，尺寸要求小，便于減少控制閥的尺寸，而且溝槽尺寸與O型圈通用，所以，控制活塞處的密封采用MY型的密封圈，公稱孔徑為20mm，溝槽尺寸公差見圖3.10：
圖3.10 閥芯套桿的密封結(jié)構(gòu)圖
3.5.2 摩擦力的計算
①動摩擦力的計算
Y形密封圈摩擦力小，產(chǎn)生Y形密封圈密封的主要原因是介質(zhì)壓力的作用和密封圈預(yù)壓縮產(chǎn)生的密封接觸壓力，因此，Y形密封圈的動摩擦力可按下式進(jìn)行計算：
(3-13)
圖3.11 閥芯座的密封槽結(jié)構(gòu)圖
②閥芯套桿的密封
閥芯套桿的密封是徑向動密封，采用的是φ2．8×1．8的O形密封圈，溝槽尺寸如下：
溝槽寬度b: b=2.2mm
溝槽深度H: H=1.58mm
槽棱外圓角r: r=0．1～O．3
槽底圓角R: R=0．2～O．4
壓縮量ε，由式(3-10)有：
內(nèi)徑伸長率α，由式(3-11)有：
式中——運(yùn)動摩擦力(N)；
——被密封面直徑(mm)；
——Y形密封圈有效高度(mm)；
——密封處空氣工作壓力(MPa)；
——初始接觸壓力，其大小與密封形式、預(yù)壓縮量大小、橡膠硬度及材質(zhì)、摩擦表面粗糙度有關(guān)，一般可在0.02～0.04 MPa范圍內(nèi)選取，本文取中間值0．03MPa；
f——摩擦系數(shù)，對于中低硬度的橡膠，在一般潤滑條件下，可在0.08～0.23范圍內(nèi)選取，本文取0.15。
圖3.12 Y型密封圈的結(jié)構(gòu)示意圖
將f=0.15，d=20mm，hl=1.5mm，p=0.6MPa，p’=0.03MPa代入式(3-13)中有：
② 始動摩擦力的計算
始動摩擦力的計算公式為:
(3-14)
式中Kl——始動摩擦系數(shù)，取值范圍為1．2～2．5，一般取1．5。
所以
3.5.3 活塞復(fù)位彈簧初始參數(shù)的確定
①彈簧的最大工作負(fù)荷
(3-15)
式中——額定壓力(0.6MPa)下的始動摩擦力(N)：
②彈簧的最小工作負(fù)荷F1
(3-16)
式中——額定壓力(O．6MPa)下的動摩擦力(N)；
③ 彈簧的工作行程h
(3-17)
式中 s——活塞的工作行程(mm)；
④ 彈簧的外徑D
(3-18)
式中——活塞的外徑（mm）
表3.11 控制活塞復(fù)位彈簧的初始參數(shù)
項(xiàng)目 最大工作負(fù)荷F2 最小工作負(fù)荷F1 工作行程h 彈簧外徑D
數(shù)據(jù) 13.35N 9.79N 2mm 19mm
3 .6汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)控制閥的閥芯套桿的設(shè)計計算
閥芯套桿的設(shè)計計算包括閥芯套桿的動摩擦力及始動摩擦力的計算、閥芯定位彈簧的計算、閥芯套桿復(fù)位彈簧的計算。
3.6.1 閥芯套桿摩擦力的計算
閥芯套桿的摩擦力由一個O形密封圈和一個MY形的密封圈的密封力形成。
0形圈的摩擦力的計算
O形橡膠密封圈的摩擦力有運(yùn)動摩擦阻力、始動摩擦阻力兩種，始動摩擦阻力一般為運(yùn)動摩擦阻力的2～4倍。始動摩擦阻力是指0形圈從靜止?fàn)顟B(tài)到運(yùn)動狀態(tài)這一轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的摩擦阻力，運(yùn)動摩擦阻力是指O形圈在正常運(yùn)動過程中產(chǎn)生的摩擦阻力，具體計算如下:
(1)運(yùn)動摩擦力
運(yùn)動摩擦力按下式計算
