謝 峰， 瞿文平， 林巨廣

(合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽合肥 230009)

汽車制動系統(tǒng)是汽車重要組成部分，其性能優(yōu)劣關系到人員和車輛的安全以及運輸效率[1]。通常整車制動系統(tǒng)性能檢測都是采用路試方法進行[2]，在車身和場地安裝相應傳感器，通過分析實車制動過程中各傳感器采集的參數(shù)，對制動系統(tǒng)性能進行檢測分析。此檢測方法工況真實，但費用高昂，對場地、設備要求較高，對制動系統(tǒng)中各零部件的檢測也有諸多不便。汽車制動系統(tǒng)的臺架檢測，目前主要還是針對單端制動器總成或制動系統(tǒng)中某個組件總成進行性能檢測，例如吉林大學機電研究所研發(fā)的制動器慣性試驗臺架、重慶中國汽車工程研究院研制的BBP-4慣性式制動器性能試驗臺等。以上傳統(tǒng)臺架無法對整車制動系統(tǒng)進行全面檢測。本文介紹了整車制動系統(tǒng)臺架試驗方法，通過對國家制動系統(tǒng)性能要求和相關試驗規(guī)范的分析，總結了整車制動系統(tǒng)的臺架試驗規(guī)范，并對試驗臺架結構進行了全新設計，不僅實現(xiàn)了對整車制動系統(tǒng)中四端制動器進行性能檢測，而且對于前后制動力分配、制動系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性和輸入輸出關系的研究也能提供有效參考依據(jù)。

1 整車制動系統(tǒng)臺架試驗方法

圖1所示是常見制動系統(tǒng)原理圖[2]，踩踏制動踏板，通過真空助力器增力，推動制動主缸，再由制動管路傳遞壓力，驅動各輪制動輪缸，帶動盤式或鼓式制動器對車輪進行制動。整車制動系統(tǒng)試驗，應能夠對圖1所示的系統(tǒng)進行全面檢測。針對整車制動系統(tǒng)的臺架試驗，目前還沒有完全對應的國家試驗標準。相關整車制動試驗標準只有整車制動系統(tǒng)結構、性能要求以及路試檢測標準[3]，相關的制動檢測臺架試驗標準有轎車以及貨車、客車制動器臺架試驗方法[4，5]。從已經(jīng)出臺的制動器總成臺架試驗標準和整車路試檢測標準中不難看出，這些標準是相互包容的，但只是分別從制動系統(tǒng)中各部件的性能或整車制動性能上提出了要求和說明。

通過研究，以國家頒布的制動器臺架試驗方法[5]為基礎，制訂整車制動系統(tǒng)臺架試驗內容，將單端制動器檢測改進為整車四端制動器檢測，并在試驗中對整車制動系統(tǒng)進行全面的相關參數(shù)采集，包括制動踏板、真空助力器、制動主缸、制動輪缸、四端制動器等部件參數(shù)，通過對以上參數(shù)的分析實現(xiàn)對整車制動系統(tǒng)的檢測。

圖1 制動系統(tǒng)原理

1.1 制動器總成綜合性能試驗

試驗內容見表1所列，通過采集、分析四端制動器的制動力矩，評價各制動器裝置的制動性能、熱衰退性能、安裝誤差及前后制動力分配等關系。

表1 整車制動系統(tǒng)試驗規(guī)范表

1.2 制動系統(tǒng)靜特性試驗

在平衡(穩(wěn)定)狀態(tài)下，測定如下函數(shù)關系式或曲線:

其中，P為制動系統(tǒng)的氣壓或液壓;EP為制動踏板力;S為制動踏板行程。

靜特性曲線主要用來評價輸入與輸出的比例特性、操作靈活性、機構效率、空行程與制動行程的比例關系等。

1.3 制動系統(tǒng)的動特性試驗

在瞬態(tài)狀態(tài)下，測定如下函數(shù)關系式或曲線:

其中，t為制動時間。

動特性曲線可以評價制動壓力建立時間和解除制動壓力釋放時間的合理性，這2個時間越小越好，還可以由曲線找出制動死區(qū)，給出制動系統(tǒng)反應時間等有關參數(shù)。在以上試驗中，臺架模擬慣量的計算，可用(4)式計算[5]:

