范偉軍，翟儉超，李 君，周錦浩，郭 斌

(1.中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測試工程學(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)

0 引言

在新能源汽車和自動駕駛的發(fā)展背景下，真空助力器已滿足不了智能制動需求，逐漸被電動助力器替代。電動助力器利用電機(jī)推動主缸活塞，將扭矩力轉(zhuǎn)化為輸出推力，進(jìn)行線控制動。目前有兩種主流的方案，一種是以iBooster和e－ACT為代表的機(jī)電伺服液壓制動系統(tǒng)［1］，另一種是以IBC和MK－C1為代表的集成式液壓制動系統(tǒng)，它的集成度更高，包含了真空泵、真空助力器以及電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESC)的功能［2］。

發(fā)達(dá)國家電動助力器的研制水平已相當(dāng)成熟，但相關(guān)的裝配設(shè)備、裝配技術(shù)、檢測指標(biāo)以及測試流程等都對我國進(jìn)行封鎖，無法進(jìn)行借鑒。伴隨產(chǎn)品的逐步研制，國內(nèi)在電動助力器檢測方法研究和設(shè)備研制等方面開始起步，王憲科對汽車電動制動助力器性能測試臺架進(jìn)行了研究，對其建壓時(shí)間、壓力及快速/慢速制動等常規(guī)工作特性展開檢測［3］，對傳動機(jī)構(gòu)的缺陷檢測未涉及到。在汽車齒輪傳動類零件故障診斷方面，合肥工業(yè)大學(xué)趙志軍基于階次分析與振速法的汽車主減速器進(jìn)行了在線質(zhì)量檢測研究［4］;同濟(jì)大學(xué)的王遠(yuǎn)程提出了階次分析在齒輪變速箱故障診斷中的應(yīng)用［5］，這些診斷都是基于勻速旋轉(zhuǎn)且旋轉(zhuǎn)周期已知的情況下展開研究，對于電動助力器制動時(shí)非勻速且旋轉(zhuǎn)周期未知的情況沒有相關(guān)的文獻(xiàn)資料提及。目前，電動助力器的傳動故障，常規(guī)檢測無法識別，通過采集助力器制動過程中振動信號和位移信號，并分離出故障特征數(shù)據(jù)，識別傳動故障，完善助力器的研發(fā)設(shè)計(jì)與性能評價(jià)，避免有安全隱患的助力器流入市場。

1 測試需求分析

1.1 電動助力器振動源及評判指標(biāo)

電動助力器如圖1所示，由直流無刷電機(jī)、單級齒輪、滾珠絲桿傳動機(jī)構(gòu)、踏板行程傳感器和ECU控制單元組成。踏板行程傳感器感知駕駛者踩下剎車的行程，并將信號處理后傳給電控單元ECU，然后ECU控制內(nèi)置電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。大齒輪在電機(jī)齒輪帶動下，推出滾珠絲桿，絲桿帶動輸出推桿，將電機(jī)的扭矩力轉(zhuǎn)化為滾珠絲桿的推力，實(shí)現(xiàn)電控制動。在制動過程，當(dāng)齒輪出現(xiàn)缺齒、磨損、齒面膠合、裂紋等問題時(shí)，齒輪的嚙合的頻率會改變，產(chǎn)生異常的振動和響聲。

對于電動助力器而言，電機(jī)輸出的能量傳至殼體，由齒輪缺陷導(dǎo)致的周期性振動會引起輸出的能量增加，通常采用均方根值統(tǒng)計(jì)計(jì)算總體的能量損耗。均方根值表示的是信號的平均值，在描述功率和能量的總體強(qiáng)弱有很好的代表性。公式如下:

式中:N為測試的點(diǎn)數(shù);x(i)為每點(diǎn)采集的振動加速度。

均方根值是對時(shí)間的平均，能對表面裂紋等具有無規(guī)則振動波形的異常做出恰當(dāng)?shù)脑u價(jià)［6］。但是對于缺齒等具有瞬時(shí)沖擊振動的故障不適用，對于這種形態(tài)的故障，可用峰值因子對缺陷細(xì)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判斷。它表征了信號波峰的明顯程度，越高的峰值因子意味著更明顯的波峰，峰值因子的計(jì)算公式如下:

