胡曉峰　陸藝　羅哉　范偉軍　陳俊杰

摘要：針對(duì)離合總泵性能測(cè)試項(xiàng)目單一，難以復(fù)測(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，引入高精度數(shù)據(jù)采集、伺服精密控制、氣動(dòng)比例抓取等技術(shù)，研制一套雙工位綜合性能測(cè)試系統(tǒng)。工位一用于密封測(cè)試，工位二用于動(dòng)態(tài)行程及真空性測(cè)試，設(shè)計(jì)基于伺服線性滑臺(tái)和抓取氣缸的拾取機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工位間的移動(dòng)?；诠δ苣K化設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)以工控計(jì)算機(jī)為載體，數(shù)據(jù)采集與處理模塊實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的輸入與調(diào)理，設(shè)計(jì)精密伺服加載機(jī)構(gòu)復(fù)現(xiàn)實(shí)車環(huán)境下離合作業(yè)狀態(tài)，基于LabVIEW開發(fā)測(cè)試軟件。完成系統(tǒng)的標(biāo)定與試驗(yàn)，引入測(cè)量系統(tǒng)分析開展重復(fù)性分析。結(jié)果表明：功能項(xiàng)測(cè)量能力指數(shù)Cg均≥1.67，量具R&R貢獻(xiàn)率<30%，測(cè)試時(shí)間小于2min/件，滿足系統(tǒng)在線測(cè)試需求。

關(guān)鍵詞：離合總泵;密封測(cè)試;動(dòng)態(tài)特性測(cè)試;測(cè)量系統(tǒng)分析

中圖分類號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674–5124（2019）03–0101–07

Development of performance test system for clutch master cylinder

HU Xiaofeng1， LU Yi1， LUO Zai1， FAN Weijun2， CHEN Junjie1

（1. China Jiliang University， Hangzhou 310018，China;

2. Hangzhou Wolei Science &Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310019，China）

Abstract： At current the test items of clutch master cylinder is simple and can't be repeat the dynamic response characteristic. Therefore， it is introduced the high precision data acquisition， servo precision control technology， pneumatic grasp control technology. Based on the above techniques， it is developed a set of double station comprehensive detection system. which realizes the sealing test on test station one and meanwhile dynamic travel and vacuum test on test station two. Designed the picking mechanism based on servo linear slide table and grabbing cylinder， the product can be achieved with moving between the test stations. Based on design concept of function modularization， the test system takes industrial computer as the carrier and the data acquisition and processing module realizes sensor signal input and conditioning. Meanwhile designed the precision servo loading mechanism can be reappeared the clutch response on the real driving condition and developed the teast soft based on LabVIEW. Completed calibration and test of the system， and then adopted the MSA to analyze the repeatability of system.The test result showed that the measurement capability index （Cg） of test item is larger than 1.67， R&R is less than 30%， test time of one product test is less than 2 min， and system meets the online testing requirements.

Keywords： clutch master cylinder; tightness test; dynamic performance test; MSA

0 引言

離合系統(tǒng)作為車輛操控的核心系統(tǒng)，承擔(dān)行車過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱間的離合作業(yè)，離合總泵則提供液壓助力減輕駕駛員踩踏力度，確保車輛離合平順性。因而對(duì)離合總泵展開測(cè)試和評(píng)估是確保離合系統(tǒng)正常作業(yè)、行車安全的必要措施之一[1]。

