洪黎明，王學影，胡曉峰，范偉軍

(1.中國計量大學，浙江 杭州 310018; 2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，浙江 杭州 310019)

0 引 言

制動鉗作為汽車制動器的重要構(gòu)件，在汽車駕駛制動中起著十分重要的作用。國外對汽車制動部件性能測試相對較早，現(xiàn)在已經(jīng)慢慢地標準化、智能化、自動化[1]。比如，美國LINK公司的LINK1620型壓縮性能試驗機，主要是用來檢測制動器摩擦部件的熱膨脹、熱傳導和壓縮性[2]，LINK3900型汽車制動器慣量試驗臺，是專門用來檢測汽車制動過程中噪聲、振動和摩擦性能[3-4]。國內(nèi)科研機構(gòu)對卡鉗滑動阻力檢測方法的研究較少，長春理工大學孫宇提出制動鉗活塞與缸體滑動阻力檢測系統(tǒng)的總體方案，對試驗臺進行了機械結(jié)構(gòu)設計，對制動鉗活塞與缸體滑動阻力進行檢測[5]。北京工業(yè)大學仲光宇等研制了一臺EPB制動鉗綜合性能試驗設備，實現(xiàn)了對檢測裝置動作過程的控制、數(shù)據(jù)采集與處理的目的。

而且目前國內(nèi)大多數(shù)公司是采用指針儀表來顯示，傳感器精度較低，儀器設備半自動化或者操作起來較為復雜，導致產(chǎn)生過多的人為誤差。所以本文通過對制動鉗滑移阻力檢測的研究，實現(xiàn)企業(yè)能夠具有高檢測效率和高檢測精度的制動鉗滑動阻力自動化檢測設備的需求[6-10]。

1 制動鉗滑動阻力分析模型

1.1 制動鉗工作原理

制動鉗結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由活塞、制動盤、鉗體等零件組成。制動時，駕駛?cè)藛T踩下剎車板推動制動液進入制動鉗油缸，并在油缸內(nèi)形成液壓，壓力推動活塞2向靠近制動盤7的方向移動，直至內(nèi)制動塊8壓到制動盤7上。在此制動過程中，當活塞發(fā)生移動時，會產(chǎn)生滑動阻力，進而影響了制動效果，由于此時制動鉗油缸內(nèi)的壓力還在不斷上升，通過作用力與反作用力，使得鉗體3沿導桿1向靠近制動盤7方向移動，直至制動鉗的外制動塊9也壓到制動盤7上，車輛實現(xiàn)制動[11]。解除制動時，駕駛?cè)藛T釋放剎車踏板，制動液流出制動鉗油缸，油缸內(nèi)壓力消失，此時在密封圈4恢復原狀的彈性形變力的作用下，制動鉗活塞回位，制動結(jié)束，如果此時活塞滑動阻力過大，使得活塞不能有效回位，這將影響汽車制動效果從而引發(fā)安全事故。

圖1 制動鉗結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 滑動阻力分析

根據(jù)制動過程中制動鉗工作原理分析，如圖1所示的矩形密封圈4和活塞2表面會因摩擦作用而產(chǎn)生摩擦力，而且密封圈與活塞表面的摩擦力能帶動活塞做復位運動。

圖2表示矩形密封圈的截面尺寸和密封圈形變對活塞的壓應力。在開始制動階段，在制動液內(nèi)壓力p0的作用下，矩形密封圈變形后對活塞的壓力呈矩形wxyz均勻分布的。在順壓力方向，壓力會由p0降至p0′=0，油壓分布用三角形 x'y'z'表示[12]。因此制動鉗活塞與缸體之間的滑動阻力主要由密封圈的摩擦力產(chǎn)生。

圖2 密封圈受力示意圖

2 測試方案與評定方法

2.1 系統(tǒng)測試方案設計

在分析制動鉗工作原理及滑動阻力形成緣由的基礎上，以行業(yè)標準QC/T 592—2013《液壓制動鉗總成性能要求及臺架試驗方法》為依據(jù)，制定滑移阻力特性測試項目與測試方法。

性能測試項目分為密封性及活塞滑動阻力測試。為了檢測密封圈整體密封效果，需在真空及高液壓環(huán)境下對其內(nèi)腔密封性進行檢測，測試性能包括真空氣壓密封性、高液壓密封性。表1為制動鉗性能測試參數(shù)。

表1 性能測試參數(shù)

性能測試方法：

真空密封性，先將制動鉗固定在夾具上，然后將真空源連接至制動鉗，使系統(tǒng)達到絕對壓力（250±50） Pa后，切斷真空源，記錄 20 s內(nèi)壓力升高值，測試合格范圍為0～200 Pa。