式中max|x(t)|為振動的最大值。

在軸承的故障診斷中，需要知道振動分布特性的數(shù)值統(tǒng)計(jì)量，而峭度是表示波形平緩程度的，用于描述變量的分布，對沖擊信號反應(yīng)特別敏感，特別適合電動助力器齒輪表面損傷故障的診斷。峭度的公式如下:

綜上所述，磨損、裂紋等齒輪故障產(chǎn)生的低頻信號可以用均方根值表征;缺齒等故障產(chǎn)生的高頻信號用峰值因子表征;峭度能反映磨損、裂紋、缺齒等故障形態(tài)。

1.2 測試需求

為實(shí)時(shí)繪制出時(shí)間－振動特性曲線，計(jì)算出均方根值RMS、峰值因子Crest和峭度K，獲取振動加速度是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。測試系統(tǒng)需要有固定產(chǎn)品和安裝傳感器的測試工裝夾具、模擬主缸和卡鉗的液壓制動裝置、采集電動助力器振動加速度和控制運(yùn)動的測控裝置以及連接電動助力器ECU的通訊系統(tǒng)。

首先，電動助力器的傳動故障測試需要一個(gè)穩(wěn)定的測試工裝，盡量排除環(huán)境干擾。參考GB/T 6404.2－2005齒輪裝置的驗(yàn)收規(guī)范第2部分:驗(yàn)收試驗(yàn)中齒輪裝置機(jī)械振動的測定，振動測試有箱體測量和軸測量兩種形式，鑒于電動助力器屬于滾動軸承作支撐的齒輪裝置，為有效地識別出傳動機(jī)構(gòu)的故障，故采用箱體測量的方式。振動傳感器的安裝既要緊密地貼合在助力器箱體，又不能損壞傳感器，同時(shí)保證傳感器裝卸方便，提高在線檢測的效率，需要一套自動加載振動傳感器的裝置。

為使電動助力器傳動機(jī)構(gòu)測試數(shù)據(jù)更接近實(shí)況，需要有液壓制動系統(tǒng)的模擬裝置模擬實(shí)車工況。一方面，電動助力器輸出端要有建壓主缸和液壓管路，推動主缸前必須給主缸注油，每次測試的重復(fù)注油，不僅浪費(fèi)時(shí)間和成本，而且污染未出廠的產(chǎn)品，為確保測試一致性，最好的方式是使用公用主缸?？紤]到助力器與制動主缸的快速對接，需要有一套自動快速裝載主缸的裝置。另一方面，為了模擬卡鉗工作狀態(tài)，需要有液壓模擬負(fù)載裝置，考慮到調(diào)節(jié)制動主缸的工作行程和預(yù)壓力，該負(fù)載要靈活可調(diào)，適應(yīng)不同的工況。

測試之前，需要與助力器ECU交互，在AEB(自動緊急剎車)模式下，測試系統(tǒng)與ECU通訊，控制電動助力器分別以不同的速度加載制動，完成在不同工況下的測試，采集助力器運(yùn)行時(shí)箱體的振動加速度，需要有與助力器ECU通訊的系統(tǒng)。

測試過程中，需要一套負(fù)責(zé)運(yùn)動控制和數(shù)據(jù)采集的測控裝置。運(yùn)動控制裝置調(diào)節(jié)主缸的位置，開關(guān)液壓管路的電磁閥;采集裝置獲取助力器振動加速度、輸出力和位移的數(shù)據(jù)。為得到振動加速度信號，要選用合適的振動傳感器，在實(shí)際采樣中，需要滿足采樣定理，假設(shè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的最大轉(zhuǎn)速為Rm的最大分析階次為Om，測量過程中最低采樣率為［7］