(3-19)
式中 Fd——運(yùn)動摩擦力(N)；
Fε——在O形圈摩擦表面單位長度上由相對徑向預(yù)壓縮量引起的摩擦力，按下圖選?。∟/m）；
Fp——由氣壓力p作用的0形圈軸向投影的面積上產(chǎn)生的摩擦力，按下圖選?。∟/m）；
L——摩擦表面的總長度(m)；
A——受氣壓力作用的0形圈軸向投影的總面積(m2)。
1)由壓縮量ε=12.2，邵氏硬度60～75，查下圖得：
Fε=2.1（N）
2）A=π[(d1/2)2- （d1/2-2d0/2）2]
=π[(6/2) 2-(6/2-1.8)]=23.75 mm2
3)由p=0．6MPa，查圖3.13得：
=5（N）
4）L=πD=π×6=18.84 mm
所以由式(3-19)有：
a.相對徑向預(yù)壓縮量ε
b.介質(zhì)壓力p（Mpa）
圖3.13 摩擦力計算圖
（2）始動摩擦力
始動摩擦力按下式計算：
(3-20)
式中——始動摩擦力（N）；
K——始動摩擦系數(shù)，一般為2～4，通常取K=3。
所以，由式(3-20)有：
=3 ×0.04=0.12（N）
MY形圈的摩擦力的計算
（1）運(yùn)動摩擦力
由(3-13)有：
（2）始動摩擦力
由式(3-14)有：
3.6.2 復(fù)位彈簧初始參數(shù)的確定
（1）彈簧的最大工作負(fù)荷
閥芯套桿的復(fù)位彈簧復(fù)位時，須克服的阻力有：閥芯的密封力、閥芯套桿因受力面積差的反向壓力、密封圈的始動摩擦力，即有：
(3-21)
式中——閥芯的密封力(N)；
——閥芯套桿因受力面積差的反向壓力(N)；
——密封圈的始動摩擦力(N)
且有 (3-22)
(3-23)
式中——閥芯密封面的直徑(mm)；
——閥芯連桿的直徑(mm)；
——工作壓力，取0.6MPa；
將式(3-22)、式(3-23)代入式(3-21)有：
（2）彈簧的最小工作負(fù)荷F1
(3-24)
式中 FDF——額定壓力(0.6MPa)下的動摩擦力(N)；
所以
（3）彈簧的工作行程h
h=s
式中 s——活塞的工作行程(mm)
所以 h=s=1.8mm
（4）彈簧的外徑D
D=d0-(1～3)
所以 D=18-1=17mm
表3.12 閥芯復(fù)位彈簧的初始參數(shù)
項(xiàng)目 最大工作負(fù)荷F2 最小工作負(fù)荷F1 工作行程h 彈簧外徑D
數(shù)據(jù) 23.73N 9.79N 1.8mm 17mm
3 .7汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)控制閥控制活塞直徑的計算校核
3.7.1 活塞最小工作壓力
要保證控制閥的動作可靠，必須使控制活塞的產(chǎn)生的推力能夠足以克服閥芯移動過程的各種阻力。而在整個過程中，所受的阻力有：閥芯套桿受工作氣壓產(chǎn)生的壓力、閥芯套桿復(fù)位彈簧的工作壓力、閥芯套桿密封圈產(chǎn)生的摩擦力、活塞密封圈的摩擦力、活塞復(fù)位彈簧的工作壓力。因此，有如下關(guān)系式：
(3-25)
式中——工作氣壓產(chǎn)生的壓力(N)；
——閥芯套桿復(fù)位彈簧的工作負(fù)荷(N)；
——閥芯套桿密封圈產(chǎn)生的摩擦力(N)；
——活塞密封圈的摩擦力(N)；
——活塞復(fù)位彈簧的工作負(fù)荷(N)；
且有
式中 d——閥芯連桿直徑(6mm)
p——工作壓力(0.6MPa)
所以
將 =16.96， =23.73，=0.12+2.4=2.52，=13.35， =13.35代入式(3-25)，有
