韓福江，蔣 眾，張瀟文，張 彬，張洪濤，徐海東

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

汽車制動器的制動性能是確保汽車安全行駛的根本保證，優(yōu)良的汽車制動性能可以減少交通事故的發(fā)生。汽車在出廠前必須對其質(zhì)量和可靠性進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，制動器的制動性能檢驗(yàn)是汽車安全性檢測最重要的項(xiàng)目之一。制動器是汽車制動系統(tǒng)中的重要部件，其性能好壞直接關(guān)系著汽車的行駛安全，影響著駕駛?cè)说纳踩Ｒ虼?，對汽車制動器的制動性能進(jìn)行檢驗(yàn)至關(guān)重要[1]，而制動器試驗(yàn)臺就是測試制動器性能的核心試驗(yàn)設(shè)備。

本文設(shè)計(jì)的鼓式制動器試驗(yàn)臺采用模塊化設(shè)計(jì)思路，按照國家汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《商用車輛行車制動器技術(shù)要求及臺架試驗(yàn)方法》(QC/T 239-2015)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，依照制動器臺架試驗(yàn)方法模擬汽車制動時所產(chǎn)生的動能開展相應(yīng)的試驗(yàn)項(xiàng)目測試與性能分析，利用該試驗(yàn)臺可以對汽車制動器研制過程中的性能進(jìn)行摸底試驗(yàn)及評價改進(jìn)，同時也可以作為制動器性能測試平臺滿足相關(guān)產(chǎn)品出廠測試評價的要求。

2 試驗(yàn)臺模塊化設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺總體構(gòu)成如圖1所示，主要由電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、多擋飛輪箱、緊急制動裝置、被試件(制動器總成)及控制系統(tǒng)等部分組成。其中，控制系統(tǒng)以工控機(jī)作為主控制單元，由工控機(jī)完成對制動速度、制動壓力等試驗(yàn)參數(shù)的控制，通過傳感器自動采集制動轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、溫度、噪聲等數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

圖1 試驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu)

2.1 試驗(yàn)臺布置

試驗(yàn)臺現(xiàn)場布置情況如圖2、圖3所示，主要包括4部分：電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、多擋飛輪箱、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)以及被試件。為確保試驗(yàn)過程中操作人員的安全，設(shè)計(jì)整體防護(hù)罩將試驗(yàn)臺罩在其中，并將試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)放置在專門控制室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)制動器試驗(yàn)過程中現(xiàn)場無人值守。

圖2 試驗(yàn)臺組成示意圖

圖3 試驗(yàn)臺實(shí)物

2.2 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有提供驅(qū)動力、吸收反拖功的功能。驅(qū)動電機(jī)采用直流電機(jī)，功率280kW，額定轉(zhuǎn)速300r/min，最高轉(zhuǎn)速900r/min。電機(jī)配有編碼器，用于直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制。電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要由直流電機(jī)、電機(jī)底座、彈性膜片聯(lián)軸器及冷卻風(fēng)機(jī)等組成，如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)組成

2.3 多擋飛輪箱

多擋飛輪箱[2]由飛輪盤組件、飛輪盤拔叉組件、花鍵主軸、緊急制動器、飛輪箱箱體等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。各飛輪盤通過滾動軸承支撐到軸承座上，由手動推動飛輪軸上的可移動齒套進(jìn)行掛接或脫開。當(dāng)飛輪盤脫開掛接時，飛輪盤與飛輪軸之間無任何連接或接觸。飛輪掛接機(jī)構(gòu)設(shè)置感應(yīng)開關(guān)，用于檢測飛輪是否掛接到位或完全分離，防止誤操作。

圖5 多擋飛輪箱示意圖

飛輪箱共配有7組飛輪盤和1個緊急制動盤，緊急制動盤與傳動軸、電機(jī)軸、聯(lián)軸器、齒輪等不可脫開掛接(連接)部件組成試驗(yàn)臺的基礎(chǔ)慣量，飛輪箱轉(zhuǎn)動慣量如表1所示。通過與電慣量相結(jié)合的方式，試驗(yàn)臺可實(shí)現(xiàn)200～3500kg·m2范圍內(nèi)的無級慣量加載。飛輪箱箱體上裝有安全防護(hù)罩，防護(hù)罩內(nèi)壁為多孔板，內(nèi)部填充隔音棉，可有效地隔離飛輪轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的噪聲。

