范偉軍，葉楊烽，郭 斌，楊維和

（1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，浙江 杭州 310018）

基于PLC的制動(dòng)鉗拖滯力矩檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范偉軍1，葉楊烽1，郭 斌2，楊維和2

（1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，浙江 杭州 310018）

采用氣體加壓方式，基于PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)制動(dòng)鉗拖滯力矩的快速檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)鉗拖滯力矩的在線檢測(cè)。使用伺服電機(jī)加精密減速機(jī)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)盤(pán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，高壓調(diào)壓閥加電磁閥實(shí)現(xiàn)壓力的高精密控制和充、排氣的自動(dòng)控制；PLC數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集氣壓和扭矩值，并在觸摸屏顯示測(cè)試曲線和測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，檢測(cè)系統(tǒng)的制動(dòng)盤(pán)系統(tǒng)端面跳動(dòng)為0.04 mm，空轉(zhuǎn)力矩為0.3 N·m，滿足制動(dòng)鉗拖滯力矩測(cè)試需求；相對(duì)于傳統(tǒng)的液壓檢測(cè)系統(tǒng)，氣體加壓檢測(cè)第1圈拖滯力矩平均值比液體加壓方式大0.0205N·m，第10圈拖滯力矩平均值為比液體加壓方式大0.0202N·m。綜合檢測(cè)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)硬件參數(shù)，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行不確定度分析，拖滯力矩檢測(cè)系統(tǒng)的不確定度為0.028N·m，滿足檢測(cè)要求。

制動(dòng)鉗；氣體加壓；檢測(cè)系統(tǒng)；拖滯力矩

0 引 言

制動(dòng)器拖滯力矩是汽車(chē)在非制動(dòng)情況下，由于制動(dòng)缸活塞的不完全回位，在取消制動(dòng)后制動(dòng)器仍對(duì)汽車(chē)起制動(dòng)作用的力矩[1-2]。拖滯力矩作為汽車(chē)制動(dòng)鉗的一項(xiàng)重要檢測(cè)指標(biāo)，不但損壞零件，還容易造成制動(dòng)器抱死，發(fā)生意外事故，增加燃油消耗。當(dāng)拖滯力矩為2N·m時(shí)，燃油消耗將增加3.1%～5.7%；當(dāng)拖滯力矩為3N·m時(shí)，燃油消耗將增加4.6%～8.5%[3]。企業(yè)上對(duì)拖滯力矩的檢測(cè)大部分都按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 592——2013《液壓制動(dòng)鉗總成性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》所描述的采用制動(dòng)液對(duì)制動(dòng)鉗加壓的方法實(shí)現(xiàn)拖滯力矩檢測(cè)，測(cè)試前需要對(duì)制動(dòng)鉗進(jìn)行100s的真空注油，測(cè)試結(jié)束后利用儲(chǔ)氣罐中的氣體對(duì)制動(dòng)鉗進(jìn)行90s的吹氣排油。隨著對(duì)制動(dòng)部件的檢測(cè)要求越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)每一批產(chǎn)品的檢測(cè)率都要求達(dá)到100%，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中使用這種檢測(cè)方法，真空注油、吹氣排油的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且操作復(fù)雜、繁瑣，檢測(cè)效率低，不適合在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用。所以研制一套高效率的拖滯力矩檢測(cè)系統(tǒng)很有必要。

國(guó)內(nèi)對(duì)拖滯力矩的檢測(cè)方法研究，如吉林大學(xué)胡偉[4]雖然對(duì)其原有的拖滯力矩進(jìn)行改進(jìn)，引入氣動(dòng)液壓系統(tǒng)，提高了一定的檢測(cè)效率，但是其本質(zhì)仍然是采用制動(dòng)液加壓方式對(duì)拖滯力矩進(jìn)行檢測(cè)，依舊不能避免真空注油和吹氣排油，在測(cè)試效率上仍然不能滿足在線檢測(cè)的需求；武漢理工大學(xué)張亞飛[5-6]對(duì)制動(dòng)器拖滯力矩的在線檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行研究，采取液體加壓方式進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)效率雖能滿足在線檢測(cè)的要求但仍然偏慢。國(guó)外采用特定的扭矩測(cè)量模型和高精度的扭矩測(cè)量?jī)x檢測(cè)拖滯力矩，在測(cè)試效率和測(cè)試精度上雖大幅提高，但價(jià)格昂貴、維護(hù)成本高，很難在國(guó)內(nèi)推廣[7-8]。