高液壓密封性，將制動鉗安裝到臺架上，再把制動鉗進液口連接至加壓管路，對系統(tǒng)施加16 MPa的液壓力并保持平衡，加壓允許偏差為1 MPa，切斷液壓源，保持5 s，記錄此后30 s內(nèi)的壓力，測試合格范圍為 0～0.2 MPa 。

活塞滑動阻力，對制動鉗施加0.3 MPa氣壓，推動活塞外移5 mm，泄壓后通過電機加載模塊將活塞推回原位，反復進行3次后對制動鉗施加氣壓，推動活塞外移5 mm左右，泄壓后通過推桿以不大于0.5 mm/s速度勻速將活塞回推4 mm，此過程中壓力傳感器和位移傳感器實時采集信號。計算此過程中的最大推力，即活塞滑動阻力，測試合格范圍為 30～700 N。

根據(jù)制動鉗工作原理和性能測試需求分析，采用單工位布局方式研制了卡鉗綜合性能測試系統(tǒng)，整體系統(tǒng)由測量裝置、上位機、氣液管路、測試軟件等模塊構(gòu)成。

2.2 測試系統(tǒng)設計

系統(tǒng)硬件可以劃分為滑動阻力測量裝置、測控管路、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)模塊。

2.2.1 滑動阻力測量裝置設計

針對滑動阻力測試需求，設計基于伺服運動控制的精密加載機構(gòu)的測量裝置，如圖3所示為檢測系統(tǒng)的測量裝置示意圖。該測量裝置是由滾珠絲桿、減速器、伺服電機、位移傳感器、力傳感器、模擬扇形盤等構(gòu)成?？蓪崿F(xiàn)線性可控加載，加載過程中實時采集力、位移傳感器數(shù)據(jù)。

圖3 測量裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 測控管路系統(tǒng)設計

測試系統(tǒng)氣液管路如圖4所示(1 bar=0.1 MPa)，真空注油系統(tǒng)是由真空泵用來對系統(tǒng)抽真空；電磁閥控制系統(tǒng)管路的開關(guān)；真空傳感器監(jiān)控系統(tǒng)的真空度，儲氣罐用于緩沖氣路。

圖4 測試系統(tǒng)氣液管路圖

系統(tǒng)測控管路采用氣液增壓器作為本系統(tǒng)的液壓源，壓縮空氣是氣液增壓器的動力源。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)以工控機為處理和控制核心，利用數(shù)據(jù)采集卡PCI-1716處理系統(tǒng)的模擬量和數(shù)字量信號，利用MPC08運動控制卡輸出對應的控制信號，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)圖

位移傳感器、液壓傳感器和真空傳感器的輸出信號為模擬量，由AI通道來采集；控制電磁閥的信號為數(shù)字量，由DO信號輸出，可實現(xiàn)注油、加壓、排油等操作?？刂齐姎獗壤y的信號為模擬量，由AO信號輸出。

2.3 測試軟件功能設計

以LabVIEW為開發(fā)平臺，將程序分為測試流模塊和功能測試模塊。圖6為軟件測試流程圖。

圖6 軟件測試流程圖

在開始測試前，首先用戶需要根據(jù)自己產(chǎn)品的檢測需求對其測試參數(shù)進行配置；然后再安裝制動鉗并對其進行注油，進行制動鉗高液壓密封性測試，若測試不合格，故障報警線程監(jiān)測到不合格信號，設備報警并對產(chǎn)品進行排油后停止系統(tǒng)運行；高液壓密封性測試合格后，對系統(tǒng)進行氣洗排油，啟動滑移阻力測試。滑移阻力測試結(jié)束后，對測試結(jié)果進行判斷并保存，結(jié)束整個測試過程。

3 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 系統(tǒng)標定

為了保證測試數(shù)據(jù)的準確性，對系統(tǒng)傳感器用高等級量具進行了標定，測試被標定傳感器相應的輸出量，并與輸入量比較，作出標定圖表，采用最小二乘法得到模型方程。

以真空傳感器為例，選用標準真空傳感器為評定工具，根據(jù)真空范圍設置標定范圍為0～200 Pa，間隔為5 Pa，測量準確度為0.01 Pa，得到模型方程為y=25.06-24.98x。同理可得到液壓傳感器的擬合曲線表達式為y=6.26x-6.23，力傳感器的擬合曲線表達式為y=249.98(x-0.998)，位移傳感器的擬合曲線表達式為y=9.97x+0.05。