設(shè)待測電動助力器最高階次為71階，最大轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，所以最低采樣率為4 260 Hz，故傳感器的頻率響應(yīng)要大于5 kHz。考慮到振動是高速變化的信號，選擇高頻率的采集卡，匹配傳感器的快速響應(yīng)。采集卡的采集頻率要大于10 kHz，分辨率不低于16位。系統(tǒng)主要的技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于以上的測試要求，該系統(tǒng)應(yīng)該具有固定助力器和加載傳感器的測試工裝，模擬實(shí)車運(yùn)行狀態(tài)的液壓負(fù)載裝置，監(jiān)控運(yùn)動過程的測控裝置，以及與助力器ECU交互的通信系統(tǒng)。

2.1 測試工裝設(shè)計(jì)

電動助力器采用臥式裝夾，測試工裝底板下安裝防震墊，消除了地面震動的影響。如圖2所示，液壓缸固定在液壓缸安裝板上，液壓缸輸出推桿與產(chǎn)品壓緊塊連接，可以帶動產(chǎn)品壓緊塊沿著滑軌移動。電動助力器放置在仿形工裝——產(chǎn)品定位塊上，完成產(chǎn)品的粗定位。電動助力器右側(cè)有產(chǎn)品靠板，靠板上開有定位孔，助力器輸出端對準(zhǔn)定位孔，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的細(xì)定位。產(chǎn)品壓緊塊通過液壓缸推出，與產(chǎn)品靠板一起緊緊夾住待測電動助力器。液壓缸可以承受電動助力器運(yùn)行時(shí)的反作用力，避免在測試過程中產(chǎn)品反向移動，保證了一個(gè)穩(wěn)定的測試狀態(tài)。振動測試點(diǎn)選擇在助力器殼體，為既不影響電動助力器的裝夾，又能快速地固定振動傳感器，測試工裝采用滑臺氣缸推出振動測試裝置，測試氣缸帶動振動傳感器輕輕貼在助力器殼體表面。

圖2 測試工裝機(jī)械圖

2.2 液壓制動模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓制動系統(tǒng)由助力器、制動主缸、卡鉗以及液壓管路等組成。為了更準(zhǔn)確地檢測電動助力器傳動故障，測試系統(tǒng)采用制動主缸+彈簧負(fù)載的模式，模擬主缸和卡鉗等后續(xù)的液壓制動系統(tǒng)。電動助力器輸出推桿推動制動主缸，建立液壓，通過液壓管路傳送到負(fù)載。為匹配不同產(chǎn)品的行程和預(yù)壓力，選用彈簧負(fù)載負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)。如圖3所示，測試系統(tǒng)液路圖由制動主缸、彈簧負(fù)載、電磁閥、隔膜泵、油杯、快插以及液壓管路等組成。

圖3 測試系統(tǒng)液路圖

如圖4所示，彈簧負(fù)載由二級彈簧耦合而成，彈簧前端是活塞及其頂桿，彈簧的彈力等于制動液對活塞的壓力。彈簧后端是彈簧墊片，調(diào)節(jié)負(fù)載調(diào)節(jié)螺桿可以改變彈簧墊片的位置。液壓腔體和彈簧腔體可分離的設(shè)計(jì)，便于更換不同尺寸的彈簧，改變彈簧的勁度系數(shù)，調(diào)節(jié)制動主缸的工作行程。當(dāng)選定彈簧后，通過改變彈簧墊片的位置實(shí)現(xiàn)彈簧的壓縮與拉伸，調(diào)節(jié)預(yù)壓力，適應(yīng)不同的工況。

