王 萌，韓愛國(guó)

（武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070）

摩托車制動(dòng)器制動(dòng)泵是摩托車制動(dòng)系統(tǒng)中不可或缺的部分，制動(dòng)泵對(duì)制動(dòng)器總成的性能有著重要影響。在對(duì)摩托車制動(dòng)泵性能和制動(dòng)泵檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入研究之后，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 655—2005《摩托車和輕便摩托車制動(dòng)器技術(shù)條件》[1]中，對(duì)活塞無(wú)效行程為1.1 mm±0.7 mm的技術(shù)要求和制動(dòng)器廠家對(duì)制動(dòng)泵的設(shè)計(jì)要求，基于VC++設(shè)計(jì)了摩托車液壓盤式制動(dòng)泵在線檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)制動(dòng)泵活塞的無(wú)效行程；結(jié)合Matlab/Simulink搭建了氣動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，將臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，為產(chǎn)品性能提供可靠保障。

1 制動(dòng)泵組成及工作原理

制動(dòng)泵是制動(dòng)系統(tǒng)中的壓力源，主要由油杯、泵體、制動(dòng)泵活塞、回位彈簧、若干密封件組成。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 制動(dòng)泵的結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure composition of brake pump

在制動(dòng)泵的制動(dòng)手柄無(wú)動(dòng)作情況下，制動(dòng)泵活塞前皮碗處于旁通孔A與補(bǔ)償孔B之間，油杯與泵體內(nèi)油液相連，制動(dòng)泵出油口由螺栓與輸油管連接。制動(dòng)泵工作時(shí)，駕駛員手握制動(dòng)泵手柄、推動(dòng)制動(dòng)泵活塞從右向左運(yùn)動(dòng)（圖1所示方向），活塞前皮碗利用橡膠特性堵住旁通孔A，形成密閉空間，開始建立制動(dòng)壓力?；钊^續(xù)向右移動(dòng)，制動(dòng)壓力由于密封腔體積的減小不斷增大，當(dāng)達(dá)到一定壓力時(shí)，油液壓力推動(dòng)制動(dòng)鉗活塞，推動(dòng)摩擦片壓緊制動(dòng)輪產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力，達(dá)到制動(dòng)效果。因此，制動(dòng)泵旁通孔A的位置直接關(guān)系到制動(dòng)壓力的建立時(shí)刻，從制動(dòng)泵手柄開始動(dòng)作到制動(dòng)泵開始建立制動(dòng)壓力，活塞移動(dòng)的距離被稱為制動(dòng)泵活塞無(wú)效行程。

2 氣體流經(jīng)節(jié)流孔的理論研究

氣動(dòng)系統(tǒng)的建模根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的基本理論進(jìn)行特性分析，所研究的對(duì)象是氣體通過(guò)小孔的流動(dòng)特性，故將氣源、制動(dòng)泵、旁通孔3部分結(jié)合作為整體進(jìn)行分析，將氣體通過(guò)小孔的過(guò)程簡(jiǎn)化，如圖2所示。區(qū)域I為氣源，區(qū)域Ⅱ?yàn)橹苿?dòng)泵，放氣過(guò)程中，制動(dòng)泵壓力會(huì)隨著活塞移動(dòng)打開小孔發(fā)生劇烈變化，該壓力突變點(diǎn)為臨界點(diǎn)。在檢測(cè)空行程時(shí)，以壓力突變點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，計(jì)算制動(dòng)泵活塞無(wú)效行程。

圖2 氣體放氣簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of gas deflation

為了便于建立實(shí)際氣體放氣數(shù)學(xué)模型，做以下假設(shè)：①密封容器無(wú)泄漏，且氣體流動(dòng)初始時(shí)刻為滯止?fàn)顟B(tài)，即速度為零；②容器內(nèi)的壓力、溫度和密度是均勻分布的，且為絕熱容器；③氣體通過(guò)小孔的放氣過(guò)程每一瞬時(shí)為穩(wěn)定流動(dòng)；④小孔中各橫截面位置內(nèi)壓力、溫度和密度是均勻分布的；⑤忽略密封件如皮碗，因受力變形造成體積變化的影響；⑥忽略活塞后退過(guò)程中因皮碗自身的橡膠特性，使皮碗在摩擦力的作用下向密封腔一側(cè)變形，重新堵住小孔的情況。