3.2 性能測試實驗

性能測試前，設置各項測試參數(shù)，如表2所示。

表2 制動鉗性能測試條件

完成測試條件設置，將待測產(chǎn)品放入安放工位，進行密封特性和滑移阻力特性檢測，真空密封性測試曲線如圖7所示，高液壓密封性測試曲線如圖8所示，活塞滑動阻力測試曲線如圖9所示。

圖7 真空密封性測試曲線圖

圖8 高液壓密封性測試曲線圖

圖9 活塞滑動阻力測試曲線圖

由圖所示得出，測試數(shù)據(jù)及結(jié)果評估如表3所示。

表3 制動鉗性能測試結(jié)果

如表3所示，此次檢測的制動鉗樣品活塞滑動阻力值為55.2 N，符合廠家要求。制動鉗活塞在移動初期阻力上升變化較快，當達到最大阻力值位置后隨著移動的增加阻力值呈逐步下降的趨勢，直至達到設定位置。

為了使活塞滑動阻力測試結(jié)果更加可靠，對制動鉗進行了20次活塞滑動阻力測試，并記錄測試值，探究檢測結(jié)果的重復性。表4為活塞滑動阻力測試數(shù)據(jù)。

表4 活塞滑動阻力測試數(shù)據(jù) N

根據(jù)表4所示的數(shù)據(jù)，制動鉗活塞滑動阻力平均值為55.26 N，標準差為0.069 N。根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品測試標準，要求活塞滑動阻力不大于700 N，所以滿足測試要求，因此活塞滑動阻力合格。

3.3 系統(tǒng)不確定度分析

本檢測系統(tǒng)的誤差由硬件固有誤差和測量重復性組成。測量重復性則由測試數(shù)據(jù)計算得到，采用A類評定方法評定；硬件部分誤差主要是各傳感器的采集精度誤差，采用B類評定方法評定[13]。

根據(jù)A類評定方法，對卡鉗活塞滑移阻力的測試值進行標準不確定度分析。根據(jù)以上活塞滑動阻力的測試數(shù)據(jù)可知定，活塞滑移阻力測量的不確定度分量為0.069 N。

傳感器的不確定度使用B 類方法評定，檢測系統(tǒng)中的傳感器誤差為力傳感器。采用德國HBM公司U9 C型小量程測力傳感器，量程范圍為0～1 000 N，傳感器精度為±0.1%FS，其示值誤差為1 000 N×0.1%=1 N，因此力傳感器的半?yún)^(qū)間為1 N，誤差服從均勻分布，則由式（1）可知力傳感器的不確定分量為0.58 N。

根據(jù)上述分析，對系統(tǒng)各誤差引起的不確定度進行合成。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，制動鉗滑動阻力檢測的合成標準不確定度為0.58 N，滿足檢測系統(tǒng)設計要求。因此，對于制動鉗滑移阻力的檢測結(jié)果應表示為（55.26±0.58） N。

3.4 檢測設備評定

根據(jù)標準《專用檢測設備評定方法指南》，采用評定方法I對本系統(tǒng)進行評定，計算重復性指標Cg的值，在重復性指標Cg大于2時判定為檢測系統(tǒng)合格。

本文對滑動阻力進行了20次測量，根據(jù)測量值計算出滑動阻力的平均值，標準偏差Sg。

其中，T為測量公差。

本文對活塞滑動阻力重復進行了20次測試，其中測量公差T為5 N，根據(jù)計算公式（2）可算出活塞滑動阻力的能力指數(shù)Cg為3.6，因為活塞滑動阻力檢測系統(tǒng)屬于專用設備，測量能力指標應滿足Cg≥2.0，由計算結(jié)果可知，測試結(jié)果符合要求，該檢測系統(tǒng)準確可靠，可投入實際生產(chǎn)檢測。

4 結(jié)束語

全文對制動鉗工作原理和滑動阻力產(chǎn)生原因進行了探究，依據(jù)測試方法和測試需求，參照國家行業(yè)標準，設計了一套滑移阻力檢測系統(tǒng)，對汽車制動鉗進行了密封性、真空度、滑動阻力等性能測試。該檢測系統(tǒng)改變了以往人工操作的局限性，減少人為誤差，提高了自動化程度。對測試數(shù)據(jù)分析，進行系統(tǒng)不確定度評定，計算得到滑動阻力的不確定度為0.58 N，滿足系統(tǒng)控制精度要求。試驗結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，檢測數(shù)據(jù)可靠有效，可工業(yè)化使用。