國(guó)內(nèi)對(duì)離合總泵性能測(cè)試和設(shè)計(jì)已開展了相關(guān)研究，但缺乏集成度高、功能全面、適應(yīng)生產(chǎn)在線測(cè)試的裝置。例如孫銳[2]基于PLC和差壓測(cè)試法研制離合器主缸檢測(cè)臺(tái)，對(duì)其低壓密封性展開測(cè)試;高智[3]利用電機(jī)控制技術(shù)模擬實(shí)車離合過(guò)程，研制離合器性能試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)靜扭特性、摩擦特性檢測(cè);張羽[4]基于ARM開發(fā)離合器性能檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分離特性和負(fù)荷特性的測(cè)試;李占旗等[5]針對(duì)雙離合器硬件在環(huán)測(cè)試需求，基于Simulink建立雙離合器自動(dòng)變速器實(shí)時(shí)仿真模型，開展離合功能故障仿真實(shí)驗(yàn);以及對(duì)新型干、濕離合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真等研究現(xiàn)狀[6]?？偠灾?，針對(duì)汽車領(lǐng)域離合總泵測(cè)試研究相對(duì)甚少，測(cè)試項(xiàng)目圍繞密封性開展，缺乏對(duì)其動(dòng)態(tài)離合特性、真空特性的綜合測(cè)試，系統(tǒng)整體信息化程度低，無(wú)法融入企業(yè)MES系統(tǒng)，易形成“信息孤島”。而國(guó)外對(duì)離合系統(tǒng)研究伴隨其汽車工業(yè)發(fā)展，技術(shù)成熟，以WABCO、KNORR等業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的離合系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)為例，擁有獨(dú)立設(shè)計(jì)能力和成套生產(chǎn)、檢測(cè)設(shè)備，且研究集中于新型離合系統(tǒng)開發(fā)及整體系統(tǒng)集成測(cè)試階段，對(duì)單一部件性能檢測(cè)較少，且檢測(cè)設(shè)備價(jià)格昂貴，售后維護(hù)成本高，可擴(kuò)展性差[7-9]。

針對(duì)離合總泵測(cè)試存在的不足，研制綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其密封特性、真空特性及動(dòng)態(tài)行程特性的測(cè)試以及信息數(shù)據(jù)溯源管理。本系統(tǒng)在提高離合總泵制造企業(yè)檢測(cè)能力、提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，有助于強(qiáng)化“工業(yè)4.0”背景下企業(yè)產(chǎn)品制造技術(shù)水平，提升信息化管理能力，促進(jìn)企業(yè)智能制造新范式的深度融合。

1 離合總泵工作原理

離合系統(tǒng)，作為車輛傳動(dòng)中承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳承的控制機(jī)構(gòu)，確保車輛起步平穩(wěn)及換擋平順，防止傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)載。圖1為離合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。離合總泵1作為離合系統(tǒng)的執(zhí)行單元，響應(yīng)來(lái)自離合踏板2的離合強(qiáng)度，控制并輸出液壓助力至離合器3，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間的分離和接合，以切斷或傳遞動(dòng)力的輸出。

圖2為離合總泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。離合作業(yè)時(shí)，離合踏板作為輸入端連接推桿6，液壓油由進(jìn)液口4在活塞8的作用下建壓并經(jīng)出液口10輸出。

2 測(cè)試方案與評(píng)定方法

2.1 系統(tǒng)測(cè)試方案設(shè)計(jì)

根據(jù)QC/T1011-2015《離合器液壓氣助力系統(tǒng)總泵技術(shù)要求和臺(tái)架試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)與企業(yè)測(cè)試指導(dǎo)需求，制定離合總泵性能測(cè)試方法，確定測(cè)試系統(tǒng)軟硬件技術(shù)方案與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

性能測(cè)試項(xiàng)目：密封性，包括總成氣壓密封性（p1）、動(dòng)態(tài)離合密封性（p2）;真空特性，即單位測(cè)試時(shí)間內(nèi)總成真空壓降（p3）;動(dòng)態(tài)行程-力特性，即初始行程至特征位C1處（活塞位置36～36.5mm）活塞力（F1）、由特征位C1處回退至特征行程位C2處（活塞位置2.0～2.2mm）活塞力（F2）、由特征位C2處移動(dòng)至特征行程位C3處（活塞位置31.0～31.5mm）活塞力（F3）、繼續(xù)推動(dòng)活塞前移再退回C3處活塞力（F4），計(jì)算動(dòng)態(tài)行程活塞力差值（△F=|F3-F4|）。