表1 飛輪箱慣量

2.4 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

通風(fēng)冷卻系統(tǒng)由氣路系統(tǒng)、送風(fēng)風(fēng)機(jī)機(jī)組、除塵(過濾)機(jī)組等組成，是一個相對封閉的循環(huán)系統(tǒng)。試驗(yàn)時，通風(fēng)風(fēng)機(jī)給被試件送風(fēng)，使被試件冷卻，除塵過濾機(jī)組抽風(fēng)，形成一個循環(huán)系統(tǒng)。被試件產(chǎn)生的粉塵通過除塵過濾系統(tǒng)收集。通風(fēng)除塵機(jī)組型號、規(guī)格見表2。

表2 通風(fēng)除塵機(jī)組型號、規(guī)格

3 試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、直流調(diào)速系統(tǒng)、低壓電氣等控制元件組成，控制單元主要包括主驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制、制動壓力控制及低壓電氣控制等。主驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制由工控機(jī)通過DP總線控制直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，制動壓力控制由工控機(jī)通過控制板卡實(shí)現(xiàn)，低壓電氣控制(主要指繼電器、電磁閥等)通過工控機(jī)+PLC或工控機(jī)+控制板卡來實(shí)現(xiàn)。同時，利用工控機(jī)板卡通過傳感器實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場電機(jī)速度、剎車時的扭矩、輪轂的溫度、剎車時氣體壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、故障預(yù)警，記錄測試數(shù)據(jù)并開展數(shù)據(jù)分析，測控系統(tǒng)原理如圖6示。

圖6 控制系統(tǒng)原理框圖

制動試驗(yàn)過程：試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定(制動初速度、加載慣量、制動壓力、制動次數(shù)等)→驅(qū)動電機(jī)帶動飛輪盤及制動器到設(shè)定的制動初速度→切除主動力→控制系統(tǒng)以設(shè)定的制動減速度(制動壓力)對制動器進(jìn)行制動，直到速度降至0→制動過程中采集輸出制動力矩、制動鼓溫度、制動襯片溫度、制動時間及制動距離等參數(shù)，并自動繪制這些參數(shù)在制動過程中的變化曲線→數(shù)據(jù)自動存儲，一次制動試驗(yàn)完成。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)硬件主要由測控系統(tǒng)、直流調(diào)速系統(tǒng)以及各類傳感器等組成。

(1)測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)工業(yè)計(jì)算機(jī)選用西門子工控機(jī)，并配用19寸寬屏液晶顯示器。數(shù)據(jù)采集板卡選用NI公司的M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡，控制及監(jiān)控系統(tǒng)選用西門子S7系列PLC及相應(yīng)擴(kuò)展模塊或同等級別產(chǎn)品，用于系統(tǒng)試驗(yàn)控制及設(shè)備狀態(tài)巡檢。

(2)直流調(diào)速系統(tǒng)

直流調(diào)速系統(tǒng)選用英國歐陸590+全數(shù)字直流四象限調(diào)速系統(tǒng)或同等級別產(chǎn)品，數(shù)字化設(shè)置參數(shù)，具有正反轉(zhuǎn)功能，具有過載和短路保護(hù)功能，選配相應(yīng)的電抗器和編碼器模塊。按衰退特性試驗(yàn)流程的要求機(jī)械模擬慣量，同時可對電機(jī)轉(zhuǎn)向同電機(jī)施加力矩方向，在制動過程中進(jìn)行電慣量模擬[3]。

(3)傳感器

整個試驗(yàn)臺的傳感器[4]主要有溫度傳感器、扭矩儀、脈沖編碼器、壓力傳感器、脈沖聲級計(jì)以及振動傳感器等，其選型及功能見表3。

表3 傳感器功能及選型

3.2 軟件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)軟件采用Windows標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序形式，主要包含系統(tǒng)管理、試驗(yàn)管理、進(jìn)行試驗(yàn)、設(shè)備調(diào)試、參數(shù)管理、數(shù)據(jù)查看等模塊，具備用戶級別操作、板卡調(diào)試、試驗(yàn)、離線數(shù)據(jù)查看及日志記錄與查看等功能。試驗(yàn)配置數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫或xml文件存儲，試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件以tdms文件存儲，日志以txt文件存儲。操作界面如圖7所示，其主要特點(diǎn)如下：(1)軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，具有良好的靈活性和可擴(kuò)展性；(2)開機(jī)自檢功能、錯誤操作提示功能、故障報警顯示功能和豐富的各系統(tǒng)自診斷檢測功能，開機(jī)條件不滿足不能開機(jī)，一旦發(fā)生故障，立即停機(jī)并報警，并顯示故障部位。