通過(guò)對(duì)制動(dòng)鉗拖滯力矩檢測(cè)研究，設(shè)計(jì)出一套使用氣體對(duì)制動(dòng)鉗加壓的拖滯力矩檢測(cè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了管路設(shè)計(jì)，去掉了繁瑣的注油、排油操作，提高了檢測(cè)效率，滿足企業(yè)在線檢測(cè)的要求。

1 制動(dòng)鉗拖滯力矩分析及檢測(cè)原理

制動(dòng)鉗的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，制動(dòng)輪缸和制動(dòng)鉗支架通過(guò)滑動(dòng)導(dǎo)向銷(xiāo)連接起來(lái)產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，當(dāng)駕駛員踩下剎車(chē)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)液通過(guò)制動(dòng)鉗鉗體后面的孔流入鉗體內(nèi)，制動(dòng)液推動(dòng)活塞移動(dòng)，活塞又推動(dòng)內(nèi)剎車(chē)片向靠近制動(dòng)盤(pán)方向移動(dòng)。當(dāng)內(nèi)剎車(chē)片頂住制動(dòng)盤(pán)無(wú)法移動(dòng)時(shí)，此時(shí)由于制動(dòng)液持續(xù)推動(dòng)活塞，在反作用力的作用下制動(dòng)鉗鉗體沿著滑動(dòng)導(dǎo)向銷(xiāo)的方向帶動(dòng)為剎車(chē)片靠近制動(dòng)盤(pán)，直到制動(dòng)鉗的內(nèi)、外剎車(chē)片夾住制動(dòng)盤(pán)，使制動(dòng)盤(pán)停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止[9]；當(dāng)駕駛員松開(kāi)剎車(chē)結(jié)束制動(dòng)時(shí)，依靠活塞密封圈的彈性形變帶動(dòng)活塞回位，使活塞達(dá)到起始位置。

圖1 制動(dòng)鉗結(jié)構(gòu)圖

拖滯力矩的產(chǎn)生主要由制動(dòng)力解除后活塞回位不完全，導(dǎo)致制動(dòng)塊與制動(dòng)盤(pán)之間仍有摩擦力矩產(chǎn)生。在制動(dòng)鉗中，活塞回位情況完全依靠密封圈的彈性形變，當(dāng)壓力解除后，因?yàn)槊芊馊εc活塞直接存在摩擦，所以活塞在密封圈的復(fù)位力作用下完成復(fù)位[10-11]。

假設(shè)制動(dòng)時(shí)的作用在活塞上的內(nèi)壓力為P0，活塞外徑為d，密封圈寬度基本尺寸為b0，密封圈與活塞接觸面積為S，密封圈的彈性模量為E，密封圈與活塞間的摩擦系數(shù)為μ，密封圈復(fù)位力F1[6]如下：

根據(jù)胡克定律得出活塞回位時(shí)回位量x如下：

在實(shí)際測(cè)量拖滯力矩時(shí)，利用力矩平衡的原理，在輪軸與制動(dòng)盤(pán)之間安裝扭矩傳感器用于檢測(cè)制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的力矩，該力矩與制動(dòng)鉗的拖滯力矩大小相等、方向相反。

2 測(cè)試方法確定

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 592——2013《液壓制動(dòng)鉗總成性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》，用液體加壓的方式對(duì)制動(dòng)鉗拖滯力矩檢測(cè)的過(guò)程分為真空注油、加壓、保壓、泄壓、靜置、拖滯力矩測(cè)試和氣洗排油6個(gè)步驟。其中真空注油時(shí)間為100s、加壓時(shí)間為10s、保壓時(shí)間為5 s、泄壓時(shí)間為 5 s、靜置時(shí)間為120 s、測(cè)試時(shí)間為15 s、氣洗排油時(shí)間為 90 s，加壓-保壓-泄壓重復(fù)次數(shù)為10次，整個(gè)測(cè)試過(guò)程所需時(shí)間約為 535s。

用氣體加壓的方式對(duì)制動(dòng)鉗拖滯力矩檢測(cè)的過(guò)程分為充氣、排氣、充排氣等待和拖滯力矩測(cè)試4個(gè)步驟。其中充氣時(shí)間為2s、排氣時(shí)間為2s、充排氣等待時(shí)間為5s、測(cè)試時(shí)間為15s，充氣-排氣-充排氣等待重復(fù)次數(shù)為2次，整個(gè)測(cè)試過(guò)程所需時(shí)間為33s。