圖4 彈簧負(fù)載三維圖

主缸的工作行程和預(yù)壓力主要由彈簧負(fù)載來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)助力器與主缸總成之間的空行程還是靠制動主缸移動裝置?？紤]到在線檢測產(chǎn)品快速裝載的問題，采用伺服電動缸移動主缸的方式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和主缸的快速對接和解除。如圖5所示，制動主缸移動裝置包含制動主缸、伺服電動缸、壓力傳感器、位移傳感器等。電動助力器輸出端的助力球頭和制動主缸采用軸連接，軸帶動位移傳感器，助力器輸出推桿與主缸之間裝有壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)輸出力和位移的監(jiān)控。測試前，制動主缸被伺服電動缸推出，與助力器對接。正常對接后，輸出力會有一定的數(shù)值(30～50 N)，若輸出力為0，則助力器與主缸之間存在空行程，需要伺服電動缸反饋調(diào)節(jié)，確保測試前主缸與助力器充分結(jié)合，滿足不同空行程助力器測試初始狀態(tài)的一致性。

圖5 主缸移動裝置圖

2.3 測控裝置設(shè)計(jì)

采用工控機(jī)搭載高速采集卡的模式，以工控機(jī)為控制和數(shù)據(jù)處理的核心，采集和處理高速變化的信號。測控裝置包括檢測部分和控制部分。其中，檢測部分選用PCI－4462高精度聲/振數(shù)據(jù)采集卡采集振動加速度信號，有 24位 sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，118 dB的動態(tài)范圍和6個(gè)不同的增益設(shè)置，實(shí)現(xiàn)高動態(tài)范圍加速度的精確測量。數(shù)據(jù)采集選用DMS高速采集模式，系統(tǒng)先開辟一塊緩沖區(qū)，采用FIFO的堆棧模式來存儲傳感器傳來的數(shù)據(jù)。采集卡采集方式為連續(xù)采集，采樣頻率為10 kHz。

測試系統(tǒng)采用BKS03結(jié)構(gòu)傳遞型噪聲傳感器采集助力器殼體的振動信號，線性頻率響應(yīng)在0～15 kHz，靈敏度為24 mV/g。系統(tǒng)選用novotechnik T－0075的直線位移傳感器，監(jiān)測助力器輸出位移，重復(fù)精度可達(dá)±0.002 mm，定位速度可達(dá)10 m/s;力傳感器選用的是HBM C9C_5KN稱重傳感器，額定靈敏度為1 mV/V，滿足了對輸出力的監(jiān)測。

控制部分采用MPC08控制卡和通用IO擴(kuò)展板卡EA1616。MPC08可以控制4軸伺服電機(jī)，每個(gè)軸可以獨(dú)立地輸出脈沖和方向信號，用來控制伺服電機(jī)的運(yùn)動。EA1616擴(kuò)展出16路通用輸入和16路通用輸出，用來控制啟停按鈕、電磁閥的通斷和狀態(tài)指示燈。系統(tǒng)采集與控制原理圖如圖6所示。

圖6 硬件結(jié)構(gòu)圖

2.4 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

在模擬剎車的過程中，采用線控制動的方式，通過CCP(CAN通信標(biāo)定協(xié)議)與ECU通信，先標(biāo)定助力器ECU中電機(jī)轉(zhuǎn)速的變量，然后主動發(fā)指令控制電動助力器制動，讓其按照設(shè)計(jì)的參數(shù)運(yùn)動，即工作在AEB模式下，避免腳踩或者電機(jī)加載都會產(chǎn)生額外的振動，影響測試的數(shù)據(jù)。在硬件上，利用工控機(jī)的搭載具有靈活數(shù)據(jù)速率的CAN接口的NI－8512，結(jié)合NI－XNET驅(qū)動編寫通信程序，實(shí)現(xiàn)了信號做高速實(shí)時(shí)操作。CCP有2種通信協(xié)議，Poling模式和DAQ模式，Poling模式是一問一答，設(shè)置簡單，但效率較低，DAQ模式為托管模式，從設(shè)備會按一定的周期自動上傳數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用DAQ模式與ECU進(jìn)行交互，上位機(jī)系統(tǒng)作為主設(shè)備，助力器ECU作為從設(shè)備。上位機(jī)發(fā)送標(biāo)定和監(jiān)測命令CRO到助力器ECU端，DAQ處理機(jī)解析命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作，并發(fā)送應(yīng)答信號和檢測數(shù)據(jù)DTO到上位機(jī)。工作流程如圖7所示，首先，CAN通信系統(tǒng)初始化，上位機(jī)系統(tǒng)與助力器的ECU建立連接。然后，上位機(jī)需要對DAQ列表及ODT列表進(jìn)行配置，標(biāo)定電動助力器運(yùn)動速度和位移的變量，把AEB使能置1，將MTA0地址設(shè)置到下載數(shù)據(jù)的起始地址，開始下載數(shù)據(jù)。最后主上位機(jī)與助力器ECU斷開連接。

