離合器助力器性能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

羅 泉，羅 哉，郭 斌，陸 藝，范偉軍，趙 靜

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310018;2.杭州沃雷科技有限公司，杭州 310018)

離合器助力器性能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

羅 泉1，羅 哉1，郭 斌1，陸 藝1，范偉軍1，趙 靜2

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310018;2.杭州沃雷科技有限公司，杭州 310018)

研制了一套離合器助力器性能檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，在硬件和軟件設(shè)計(jì)上均采用向下兼容的設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)了離合器助力器的輸入液壓與輸出力特性及泄漏量的測(cè)試。在設(shè)計(jì)中采用伺服電機(jī)加載機(jī)構(gòu)，突破以往檢測(cè)中加載力及速度無(wú)法自動(dòng)控制的局限，實(shí)現(xiàn)離合器助力器加載速度精確可調(diào)。采用MSA(測(cè)量系統(tǒng)分析)中的評(píng)定方法I做了大量的試驗(yàn)，結(jié)果表明，與國(guó)外設(shè)備檢測(cè)的結(jié)果相比，結(jié)果正確。

離合器助力器;檢測(cè)性能;輸入輸出特性;泄漏量

0 引言

汽車離合器操縱機(jī)構(gòu)是用來(lái)控制離合器分離又使之柔和接合的一套機(jī)構(gòu)［1］。近年來(lái)，隨著重型車的迅速發(fā)展，我國(guó)對(duì)重型車上離合器液壓操縱系統(tǒng)的要求越來(lái)越高［2］。作為其關(guān)鍵部件，離合器助力器必須有良好的助力性和可靠性，以達(dá)到操作輕捷和安全性高的要求［3］。

現(xiàn)有的離合器助力器性能檢測(cè)設(shè)備，多采用開環(huán)的氣動(dòng)控制，精度不高，且其整體的自動(dòng)化水平不高［4］，有些檢測(cè)設(shè)備還處于半手工半自動(dòng)的階段，并且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜［5］。國(guó)外一些知名廠家，如瓦伯克公司［6］、康斯博格和科諾［7］等的檢測(cè)設(shè)備雖然精度高，檢測(cè)項(xiàng)目全面，但由于技術(shù)壁壘及維護(hù)費(fèi)用等問題，無(wú)法在國(guó)內(nèi)廠家推廣使用。

本文設(shè)計(jì)了離合器助力器性能檢測(cè)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中還采用伺服電機(jī)加載機(jī)構(gòu)，突破以往檢測(cè)中加載力及速度無(wú)法自動(dòng)控制的局限，實(shí)現(xiàn)離合器助力器加載速度精確可調(diào)。本系統(tǒng)還可以對(duì)離合器助力器進(jìn)行工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下的泄漏量測(cè)試。

1 離合器助力器簡(jiǎn)介

1.1 離合器助力器的結(jié)構(gòu)及工作原理

離合器助力器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離合器助力器的結(jié)構(gòu)

當(dāng)踏下離合器踏板4時(shí)，總泵3壓力油進(jìn)入助力器工作油缸，同時(shí)壓力油推動(dòng)助力器的控制活塞10，控制活塞首先關(guān)閉排氣閥門16，再打開進(jìn)氣閥門17，讓儲(chǔ)氣筒14中的壓縮空氣進(jìn)入到助力氣缸2，此時(shí)助力汽缸的氣壓力和油缸的液壓力共同作用在推桿上，操縱離合器分離，從而達(dá)到離合器踏板操縱靈敏，省力。當(dāng)腳離開離合器踏板時(shí)，總泵的壓力油回到油杯中，控制活塞在彈簧作用下回位，進(jìn)氣閥門關(guān)閉，排氣閥門打開，助力器的空氣就從放氣塞排入大氣，離合器恢復(fù)接合狀態(tài)［8］。

1.2 離合器助力器測(cè)試項(xiàng)目

離合器助力器測(cè)試項(xiàng)目主要有輸入液壓與輸出力工作特性和泄漏量測(cè)試。輸入液壓與輸出力工作特性指的是踩下踏板由主泵輸入的油壓與助力器輸出力之間的關(guān)系。其特性曲線滿足Q/WA508-2008《離合器助力器技術(shù)條件》的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

助力器的泄漏量為給進(jìn)氣口和進(jìn)油口輸入一定的氣壓和油壓，穩(wěn)定后測(cè)試它們的氣壓和油壓，保壓一段時(shí)間后再采集它們的氣壓和液壓，從而得出它們的壓降，即泄漏量。

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)檢測(cè)原理

根據(jù)Q/WA508-2008《離合器助力器技術(shù)條件》的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，定制了檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方案。檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要由數(shù)據(jù)采集及調(diào)理模塊、伺服加載機(jī)構(gòu)、裝夾機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的氣路等部分組成。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