通過(guò)對(duì)以上2種方式測(cè)試拖滯力矩的過(guò)程分析，用氣體加壓的方式節(jié)省了真空注油和氣洗排油兩大步驟，且大大縮短了測(cè)試時(shí)間，檢測(cè)效率較液體加壓方式大幅提高。由于氣體的可壓縮性，導(dǎo)致用氣體加壓方式測(cè)試時(shí)測(cè)試管路內(nèi)的壓力穩(wěn)定性相對(duì)較差，且在實(shí)車(chē)中采用液體加壓方式進(jìn)行制動(dòng)，管路內(nèi)壓力相對(duì)穩(wěn)定，所以液體加壓方式在實(shí)車(chē)模擬方面較好，測(cè)試值更接近實(shí)車(chē)制動(dòng)時(shí)的拖滯力矩值。綜合以上分析，在提高檢測(cè)效率同時(shí)滿足測(cè)試要求的前提下，使用氣體加壓的方式檢測(cè)拖滯力矩更適合在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中使用。

3 測(cè)試系統(tǒng)需求分析

為了提高檢測(cè)效率，并且更好地適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，使用壓縮氣體代替制動(dòng)液的方法對(duì)制動(dòng)鉗加壓，大大減少了在鉗體內(nèi)的建壓時(shí)間且在鉗體內(nèi)氣體比液體達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間更快；對(duì)制動(dòng)鉗泄壓時(shí)只需排凈鉗體氣體，測(cè)試結(jié)束后可直接從測(cè)試工裝上取下制動(dòng)鉗，無(wú)需氣洗排油操作，大大減少了整個(gè)測(cè)試過(guò)程所需時(shí)間。廠家要求，整個(gè)測(cè)試過(guò)程所需時(shí)間＜40s。

為了得到拖滯力矩測(cè)量值和動(dòng)態(tài)拖滯力矩測(cè)量曲線，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要快速采集測(cè)量數(shù)據(jù)，利用PLC的模擬信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行高精度快速采集，不僅滿足測(cè)試要求，同時(shí)節(jié)省了數(shù)據(jù)采集模塊，簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，節(jié)約設(shè)計(jì)成本[12]。

為了更好地接近實(shí)車(chē)環(huán)境，在拖滯力矩測(cè)量裝置加工過(guò)程中利用高精密的加工機(jī)器控制制動(dòng)盤(pán)的端面跳動(dòng)≤0.05mm，檢測(cè)過(guò)程中測(cè)量裝置的空轉(zhuǎn)力矩≤0.5N·m，安裝制動(dòng)盤(pán)時(shí)，采用校準(zhǔn)塊保證制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)鉗安裝面的平行度≤0.1mm。測(cè)試拖滯力矩時(shí)，氣壓一般控制在7MPa，制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制在45～50r/min內(nèi)，第1圈拖滯力矩范圍在0～0.5N·m內(nèi)，第10圈拖滯力矩范圍在0～3.5N·m內(nèi)，結(jié)合上述測(cè)試系統(tǒng)需求分析，提出了制動(dòng)鉗拖滯力矩檢測(cè)過(guò)程中的主要參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。

4 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 制動(dòng)鉗拖滯力矩測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)以上測(cè)試系統(tǒng)需求分析，設(shè)計(jì)了汽車(chē)制動(dòng)鉗拖滯力矩測(cè)量裝置。如圖2所示，該測(cè)量裝置由同步帶輪、同步帶、伺服電機(jī)、減速器、扭矩傳感器、聯(lián)軸器、制動(dòng)盤(pán)、定位工裝、支撐工裝組成。為保證測(cè)量裝置的同軸度，減速器、扭矩傳感器、聯(lián)軸器通過(guò)定位銷(xiāo)連接；為減小系統(tǒng)的空轉(zhuǎn)力矩，聯(lián)軸器采用自制的前后剛性連接的聯(lián)軸器，制動(dòng)盤(pán)和定位工裝、支撐工裝平行；整套測(cè)量裝置的動(dòng)力由伺服電機(jī)提供，并且通過(guò)同步帶輪帶動(dòng)同步帶傳遞；測(cè)試前把制動(dòng)鉗放在支撐工裝和制動(dòng)盤(pán)上，用螺栓把制動(dòng)鉗固定在定位工裝上，保證制動(dòng)鉗與制動(dòng)盤(pán)平行。

表1 拖滯力矩檢測(cè)主要參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)