圖7 試驗(yàn)臺操作界面

4 試驗(yàn)臺的試驗(yàn)功能

本試驗(yàn)臺具有各種試驗(yàn)功能，包括制動器磨合試驗(yàn)、制動器效能試驗(yàn)(含噪聲測試)、制動器熱衰退恢復(fù)試驗(yàn)、制動襯片磨損試驗(yàn)、模擬實(shí)車熱衰退(任意設(shè)定制動初速度)。針對某型制動器，依據(jù)《商用車輛行車制動器技術(shù)要求及臺架試驗(yàn)方法》(QC/T 239-2015)要求，闡述試驗(yàn)臺的被試件安裝方式以及控制軟件的使用方法。試驗(yàn)臺與被試件制動器總成現(xiàn)場安裝情況如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場布置

4.1 試驗(yàn)配置

打開上位機(jī)試驗(yàn)控制軟件，進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)０逶O(shè)定，如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)臺控制軟件試驗(yàn)?zāi)０逶O(shè)定

進(jìn)入試驗(yàn)軟件系統(tǒng)主界面，點(diǎn)擊“試驗(yàn)管理”，進(jìn)入“試驗(yàn)管理”界面。點(diǎn)擊“插入試驗(yàn)”，輸入“XX盤式制動器總成性能試驗(yàn)”，點(diǎn)擊“插入項(xiàng)目”，輸入“第一次磨合試驗(yàn)”。在屏幕下方試驗(yàn)配置一欄，雙擊單元格，輸入?yún)?shù)完成配置，詳見圖10。其它試驗(yàn)配置方式相同。

圖10 試驗(yàn)類型及參數(shù)設(shè)定

4.2 試驗(yàn)過程

完成試驗(yàn)配置后，選擇試驗(yàn)名稱，單擊“開始試驗(yàn)”進(jìn)入試驗(yàn)界面，如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)記錄及狀態(tài)監(jiān)控界面

從圖11可以看出，試驗(yàn)界面主要包括三大功能區(qū)：一是試驗(yàn)控制區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)開始、試驗(yàn)終止及退出試驗(yàn)等功能；二是數(shù)據(jù)顯示及記錄區(qū)，實(shí)時記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及利用圖形曲線進(jìn)行實(shí)時顯示；三是試驗(yàn)狀態(tài)監(jiān)控區(qū)，對試驗(yàn)過程中各類狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并對試驗(yàn)過程中的異常情況及時發(fā)出告警，以便試驗(yàn)操作人員迅速處置。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以在操作界面的數(shù)據(jù)顯示及記錄區(qū)進(jìn)行實(shí)時查看，也可以在試驗(yàn)結(jié)束后打開TDMS查看器進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取，如圖12所示。該數(shù)據(jù)查看程序不可生成試驗(yàn)報告，可以打開任意TDMS試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)判讀，也可以將試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)后期數(shù)據(jù)處理需要進(jìn)行復(fù)制讀取。

圖12 TDMS試驗(yàn)數(shù)據(jù)查看器

5 結(jié) 論

本試驗(yàn)臺采用模塊化設(shè)計(jì)，基于《商用車輛行車制動器技術(shù)要求及臺架試驗(yàn)方法》(QC/T 239-2015)中的技術(shù)要求及試驗(yàn)方法，對鼓式(蹄式)制動器進(jìn)行臺架試驗(yàn)，主要完成以下試驗(yàn)項(xiàng)目及性能評價工作：(1)制動效能試驗(yàn)：檢測制動器經(jīng)過磨合后的輸出制動力矩值；(2)熱衰退-恢復(fù)試驗(yàn)：檢測制動器在多次連續(xù)使用時的性能衰變及其冷卻后的恢復(fù)能力；(3)制動襯片(襯塊)磨損試驗(yàn)：測量制動襯片(襯塊)的磨損量(人工測量)；(4)噪聲檢測：檢測制動器在制動過程中的噪聲值。