CC BY
26
УДК 629.113
ТЕОРЕТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ОДНОКАМЕРНИХ ВАКУУМНИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ АВТОМОБІЛЬНИХ ГАЛЬМ
М.В. Скляров, доцент, к.т.н., О.О. Ярита, магістр, ХНАДУ
Анотація. Математична модель однокамерного вакуумного підсилювача дозволяє досліджувати залежності вихідних параметрів від взаємного переміщення штовхача, поршня і штока, а також перепадів тиску в робочих порожнинах.
Ключеві слова: підсилювач, робочі процеси, моделювання, поршень, штовхач.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОКАМЕРНЫХ ВАКУУМНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ТОРМОЗОВ
Н.В. Скляров, доцент, к.т.н., А.А. Ярита, магистр, ХНАДУ
Аннотация. Математическая модель однокамерного вакуумного усилителя позволяет исследовать зависимости выходных параметров от взаимного перемещения толкателя, поршня и штока, а также перепадов давления в рабочих полостях.
Ключевые слова: усилитель, рабочие процессы, моделирование, поршень, толкатель.
THEORETICAL RESEARCH OF VACUUM STRENGTHENERS OF ONE CHAMBER MOTOR-CAR BRAKES
M. Sklyarov, Associate Professor, Candidate of Technical Sciences,
O. Yarita, Master, KhNAHU
Abstract: The mathematical model of one chamber vacuum strengthener allows to detect the dеpendences of output parameters from the mutual moving of the pushing detail, piston and rod, as well as pressure overfalls in the working cavities.
Key words: strengthener, working processes, modeling, piston pushing detail.
Вступ
На більшості легкових автомобілів з гідравлічним приводом гальм застосовують вакуумні підсилювачі гальм. Ці підсилювачі добре зарекомендували себе, але оскільки їх було розроблено більше двадцяти років тому, то їх конструкція базувалася на технологіях того часу. Зараз для успішного вдосконалення підсилювачів необхідно виконати моделювання робочих процесів [1].
Аналіз публікацій
У роботі [2] розглянуто моделювання підсилювачів з використанням перепаду тиску за
наявності розрідження. Основною метою було дослідження роботи вакуумного підсилювача в циклічному режимі.
Мета і постановка задачі
Метою математичного моделювання є відображення процесів, які відбуваються у вакуумному підсилювачі гальм при його роботі. Завданням дослідження є вивчення впливу на динаміку переміщення поршня, штока, положення клапанів і зміни перепаду тиску за зміни конструктивних параметрів підсилювача.
Для досягнення поставленої мети і виконання завдань дослідження розроблено матема-
тичну модель однокамерного вакуумного підсилювача автомобільних гальм.
Моделювання робочих процесів однокамерного вакуумного підсилювача автомобільних гальм
Математичну модель вакуумного підсилювача створено на основі схеми, представленої на рис. 1.
При розробці моделі прийнято такі допущення:
- зв’язок виходу підсилювача із входом головного гальмівного циліндра (ГГЦ) є абсолютно жорстким, тобто CЗЕ =<х>;
- жорсткість опори підсилювача СОП =<х>;
- жорсткість корпусних елементів підсилювача CК =<х>;
- тиск в атмосферній порожнині підсилювача має зону насичення: PА1 < PАТМ ;
- розрідження у вакуумних порожнинах підсилювача є постійним P1К =соп8І;;
- температура повітря протягом процесу гальмування не змінюється.
Рис. 1. Газодинамічна схема вакуумного підсилювача
Вхідна дія прикладається до штовхача підсилювача, що має механічний зв’язок із пружним диском слідкуючого механізму. Тиск пружного диска формує на кінці штовхача силу, що є від’ємним зворотним зв’язком його руху. В розробленій математичній моделі відображено робочі процеси:
- переміщення штока і поршня під впливом сил у функціональній залежності від вхідного зусилля і навантаження;
- положення клапанів як функція переміщення штока відносно поршня;
- зміна тиску в робочій порожнині змінного об’єму у функції положення клапанів і розрідження P1b.
Диференційне рівняння руху штовхача представлено у вигляді
“^^штовх ^^штовх + Кштовх Х
х(Xштовх — XП ) + FА + Fв + Fтрl + , (1) +-Р — ^товх — 5кл • (-Ра — РВ ) = 0,
де Xштовх - переміщення штовхача підсилювача; Мштовх - маса штовхача; Кштовх - коефіцієнт демпфування штовхача; —А , -В - поточне зусилля поворотних пружин, атмосферного і вакуумного клапанів; —тр1 - сила тертя
штовхача; —Р - зусилля навантаження; 5^ -площа клапана неврівноважена відносно сідла клапана.
-А = -А + Хкл • Са ,
(2)
-В = -В,+ (Хкл — Ивак ) • Св , (3)
X = X — X
кл штовх п ’
(4)
(5)
- = тр1
I -тр1 • ®^§ПС^&штовх — п ) при Хштовх * Хп 0 < -тр1 < Ы при Хштовх = Хп , (6)
де -А , -В - зусилля попереднього стиснення поворотних пружин; Xкл - відносне переміщення клапана; Н к - максимальне
вак
відкриття вакуумного клапана; СВ - жорсткість зворотної пружини вакуумного клапана; -г - зусилля опору головного гальмівного циліндра; й1, ё2 - діаметри штовхача і штока.
