蘇錦強, 范偉軍, 胡曉峰, 陳 濤
(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 310018)
伴隨著能源危機,電動汽車有著良好的發(fā)展前景[1]。電動汽車取消了傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機,而通過搭載真空泵代替發(fā)動機提供真空源的方案有很多缺點[2],因此真空助力器不再適用,電動助力器隨之誕生。電動助力器不依賴真空源,相對傳統(tǒng)真空助力器,有體積更小,質量更輕,僅在制動時消耗電量,可以進行能量回收[3]等優(yōu)點,適應未來汽車自動化及電氣化的發(fā)展趨勢。
電子助力器作為汽車制動系統(tǒng)的關鍵部位,它的性能優(yōu)劣和工作穩(wěn)定性直接影響了乘車安全,如何高效準確地檢測汽車電子助力器耐久性是一個迫切關注的問題[4]。目前我國主流還是采用傳統(tǒng)的真空助力器,電子助力器的研發(fā)生產處于起步階段[5],相關電子助力器耐久性測試系統(tǒng)的公開文獻較少,企業(yè)生產用的電子助力器耐久性測試臺質量參差不齊。因此開發(fā)自動化程度高、高效的電子助力器耐久測試系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。
通過分析德國博世公司生產的IBooster電子助力器的物理結構和工作原理,構建IBooster總成三工位耐久測試系統(tǒng),能夠進行ABS工作耐久性試驗,其具備高效、自動化、較高經濟效益的特點,滿足在不同環(huán)境溫度條件下的測試需求。由于還沒有制定電子助力器耐久性能測試的國家標準和企業(yè)標準,主要參考真空助力器標準QC/T 311—2018《汽車液壓制動主缸性能要求及臺架試驗方法》、QC/T 307—2016《汽車用真空助力器性能要求及臺架試驗方法》。
IBooster物理結構圖如圖1所示,主要由電機電控單元、輸入推桿、位移差傳感器、制動主缸等系統(tǒng)部件組成。當駕駛員踩制動踏板時,踏板行程傳感器檢測到輸入推桿產生的位移,并將位移信號發(fā)送至電控單元,電控計算出電機應產生的扭矩,再由傳動裝置將該扭矩轉化為伺服制動力。伺服制動力與踏板輸入力一起作用[6],在制動主缸內產生液壓力作用在負載上實現(xiàn)制動。
圖1 IBooster物理結構圖
分析實車制動狀況和相關行業(yè)標準,耐久測試系統(tǒng)主要包含以下部分:驅動加載機構、高低溫試驗箱、液壓系統(tǒng)、數據采集與控制系統(tǒng)[7]。
驅動加載機構模擬腳踩踏板的過程,需要有實現(xiàn)往復直線運動的直線運動裝置、限制直線運動裝置運動行程的限位裝置。
高低溫箱調控環(huán)境條件,能夠滿足電子助力器在常溫、高溫、低溫下的耐久測試需求,實際溫度與設定溫度誤差應小于±2 ℃。
需要液壓系統(tǒng)模擬實車制動環(huán)境,并且能實現(xiàn)管路注油、排油等功能。為了更符合實車工況,添加ABS控制模塊[8],在非ABS工作模式下和ABS工作模式下分別作耐久性測試。
數據采集與控制系統(tǒng)應滿足傳感器信號的高速采集及對系統(tǒng)一些硬件模塊的控制需求。配合系統(tǒng)軟件能夠動態(tài)顯示試驗數據和曲線并進行存儲,能夠根據設定參數進行不同的工況測試。
綜合考慮系統(tǒng)各個部分的測試需求, IBooster總成耐久測試的技術參數要求如表1所示(1bar=0. 1 MPa),系統(tǒng)主要的結構示意圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)結構示意圖