圖7 CAN通信流程圖

3 測試實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

設(shè)計(jì)了電動助力器傳動故障測試流程，采集了殼體振動數(shù)據(jù)，基于極值區(qū)間定位－差值特征點(diǎn)提取的數(shù)據(jù)分離方法，實(shí)現(xiàn)了有效振動數(shù)據(jù)的提取，并對分離的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算。

3.1 測試流程

系統(tǒng)的測試流程如圖8所示，包含3個(gè)階段。

圖8 測試流程圖

3.1.1 準(zhǔn)備階段

首先，初始化系統(tǒng)，判斷設(shè)備是否準(zhǔn)備就緒，緊接著裝載電動助力器，利用液壓缸對它進(jìn)行增壓，防止它在工作過程中移位。然后伺服電動缸帶動制動主缸前移，當(dāng)輸出力傳感器的值在某一設(shè)定范圍(50～80 N)時(shí)，伺服電動缸預(yù)壓完成。此時(shí)，制動主缸活塞與電動助力器的輸出桿接觸，滿足實(shí)車的行程，隔膜泵驅(qū)動液路循環(huán)，排出管路中的空氣，實(shí)現(xiàn)快速注油，最后，調(diào)節(jié)彈簧負(fù)載，達(dá)到主缸合適的工作行程。

3.1.2 測試階段

采用滑臺氣缸推出振動傳感器，振動測試氣缸帶動傳感器貼在電動助力器箱體靠近轉(zhuǎn)動軸的位置。通過CAN通信，給ECU下載指令，寫入前進(jìn)的速度和位移。在ECU的控制下，電動助力器的直流電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，經(jīng)過兩級助力機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的扭矩力轉(zhuǎn)化為輸出桿的推力，在這個(gè)過程中采集輸出桿的力和位移信號以及箱體的振動信號。

3.1.3 結(jié)束階段

退回測試傳感器氣缸和振動滑臺氣缸，振動傳感器離開助力器殼體，然后負(fù)載氣缸退回原位，最后取走產(chǎn)品，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

3.2 基于極值區(qū)間定位－差值特征點(diǎn)提取的數(shù)據(jù)分離方法

電動助力器的工作過程包括前進(jìn)、停止和后退。只有運(yùn)動過程的數(shù)據(jù)才能反映出電動助力器的傳動故障，如圖9所示，電動助力器從0.2 s左右開始前進(jìn)，在0.6 s左右完成去程的運(yùn)動，需要從原始數(shù)據(jù)中分離出去程和回程的振動數(shù)據(jù)。先通過時(shí)間－位移曲線找出去程時(shí)間和回程時(shí)間，由于圖9的位移數(shù)據(jù)圖和圖10所示的振動數(shù)據(jù)是同步采集的，運(yùn)動時(shí)刻的位移數(shù)據(jù)對應(yīng)著運(yùn)動時(shí)刻的振動數(shù)據(jù)，故通過位移曲線找出運(yùn)動時(shí)刻，提取出運(yùn)動時(shí)刻的振動數(shù)據(jù)即可。而提取出去程振動數(shù)據(jù)和回程振動數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是找到運(yùn)動階段的起點(diǎn)和終點(diǎn)，即位移曲線的拐點(diǎn)。而位移數(shù)據(jù)始終存在微小的跳變，無法直接找到曲線的拐點(diǎn)。

