氣壓防抱死制動系統(tǒng)調(diào)節(jié)器動態(tài)特性試驗研究

蔣 強 羅 宏 林 樺 孟偉勛

(重慶理工大學(xué)汽車學(xué)院1，重慶 400054;重慶聚能汽車技術(shù)有限公司2，重慶 400043)

0 引言

汽車防抱死制動系統(tǒng)(anti-lock braking system，ABS)在車輛制動系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，它提高了車輛制動時的方向穩(wěn)定性，也保證了汽車的安全制動[1]。氣壓ABS作為ABS的子類，其工作可靠性主要取決于制動壓力調(diào)控的準確性及迅速程度，這對制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件——調(diào)節(jié)器提出了極高的要求。調(diào)節(jié)器的性能直接影響氣壓ABS產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

國外在氣壓ABS模型設(shè)計參數(shù)等一系列核心技術(shù)方面執(zhí)行嚴格的保密制度。而在我國，雖然氣壓ABS產(chǎn)品已有一定市場，但由于大部分廠家仍處在簡單的仿造階段，其設(shè)計水平、制造工藝和檢測技術(shù)水平的落后，導(dǎo)致產(chǎn)品的可靠性低、故障率高，從而無法進入高端產(chǎn)品市場。究其原因，主要是沒有成熟的產(chǎn)品檢測與試驗方法及設(shè)備，不能為氣壓ABS產(chǎn)品設(shè)計制造提供理論基礎(chǔ)及試驗數(shù)據(jù)分析方面的支持。本文從氣壓ABS產(chǎn)品的評價方法入手，建立并對調(diào)節(jié)器制動氣室充放氣的微分方程進行了仿真，提出一種新的試驗方法，并運用開發(fā)的系統(tǒng)檢測軟件進行試驗分析，彌補了路試對調(diào)節(jié)器檢測的不足，為后期ABS控制器單元(electronic control unit，ECU)匹配設(shè)計奠定基礎(chǔ)[2]。

1 氣壓ABS性能評價指標

氣壓ABS動態(tài)試驗尚沒有統(tǒng)一的標準，當(dāng)前國內(nèi)外主流評價標準分為基于附著系數(shù)利用率和基于抽動距離這兩種[2]。氣壓ABS調(diào)節(jié)器的工作原理是通過ECU控制膜片式電磁閥的開關(guān)動作及時間，控制制動氣室的進氣與排氣，實現(xiàn)其壓力的增加、減小和保持。氣壓ABS動作狀態(tài)如表1所示。

表1 氣壓ABS動作狀態(tài)Tab.1 The action states of pneumatic ABS

對于氣壓ABS制造商而言，如何評價氣壓ABS的性能成為保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要措施之一，且氣壓ABS性能評價指標是保證所提供的產(chǎn)品對整車防抱死制動系統(tǒng)可靠性的一項重要技術(shù)指標，也是指導(dǎo)開發(fā)調(diào)節(jié)器動態(tài)性能檢測系統(tǒng)的重要參考依據(jù)[3－5]。

氣壓ABS性能評價可從ABS調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性與動態(tài)特性試驗出發(fā)，對比各項性能參數(shù)。通過ABS調(diào)節(jié)器靜態(tài)特性的測試，判斷ABS調(diào)節(jié)器的最大壓力、升壓速率、降壓速率、絕緣特性、調(diào)節(jié)器線圈工作電阻值等參數(shù)以及調(diào)節(jié)器的密封性，從而確認氣壓ABS的基本性能是否滿足相應(yīng)的設(shè)計技術(shù)指標。

動態(tài)特性能真實反映調(diào)節(jié)器工作過程中的性能特性，通過測試，可為氣壓ABS系統(tǒng)的控制器設(shè)計奠定基礎(chǔ)。氣壓ABS的壓力動態(tài)特性主要受膜片式電磁閥和制動氣室等主要部件的動態(tài)特性的影響[5]。由于充放氣的過程極短，假設(shè)充放氣過程絕熱及調(diào)節(jié)器等效為收縮噴管，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和氣體瞬時流量方程，制動氣室的壓力與流量方程為[6－7]：

式中：p為壓力，Pa;Qm為體積流量，m3/s;R0=287.1 J/kg·k，為普適氣體常數(shù);T0=313 K，為制動氣室內(nèi)的絕對溫度;V為制動氣室容積(10－3m3);A為制動氣室入口面積(增壓)或出口面積(減壓);k=1.4，為絕熱系數(shù);δ為入口上流壓力p1與制動氣室壓力p2之比(增壓)或制動氣室壓力p2與出口壓力p3之比(減壓)。由于入口或出口截面需保持臨界狀態(tài)，根據(jù)流體動力學(xué)原理[6]，將氣體的瞬時流量以臨界壓力比作為分界點，計算氣體瞬時流量，所以式(2)可寫成：

由理想氣體狀態(tài)方程可得：

對式(4)求導(dǎo)，并結(jié)合式(1)和式(3)，可得制動氣室充放氣動態(tài)特性微分方程為：

2 試驗方法

以氣壓ABS性能評價指標作為指導(dǎo)，確定其基本性能指標、靜態(tài)及動態(tài)指標的試驗方法。合理的測量方法不僅能保證獲取可靠的氣壓ABS性能試驗參數(shù)，也可為后期產(chǎn)品ECU開發(fā)提供可靠的技術(shù)支持。由于試驗系統(tǒng)的復(fù)雜性，測量方法的研究主要涉及試驗系統(tǒng)的測量原理、電氣參數(shù)特性、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等問題。