表1 IBooster總成耐久性檢測系統(tǒng)技術參數
測試系統(tǒng)設計主要包括:驅動加載系統(tǒng)設計、管路系統(tǒng)設計、數據采集系統(tǒng)設計和測試流程設計。
驅動加載系統(tǒng)主要由伺服電機、氣缸、阻擋氣缸、IBooser帶主缸總成、力傳感器、位移傳感器等組成,驅動加載機構圖如圖3所示,系統(tǒng)為三工位。
圖3 驅動加載機構圖
伺服電機、氣缸推桿、IBooser輸入推桿等位于同一直線上,當氣缸加載時,直線運動裝置通過模擬擺臂推動電子助力器輸入推桿,實現(xiàn)腳踩踏板的效果。
伺服電機經傳動機構帶動氣缸走設定的位移,可以實現(xiàn)耐久測試的多點位置加載控制。電機絲杠位移設定好的距離后,阻擋氣缸推桿伸出,代替伺服電機抵住左側安裝板,可以避免伺服電機絲杠受到ABS模塊工作時帶來的反沖壓影響。氣缸速度可調節(jié),通過控制二位五通電磁閥狀態(tài),可以實現(xiàn)氣缸的反復加載卸載,符合耐久測試需求。
IBooster總成安裝于高低溫試驗箱中。高低溫箱實現(xiàn)對環(huán)境加熱和冷卻的PID控制,并可以在溫控儀面板上直接顯示和設定實驗溫度。
小型汽車是通過液壓制動,為模擬實車效果,需要讓管路內充滿制動液。設計管路系統(tǒng)如圖4、圖5、圖6所示,圖4是氣體管路設計圖。
圖4 氣體管路設計圖
圖5 真空液壓管路設計圖
圖6 測試管路設計圖
如上圖所示氣體管路通過調壓閥或電氣比例閥調控氣壓,為四部分管路供氣。第一部分向真空液壓管路供氣,主要用于管路氣洗;第二部分向加載氣缸供氣,實現(xiàn)氣缸加載卸載;第三部分向阻擋氣缸供氣,抵住左側安裝板;第四部分向氣控閥供氣,通過二位五通電磁閥調整氣控閥狀態(tài)。
圖5是真空液壓管路設計圖,主要由真空管路、氣洗管路、儲液管路、測試管路四部分組成[9]。
真空管路是真空注油的關鍵部分。真空泵提供真空源,負責將管路抽真空。真空注油時,將管路抽真空,利用負壓將儲液罐中的制動液順著管路充滿測試回路。
氣洗管路是回路氣洗的關鍵部分。所用氣源來自氣體管路,回路氣洗時,調整管路中氣控閥和電磁閥的工作狀態(tài),使得氣體順著管路將管路和制動主缸中的制動液排出至儲液罐中。
儲液管路是儲存和傳輸制動液的關鍵部分。利用隔膜泵從油槽中抽油并儲存至儲液罐中。儲液管路和測試管路形成一個回路,通過注油和回路氣洗實現(xiàn)儲液管路中制動液的運輸和儲存。
氣控閥19、20、21作為開關,分別與三個工位的測試管路相連。測試管路設計圖如圖6所示,這里只列舉第一個工位。
制動主缸進油口與氣控閥19相連,制動液從出油口流入測試管路中。測試時,手動球閥關閉,加載機構經產品助力后推動主缸活塞產生液壓,ABS根據設置工況調節(jié)液壓,作用到液壓負載單元上。
液壓負載單元采用可更換彈簧模擬負載,通過調節(jié)負載彈簧長度,能夠保證輸入力在90%拐點力時,被測樣件的輸入位移達到設計最大輸入位移的2/3,滿足國家標準[10]。
測試時應保證管路密封不泄露,同時管路內制動液無氣泡,避免影響實驗結果。
數據采集與控制系統(tǒng)如圖7所示,主要由工控機、各類傳感器、電磁閥、數據采集卡、用戶操作按鈕等組成。
圖7 數據采集與控制系統(tǒng)框圖
工控機作為控制中心,通過PCI總線與研華數據采集卡連接,數據采集卡是數據采集與控制系統(tǒng)的核心部件,起著傳感器信號的采集及工控機信號的輸出作用[11]。系統(tǒng)通過AI通道獲取液壓傳感器、力傳感器、位移傳感器等各類傳感器數據值;通過AO通道控制電氣比例閥開度;通過DO通道控制閥和三色燈的通斷狀態(tài);通過DI通道控制啟動、急停等用戶操作按鈕。