圖9 電動助力器運(yùn)動位移圖像

圖10 電動助力器全程振動圖像

針對以上問題提出了基于極值區(qū)間定位－差值特征點(diǎn)提取的數(shù)據(jù)分離方法。首先，搜索位移數(shù)據(jù)的最大值和最小值，如圖9所示，最小值一定位于AB啟動區(qū)間，最大值一定位于CD停止區(qū)間，從啟動區(qū)間和停止區(qū)間各取一點(diǎn)做直線，例如取A、D兩點(diǎn)擬合直線AD，在同一時(shí)刻用實(shí)際曲線的位移值減去擬合曲線的位移值，然后找出差值的最大值和最小值，最小差值對應(yīng)的即為去程的起點(diǎn)B，最大差值對應(yīng)的即為去程的終點(diǎn)C。這種方法截取的數(shù)據(jù)包括變加速運(yùn)動過程中數(shù)據(jù)，保留更多的原始數(shù)據(jù)，圖11為去程振動數(shù)據(jù)。

圖11 去程時(shí)域振動圖像

3.3 數(shù)據(jù)分析

提取出運(yùn)動過程中的振動數(shù)據(jù)后，計(jì)算出均方根值RMS、峰值因子Crest和譜峭度K。產(chǎn)品工藝部門通過在線振動檢測，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，找出優(yōu)良品的臨界上限和下限，作為初步診斷的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)選擇了30個(gè)電動助力器，其中有27個(gè)合格產(chǎn)品，3個(gè)不合格產(chǎn)品。以60 mm/s的速度加載電動助力器，采集振動加速度數(shù)據(jù)，再分離出去程和回程數(shù)據(jù)，最后計(jì)算分析均方根值RMS、峰值因子Crest和譜峭度K。每種產(chǎn)品測試10遍，然后取平均值，得到表2的結(jié)果。

表2 去程振動數(shù)據(jù)特征值

由表2可知，2號助力器均方根值(RMS)異常，25號和28號助力器峰值因子(Crest)和峭度(K)均異常。測試完之后，拆開以上幾個(gè)助力器，發(fā)現(xiàn)25號出現(xiàn)了磨損，28號出現(xiàn)了裂紋，2號正常。在30次測試中，有一次誤檢，系統(tǒng)的準(zhǔn)確率約為96.67%，符合廠家目前的要求。

4 不確定度分析

在電動助力器振動測試系統(tǒng)中，A類不確定度分量為實(shí)驗(yàn)測試標(biāo)準(zhǔn)差μ1，B類不確定度分量為傳感器的測量不確定度μ2、數(shù)據(jù)采集卡的測量不確定度μ3。由計(jì)算得，實(shí)驗(yàn)測試標(biāo)準(zhǔn)差為0.029;傳感器的測量不確定度主要由振動加速度傳感器引起，查閱傳感器說明書可得，振動加速度傳感器滿量程±60 g，引起的不確定度分量μ2為0.06 g;數(shù)據(jù)采集卡為NI4462，具有24位高分辨率，量化誤差僅為LSB/224，LSB為數(shù)據(jù)采集卡的最低有效位為10，因此數(shù)采卡引起的不確定度分量可以忽略不計(jì)。振動加速度合成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度μc1的計(jì)算公式為

計(jì)算可得:μc1為0.0326 g，即測試系統(tǒng)的不確定度為0.0326。由此可知，該設(shè)備實(shí)驗(yàn)不確定度小于0.05，系統(tǒng)的重復(fù)性好，滿足測試要求。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一套電動助力器傳動故障在線振動檢測系統(tǒng)，能夠模擬實(shí)車制動液壓系統(tǒng)，適應(yīng)不同行程的電動助力器的測試需求，快速實(shí)現(xiàn)在線檢測振動信號，提出基于極值區(qū)間定位－差值特征點(diǎn)提取的數(shù)據(jù)分離方法，分離出有效的振動數(shù)據(jù)，對其時(shí)域特征值進(jìn)行分析，初步地診斷出電動助力器齒輪傳動機(jī)構(gòu)故障類型。試驗(yàn)結(jié)果表明，檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，已成功投入工廠使用。