陸藝　盧潔　袁月峰　郭斌

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)繼動(dòng)閥檢測(cè)裝置已無(wú)法滿足新型EBS比例繼動(dòng)閥檢測(cè)需求的現(xiàn)狀，基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、采用高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，設(shè)計(jì)EBS比例繼動(dòng)閥綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在電子制動(dòng)/氣制動(dòng)、緩慢制動(dòng)/快速制動(dòng)工況下，對(duì)閥的遲滯特性、靜特性、動(dòng)特性、密封性等項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試。其中，采用電氣比例閥伺服控制方式，可實(shí)現(xiàn)0～1.0MPa的氣壓控制，控制絕對(duì)誤差為±0.01mPa；采用可編程電流源電流伺服控制方式，可實(shí)現(xiàn)0-1.4A電流控制，控制絕對(duì)誤差為±0.01A。對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行不確定度評(píng)定，實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)重復(fù)性良好。測(cè)試結(jié)果表明：商用車EBS比例繼動(dòng)閥綜合性能測(cè)試系統(tǒng)的性能穩(wěn)定，滿足測(cè)試要求。

關(guān)鍵詞：電子控制制動(dòng)系統(tǒng)；比例繼動(dòng)閥；性能測(cè)試；自動(dòng)化；不確定度

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2018）02-0134-06

0引言

目前，國(guó)內(nèi)商用車開(kāi)始引入電子控制制動(dòng)系統(tǒng)（EBS），比例繼動(dòng)閥作為EBS的核心部件之一，較傳統(tǒng)氣制動(dòng)繼動(dòng)閥，有電控和氣控兩種方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、檢測(cè)項(xiàng)目繁多。EBS比例繼動(dòng)閥是新一代商用車電子控制制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其根據(jù)控制信號(hào)比例輸出商用車前橋的制動(dòng)壓力，采用比例電磁閥加繼動(dòng)閥復(fù)合的機(jī)構(gòu)形式工作，其嚴(yán)重的電流遲滯和響應(yīng)延遲無(wú)疑是導(dǎo)致制動(dòng)故障甚至失效的最危險(xiǎn)因素之一，會(huì)造成嚴(yán)重的交通事故。由于EBS比例繼動(dòng)閥性能直接關(guān)系到整車制動(dòng)的安全性。為保證其正常工作，遲滯特性、靜特性、動(dòng)特性和密封性是EBS比例繼動(dòng)閥檢測(cè)的重要項(xiàng)目。

目前，由于EBS比例繼動(dòng)閥屬于新型電子制動(dòng)部件，國(guó)內(nèi)尚未出現(xiàn)成熟的檢測(cè)設(shè)備。國(guó)內(nèi)，中國(guó)計(jì)量大學(xué)安志敏等針對(duì)傳統(tǒng)繼動(dòng)閥的靜特性，研制了傳統(tǒng)氣制動(dòng)繼動(dòng)閥檢測(cè)臺(tái)：吉林大學(xué)韓正鐵等針對(duì)電控方式下的EBS比例繼動(dòng)閥的遲滯特性和動(dòng)特性進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備控制精度低、工業(yè)實(shí)用性不強(qiáng)、檢測(cè)項(xiàng)目單一無(wú)法為EBS比例繼動(dòng)閥生產(chǎn)廠商直接使用。而國(guó)外，EBS為商用車主流制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)趨于完善。EBS制動(dòng)部件如比例繼動(dòng)閥生產(chǎn)制造、檢測(cè)核心技術(shù)掌握在國(guó)外大型商用車制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商如德國(guó)WABCO公司及Knorr公司手中。由于技術(shù)堡壘，測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)及測(cè)試指標(biāo)都對(duì)外封鎖，國(guó)內(nèi)企業(yè)難以借鑒。

基于此，通過(guò)對(duì)EBS比例繼動(dòng)閥工作原理的仔細(xì)剖析，在借鑒汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 37——2015《汽車與掛車氣壓調(diào)節(jié)保護(hù)裝置技術(shù)要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 12676——2014《商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》的基礎(chǔ)上，根據(jù)廠家實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)要求，設(shè)計(jì)了一套商用車EBS比例繼動(dòng)閥綜合性能測(cè)試系統(tǒng)。

