蔡永洪 孫曉輝 譚山

摘要：針對滾筒反力式制動檢測臺傳統(tǒng)檢定方法的不足進行動態(tài)校準技術研究，設計開發(fā)一套基于離心式動態(tài)力標準機的制動臺校準裝置，該裝置由伺服電機驅動多組離心機構做圓周轉動，將可溯源的向心力集中輸出，以此作為參考制動力加載到制動檢測臺，進行工況條件下動態(tài)校準。通過制動檢測臺現場實驗，研究校準裝置和制動檢測臺的測量重復性與動態(tài)特性，分析相關數據和結果。研究發(fā)現：離心式動態(tài)力標準機在階躍激勵下能在200ms內最大輸出3.8kN力，力值標準差不大于5.0N或小于1%，動態(tài)力響應曲線有13%～19%超調量;制動檢測臺的測量結果重復性較差，在力值上升階段最大標準差達到280 N，終值階段的標準差亦達到3%，而且測量值曲線的超調量只有1%～2%，峰值時間滯后約100ms。研究表明，制動檢測臺數據處理存在過度平滑的失真。

關鍵詞：儀器儀表技術;離心式動態(tài)力標準機;動態(tài)校準;滾筒反力式制動檢測臺

中圖分類號：TB921 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）05-0093-05

收稿日期：2018-07-02;收到修改稿日期：2018-08-15

基金項目：國家質量技術監(jiān)督總局科技計劃項目（2016QK031）

作者簡介：蔡永洪（1978-），男，江西大余縣人，高級工程師，博士，從事幾何量與力學計量檢測技術研究。

0 引言

滾筒反力式制動檢測臺（以下簡稱制動臺）是目前國內機動車安檢機構廣泛使用的汽車制動力檢測裝置。根據國家標準GB21861-2014《機動車安全技術檢測項目和方法》和GB/T13564-2017《滾筒反力式汽車制動檢測臺》，制動臺需能測得左、右車輪制動力增長全過程的數值及左、右車輪最大制動力。然而，現行滾筒反力式制動臺檢定規(guī)程是在制動臺電機停轉的情況下使用砝碼或千斤頂加力，以靜態(tài)方式單一檢定測力單元的計量性能。經過檢定“合格”的制動臺檢測數據的重復性和復現性較差，甚至出現檢定為“不合格”的制動臺實際卻是使用正常的情況[1]，如檢定的示值誤差在3%以內，但實際檢測過程中諸如滾筒使用狀況和結構參數、測力單元動態(tài)響應性能、測量電路軟硬件設計等方面對測量值的影響可達35%以上[2-4]。因此，傳統(tǒng)的靜態(tài)檢定方法并不能準確反映出制動臺的實際計量性能。

針對靜態(tài)檢定的不足，國內對滾筒反力式制動檢測臺動態(tài)檢定方法和裝置進行了研究陣[5-11]，常見報道的解決方案有插值法、標準曲線法、替換法和模擬法。其中，插值法是在被檢車輛駛上制動臺按正常情況進行檢測時，通過在靜態(tài)檢定專用杠桿上加載砝碼f或者在力傳感器平衡電橋上并聯電阻（產生模擬制動力f），測得動態(tài)制動力F，若滿足F=F'+f，（F為施加砝碼之前的制動力）則認為檢定合格;標準曲線法是在制動臺測力杠桿上加載標準力值曲線，在檢測狀態(tài)下測得的力值曲線與之比較，實現動態(tài)標定;替換法是使用特制輪胎替換被檢車輛的輪胎，特制輪胎上安裝扭力傳感裝置，可準確測得車輛制動力，與制動臺測量值進行比較，實現動態(tài)標定;模擬法是使用模擬裝置，在滾筒上模擬機動車車輪轉動和制動。

1 離心式動態(tài)力校準裝置研究

廣州計量檢測技術研究院針對滾筒反力式制動檢測臺動態(tài)校準的需求，研制開發(fā)了一套離心式動態(tài)力校準裝置[12-13]，如圖1所示。該裝置主要由動態(tài)力標準機、杠桿機構和測控系統(tǒng)組成。動態(tài)力標準機主要包括電機、離心機構和機筒部分。其中，離心機構是由多組質量塊、轉向架和簧片，以及其他零部件組成。單組離心機構的簡化結構如圖2所示，轉向架是一個直角三角形結構的杠桿，在其三個角端分別安裝簧片與其他零件，其中直角端的簧片有兩個，呈十字交叉布置，分別限制該點的水平和豎直方向自由度，使轉向架只能繞該點轉動，起著支點作用。支點簧片的使用能有效避免使用軸承鉸支座帶來的摩擦與游隙。當離心機構旋轉時，質量塊通過簧片拽動轉向架的上端，轉向架則繞底部支點在另一端拽動頂桿，頂桿再將力輸出。合理設計轉向架的杠桿比，可實現力值的放大。由于質量塊的質量、轉動速度和半徑均直接溯源到計量基本單位kg、m和s，因此由標準機復現的動態(tài)力滿足量值溯源性原則。校準裝置的測控系統(tǒng)采用了伺服控制技術，可靈活處理激勵信號并精確控制運動參量，實現動態(tài)力過程控制。

動態(tài)力標準機使用電機作激勵源。為了獲得較高的響應速度和控制精度，選用電機慣量小、轉矩大、編碼器線數高的直驅伺服電機，額定轉速為500r/min，最大轉速達800r/min，峰澎紹電為16.9N·m，集成了27位高分辨率正弦編碼器，重復性小于1"?；诖?，所研制的滾筒反力式制動檢測臺用離心式動態(tài)力校準裝置的最大輸出力11.3kN，上升時間<300ms，重復性優(yōu)于2%。