表1為離合總泵性能測(cè)試參數(shù)。

性能測(cè)試方法：總成氣壓密封性，即非工作狀態(tài)密封性，采用差壓測(cè)試方法，由進(jìn)液口輸入額定工作氣壓，待穩(wěn)壓若干時(shí)間后，實(shí)時(shí)采集離合總泵與標(biāo)準(zhǔn)腔的壓降值p1，差壓測(cè)量范圍為–1～5kPa[10];動(dòng)態(tài)離合密封性，即工作狀態(tài)密封性，采用直壓測(cè)試方法，由進(jìn)液口輸入額定工作氣壓，推動(dòng)活塞至離合總泵腔室內(nèi)部壓力達(dá)到額定壓力，待穩(wěn)壓若干時(shí)間后，實(shí)時(shí)采集壓降值p2，壓力測(cè)量范圍為0～1MPa;總成真空特性，封堵離合總泵進(jìn)液口，推動(dòng)活塞由初始靜止?fàn)顟B(tài)位置行進(jìn)至補(bǔ)償口位置且封堵補(bǔ)償口，通過(guò)真空泵對(duì)腔室內(nèi)抽真空小于300Pa，穩(wěn)定若干時(shí)間后記錄初始真空值p初，經(jīng)平衡階段后記錄真空值p末，獲取真空壓降值p3=|p初-p末|，壓降合格范圍0～200Pa;動(dòng)態(tài)行程特性，即特征位活塞力測(cè)量，輸入額定工作液壓，推動(dòng)活塞以5mm/s加載速率行進(jìn)至特征位置（C1、C2、前進(jìn)至C3、回退至C3），采集特征位置處活塞反饋力（F1、F2、F3、F4），活塞力測(cè)量范圍為0～200N，制動(dòng)位移測(cè)量范圍為0～100mm。

根據(jù)離合總泵工作原理和性能測(cè)試需求分析，滿足企業(yè)生產(chǎn)在線節(jié)拍（2min/件）及工作穩(wěn)定性要求，采用雙工位布局方式研制了離合總泵綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，可同時(shí)開展密封特性檢測(cè)和動(dòng)態(tài)行程檢測(cè)。整體系統(tǒng)由功能硬件模塊、測(cè)試軟件、機(jī)械平臺(tái)、氣壓回路、上位機(jī)控制系統(tǒng)等模塊構(gòu)成。

2.2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件基于模塊化設(shè)計(jì)思路，以工控計(jì)算機(jī)為載體，按功能定義劃分為數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理、運(yùn)動(dòng)控制與反饋、數(shù)字信號(hào)輸入與輸出電路、物理信息通信、裝夾氣路與輔助回路及系統(tǒng)機(jī)械臺(tái)架等單元模塊[11]。圖3為系統(tǒng)硬件功能模塊結(jié)構(gòu)圖。

數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理模塊：以PCI-1716高精度數(shù)據(jù)采集卡為核心，以中斷方式采集模式獲取位移、壓力、力、差壓、真空傳感器信號(hào)及控制按鈕、合格指示燈、安全光柵、運(yùn)行狀態(tài)故障等數(shù)字量信號(hào)的輸入與輸出。針對(duì)測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試量程、精度指標(biāo)等要求，選擇各路傳感器。采用差分式模擬量輸入接線方式，有效減少耦合到信號(hào)中的噪聲。

數(shù)字信號(hào)輸入與輸出電路：傳感器輸出信號(hào)幅值較小，響應(yīng)速率快，而車間電信號(hào)環(huán)境復(fù)雜，為提升采樣信號(hào)信噪比，設(shè)計(jì)了基于RC網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)放的有源濾波電路，采用隔離變壓器將數(shù)據(jù)采集與運(yùn)動(dòng)控制高頻信號(hào)源隔離，減少采樣信號(hào)中的高頻雜波信號(hào)，提高微弱感應(yīng)信號(hào)的信噪比[12]。

運(yùn)動(dòng)控制與反饋模塊：針對(duì)離合作業(yè)動(dòng)態(tài)行程響應(yīng)測(cè)試需求，設(shè)計(jì)基于伺服運(yùn)動(dòng)控制的精密加載機(jī)構(gòu)。以運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服加載系統(tǒng)為控制核心，輔以滾珠絲桿、精密伺服減速器、聯(lián)軸器、推桿等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)線性可控加載，復(fù)現(xiàn)實(shí)車工作狀態(tài)下離合踏板作業(yè)，加載過(guò)程中實(shí)時(shí)采集力、位移等傳感器。圖4為精密伺服加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