1測(cè)試需求分析

選取國(guó)外WABCO公司生產(chǎn)的EBS比例繼動(dòng)閥為檢測(cè)樣本，其組成包括比例電磁閥、繼動(dòng)閥和壓力傳感器。結(jié)構(gòu)如圖1所示，閥體上設(shè)有輸入口P0、輸出口P2、氣控口P4，另外還設(shè)有電控口P3，簡(jiǎn)圖未標(biāo)出。

EBS比例繼動(dòng)閥的工作方式有電控和氣控兩種，與氣控方式不同，在電控方式下由于先導(dǎo)級(jí)比例閥閥芯的作用、電磁鐵芯部分磁滯等因素的影響，導(dǎo)致閥遲滯特性明顯。參考上述相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)廠家測(cè)試要求，制定的EBS比例繼動(dòng)閥測(cè)試項(xiàng)由密封性測(cè)試、遲滯特性測(cè)試、靜特性測(cè)試、動(dòng)特性測(cè)試組成。為滿足上述測(cè)試需求，測(cè)試系統(tǒng)中的主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)，如表1所示。

1.1密封性需求分析

任何閥均存在泄漏的可能，需要對(duì)EBS比例繼動(dòng)閥的密封性進(jìn)行測(cè)試。傳統(tǒng)采用的氣泡法，難以定量分析實(shí)際氣壓泄漏值，效率和精度低下。經(jīng)比較，本文采用能檢測(cè)到微小泄漏、精度高，可以快速檢測(cè)的差壓法。

測(cè)量時(shí)打開(kāi)相應(yīng)電磁閥同時(shí)給閥口、基準(zhǔn)腔充氣一段時(shí)間后關(guān)閉電磁閥，打開(kāi)平衡閥，平衡時(shí)間為15s，測(cè)量時(shí)間為30s，根據(jù)差壓傳感器得出閥口泄漏量。

測(cè)試項(xiàng)包括輸入口、氣控口非工作狀態(tài)以及輸入口全工作、半工作狀態(tài)氣密性。

1.2功能特性需求分析

遲滯特性測(cè)試：規(guī)定遲滯電流Ic為遲滯特性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，需對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。同一輸出氣壓值在增壓、減壓過(guò)程中會(huì)對(duì)應(yīng)兩個(gè)控制電流信號(hào)值，其最大差值的絕對(duì)值定義為遲滯電流，根據(jù)企業(yè)要求遲滯電流值應(yīng)不大于0.28 A。

靜特性測(cè)試：為了評(píng)價(jià)輸出氣壓隨控制信號(hào)緩慢上升的隨動(dòng)平衡性能，需要對(duì)輸出氣壓特征點(diǎn)值進(jìn)行測(cè)試。輸出氣壓值開(kāi)始明顯上升時(shí)對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)值為開(kāi)啟電流/氣壓：根據(jù)相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及生產(chǎn)廠家規(guī)定，控制信號(hào)在不同檔位時(shí)，測(cè)試的輸出氣壓特征點(diǎn)值需達(dá)到以下要求：1）電控方式下，開(kāi)啟電流I0滿足0.45 A≤I0≤0.55 A，特征點(diǎn)T1（0.7 A）滿足200kPa≤T1≤240kPa，特征點(diǎn)T2（0.9A）滿足440kPa≤T2≤480kPa，特征點(diǎn)T3（1.1A）滿足680kPa≤T3≤720kPa。2）氣控方式下，開(kāi)啟氣壓S0滿足50kPa≤S0≤70kPa，特征點(diǎn)S1（200kPa）滿足140kPa≤S1≤180kPa，特征點(diǎn)S2（400kPa）滿足380kPa≤S2≤420kPa，特征點(diǎn)S3（600kPa）滿足590kPa≤S3≤630kPa。

動(dòng)特性測(cè)試：為了評(píng)價(jià)閥快速制動(dòng)或解除制動(dòng)的性能，需測(cè)試閥的響應(yīng)時(shí)間和釋放時(shí)間。在接受控制信號(hào)后，輸出氣壓值從0上升到額定輸出氣壓值的75%所經(jīng)歷的時(shí)間為響應(yīng)時(shí)間，額定輸出氣壓值下降到該值的15%所經(jīng)歷的時(shí)間為釋放時(shí)間。規(guī)定要求響應(yīng)時(shí)間≤0.4s，釋放時(shí)間≤0.6s。

2檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1裝夾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高實(shí)驗(yàn)效率，方便人員操作過(guò)程中對(duì)被測(cè)閥的快速更換，設(shè)計(jì)了EBS比例繼動(dòng)閥裝夾機(jī)構(gòu)，裝夾機(jī)構(gòu)中的頂蓋、底座和3根支撐桿在測(cè)試中對(duì)被測(cè)閥起到固定作用；選用結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、占用空間小的3組薄型氣缸來(lái)推動(dòng)推桿對(duì)閥口進(jìn)行夾緊、連通并利用堵頭對(duì)被測(cè)試閥的閥口進(jìn)行密封。裝夾機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.2系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)

基于以上測(cè)試需求分析，為保證測(cè)試系統(tǒng)正常運(yùn)行，該系統(tǒng)應(yīng)該具有穩(wěn)定干凈的氣壓源和電流源，控制管路氣體流向的通斷裝置和實(shí)時(shí)監(jiān)控電流、氣壓大小的檢測(cè)裝置?；诖嗽O(shè)計(jì)了EBS比例繼動(dòng)閥測(cè)試系統(tǒng)管路，如圖3所示。

二聯(lián)件由空氣過(guò)濾器和減壓閥組合而成，起過(guò)濾氣源雜質(zhì)以及粗調(diào)氣源壓力的作用，氣源的進(jìn)氣壓力設(shè)置為1.0mPa；40L儲(chǔ)氣罐可以穩(wěn)定氣源壓力給眾多氣路供氣：為達(dá)到更好的測(cè)試效果，除測(cè)試閥P1口、P4口氣密性的支路上采用兩位兩通電磁閥外，其他管路為滿足陜速充排氣的要求，統(tǒng)一采用通徑更大的氣控閥，并獨(dú)立于氣密性的測(cè)試管路：為了兼顧測(cè)試閥在氣控方式下靜特性的特殊供氣需求，測(cè)試氣控口P1氣密性的支路上采用FESTO的電氣比例閥，可以精確、連續(xù)無(wú)極調(diào)節(jié)控制氣壓，壓力范圍為0～1.0mPa；采用RIGOL的可編程電流源為電控口P3提供連續(xù)穩(wěn)定的電流信號(hào)并監(jiān)控讀取測(cè)試回路實(shí)時(shí)電流值，可調(diào)電流范圍為0～1.4A，滿足閥工作所需的電流信號(hào)；閥的輸入口P1、輸出口P2、氣控口P4均裝有HUBA系列高精度氣壓傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)控氣壓變化：采用偉岸系列差壓傳感器可在差壓法測(cè)量密封性時(shí)檢測(cè)到閥口微小泄漏。閥的輸出口P2連接1L儲(chǔ)氣罐，負(fù)責(zé)模擬實(shí)際車輛負(fù)載的工況。

2.3數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以研華工控機(jī)為數(shù)據(jù)處理和控制核心，結(jié)合研華數(shù)據(jù)采集卡PCI-1711和RIGOL可編程電流源組成的控制器進(jìn)行信號(hào)分析與處理。研華數(shù)據(jù)采集卡具有2通道12位模擬量輸出與16通道數(shù)字量輸入輸出以及12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)100kHz，可以滿足高速實(shí)時(shí)、高精度采樣的要求。數(shù)據(jù)采集卡的AI通道用于采集氣壓傳感器的電壓信號(hào)：AO通道輸出可調(diào)電壓控制電氣比例閥輸出氣壓值：DI通道用于處理用戶操作和系統(tǒng)故障判斷：DO通道用于控制電磁閥動(dòng)作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制原理圖如圖4所示。

2.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件采用IabVIEW編寫，采用模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件主要由初始化配置模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊、性能測(cè)試模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、數(shù)據(jù)報(bào)表與打印模塊組成。系統(tǒng)軟件測(cè)試流程如圖5所示。