圖2 制動(dòng)鉗拖滯力矩測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

制動(dòng)盤(pán)應(yīng)廠家要求做成直徑為250mm，厚度為10 mm的圓盤(pán)，制動(dòng)盤(pán)表面進(jìn)行打磨處理減小制動(dòng)盤(pán)表面的粗糙度使其端面跳動(dòng)≤0.05mm，利用軸跳動(dòng)測(cè)試儀測(cè)得制動(dòng)盤(pán)的端面跳動(dòng)為0.04mm，符合廠家要求。

進(jìn)行拖滯力矩測(cè)量前首先要測(cè)試測(cè)量裝置的空轉(zhuǎn)力矩，空轉(zhuǎn)力矩作為測(cè)量裝置的系統(tǒng)誤差，其存在不僅造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，而且空轉(zhuǎn)力矩過(guò)大會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)廠家要求空轉(zhuǎn)力矩不應(yīng)大于0.5 N·m，獲取空轉(zhuǎn)力矩的方法如下：在安裝制動(dòng)鉗之前以一定速度使制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)10圈，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的最大力矩即為空轉(zhuǎn)力矩。

拖滯力矩測(cè)量過(guò)程中，在制動(dòng)鉗合格情況下，其拖滯力矩≤5N·m，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定第1圈拖滯力矩≤5N·m，第10圈拖滯力矩≤3.5N·m，即使遇到不合格的制動(dòng)鉗在對(duì)其拖滯力矩測(cè)量時(shí)也在7～8 N·m內(nèi)，最大也不超過(guò)10N·m，選用量程為20N·m，精度為0.25%FS的扭矩傳感器完全符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 測(cè)試管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于以上分析，本系統(tǒng)采用壓縮氣體對(duì)鉗體加壓取代了傳統(tǒng)使用制動(dòng)液對(duì)鉗體加壓，具有穩(wěn)定的氣源對(duì)系統(tǒng)測(cè)試非常重要。氣源使用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)提供的高壓氣源，一般在7～10MPa，但是現(xiàn)場(chǎng)氣源不穩(wěn)定，如若直接使用勢(shì)必對(duì)測(cè)試產(chǎn)生影響。使用高壓調(diào)壓閥精確控制輸入系統(tǒng)管路中的氣壓使其穩(wěn)定輸入7MPa氣壓，選用量程為0～25MPa，精度為0.25%FS的氣壓傳感器符合設(shè)計(jì)要求[13]。利用電磁閥響應(yīng)快速的特點(diǎn)控制系統(tǒng)管路對(duì)制動(dòng)鉗充排氣，使控制系統(tǒng)能夠?qū)τ脩舭l(fā)送的指令快速響應(yīng)，達(dá)到提高檢測(cè)效率的目的。測(cè)試管路如圖3所示。

圖3 測(cè)控管路系統(tǒng)原理圖

汽車(chē)制動(dòng)鉗拖滯力矩測(cè)量的充排氣動(dòng)作由常開(kāi)高壓電磁閥和常通高壓電磁閥控制，常開(kāi)高壓電磁閥接入測(cè)試管路中；常通高壓電磁閥進(jìn)氣口與測(cè)試管路連接，出氣口與大氣相通。充氣時(shí)常開(kāi)高壓電磁閥上電，常通高壓電磁閥失電；排氣時(shí)常通高壓電磁閥上電，常開(kāi)高壓電磁閥失電；氣壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試管路中的壓力大小，測(cè)試完成后直接取下制動(dòng)鉗即可，無(wú)需跟傳統(tǒng)方法一樣氣洗排油。

4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了克服復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，提高檢測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)氣壓和扭矩信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，以及電磁閥的通斷和伺服電機(jī)的控制，本系統(tǒng)充分發(fā)揮PLC可靠性高的優(yōu)勢(shì)，采用上位觸摸屏與下位PLC結(jié)合的方式來(lái)控制。采用PLC自帶的數(shù)據(jù)采集模塊采集氣壓傳感器和扭矩傳感器的信號(hào)值；采用PLC內(nèi)嵌高性能運(yùn)動(dòng)控制芯片控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)；采用PLC的D0接線端子控制電磁閥通斷實(shí)現(xiàn)充、排氣操作，檢測(cè)故障以及處理用戶操作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置采用閉環(huán)控制的方式，利用PLC發(fā)生脈沖到編碼器，編碼器通過(guò)脈沖數(shù)精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速45～50r/min精確調(diào)節(jié)。觸摸屏控件通過(guò)關(guān)聯(lián)PLC數(shù)據(jù)塊的地址實(shí)現(xiàn)曲線實(shí)時(shí)顯示，傳感器數(shù)據(jù)顯示以及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，達(dá)到人機(jī)交互的目的。系統(tǒng)控制原理如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制原理圖