其中，I為轉動慣量;W為雙輪計算載荷;r為輪胎滾動半徑;g為重力加速度。

(4)式用于計算雙端制動器的模擬慣量，整車制動系統(tǒng)試驗所需模擬慣量應為其2倍。

2 試驗臺的結構和基本原理

2.1 試驗臺結構組成

根據(jù)上述試驗方法，設計了可實現(xiàn)整車制動系統(tǒng)試驗的試驗臺[6-8]，臺架整體布置如圖2所示。

試驗臺由機械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和氣動液壓系統(tǒng)組成，機械系統(tǒng)包括電機、慣性飛輪組、中橋、傳動軸和后橋。該試驗裝置利用卡車中橋和后橋的傳動原理，將電機旋轉運動傳遞到前、后、左、右4個制動裝置中，由四端制動器對模擬整車運動慣量的旋轉飛輪進行制動，通過采集、分析制動過程中各項參數(shù)對制動系統(tǒng)進行評價。驅動電機選用直流調速電機，啟動力矩大，可頻繁啟動。飛輪組采用優(yōu)化組合結構[9]，分為粗略調整組和精確調整組，不同飛輪的組合搭配能夠精確模擬多種慣量，減小模擬允差，提高測試精度。在4個制動器端分別用熱電偶或紅外測溫儀測量制動器摩擦片溫度[10]。

圖2 試驗臺主體結構示意

電氣控制系統(tǒng)由電機調速系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)、風機調速系統(tǒng)和傳感器信號采集等組成。電機由編碼器進行實時測速，通過直流調速器進行無極調速。管路壓力、制動溫度、制動噪聲等信號通過安裝在管路和設備上的各傳感器測量。制動力矩由固定安裝在前、后、左、右4個制動裝置上的扭矩傳感儀采集，所有傳感器信號通過采集卡載入計算機。氣動液壓系統(tǒng)主要包括踏板力模擬裝置、真空壓力產(chǎn)生裝置、制動主缸、制動管路以及四端制動輪缸。

2.2 踏板力模擬機構及其控制

為真實模擬實車制動過程、完整檢測整車制動系統(tǒng)，設計了踏板力模擬裝置，系統(tǒng)組成如圖3所示。用比例換向閥控制氣缸運動，下壓實車制動踏板，通過真空助力器、制動主缸和制動管路驅動四端制動器對旋轉飛輪進行制動。氣缸前端安裝壓力和位移傳感器，以檢測制動踏板力大小和制動踏板行程。管路中接入壓力傳感器，用于監(jiān)測制動管壓。

圖3 踏板力模擬裝置伺服系統(tǒng)組成

制動過程中，管路壓力達到設定值后圍繞其上下波動。為精確控制氣缸，使管路壓力快速達到設定值，并減小偏差、減少波動，換向閥采用位置式PID控制，即用實際管壓與設定值之間的偏差控制比例換向閥開度。位置式PID具體算法如下:

其中，u(k)為第k個采樣時刻控制器輸出;k為采樣序號;e(k)為第k個采樣時刻給定值r(t)與實際輸出值c(k)偏差;KP、KI、KD分別為比例、積分、微分系數(shù)。

控制過程中設定管路最大的壓力，輸入一個對應的電壓信號控制比例閥開口到最大開度，氣缸快速推動踏板，經(jīng)過系統(tǒng)傳遞輸出管路壓力，將實際管路壓力與設定壓力的偏差通過上述算法計算后反饋調節(jié)輸入信號，以調節(jié)比例閥的開度來改變氣缸運動速度。偏差較大時控制氣缸快速運動，偏差較小時降低氣缸速度以減少靜差，微分環(huán)節(jié)提前中和過載使系統(tǒng)減少震蕩快速趨于平穩(wěn)。