機(jī)械平臺(tái)：基于雙工位獨(dú)立設(shè)計(jì)，平臺(tái)由測(cè)試工位、伺服加載機(jī)構(gòu)、裝夾工裝及操作系統(tǒng)構(gòu)成。平臺(tái)如圖5所示，左側(cè)為裝夾和測(cè)試工位，工位一用于密封測(cè)試，工位二用于動(dòng)態(tài)行程及真空性測(cè)試，通過(guò)伺服抓取機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工位間的移動(dòng)，右側(cè)為計(jì)算機(jī)及操作工位，平臺(tái)下方為測(cè)試氣路。

圖6為測(cè)試系統(tǒng)氣路圖。氣路設(shè)計(jì)分為密封測(cè)試回路、行程特征及真空測(cè)試回路、輔助裝夾回路3路獨(dú)立氣路，設(shè)置單向閥降低工作壓降擾動(dòng)。

物理信息通信模塊：設(shè)計(jì)基于ARM的通信控制終端系統(tǒng)，集成USB、串口、TCP/IP、I/O等數(shù)據(jù)接口，圖7為終端架構(gòu)體系。

通過(guò)物理信息通信模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試任務(wù)傳輸、下達(dá)及信息采集、存儲(chǔ)，確保數(shù)據(jù)真實(shí)性，消除非標(biāo)測(cè)試設(shè)備“信息孤島”，更好融入MES系統(tǒng)。

2.3 測(cè)試軟件功能設(shè)計(jì)

以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，基于柔性化設(shè)計(jì)思路，將程序分為測(cè)試流模塊和功能測(cè)試模塊。根據(jù)功能定義，將數(shù)據(jù)采集處理、行程動(dòng)態(tài)加載、產(chǎn)品拾取安放、數(shù)據(jù)溯源、參數(shù)管理等分裝成獨(dú)立VI，通過(guò)方法節(jié)點(diǎn)和狀態(tài)機(jī)根據(jù)測(cè)試流程動(dòng)態(tài)載入功能模塊，實(shí)現(xiàn)性能測(cè)試[13]。圖8為軟件測(cè)試流程圖。

系統(tǒng)初始化自檢，檢測(cè)產(chǎn)品到位信號(hào)后，拾取機(jī)構(gòu)抓取被測(cè)產(chǎn)品，置于工位一，讀取測(cè)試參數(shù)進(jìn)行密封測(cè)試。密封測(cè)試合格，由拾取氣爪抓取并將其置于工位二，讀取測(cè)試參數(shù)，進(jìn)入動(dòng)態(tài)行程、真空度項(xiàng)測(cè)試。單功能測(cè)試完畢，若測(cè)試不合格，則將其置于待返工工裝位，報(bào)警提示。所有項(xiàng)測(cè)試合格，打印產(chǎn)品信息二維碼，上傳測(cè)試數(shù)據(jù)，抓取并將其置于合格產(chǎn)品傳輸帶，輸出測(cè)試報(bào)告。

3 測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

為確保測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，對(duì)系統(tǒng)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。已知傳感器輸入輸出特性，采用高等級(jí)量具對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，獲取其靜態(tài)曲線，采用最小二乘法計(jì)算得到更精確的數(shù)學(xué)模型，模型表達(dá)式為：

y=c+kx

式中：x——輸入量;

y——輸出量;

c——零位輸出;

k——傳感器靈敏度。

以位移傳感器標(biāo)定為例，選用平頭千分尺作為評(píng)定工具，根據(jù)制動(dòng)行程設(shè)置標(biāo)定范圍為0～40mm，間隔為2mm，測(cè)量精度為0.001mm，得到模型方程為y=19.96x+0.018，將計(jì)算得到的靈敏度k、零位值c保存至系統(tǒng)傳感器參數(shù)。