4.4 測(cè)試系統(tǒng)軟件測(cè)試流程分析

4.4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的檢測(cè)流程進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。采用s7-1200系列PLC作為下位機(jī)，該型號(hào)PLC具有50 KB工作存儲(chǔ)器，14個(gè)通道的數(shù)字量輸入，10個(gè)通道的數(shù)字量輸出，2個(gè)模擬量輸入和2路脈沖輸出，可實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件的控制及氣壓、扭矩信號(hào)的采集，具有光電隔離、凈化、抗干擾等性能，可以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，與上位觸摸屏通信，以接受控制才是。系統(tǒng)測(cè)試軟件流程如圖5所示，主要實(shí)現(xiàn)功能是系統(tǒng)充氣加壓、排氣泄壓、測(cè)量裝置運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)合作，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖滯力矩的自動(dòng)檢測(cè)。

4.4.2 上位觸摸屏設(shè)計(jì)

采用北京昆侖通泰公司生產(chǎn)的MCGS工業(yè)觸摸屏作為上位觸摸屏，完成人機(jī)交互[14]，觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)功能是對(duì)測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)顯示測(cè)試過(guò)程中角度-扭矩曲線、氣壓值和扭矩值，記錄第1圈和第10圈的最大拖滯力矩，測(cè)試數(shù)據(jù)查詢。

5 測(cè)試結(jié)果分析

選取國(guó)內(nèi)某型號(hào)的制動(dòng)鉗作為被檢測(cè)對(duì)象，利用所設(shè)計(jì)的制動(dòng)鉗拖滯力矩檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)廠家要求，制動(dòng)鉗測(cè)試壓力7 MPa、充氣時(shí)間2 s、排氣時(shí)間2 s、充排氣等待時(shí)間5 s，如此反復(fù)2次，制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速為45 r/min，所測(cè)的第1圈拖滯力矩≤5 N·m，第10圈拖滯力矩≤3.5 N·m。同時(shí)根據(jù)JJF 1059——2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》中不確定度的定義及評(píng)定要求，進(jìn)行對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的不確定度評(píng)定[5]。

5.1 拖滯力矩?cái)?shù)據(jù)對(duì)比及分析

根據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)，采用兩種檢測(cè)方式分別對(duì)同一被測(cè)對(duì)象的拖滯力矩進(jìn)行測(cè)試。重復(fù)測(cè)量10次所得的第1圈拖滯力矩和第10圈拖滯力矩?cái)?shù)據(jù)如表2、表3所示。

圖5 PLC系統(tǒng)控制流程圖

圖6 角度-扭矩曲線

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，制動(dòng)鉗第1圈拖滯力矩平均值為3.9994N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.001625；第 10圈拖滯力矩平均值為2.299 8 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.001 327。根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，制動(dòng)鉗第1圈拖滯力矩平均值為3.9789N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.000831；第 10圈拖滯力矩平均值為2.279 6 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.000 917。與液體加壓方式測(cè)試結(jié)果相比，氣體加壓方式測(cè)得的第1圈拖滯力矩平均值比液體加壓方式大0.0205N·m，第10圈拖滯力矩平均值比液體加壓方式大0.0202N·m，在允許的誤差范圍之內(nèi)。其中第1圈拖滯力矩≤5 N·m，第10圈拖滯力矩≤3.5 N·m，滿足廠家的測(cè)試要求。

表2 氣體加壓方式拖滯力矩測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 液體加壓方式拖滯力矩測(cè)試數(shù)據(jù)

5.2 動(dòng)態(tài)拖滯力矩曲線特性分析

對(duì)制動(dòng)鉗進(jìn)行7MPa制動(dòng)壓力下的拖滯力矩檢測(cè)，利用PLC實(shí)時(shí)采集扭矩值與制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系，在觸摸屏上繪制檢測(cè)拖滯力矩與制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度關(guān)系曲線如圖6所示，并記錄下電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)第1圈至第10圈每一圈的最大拖滯力矩，記錄的拖滯力矩值按圈數(shù)排列分別為：4.001，3.499，3.237，3.001，2.879，2.756，2.633，2.5，2.455，2.301N·m。