2.1 能量方程

為了得到檢測(cè)容器內(nèi)的壓力變化關(guān)系，對(duì)理想氣體狀態(tài)方程PV=mRT等式兩邊同時(shí)求導(dǎo)，得

并有，小孔排向大氣的質(zhì)量流量qm

故式（1）可轉(zhuǎn)化為

根據(jù)氣體的能量守恒方程，可得

式中：cV為氣體的比定容熱容，J/（kg·K）；Ta為外界環(huán)境溫度，K；T為容器內(nèi)部溫度，K。

在外界溫度保持不變的情況下，根據(jù)傳熱學(xué)方程，可知經(jīng)過(guò)容器壁的熱傳遞交換過(guò)程方程式為

式中：Q 為傳導(dǎo)熱量，J；h 為對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Sh為熱交換面積，m2。根據(jù)Kagawa對(duì)于充氣和放氣過(guò)程熱交換系數(shù)的研究，對(duì)于放氣過(guò)程，h=15～20 W/（m2·K）[2]。

由式（3）—式（5），可得

式中：cP為氣體的比定容熱容，J/（kg·K）。

2.2 質(zhì)量流量特性方程

通過(guò)小孔的質(zhì)量流量公式為

式中：P0為下游絕對(duì)壓力，Pa；P1為上游滯止絕對(duì)壓力，Pa；T0為上游滯止溫度，K；Ae為小孔孔截面積，m2；δ為臨界壓力比；k為絕熱比；R為氣體常數(shù)，N·m/（kg·K）。

2.3 活塞運(yùn)動(dòng)方程

實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，活塞的運(yùn)動(dòng)由電機(jī)推動(dòng)制動(dòng)手柄做勻速行駛，根據(jù)活塞的運(yùn)動(dòng)速度以及初始位移等條件，得出活塞在制動(dòng)泵中運(yùn)動(dòng)的關(guān)系表達(dá)式為

3 氣體流經(jīng)小孔動(dòng)態(tài)仿真模型及分析

在制動(dòng)泵活塞運(yùn)動(dòng)的仿真系統(tǒng)中，氣流的聲速段和非聲速段的條件選擇、微分方程組的約束條件以及活塞隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)的位移，是通過(guò)Simulink的Switch模塊及Look up模塊而實(shí)現(xiàn)的。在此制動(dòng)泵放氣運(yùn)動(dòng)仿真中，采用的某型號(hào)制動(dòng)泵試驗(yàn)參數(shù)見表1。根據(jù)相關(guān)的參數(shù)關(guān)系，搭建了仿真模型，如圖3所示。

表1 氣體放氣過(guò)程仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of gas outgassing process

圖3 制動(dòng)泵放氣動(dòng)態(tài)仿真模型Fig.3 Dynamic simulation model of brake pump deflation

壓力建立時(shí)，分別向密封腔內(nèi)充入0.2 MPa，0.3 MPa的氣體，密封腔內(nèi)壓力隨活塞位移變化的仿真由圖4所示。由圖可見，在活塞后退的過(guò)程中，密封腔內(nèi)壓力隨著密封腔體積的增大而減小，當(dāng)活塞繼續(xù)后退打開小孔時(shí)，密封腔內(nèi)氣體壓力陡降，通過(guò)小孔釋放氣體，壓力逐步下降至常壓狀態(tài)。圖4a中初始?jí)毫?.2MPa時(shí)，壓力突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的活塞位移為1.35 mm，對(duì)應(yīng)的活塞無(wú)效行程為1.32 mm；圖4b中初始?jí)毫?.3 MPa，壓力突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的活塞無(wú)效行程為1.36 mm，誤差在允許的范圍內(nèi)。