=16.96+23.73+13.35+2.52+13.35=69.91 (N)
3.7.2 活塞的最小直徑
由活塞所受最小壓力為
（3-26）
式中p——最小工作壓力(O．25MPa)
所以
將=69.91，p=0.25代入上式，有
=18.77mm
取整：=20mm
3.7.3 活塞實(shí)際所需最低工作氣壓
由式(3-26)有
表3.13 控制活塞校核結(jié)果
項(xiàng)目 最小工作壓力 理論最小直徑 實(shí)際直徑 實(shí)際最低工作氣壓
數(shù)據(jù) 69.91 N 18.77mm 20mm 0.2225 Mpa
3 .8汽車坡路起車輔助氣動系統(tǒng)控制閥彈簧的設(shè)計計算
彈簧直接影響控制閥的動作和性能，因?yàn)榭刂崎y的性能中就包含彈簧的剛度、預(yù)壓縮量以及工作行程等，因此在設(shè)計中必須考慮如下的要求：
1)彈簧的外徑或內(nèi)徑要滿足控制閥的結(jié)構(gòu)布置的實(shí)際要求；
2)彈簧的工作行程要匹配控制閥的開口量；
3)彈簧剛度和預(yù)壓縮量要滿足力平衡方程的要求；
4)彈簧的最小工作負(fù)荷和最大工作負(fù)荷要適應(yīng)控制閥的動作要求。
3.8.1 活塞復(fù)位彈簧的計算
(1)初始參數(shù)
由之前的計算，控制活塞的復(fù)位彈簧的基本參數(shù)如下：
1)、彈簧的最大工作負(fù)荷==13．35(N)
2)、彈簧的最小工作負(fù)荷=1.2=1.1×8.9=9．8(N)
3)、彈簧的工作行程h=s=2(mm)
4)、彈簧的外徑D=d0-(1～3)=20-1=19(mm)
(2)材料選擇
1)載荷性質(zhì)：I類載荷
氣動控制閥中，彈簧的作用次數(shù)相當(dāng)頻繁，并且受變載荷的作用，因此應(yīng)取I類負(fù)荷。
表3.14 彈簧按載荷分類表
彈簧分類 Ⅰ 類 Ⅱ 類 Ⅲ 類
受變載荷，次數(shù) 受變載荷，次數(shù)在 受變載荷，次數(shù)在
載荷性質(zhì) 在次以上 ～ 次以下
次，及受沖擊載荷
2)采用G1組的琴鋼絲，其相應(yīng)的性能如下：
切變模量：G=79000(MPa)
彈性模量：E=206000(MPa)
抗拉強(qiáng)度：=2059(MPa)
許用切應(yīng)力：H=(0.3～0.38) =0.375×2059=772.12(MPa)
3)端部形式
端部型式：YI-2型
壓并圈取值范圍：=l～2.5
壓并圈數(shù)：=2
4)彈簧鋼絲直徑d、、
取鋼絲直徑d=l，則
彈簧中徑=D-d=19-1=18
彈簧內(nèi)徑=D-2d=19-2=17
實(shí)際線繞比C=/d=18/1=18
5)有效圈數(shù)n及總?cè)?shù)
彈簧剛度
有效圈數(shù)
取n=2.5
實(shí)際彈簧剛度
=8.09×2.3=0.68 (N/m)
總?cè)?shù) =2.5+2=4.5
6)計算彈簧的變形量
最小工作載荷F1的變形量
=11.57/0.68=17.015 (mm)
最大工作載荷F2的變形量
=13.35/0.68=19.01 (mm)
=19.01-17.015=2 (mm)
極限載荷
=22.25 (N)
極限變形量
=22.25/0.68=32.72 mm
7)計算彈簧的其它尺寸
節(jié)距
=9.71 mm
自由高度
=2.5×9.71+1.5=25.7 mm
工作高度
=25.5-17.01=8.5 mm
=25.5-19.01=6.5 mm
壓并高度
=4×1=4 mm
螺旋角
展開長度
=226.195 mm
8)驗(yàn)算