汪銀風(fēng)， 朱紀(jì)洪， 蘭 海， 胡 錚， 龐惠仁， 寧克焱

(1.中國(guó)北方車輛研究所，北京100072；2.清華大學(xué)，北京100084)

傳統(tǒng)履帶車輛用干片式機(jī)械制動(dòng)器[1-4]采用單一液壓源驅(qū)動(dòng)、分離式作動(dòng)方式，即采用單個(gè)液壓缸操縱制動(dòng)器使其實(shí)現(xiàn)制動(dòng).單點(diǎn)式液壓作動(dòng)方式由于其工作原理，使其存在響應(yīng)慢、占用空間大、比例控制精度低、維護(hù)性差以及作動(dòng)力分布不均勻?qū)е碌闹苿?dòng)器變形大等問題.近年來，機(jī)電作動(dòng)技術(shù)日益發(fā)展成熟，機(jī)電作動(dòng)裝置以其響應(yīng)快、控制精度高、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點(diǎn)，被逐漸應(yīng)用于履帶車輛用干片式機(jī)械制動(dòng)器的操縱系統(tǒng)中.通過采用具有機(jī)械蓄能的全電驅(qū)動(dòng)的對(duì)稱作動(dòng)方式[5-7]，可實(shí)現(xiàn)高效對(duì)稱制動(dòng)作動(dòng)，從根本上解決傳統(tǒng)液壓作動(dòng)方式存在的各大突出問題.

制動(dòng)器靜態(tài)試驗(yàn)是其在動(dòng)態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)和樣車實(shí)際使用前必不可少的重要環(huán)節(jié).通過對(duì)一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試試驗(yàn)，獲得一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器的靜態(tài)制動(dòng)性能，可初步驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)和控制策略的合理性；通過試驗(yàn)測(cè)試獲得輸入(制動(dòng)指令，踏板角度百分比)與輸出(制動(dòng)正壓力)的關(guān)系曲線，得到模擬樣車的動(dòng)態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)的加載依據(jù)，為其在履帶車輛上的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)與基本原理

一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器的示意圖如圖1所示.一體化機(jī)電作動(dòng)型機(jī)械制動(dòng)器是將機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)與干片式機(jī)械制動(dòng)器集成于一體，其中，機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由兩個(gè)電動(dòng)缸、蓄能彈簧組件(數(shù)量可根據(jù)所需力調(diào)整)、蓄能彈簧施壓活動(dòng)框架、蓄能彈簧位控固定框架以及調(diào)整螺桿等組成.蓄能彈簧組件與兩個(gè)電動(dòng)缸徑向并列組合，即彈簧布置在制動(dòng)器彈子盤周圍，兩電動(dòng)缸徑向布置在彈簧外周.

圖1 一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器示意圖

一體化布置的機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理圖如圖2所示.一體化布置的機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)電動(dòng)缸和碟片彈簧為作動(dòng)源.碟片彈簧同時(shí)為蓄能元件，其工作原理為：1)車輛行車時(shí)，制動(dòng)控制器控制1#電動(dòng)缸拉回、2#電動(dòng)缸推出至相應(yīng)位置，兩電動(dòng)缸協(xié)同帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)彈子盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)彈子盤聯(lián)動(dòng)施壓彈簧活動(dòng)框架使蓄能彈簧壓縮，機(jī)械制動(dòng)器通過自身的回位彈簧使制動(dòng)器的內(nèi)齒摩擦片(動(dòng)片)和外齒摩擦片(靜片)分離，使其從制動(dòng)/駐車狀態(tài)恢復(fù)至行車狀態(tài)；2)行車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)控制器依據(jù)接收到的制動(dòng)指令和存儲(chǔ)的碟片彈簧的蓄力標(biāo)定數(shù)據(jù)，解算控制指令并控制兩電動(dòng)缸分別提供相應(yīng)的推力和拉力，聯(lián)動(dòng)施壓彈簧活動(dòng)框架，使壓縮的碟片彈簧釋放彈力，共同作用輸出作動(dòng)力(所需作動(dòng)力小于彈簧力時(shí)，電動(dòng)缸反向抑制彈簧力，所需作動(dòng)力大于彈簧力時(shí)，電動(dòng)缸補(bǔ)充相應(yīng)大小的作動(dòng)力)至制動(dòng)器彈子盤，使制動(dòng)器的動(dòng)、靜摩擦片軸向壓緊，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)；3)駐車時(shí)，兩電動(dòng)缸失電，完全由蓄能彈簧提供駐車力，可通過調(diào)整螺桿調(diào)整碟片彈簧的初始預(yù)緊力進(jìn)而調(diào)整駐車力大??；4)應(yīng)急制動(dòng)時(shí)(電動(dòng)缸意外失電或故障)，蓄能彈簧自動(dòng)彈出提供駐車力，當(dāng)需要進(jìn)行拖車時(shí)，可通過調(diào)整螺桿壓縮碟片彈簧至行車位置，使作動(dòng)機(jī)構(gòu)撤銷作動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急解脫，機(jī)械制動(dòng)器自動(dòng)回位至行車狀態(tài).