3測(cè)試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)測(cè)試原理分析，首先將被測(cè)產(chǎn)品固定在裝夾結(jié)構(gòu)上，然后進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試，設(shè)置氣壓供氣壓力為典型值0.8MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后退出裝夾、關(guān)閉電源并切斷氣源。

3.1密封性測(cè)試分析

采用差壓法對(duì)控制口、輸入口氣密性測(cè)試10次后取平均值，測(cè)試結(jié)果如表2所示，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均不大于0.2kPa，符合測(cè)試要求。

3.2特性測(cè)試分析

3.2.1遲滯特性測(cè)試分析

可編程電流源以0.01A電流幅度、100ms時(shí)間間隔，從0緩慢加載到額定最大電流1.4A后再緩慢降為0。電控遲滯特性測(cè)試曲線如圖6所示，相關(guān)測(cè)試參數(shù)值如表3所示。分析可知：開(kāi)啟電流I0為0.5A，遲滯電流Ic為0.23A，特征點(diǎn)T1、T2、T3值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，達(dá)到測(cè)試要求。

3.2.2靜特性測(cè)試分析

電氣比例閥以0.1V電壓幅度、100ms時(shí)間間隔，從0緩慢加載到額定最大電壓10V后再緩慢降為0。氣控靜特性測(cè)試曲線如圖7所示，相關(guān)測(cè)試參數(shù)值如表4所示。分析可知，開(kāi)啟氣壓為58.98kPa，特征點(diǎn)S0、S1、S2、S3值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，達(dá)到測(cè)試要求。

3.2.3動(dòng)特性測(cè)試分析

電控方式下，0時(shí)刻可編程電流源給到最大額定電流1.4A或氣控方式下，電氣比例閥設(shè)置最大額定電壓為10V，待輸出氣壓穩(wěn)定4s后撤去控制信號(hào)，動(dòng)特性測(cè)試曲線如圖8、圖9所示，表5為實(shí)驗(yàn)10次，取平均值得到的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。結(jié)合圖表分析可知：閥在電控方式的動(dòng)特性要優(yōu)于氣控方式：電控方式下，響應(yīng)時(shí)間為0.19s，釋放時(shí)間為0.17s；氣控方式下，響應(yīng)時(shí)間為0.31s，釋放時(shí)間為0.3s，響應(yīng)時(shí)間、釋放時(shí)間均在規(guī)定范圍內(nèi)，達(dá)到測(cè)試要求。

3.3不確定度分析

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)定要求對(duì)EBS比例繼動(dòng)閥性能檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行不確定度評(píng)定。對(duì)電控/氣控方式下，各項(xiàng)參數(shù)分別測(cè)試10組數(shù)據(jù)記錄如表6、表7所示。

測(cè)試系統(tǒng)的誤差主要由測(cè)量重復(fù)性、可編程電流源、氣壓傳感器與數(shù)據(jù)采集卡引起。測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量uA用A類評(píng)定；氣壓、差壓傳感器帶來(lái)的不確定度分量u1與數(shù)據(jù)采集卡帶來(lái)的不確定度分量u2采用B類評(píng)定。

根據(jù)A類評(píng)定公式uA=s/根號(hào)n可以求得，I0、Ic、T1、T2、T3、S0、S1、S2、S3由測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量分別為0.001A，0.001A，0.160kPa，0.200kPa，0.133kPa，0.186kPa，0.244kPa，0.230kPa，0.215kPa。

可編程電流源、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器等引起的不確定度使用B類方法評(píng)定。查閱相關(guān)資料可得，可編程電流源的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1約為0.006A，氣壓傳感器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2約為0.461kPa，數(shù)據(jù)采集卡對(duì)氣壓采集系統(tǒng)造成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3約為0.623kPa，系統(tǒng)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為uc。

根據(jù)公式計(jì)算各合成不確定度如表8所示，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好，滿足測(cè)試要求。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)EBS比例繼動(dòng)閥工作原理的仔細(xì)剖析，在借鑒汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 37——2011和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 12676——2014的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套商用車EBS比例繼動(dòng)閥綜合性能測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠高效、準(zhǔn)確地對(duì)EBS比例繼動(dòng)閥綜合性能進(jìn)行評(píng)判，對(duì)我國(guó)商用車EBS產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)制定具有一定參考意義。