為獲得產品內部信息數據,采用NI公司高速、低容錯CAN卡實現(xiàn)產品與設備之間快速穩(wěn)定的CAN通信,其支持多速率數據通信,最高頻率達1MS/s。設備通信支持CCP協(xié)議收發(fā)操作,可以通過更新DBC文件來實現(xiàn)對IBooster產品電控變量的快速控制及監(jiān)控。
根據相關行業(yè)標準,主要將IBooster耐久測試流程分為三個部分,分別是準備階段、測試階段和結束階段。
1)準備階段
將被測產品在相關夾具上安裝固定好,連接測試回路,將制動主缸進油口和出油口分別接入設備管路系統(tǒng)中。
采用泵循環(huán)注油、真空注油、正壓注油等方式對液壓管路進行注油排氣,使測試管路中充滿制動液,并且管路中無氣泡。
2) 測試階段
根據產品特性及測試需求,設定高低溫箱溫度、試驗運行次數、目標液壓、報警參數等工況信息,由伺服電機調節(jié)加載氣缸位置后,阻擋氣缸推桿伸出代替伺服電機受力。
非ABS工作耐久性實驗條件下,系統(tǒng)按照“氣缸加載-加載保持-氣缸卸載”的狀態(tài)循環(huán)進行,繪制并記錄試驗曲線圖。試驗壓力與動作時間之間的關系如圖8所示[12]。
圖8 非 ABS 工作耐久性試驗壓力與動作時間之間的關系
ABS工作耐久性實驗條件下,設置升壓動作時間、保持時間、降壓動作時間等參數,根據設定好的參數進行ABS升降壓模擬動作,系統(tǒng)按照“氣缸加載-ABS動作-ABS動作保持-加載保持-氣缸卸載”的狀態(tài)循環(huán)運行。
測試過程中對系統(tǒng)進行安全監(jiān)控,當液壓值、推桿行程、輸入力等超過設定值時,系統(tǒng)自動報警停機。
3) 結束階段
通過回路氣洗的方式將管路中的制動液吹回儲液罐中。取下被測產品,整理測試臺,結束測試。
選用某廠家生產的IBooster產品作為測試對象,準備階段結束后,在標準大氣壓下,根據試驗要求分別做非ABS工作耐久性試驗和ABS工作耐久性試驗。
圖9為電機前進液壓曲線圖,描繪測試前伺服電機走定位的液壓曲線。當伺服電機以2 mm/s的速度前進至目標液壓位置后,氣缸推桿卸載。
圖9 電機前進液壓曲線圖
圖10為非ABS工作耐久性部分曲線圖。如圖所示,液壓曲線良好,多次建壓泄壓符合耐久特點,其滿足非ABS工作耐久性試驗壓力與動作時間之間的關系,能夠保證試驗頻率為1 000±100次/h。
圖10 非ABS工作耐久性部分曲線圖
圖11為ABS工作耐久性部分曲線圖,ABS循環(huán)試驗穿插在非ABS工作耐久性試驗中進行。圖中有兩條曲線,一條為加載機構位移曲線,一條為經ABS調節(jié)后的液壓曲線。氣缸加載建壓后啟動ABS動作控制策略,ABS進行降壓,降壓動作時間設為20 ms,隨后進行升壓,升壓動作時間設為5 ms,每個升壓動作后保壓一定時間,多段升壓后停止ABS動作策略,最后氣缸回退泄壓。實驗結果表明,液壓曲線符合實車ABS多段調壓特點,具有良好的線性,對ABS工作模式下電子助力器耐久性測試有實際的意義。
圖11 ABS工作耐久性部分曲線圖
本文介紹的IBooster總成三工位耐久測試系統(tǒng),使用ABS控制模塊,更加符合實車制動環(huán)境,采用伺服電機走定位,氣缸進行快速加載與退回的方式適合不同電子助力器的測試需求,具有較高的經濟效益。經過兩周的運行測試,該檢測系統(tǒng)無運行故障,測量結果較為精準,能夠滿足各汽車產商對產品的耐久測試需求,現(xiàn)已投入日常研發(fā)應用。