根據(jù)所測(cè)的每一圈拖滯力矩分析，制動(dòng)盤(pán)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)第1圈的拖滯力矩為4.001N·m，是轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中拖滯力矩的最大值，以后幾圈的拖滯力矩都比第1圈小且呈遞減趨勢(shì)，直至第10圈的拖滯力矩是所有測(cè)量拖滯力矩中最小值，為2.301N·m。在圖6測(cè)試曲線中分析可得測(cè)試扭矩曲線呈正弦形式變化其峰值不斷下降，制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈過(guò)程中扭矩值隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度實(shí)時(shí)變化，扭矩值并不是一個(gè)恒定的值，這是由于測(cè)量裝置中制動(dòng)盤(pán)端面跳動(dòng)的存在和制動(dòng)盤(pán)上每個(gè)位置的摩擦系數(shù)不同的原因造成的。

5.3 不確定度分析

由測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度用A類(lèi)方法評(píng)定[14]，當(dāng)用單次測(cè)量值作為測(cè)量的估計(jì)值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA為單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差，選取企業(yè)上常用的7MPa制動(dòng)壓力下的拖滯力矩測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差，第1圈拖滯力矩的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用uA1表示，第10圈拖滯力矩的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用uA2表示。傳感器引起的不確定度用B類(lèi)方法評(píng)定，為傳感器誤差界除以氣壓傳感器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1約為0.036MPa，扭矩傳感器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2約為0.028N·m。

根據(jù)上述分析，系統(tǒng)氣壓的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

在制動(dòng)壓力7MPa時(shí)制動(dòng)鉗第1圈拖滯力矩檢測(cè)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

第10圈拖滯力矩檢測(cè)的合成標(biāo)準(zhǔn)不去定度：

由此可知，該檢測(cè)設(shè)備重復(fù)性較好，滿足檢測(cè)需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

采用氣體加壓方式，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的汽車(chē)制動(dòng)鉗拖滯力矩的檢測(cè)系統(tǒng)。壓縮氣體相對(duì)于制動(dòng)液，清潔環(huán)保，加壓速度快，大大縮短了檢測(cè)時(shí)間；采用PLC加觸摸屏的控制顯示模式，系統(tǒng)成本低、穩(wěn)定性好，使該檢測(cè)系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于制動(dòng)鉗的在線檢測(cè)。壓縮氣體具有可壓縮性，加壓時(shí)管路內(nèi)壓力穩(wěn)定性相對(duì)較差，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏差范圍較液體加壓方式略偏大。相對(duì)于液體加壓方式，氣體加壓方式第1圈拖滯力矩大0.0205N·m，第10圈拖滯力矩大0.0202N·m，但仍在誤差允許范圍之內(nèi)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，系統(tǒng)現(xiàn)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)零部件廠家制動(dòng)鉗的在線檢測(cè)。

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（編輯：劉楊）

Design of detection system for drag torque of brake caliper based on PLC

FAN Weijun1，YE Yangfeng1，GUO Bin2，YANG Weihe2
（1.College of Metrology&Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China；2.Hangzhou Wolei Intelligent Technology Co.，Ltd，Hangzhou，310018，China）

Based on the PLC system，the paper designs a fast detecting system of the brake caliper drag torque under air pressurization，which realized the online detection of brake caliper drag torque.The servo motor is used with a precision reducer to achieve the brake disc rotating at a constant speed，the high pressure control valve is used with a solenoid valve to achieve high precision pressure control and automatic control of pressure increase and decrease，data acquisition module of PLC is used to collect the pressure and torque value in real time and display the test curve and results on the touch screen.The test results show that the brake disc’s end face runout is 0.04 mm and idle torque is 0.3 N·m，satisfying the brake caliper drag torque detecting requirements.Compared with the traditional hydraulic detecting system，the first loop's average drag torque under air pressurization is 0.0205N·m greater than that under liquid pressurization and the tenth loop’s average drag torque under air pressurization is 0.020 2 N·m greater than that under liquid pressurization.According to the testing data and system parameters of hardware and uncertainty analysis of the detecting system，the uncertainty of drag torque detecting system is 0.028N·m，meeting the test requirements.

brake caliper；air pressurization；detection system；drag torque

A

1674-5124（2017）09-0100-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.09.018

2016-11-28；

2017-01-09

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015QK288）；浙江省公益技術(shù)研究項(xiàng)目（2016C31048）；杭州市汽車(chē)零部件智能檢測(cè)科技創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)（20151433S01）

范偉軍（1973-），男，湖南邵陽(yáng)市人，博士，研究方向?yàn)槠?chē)零部件檢測(cè)和精密測(cè)試技術(shù)。