3.2 性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

性能測(cè)試前，各項(xiàng)測(cè)試參數(shù)如表2、表3所示。

完成測(cè)試條件設(shè)置，將待測(cè)產(chǎn)品放入安放工位，由伺服氣爪拾取依次放入密封檢測(cè)工位、行程特性檢測(cè)進(jìn)入測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果評(píng)估如表4。

結(jié)果表明：系統(tǒng)功能完善，產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)合格。

3.3 測(cè)量系統(tǒng)分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JBT10633-2006《專用檢測(cè)設(shè)備評(píng)定方法指南》，采用MSA的測(cè)量能力指標(biāo)和交叉量具R&R研究方法對(duì)重復(fù)性進(jìn)行評(píng)價(jià)[14-15]。選擇25件合格樣品，由同一測(cè)試人員在相同測(cè)試條件下，對(duì)每個(gè)產(chǎn)品重復(fù)測(cè)試2遍，共計(jì)50組數(shù)據(jù)。

測(cè)量能力指標(biāo)計(jì)算公式：

式中：Xi——單次測(cè)得數(shù)據(jù);

n——測(cè)量次數(shù);

Sg——標(biāo)準(zhǔn)偏差;

T——合格公差;

Cg——測(cè)量能力指數(shù)。

表5為系統(tǒng)各功能項(xiàng)重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)。

表6為系統(tǒng)重復(fù)性評(píng)定數(shù)據(jù)。依據(jù)評(píng)定方法指南：對(duì)于新系統(tǒng)驗(yàn)收，要求各測(cè)試項(xiàng)測(cè)量能力指數(shù)C≥1.67[16]。

結(jié)果表明：各項(xiàng)測(cè)量能力指標(biāo)Cg均大于1.67，驗(yàn)證了測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性。

采用MSA中的交叉量具R&R研究方法對(duì)系統(tǒng)重復(fù)性&再現(xiàn)性展開評(píng)價(jià)，針對(duì)25個(gè)部件分別在兩個(gè)工位由不同的操作人員獨(dú)立測(cè)試25遍，利用Minitab軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)部件測(cè)試數(shù)據(jù)采用極差控制圖表示測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)性，樣本極差計(jì)算公式為R=Xgmax-Xgmin，其中Xgmax、Xgmin分別為單件部件測(cè)量值中的最大值與最小值，UCL、LCL分別為極差控制上限、下限。

量具R&R貢獻(xiàn)率是指測(cè)量系統(tǒng)R&R標(biāo)準(zhǔn)差在總觀測(cè)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)差中所占的百分比，其數(shù)學(xué)公式為

式中：σMS——系統(tǒng)波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差;

σRPD——再現(xiàn)性方差;

σRPT——重復(fù)性方差;

σTotal——系統(tǒng)與過(guò)程整體標(biāo)準(zhǔn)差;

σp——過(guò)程波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差;

R&R=6σMS，即對(duì)應(yīng)于99.73%的置信度。

圖9為以C1項(xiàng)為例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖9（a）為極差控制圖，均值為0.396，上限為1.294，下限為0，單位為N，所有樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)均位于極差控制公差限內(nèi)，表明系統(tǒng)重復(fù)性誤差較小;圖9（b）為誤差波動(dòng)源分量，依據(jù)表7測(cè)量系統(tǒng)貢獻(xiàn)率判斷標(biāo)準(zhǔn)，圖中量具R&R貢獻(xiàn)率為18.23%<30%，表明測(cè)試系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性水平較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于離合總泵結(jié)構(gòu)特征和工作原理，制定性能測(cè)試方案，設(shè)計(jì)精密伺服加載機(jī)構(gòu)，研制了雙工位離合總泵綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其密封性、動(dòng)態(tài)行程、真空度等性能測(cè)試。經(jīng)重復(fù)性評(píng)定，系統(tǒng)各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)均符合《專用檢測(cè)設(shè)備評(píng)定方法指南》中對(duì)新設(shè)備的驗(yàn)收要求，現(xiàn)投入重慶卡福離合總泵類產(chǎn)品的出廠質(zhì)量檢測(cè)。

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（編輯：劉楊）