Рівняння руху поршня вакуумного підсилювача записано у вигляді
Мп • X п + Кп • X п + -пр + -г
і2 — ^
а 22
= • (РіА — РіВ) + (5. — 5Ш) • (Ра — Рш) + (7)
+Кштовх • (Xштовх XП ) + -А + -В ,
де Мп - маса поршня підсилювача; ^пр -
поточне зусилля зворотної пружини поршня;
- площі перетинів відповідно корпуса клапанів і штока підсилювача; Кп - коефіцієнт демпфування поршня;
^пр = + Хп • Спр - поточне зусилля зворо-
тної пружини поршня; С - жорсткість пружини поршня; - зусилля попереднього
стиснення зворотної пружини поршнів.
Відносне переміщення штовхача і поршня підсилювача змінює положення клапанів і визначає витрату повітря через атмосферний і вакуумний клапани. Масова витрата повітря в атмосферну порожнину визначається залежністю
оіа = /г • Ра • Кр •ф,
(8)
де і = 1 - індекс камери вакуумного підсилювача; /і - площа прохідного отвору клапана впускання; Укр - критична швидкість перебігу повітря; фі - витратна формула Крейна-Герца;
Ккр =7 к • Я • Ті ,
(9)
к = 1,4 - показник адіабати повітря; Л=287,14 Дж/(кг^К) - газова постійна повітря; Т1 - абсолютна температура повітря у градусах за Кельвіном;
Фг =
і—а2
2 •к • (^г — 1п а, )
(10)
Рга
де а. =-------відносний тиск;
г Ра
(
^ ( а V
0,176 •
^ = 0,55 + 4 • {-Т- — 0,1)
а ..
V кл / V кл /
коефіцієнт опору клапана; йкл - діаметр клапана; ЬТ - ширина перекриття сідла клапана; Нкл = Xкл — Нвак - поточна висота відкриття клапана.
Величину зміни тиску в атмосферній порожнині підсилювача визначають масова витрата повітря G1А та положення руху поршня
Рис. 2. Блок-схема математичної моделі вакуумного підсилювача в оболочці 8іши1іпк
dPlA = GlA - Sn • Pia • Xд K
dt Via + Sд • Xд :
(ll)
де Ег - вхідне зусилля на штовхачі підсилювача; РА - атмосферний тиск; Р1А , Р1В , - тиск відповідно в атмосферних і вакуумних порожнинах; - площа поршня підсилювача;
К - показник адіабати повітря; Хп - переміщення поршня підсилювача; У1А - об’єм атмосферної порожнини підсилювача в початковому положенні; G1А - масова витрата повітря в атмосферну порожнину.
Рух поршня вакуумного підсилювача приводить до переміщення поршня головного гальмівного циліндра і зміни тиску в гальмівному приводі. Тиск рідини формує на поршні зусилля, що є корисним навантаженням підсилювача.
Математична модель, реалізована в оболонці 8ішиііпк середовища МЛТЬЛБ, являє собою функціональні блоки із відображеними взаємозв’язками (рис. 2).
Вхідна дія формується блоком ¥и, є законом зміни зусилля на педалі залежно від часу. Рухи штока і поршня моделюються відповідними блоками: Хї та ф=Хи. Положення клапанів визначає блок ккї. Сигнал про положення клапанів є керівним для субблока витрати повітря Fg1, що входять у блок тиску РІаЗ.
6000
5000
4000
3000
2000
1000
/
/
^7
500
1000 F, -
1500
2000
2500
Н
Рис. 3. Графік характеристики однокамерних вакуумних підсилювачів гальмового привода автомобілів Opel Record, Mazda 323, Volvo 480, ВАЗ 2108
Приведена модель дозволяє досліджувати динамічні характеристики підсилювачів. Представлені на рисунках 3, 4 та 5 залежності дозволяють оцінити вплив на робочий процес інерційних навантажень, характер прикладеного вхідного зусилля і навантаження.
4000
2000
/
/ /
/
J
500
1500
2000
2500
Рис. 4. Графік характеристики однокамерних вакуумних підсилювачів гальмового привода автомобілів Mercedes Benz - 300 та BMW
Рис. 5. Графік характеристики однокамерних вакуумних підсилювачів гальмового привода автомобіля ВАЗ 2103
Висновки
Одержані результати відображають якісну картину робочих процесів вакуумного підсилювача гальм, що має різні конструктивні
параметри ( йп ; Мп; Fпр). Вхідна дія відповідає лінійному закону навантаження, що досягає максимального значення 2500 Н за час
0.3 с.
Розроблена математична модель дозволяє без випробувань порівняти вихідні параметри однокамерних та двокамерних вакуумних підсилювачів гальмового привода, але для цього потрібно буде ввести деякі припущення та обмеження.
За допомогою розробленої математичної моделі можна цілеспрямовано вибирати параметри вакуумного підсилювача, а також досліджувати їх вплив на якість стеження і швидкодію.
Література
1. Тормозные приводы легковых автомобилей
/ В.П. Волков, В.Н. Скляров, С.Н. Шук-линов, Н.В. Скляров. - Харьков :
ХНАДУ, 2008. - 542 с.
2. Юрчевский А.А. Моделирование неуста-
новившегося рабочего процесса системы гидровакуумный усилитель - автомобиль в процессе автоматического торможения / А.А. Юрчевский, И.Г. Савватаев. - М. : МАДИ, 1978. -Вып. 161. - С. 19-23.
3. Дьяконов В.П. МЛТЬЛБ 6.5 8Р1/7 + 8ти-
Нпк 5/6. Основы применения. Серия «Библиотека профессионала»/ В.П. Дьяконов. - М. : СОЛОН-Пресс, 2005. -800 с.
4. Кузнецов Е.С. Техническая эксплуатация
автомобилей : учебное пособие для вузов / Е.С. Кузнецов, В.П. Воронов, А.П. Болдин и др. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Транспорт, 1991. - 413 с.
Рецензент: В.П. Волков, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 26 березня 2010 р.