圖2 一體化機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理示意圖

相較于作動(dòng)力完全由電動(dòng)缸提供的方案，該方案中由蓄能彈簧的彈力和電動(dòng)缸的推/拉力共同提供制動(dòng)所需的作動(dòng)力，減小了電動(dòng)缸需提供的力，從而減小了電動(dòng)缸的體積和重量，并且由于蓄能彈簧的輔助作動(dòng)，使作動(dòng)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度得到提高；從結(jié)構(gòu)形式上，機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)稱布置，彈子盤受力均勻，且外形體積更符合一體化、緊湊型的要求.

依據(jù)機(jī)電作動(dòng)控制策略的設(shè)計(jì)，試驗(yàn)輸入(踏板角度百分比)與機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出的切向作動(dòng)力一一對(duì)應(yīng)，即控制輸入為0%～100%的踏板角度百分比，其中0%為行車狀態(tài)，100%為最大制動(dòng)狀態(tài)，0%～10%設(shè)定為防誤操作區(qū)間，即輸入指令為0%～10%時(shí)電動(dòng)缸不動(dòng)作，10%～30%為制動(dòng)空行程消除段，30%～80%區(qū)間為作動(dòng)力線性比例施加段，當(dāng)輸入指令為80%～100%時(shí)，電動(dòng)缸保持最大的作動(dòng)力不變.

機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出的作動(dòng)力

FZ=FE+k(L0-x).

(1)

式中：FZ為機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出的作動(dòng)力；FE為兩電動(dòng)缸輸出的合力；k為碟片彈簧的剛度；L0為碟片彈簧的原長(zhǎng)，x為制動(dòng)時(shí)碟片彈簧的實(shí)際長(zhǎng)度.

一體化機(jī)電作動(dòng)型機(jī)械制動(dòng)器的制動(dòng)正壓力

(2)

式中：Q為制動(dòng)正壓力；RZ為作動(dòng)機(jī)構(gòu)等效作動(dòng)半徑；RD為彈子盤等效作用半徑；kD為制動(dòng)器彈子盤的增力系數(shù)；η為制動(dòng)器彈子盤的增力效率.

2 試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器靜態(tài)試驗(yàn)的主要目的有：1)測(cè)試獲得一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器的靜態(tài)性能；2)初步驗(yàn)證一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器結(jié)構(gòu)和機(jī)電作動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)的合理性；3)標(biāo)定測(cè)試獲得加壓作動(dòng)的制動(dòng)正壓力曲線，為后續(xù)動(dòng)態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)和樣車應(yīng)用的作動(dòng)力加載提供依據(jù).

2.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)步驟

2.2.1 靜態(tài)測(cè)試試驗(yàn)工裝布置

為試驗(yàn)測(cè)定一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器的靜態(tài)正壓力曲線，設(shè)計(jì)搭建了專用的試驗(yàn)工裝，如圖3所示.該試驗(yàn)工裝主要由承壓盤、連接盤、壓力傳感器、支座等零部件組成.承壓盤的外徑略小于制動(dòng)器承壓支撐盤的內(nèi)徑，使制動(dòng)器的內(nèi)齒摩擦片落在承壓盤上，通過上下調(diào)整承壓盤，可調(diào)整制動(dòng)器的間隙.