圖4 制動(dòng)泵內(nèi)壓力隨活塞位移變化的仿真曲線Fig.4 Simulation curve of the change of the initial pressure of the brake pump with piston displacement

4 試驗(yàn)臺(tái)架檢測(cè)系統(tǒng)組成及檢測(cè)原理

試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)和氣動(dòng)回路等組成[3]，如圖5所示。檢測(cè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)檢測(cè)動(dòng)作的執(zhí)行；電控系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行，由工控機(jī)、各種傳感器及控制電路等組成；氣動(dòng)回路提供系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所必需的氣體。

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)的組成Fig.5 Composition diagram of the test system

試驗(yàn)臺(tái)由微機(jī)處理，工控機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)整試件相對(duì)位置，采集壓力、位移傳感器信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理等功能。電控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有顯示器、內(nèi)嵌數(shù)據(jù)采集卡的工控機(jī)；配電柜內(nèi)設(shè)有電源、電機(jī)控制器、電磁閥控制器、氣動(dòng)管路模塊、信號(hào)處理及數(shù)據(jù)處理模塊。其中，傳感器、步進(jìn)電機(jī)均選用高精度配置，以保證測(cè)試精度要求。檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)泵空行程的檢測(cè)。

檢測(cè)過(guò)程中，制動(dòng)泵內(nèi)壓力會(huì)隨著活塞的封堵或旁通孔的打開而發(fā)生劇烈變化，將壓力發(fā)生劇烈變化的點(diǎn)設(shè)為壓力突變點(diǎn)。檢測(cè)空行程時(shí)，以壓力突變點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，計(jì)算制動(dòng)泵活塞無(wú)效行程。

4.1 檢測(cè)機(jī)構(gòu)的組成及檢測(cè)過(guò)程

檢測(cè)機(jī)構(gòu)的組成如圖6所示。檢測(cè)前，調(diào)整支座使制動(dòng)泵出油口軸線與測(cè)壓閥軸線重合，并使測(cè)壓閥閥芯前端的出氣孔與制動(dòng)泵出油孔保持一定距離。絲桿推動(dòng)氣缸使測(cè)壓閥沿氣缸軸線移動(dòng)，測(cè)壓閥與制動(dòng)泵接觸以建立密封區(qū)域。此時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)與推桿組成驅(qū)動(dòng)裝置，推動(dòng)制動(dòng)手柄動(dòng)作。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的組成Fig.6 Composition of testing mechanism of test bench

檢測(cè)空行程時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，推動(dòng)制動(dòng)手柄使活塞前移，待活塞封堵制動(dòng)泵旁通孔A后停止電機(jī)正轉(zhuǎn)，將此時(shí)活塞行駛的位移設(shè)為起始位置；控制氣缸電磁閥，接通氣源氣缸，推動(dòng)測(cè)壓閥壓緊制動(dòng)泵出油口，氣體通過(guò)測(cè)壓閥閥芯進(jìn)入制動(dòng)泵泵體。再次啟動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，推動(dòng)活塞繼續(xù)前移一段距離后使電機(jī)反轉(zhuǎn)，活塞返回到起始位置后繼續(xù)后退，當(dāng)檢測(cè)到制動(dòng)手柄與推桿完全分離時(shí)停止電機(jī)反轉(zhuǎn)，關(guān)閉氣缸氣源，完成測(cè)試。

測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試系統(tǒng)以活塞的初始位置作為測(cè)試起點(diǎn)，采集位移傳感器、壓力傳感器的信號(hào)，尋找活塞通過(guò)旁通孔時(shí)刻的壓力突變點(diǎn)，以確定制動(dòng)泵活塞無(wú)效行程。在測(cè)試過(guò)程中，保存測(cè)量數(shù)據(jù)，并以圖形的方式顯示壓力與位移的關(guān)系。