使用時，動態(tài)力標準機的頂桿與杠桿機構的受力端面接觸，杠桿機構的另一側受力端則與制動臺的測力桿連接。杠桿應調節(jié)至水平并保持相同初始力狀態(tài)。

2 制動臺動態(tài)校準實驗研究

使用離心式動態(tài)力校準裝置對滾筒反力式制動檢測臺進行性能研究，如圖3所示。實驗選用某公司生產制造的滾筒反力式汽車制動檢測臺，最大軸荷10t，杠桿比5：1，經靜態(tài)檢定為合格。

2.1 動態(tài)參考力與量值重復性

圖4是動態(tài)力標準機在階躍響應模式下電機轉速達到400，450，500r/min時的參考力曲線（1daN=10N）。由圖可知，動態(tài)參考力在上升時間里加速遞增，能在200ms內最大輸出3.8kN，而且3個轉速的參考力曲線的上升線段幾乎重合，表現出了良好的量值重復性。由于電機轉速的加速度是由電機轉矩決定的，階躍啟動時轉矩最大，因此量值重復性與電機轉矩的精確控制密切相關。圖中上升線段重合表明電機轉矩特性硬，恒矩控制準確。

圖5是電機階躍400r/min的參考力曲線及其絕對標準差（a）和相對標準差（b）。由圖5（a）可知，當力值上升時，標準差隨之增大，最大為16N;當力值調節(jié)時，標準差急劇減小;當力值穩(wěn)定時，標準差處于較低水平。這是因為電機運轉在轉速控制模式，當轉速達到目標值后，啟動反饋控制，轉速精度立即提高，與轉速呈指數關系的參考力的標準差和重復性便得以顯著改善。從圖5（b）得知，相對標準差總體趨勢是在響應時間里迅速下降，雖然在起步階段的0～100ms里相對標準差大于1%，實際絕對標準差卻小于5N。當力值達到1.3kN后，重復性優(yōu)于1%;當力值趨于恒定時，重復性優(yōu)于0.2%。

2.2 制動臺動態(tài)測量結果

圖6是階躍激勵的參考力曲線（主縱坐標）和制動臺的測量值曲線（次縱坐標），其中（a）、（b）、（c）分別對應電機階躍至400，450，500r/min。由圖可知，參考力曲線有明顯的過沖和回調，超調量13%～19%，調節(jié)時間短;而測量值曲線卻無觀察到過沖，超調量只有1%～2%。經過進一步比較發(fā)現，當參考力曲線達到峰值開始回調時，測量值曲線仍在上升，但明顯趨于減緩;當參考力曲線調節(jié)結束達到終值時，測量值曲線亦趨于穩(wěn)態(tài)。這表明制動臺動態(tài)測量中存在滯后和失真的情況。雖然結構剛性、傳感器性能、測量系統(tǒng)的濾波電路和數據采樣處理都是影響動態(tài)測量結果的因素，但在本實驗中，制動臺測量系統(tǒng)的數據采樣間隔為10ms（采樣頻率100Hz），系統(tǒng)中單片機程序采用了窗口平均值法做數據平滑處理，窗口的數據點為20個，周期為200ms，這比圖6所示參考力曲線過沖再回調的時間（約100ms）還大，將造成測量結果被過度平滑。

通過進一步比較參考力曲線與測量值曲線的上升時間（見圖7）和峰值時間（見圖8）可知，測量值曲線的上升時間和峰值時間存在明顯滯后，其中峰值時間滯后約100ms。這與采樣數據的平滑處理有關，但響應終值越大響應時間越長的線性變化趨勢仍在測量結果中得以體現，說明測量結果仍可準確反映制動力的變化趨勢。圖7所示測量值的上升時間線性較差，是由于測量采樣時間間隔相比上升時間變化較大所造成的誤差。

圖9是力標準機階躍400r/min的制動臺測量值曲線與量值標準差。比較圖9和圖5，制動臺測量值標準差呈現出與參考力標準差基本一致的變化趨勢，但最大標準差達到了280N，相對標準差在力值上升階段亦達到10%左右，在達到終值階段仍然有3%。這說明，制動臺的測量結果中除了參考力引入不確定度以外，還有其他分量引入，造成測量準確度下降;而且，上升階段的動態(tài)力測量重復性要明顯差于終值階段的靜態(tài)力測量重復性。3結束語

通過對離心式動態(tài)力校準裝置與滾筒反力式制動檢測臺動態(tài)校準的研究可知：

1）所研制的離心式動態(tài)力標準機量值重復性不大于5N或優(yōu)于1%，在階躍激勵下能在200ms內最大輸出3.8kN力，而且動態(tài)力響應曲線有較明顯的過沖和回調過程;

2）所試驗的滾筒反力式制動檢測臺由于數據平滑處理窗口周期較長，以致測量結果出現過度平滑和滯后;然而，測量結果仍可準確反映制動力的變化趨勢;

3）所試驗的滾筒反力式制動檢測臺測量重復性相比力標準機有較大下降，而且動態(tài)力的測量重復性明顯差于靜態(tài)力的測量重復性。

滾筒反力式制動檢測臺動態(tài)校準是準確評價制動臺計量性能的技術發(fā)展趨勢?；陔x心式動態(tài)力標準機對制動臺進行動態(tài)校準是一種具有應用價值的創(chuàng)新探索。

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（編輯：徐柳）