圖3 制動(dòng)器靜態(tài)測(cè)試專用工裝

2.2.2 試驗(yàn)方案與步驟

制動(dòng)控制器是機(jī)電作動(dòng)型機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的“大腦”，功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)的高精度伺服控制，使其快速、精確地輸出所需作動(dòng)力.機(jī)電作動(dòng)控制系統(tǒng)框圖和控制器的示意圖如圖4所示.在調(diào)試階段和臺(tái)架試驗(yàn)階段，采用上位機(jī)控制軟件輸入?yún)?shù)方式代替樣車的指令裝置和傳動(dòng)控制單元對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)下達(dá)指令.上位機(jī)控制軟件可實(shí)現(xiàn)踏板角度百分比、駐車等單次指令發(fā)送、時(shí)序循環(huán)指令發(fā)送，以及電動(dòng)缸位移、電流等反饋數(shù)據(jù)的接收、顯示與保存.

圖4 機(jī)電作動(dòng)制動(dòng)器控制系統(tǒng)

一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器靜態(tài)試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟如下：

1)將裝配完成的一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器安裝在靜態(tài)測(cè)試專用工裝上，連接電機(jī)、控制器線纜、上位機(jī)、以及測(cè)試采集系統(tǒng)(包括壓力傳感器、紅外位移傳感器等)；

2)配置測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)，配置上位機(jī)軟件參數(shù)；

3)電機(jī)、控制盒上電，輸入調(diào)試參數(shù),動(dòng)作電動(dòng)缸，檢查各項(xiàng)示數(shù)是否正常，是否有卡滯等；

4)將控制程序修改為標(biāo)定用程序，標(biāo)定兩電動(dòng)缸位移與制動(dòng)器正壓力的關(guān)系，標(biāo)定曲線如圖5所示；

圖5 電動(dòng)缸位移-制動(dòng)壓力標(biāo)定曲線

5)依據(jù)標(biāo)定的1#電動(dòng)缸位移與制動(dòng)正壓力曲線，修改源程序，將需要達(dá)到的制動(dòng)壓力按照控制策略分配；

6)按照編寫好的試驗(yàn)大綱，設(shè)定不同的工況、參數(shù)分別進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)時(shí)采集電動(dòng)缸反饋的電流和位移等數(shù)據(jù)以及制動(dòng)正壓力、制動(dòng)器壓板位移等參數(shù)；

7)試驗(yàn)后，電動(dòng)缸和控制器下電，記錄駐車狀態(tài)時(shí)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

輸入踏板角度百分比控制指令為0%，使制動(dòng)器摩擦片分離回到行車狀態(tài)，然后在上位機(jī)控制軟件指令輸入框以每5%增量間隔輸入踏板角度百分比控制參數(shù)，控制機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)逐步施加作動(dòng)力，記錄制動(dòng)正壓力、1#電動(dòng)缸反饋位移、外齒摩擦片位移，獲得制動(dòng)正壓力曲線和制動(dòng)器動(dòng)靜片相對(duì)位移曲線，如圖6所示.

圖6 制動(dòng)器靜態(tài)試驗(yàn)曲線

從行車狀態(tài)(踏板角度百分比為0%)，以每5%增量間隔，輸入踏板角度百分比控制參數(shù)至100%；然后，以每5%遞減間隔，從踏板角度百分比為100%輸入踏板角度百分比控制參數(shù)至0%，記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)的制動(dòng)正壓力、動(dòng)靜片相對(duì)位移，獲得一體化機(jī)電作動(dòng)制動(dòng)器的加壓-泄壓正壓力特性曲線和位移特性曲線，如圖7所示.