4.2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.2.1 電控系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)硬件由工業(yè)用計(jì)算機(jī)、I/O擴(kuò)展、A/D采樣、電磁閥、信號(hào)處理電路、繼電器控制電路、步進(jìn)電機(jī)以及傳感器等組成。

測(cè)試過(guò)程中，將計(jì)算機(jī)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線端口與數(shù)據(jù)采集卡相連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。通過(guò)自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡，集成A/D采樣電路和I/O擴(kuò)展電路。該數(shù)據(jù)卡集成具有8個(gè)模擬量輸入通道，1個(gè)模擬量輸出通道，3個(gè)數(shù)字量端口，共24個(gè)數(shù)字量通道，可滿足檢測(cè)系統(tǒng)要求。信號(hào)處理方面，傳感器采集到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后由采集卡輸入計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的分析、判斷后發(fā)出控制信號(hào)，由采集卡傳遞到控制電路，隨后由繼電器來(lái)控制電磁閥和電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作。

4.2.2 電控系統(tǒng)軟件組成

試驗(yàn)臺(tái)架軟件測(cè)試系統(tǒng)使用VC++編寫整個(gè)控制程序[4]。控制程序主要包括電機(jī)控制、傳感器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示及系統(tǒng)保護(hù)等6個(gè)部分。測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 軟件測(cè)試結(jié)構(gòu)Fig.7 Software test structure

軟件采集的模擬量包括壓力和位移，根據(jù)采集卡的特點(diǎn)，設(shè)置了模擬量輸入以及數(shù)字量輸入、輸出地址。在測(cè)試時(shí)，位移傳感器和壓力傳感器將采集到的電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡[5]，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，由VC++編寫的采集程序讀取相應(yīng)的數(shù)字量信息，通過(guò)數(shù)據(jù)處理并可視化。程序流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程Fig.8 Program flow chart

5 測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

利用該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)某型號(hào)摩托車制動(dòng)泵空行程進(jìn)行性能測(cè)試，其壓力和位移隨檢測(cè)點(diǎn)的變化曲線如圖9所示。

圖9 氣體壓力隨活塞位移變化檢測(cè)Fig.9 Pressure change test with piston displacement

由圖可見，在整個(gè)測(cè)量活塞無(wú)效行程過(guò)程中，活塞密封腔內(nèi)壓力的變化趨勢(shì)。測(cè)試時(shí)分別向制動(dòng)泵內(nèi)充入0.2 MPa，0.3 MPa氣體，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到旁通孔位置時(shí)，密封腔內(nèi)氣體壓力陡降即圖中的點(diǎn)a，此時(shí)由于皮碗本身的橡膠特性使皮碗在摩擦力的作用下向密封腔一側(cè)變形，又重新堵住小孔，使得檢測(cè)的壓力下降緩慢或保持不變，隨著活塞繼續(xù)后退，在物理位移作用下打開小孔，壓力逐漸降低至常壓狀態(tài)，如圖中點(diǎn)b。因此，小孔的位置應(yīng)為壓力第2次突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置。此時(shí)，初始?jí)毫?.2 MPa下對(duì)應(yīng)的活塞無(wú)效行程為1.58 mm，初始?jí)毫?.3 MPa下對(duì)應(yīng)的活塞無(wú)效行程為1.35 mm。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)Matlab/Simulink建模仿真、試驗(yàn)臺(tái)架檢測(cè)，所得的該型號(hào)制動(dòng)泵的活塞無(wú)效行程，均在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 655—2005《摩托車和輕便摩托車制動(dòng)器技術(shù)條件》對(duì)活塞無(wú)效行程理論值要求范圍之內(nèi)，其誤差也在可接受誤差允許范圍內(nèi)。試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果不僅驗(yàn)證了該制動(dòng)泵活塞無(wú)效行程的合格性，也為理論分析提供了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支持，有利于提升產(chǎn)品的質(zhì)量，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期。該檢測(cè)系統(tǒng)在企業(yè)將有較好的應(yīng)用前景。

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