3 試驗臺控制系統(tǒng)組成

圖4所示為整個控制系統(tǒng)組成，IPC主要承擔測控系統(tǒng)中對所有檢測信號的采集、存儲、加工和顯示，管理制動器試驗臺檢測過程的進程。

IPC發(fā)送指令，完成轉速、制動管路壓力控制，并對操作指令和設備工作狀態(tài)信號檢測做出處理?？刂葡到y(tǒng)除能在制動過程中對整個制動系統(tǒng)主要性能參數(shù)進行監(jiān)測外，還具有產(chǎn)品工藝參數(shù)設定、修改功能、開機自檢功能、單步調試功能、程序檢測功能和異常情況報警并急停功能。

圖4 控制系統(tǒng)組成

當監(jiān)測參數(shù)出現(xiàn)異常，如超速、過電流、欠電壓、斷相、過扭矩和過熱等，系統(tǒng)均可報警。在緊急狀態(tài)下可快速報警并自動停機，同時記錄停機時的工作狀態(tài)，以便進行后期的故障分析檢測。所有的采集參數(shù)均能實時存儲并以數(shù)據(jù)和圖表的形式顯示?？刂葡到y(tǒng)采用開放式結構，便于開發(fā)相應的后期拓展功能。

4 試驗結果分析

按照制定的試驗規(guī)范，使用開發(fā)的試驗裝置對某乘用車制動系統(tǒng)進行完整的制動系統(tǒng)試驗，試驗結果如圖5～圖7所示。

4.1 制動器總成綜合性能試驗

圖5是根據(jù)第1次效能試驗數(shù)據(jù)繪制的制動力矩圖(制動初速80 km/h，制動管壓6 M Pa)，曲線特征與理論制動力曲線大體吻合[2]。由曲線可以看出，鼓式制動器制動力矩波動較大，穩(wěn)定性不如盤式;后右制動器波動明顯，裝配誤差較大。前、后制動器的最大制動力之比約為3.8∶1，制動減速度a≥5.8 m/s2，制動力矩穩(wěn)定系數(shù)K≥0.65，各項參數(shù)均滿足相應的國家試驗標準[4，5]。

圖6是依據(jù)第1次衰退試驗數(shù)據(jù)繪制的制動力熱衰退曲線圖(制動初速為100 km/h，制動減速度為0.45g)。

圖5 四端制動器制動力矩

4.2 制動系統(tǒng)靜特性曲線

制動系統(tǒng)靜特性曲線如圖7a、圖7b所示。

由圖7a、圖7b可知，制動管壓為6 MPa時，制動系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線特征真實反映制動系統(tǒng)的輸入輸出比例特性。由數(shù)據(jù)可知，制動系統(tǒng)起始踏板力為20 N，該制動系統(tǒng)輸入輸出靈敏、迅速，而且操作靈活;制動踏板空行程為14 mm，制動行程為94 mm，空行程與制動行程之比約為1∶8，機構效率較高。制動系統(tǒng)輸入輸出特性呈非嚴格的比例線性關系，助力器工況正常。

4.3 制動系統(tǒng)動特性曲線

根據(jù)第1次效能試驗數(shù)據(jù)，繪制制動系統(tǒng)管路壓力與時間關系曲線，如圖7c所示。

由圖7c可知。該曲線與理論制動壓力及理論制動力矩曲線相吻合，包含空行程、制動壓力增加、穩(wěn)定制動等幾個階段。

由圖7c可見，制動系統(tǒng)反應時間為0.15 s，制動力建立時間為0.85 s，該制動系統(tǒng)反應靈敏，制動力建立迅速，制動壓力增長快速而連續(xù)，持續(xù)制動管壓穩(wěn)定。

圖6 第1次熱衰退試驗曲線

圖7 制動系統(tǒng)靜特性、動特性曲線

5 結束語

本研究按照試驗規(guī)范進行了完整的整車制動系統(tǒng)性能檢測試驗，檢測參數(shù)符合國家相關的試驗要求，試驗曲線與理論曲線基本吻合，說明本文提出的整車制動系統(tǒng)臺架試驗方法是可行的。同時該方法所提供的多種檢測內容和豐富試驗數(shù)據(jù)，能夠為整車制動系統(tǒng)的設計開發(fā)、故障分析以及優(yōu)化改進等研究提供有效的參考依據(jù)。

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