3.2 靜態(tài)特性分析

由圖6可知:制動(dòng)正壓力曲線和制動(dòng)器動(dòng)摩擦片與靜摩擦片的相對(duì)位移曲線均表現(xiàn)了4段分段，各曲線斜率在踏板角度百分比指令在0%～10%時(shí)均保持不變；在10%～30%段，制動(dòng)正壓力保持為0 kN，動(dòng)靜片相對(duì)位移平穩(wěn)減小且曲線斜率較大，表明兩電動(dòng)缸推/拉速度較大，此段為制動(dòng)器間隙消除區(qū)域，此區(qū)域要求制動(dòng)缸快速響應(yīng)使摩擦片盡快接觸.圖6(b)表明的動(dòng)靜片相對(duì)位移曲線10%～30%段與設(shè)計(jì)相吻合；在30%～80%段為制動(dòng)作動(dòng)力比例施加段，在指令約為30%時(shí)各試驗(yàn)曲線均出現(xiàn)拐點(diǎn)，該指令30%正是標(biāo)定且程序設(shè)定的動(dòng)靜摩擦片接觸位置，而在30%之后兩摩擦片接觸，需要作動(dòng)缸避免過大沖擊使制動(dòng)平穩(wěn).由圖6(a)制動(dòng)正壓力曲線可看出l比例施壓段過渡平緩且線性度良好；80%～100%段為設(shè)定的緊急制動(dòng)段，該段內(nèi)制動(dòng)器保持最大制動(dòng)力.綜上所述，各試驗(yàn)曲線與控制策略設(shè)定相符.

由圖7可知:制動(dòng)加壓和泄壓時(shí)，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和碟片彈簧組的滯后運(yùn)動(dòng)等原因，制動(dòng)正壓力和動(dòng)靜片相對(duì)位移存在滯后差.由圖7(a)靜態(tài)加壓-泄壓制動(dòng)正壓力曲線可看出：正壓力越大時(shí)差值越大，可通過優(yōu)化一體化作動(dòng)機(jī)構(gòu)來優(yōu)化滯后誤差.由于對(duì)制動(dòng)器而言在制動(dòng)完畢后制動(dòng)器只需快速回位到行車狀態(tài)，因此，此滯后差對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)的影響不大.由圖7(b)靜態(tài)-泄壓位移曲線可看出：在10%～30%段即制動(dòng)器間隙消除階段，該一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器的位移滯后誤差非常小，且泄壓位移曲線與加壓位移曲線線性平行，說明該制動(dòng)器回位能力優(yōu)異；在30%到80%段即制動(dòng)器的動(dòng)摩擦片和靜摩擦片接合、制動(dòng)力增長(zhǎng)階段，泄壓位移曲線較加壓位移曲線滯后較明顯，與圖7(a)靜態(tài)加壓-泄壓制動(dòng)正壓力曲線的趨勢(shì)相吻合.

4 結(jié) 論

依據(jù)靜態(tài)標(biāo)定測(cè)試以及對(duì)一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，結(jié)合機(jī)電作動(dòng)控制策略和靜態(tài)試驗(yàn)方法，進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析得出以下結(jié)論：

1)控制策略中將踏板指令分為0%～10%、10%～30%、30%～80%、80%～100%4段使之更符合制動(dòng)快速平穩(wěn)的需求.從各試驗(yàn)曲線可看出，靜態(tài)特性測(cè)試的結(jié)果與理論設(shè)計(jì)基本吻合，表明該一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略設(shè)計(jì)較為合理.

2)由圖6制動(dòng)正壓力曲線的30%～80%段可知，制動(dòng)壓力平滑過渡，無沖擊，表明該一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器行車制動(dòng)較平穩(wěn).

3)由圖6中1#電動(dòng)缸位移曲線30%～80%段可知，在制動(dòng)器動(dòng)靜摩擦片結(jié)合制動(dòng)力增長(zhǎng)階段，制動(dòng)正壓力線性增長(zhǎng)，制動(dòng)性能良好，但電動(dòng)缸的位移變化仍有約15 mm，表明一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)剛度不足，需要進(jìn)一步校核和優(yōu)化設(shè)計(jì).

4)由圖7靜態(tài)加壓-泄壓曲線可知，在在較大踏板角度百分比時(shí)，制動(dòng)正壓力和動(dòng)摩擦片與靜摩擦片間的相對(duì)位移的加壓-泄壓滯后差較大，表明該一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器的碟片蓄能彈簧和機(jī)械結(jié)構(gòu)的滯后較大，需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì).但由于在制動(dòng)恢復(fù)階段只要求制動(dòng)器動(dòng)靜摩擦片能夠快速脫開形成固定的制動(dòng)間隙，因此，此滯后差對(duì)制動(dòng)器的制動(dòng)性能影響不大.

綜上所述，該一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器的靜態(tài)制動(dòng)性能良好，可依此進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)，以充分驗(yàn)證其動(dòng)態(tài)制動(dòng)性能，為一體化機(jī)電作動(dòng)型制動(dòng)器的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).