氣壓ABS調(diào)節(jié)器相當(dāng)于一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，它主要包括電磁系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和氣壓系統(tǒng)等。當(dāng)調(diào)節(jié)器工作時，各系統(tǒng)參數(shù)不斷發(fā)生變化，輸入的能量以不同形式變化傳遞。因此，確定合理可靠的參數(shù)檢測方法有助于判斷產(chǎn)品是否合格，性能指標是否滿足要求[7]。

基本性能指標的測試方法是在調(diào)節(jié)器的入口與出口設(shè)置測試點，檢測靜態(tài)增壓與靜態(tài)減壓條件下壓力的大小;調(diào)節(jié)器的絕緣電阻、控制線圈電阻和最大電流等參數(shù)的測試則采用專用測試儀器——絕緣電阻測試儀及精密萬用表。密閉性的檢測方法有干式和濕式兩種檢測方法。由于濕式檢測方法受人為因素影響，所以本文采用檢測方便、效率高的干式檢測法來實現(xiàn)調(diào)節(jié)器的氣密性檢測。氣密性分為增壓密閉性、保壓密閉性和減壓密閉性。在額定壓力下，保壓5 s，按調(diào)節(jié)器的三種工作狀態(tài)分別測試10 s，當(dāng)壓力變化＜50 Pa/s時，表示調(diào)節(jié)器氣密性合格。

調(diào)節(jié)器內(nèi)的氣體流動具有非定特性，動態(tài)測試能夠準確及時地確定制動氣室內(nèi)壓力的瞬時值及其隨時間而變化的量值。為獲得制動氣室壓力變化的準確性，以便為ECU設(shè)計提供依據(jù)，試驗中采用頻譜分析和波形分析進行動態(tài)數(shù)據(jù)處理，兩者之間可通過傅里葉變換相互轉(zhuǎn)換。根據(jù)《機動車和掛車防抱制動性能和試驗方法》和《機動車運行安全技術(shù)條件》等技術(shù)標準[8]，動態(tài)特性試驗分為增壓動態(tài)特性試驗、減壓動態(tài)特性試驗和PWM循環(huán)動態(tài)特性試驗[9－12]。

3 試驗結(jié)果與分析

試驗對象為聚能氣壓ABS調(diào)節(jié)器，型號為JN144FB，調(diào)節(jié)器工作時的額定壓力為0.7 MPa，額定電壓為24 VDC，并采用相應(yīng)的測試軟件和測試儀器(如萬用表、絕緣電阻測量儀、壓力調(diào)節(jié)器專用檢測試驗臺)完成氣壓ABS調(diào)節(jié)器的靜動態(tài)試驗。

3.1 靜態(tài)特性試驗

通過對氣壓ABS調(diào)節(jié)器靜態(tài)參數(shù)的測試，獲得調(diào)節(jié)器承受的最大壓力為1.3 MPa，電磁線圈電阻平均值為14.8 Ω。當(dāng)調(diào)節(jié)絕緣電阻儀的測試電壓值大于500 V時，線圈電流小于5 mA;排氣降壓后，排氣口的壓力p≤0.01 MPa。制動氣室增減壓的靜態(tài)特性曲線如圖1所示。

圖1 靜態(tài)特性曲線Fig.1 Curves of static characteristics

氣壓ABS調(diào)節(jié)器的密封性用干式法檢測。結(jié)果表明，在常溫下，調(diào)節(jié)器氣壓達標后，當(dāng)未進行制動時，壓降≤10 kPa;當(dāng)制動板被踏到底且穩(wěn)定以后，壓降≤20 kPa。

3.2 動態(tài)特性試驗

本文將氣壓ABS調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性試驗分為增壓特性試驗、減壓特性試驗和動態(tài)循環(huán)試驗三類。氣壓ABS系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性直接影響制動系統(tǒng)的控制品質(zhì)，而調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性試驗是一種真實反映實際工作狀態(tài)的試驗方法。

氣壓ABS調(diào)節(jié)器增減壓的動態(tài)特性曲線如圖2所示。

圖2 動態(tài)特性曲線Fig.2 Curves of dynamic characteristics

動態(tài)循環(huán)試驗的參數(shù)設(shè)置如下：卸壓次數(shù)為8次，卸壓時間為40 ms，卸壓保持時間為80 ms，長卸壓時間為400 ms;加壓次數(shù)為13次，加壓時間為40 ms，加壓保持時間為80 ms;循環(huán)周期為120 ms。動態(tài)循環(huán)試驗曲線如圖3所示。

圖3 動態(tài)循環(huán)試驗曲線Fig.3 The dynamic circulated experiment curve

試驗結(jié)果表明，動態(tài)循環(huán)增減壓過程與動態(tài)特性仿真過程趨勢基本一致。根據(jù)氣壓ABS調(diào)節(jié)器的工作原理及特性要求，測試以下參數(shù)來判斷產(chǎn)品是否合格。由試驗仿真可知，最大壓力為0.91 MPa，最小壓力為0.02 MPa;第 4 次加壓壓差為 0.05 MPa，加壓延時為13 ms，第4次卸壓壓差為0.08 MPa，卸壓延時為24 ms，第8次卸壓壓力為0.26 MPa，第13次加壓壓力為0.69 MPa均分布在規(guī)定區(qū)間，產(chǎn)品合格。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)氣壓ABS調(diào)節(jié)器(JN144FB型號)的性能評價方法及工作原理，建立了調(diào)節(jié)器制動氣室充放氣動態(tài)特性微分方程。以性能評價參數(shù)為指導(dǎo)，分別提出了性能指標參數(shù)和動態(tài)特性參數(shù)的試驗測試方法，并進行仿真與試驗分析。試驗結(jié)果表明，所獲得的數(shù)據(jù)能作為準確評價氣壓ABS調(diào)節(jié)器的性能的依據(jù)，為ECU設(shè)計提供參考，并驗證了此試驗方法的可行性，該方法在ABS性能試驗中有一定的推廣價值。

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