工作原理描述如下:本系統(tǒng)通過 PCI總線和GPIB總線實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動(dòng)控制等模塊之間的通信。計(jì)算機(jī)發(fā)出指令到運(yùn)動(dòng)控制卡和數(shù)據(jù)采集卡，運(yùn)動(dòng)控制卡經(jīng)過伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)離合器助力器加載力的速度的可調(diào)以及精準(zhǔn)定位。數(shù)據(jù)采集卡給電氣比例閥一定的電壓信號(hào)使其轉(zhuǎn)換為一定的氣壓，分別作用于氣液回路。各種傳感器由信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)輸送到數(shù)據(jù)采集卡模擬量通道的輸入端，采樣信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后由數(shù)據(jù)采集卡輸送到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)顯示結(jié)果并打印。

2.2 伺服加載設(shè)計(jì)

伺服加載機(jī)構(gòu)如圖3所示，采用伺服電機(jī)通過精密伺服減速器帶動(dòng)滾珠絲桿實(shí)現(xiàn)可調(diào)速的均勻加載，使整個(gè)操作系統(tǒng)全自動(dòng)化。伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制采用MPC07運(yùn)動(dòng)控制卡，通過輸出脈沖信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)外接原點(diǎn)、限位開關(guān)信號(hào)和位移傳感器以實(shí)現(xiàn)回原點(diǎn)、電機(jī)保護(hù)等功能［9］。

圖3 伺服加載機(jī)構(gòu)

其中伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速L(r/min)與脈沖輸出頻率f(Hz)，命令脈沖補(bǔ)償α和β關(guān)系如式(1)所示。加載速度S(mm/s)與電機(jī)轉(zhuǎn)速L，減速比n和滾珠絲桿導(dǎo)程D關(guān)系如式(2)所示。

命令脈沖補(bǔ)償α和β可以根據(jù)需要在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)狀態(tài)下α為16，β為1。系統(tǒng)采用的滾珠絲桿導(dǎo)程為4mm，伺服減速器減速比n為4，由式(1)，(2)可推出加載速度與脈沖頻率關(guān)系如式(3)所示。

速裝夾:為保證裝夾到位，在滑臺(tái)側(cè)及下壓氣缸處都裝有接近開關(guān)，到達(dá)限位后給系統(tǒng)一個(gè)高電平信號(hào)，系統(tǒng)判斷后進(jìn)行相應(yīng)處理，保證裝夾的安全、準(zhǔn)確。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)軟件采用VC++6.0作為開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、人機(jī)交互界面友好，功能強(qiáng)大，其主要功能包括傳感器數(shù)據(jù)采集，信號(hào)曲線實(shí)時(shí)顯示，自動(dòng)存儲(chǔ)和分析數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果自動(dòng)判斷，對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)報(bào)警與錯(cuò)誤顯示。測(cè)試系統(tǒng)軟件測(cè)試流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

當(dāng)啟動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)軟件后，首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)置為初始狀態(tài)。選擇測(cè)試的項(xiàng)目，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，顯示結(jié)果并判斷是否合格，不合格則發(fā)出警報(bào)，顯示不合格的項(xiàng)目，最后測(cè)試數(shù)據(jù)保存、打印，則測(cè)試結(jié)束。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

采用某公司的離合器助力器進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備可靠性，根據(jù)廠家要求，測(cè)試誤差需小于或者等于5%。根據(jù)《中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》(JB/T 10633-2006)-專用檢測(cè)設(shè)備評(píng)定方法指南，對(duì)檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行重復(fù)性評(píng)定。

3.1 重復(fù)性評(píng)定依據(jù)

重復(fù)性表征了在相同條件下對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)試所得結(jié)果之間的一致性，反映了一種檢測(cè)器具(設(shè)備)自身適應(yīng)檢測(cè)工作的能力［10］。本次試驗(yàn)采用測(cè)量能力指數(shù)Cg對(duì)設(shè)備進(jìn)行重復(fù)性評(píng)定，測(cè)量能力指數(shù)是一種以標(biāo)準(zhǔn)偏差S為基礎(chǔ)的重復(fù)性評(píng)定指標(biāo)，是德國(guó)汽車工業(yè)及國(guó)內(nèi)德資汽車制造企業(yè)普遍采用的評(píng)定方法，目前已被廣泛接受用于對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行評(píng)定，在要求較嚴(yán)格的場(chǎng)合選取Cg≥2為合格標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)步驟如下:

將被測(cè)離合器助力器安裝到檢測(cè)設(shè)備上，重復(fù)試驗(yàn)20次，數(shù)據(jù)記錄在表1。計(jì)算出測(cè)試平均值xg及準(zhǔn)偏差S，然后按公式(4)、(5)和(6)求出測(cè)量能力指數(shù)Cg。

式中，K——縮小系數(shù)，一般取0.2，T——被測(cè)量的公差，S——標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表1 數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

由表1可知，設(shè)備的測(cè)量能力指數(shù)Cg=2.788。測(cè)試裝置測(cè)量能力指數(shù)Cg大于2.0，表明該測(cè)試裝置滿足重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)，故評(píng)定通過。

3.2 輸入液壓與輸出力特性試驗(yàn)結(jié)果分析

選取某公司的離合器助力器作為被測(cè)對(duì)象，采用MSA(測(cè)量系統(tǒng)分析)中的評(píng)定方法I對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)定，在常溫下，計(jì)算機(jī)控制電氣比例閥向助力器供氣口依次分別輸入700、500、300、100kPa氣壓，由進(jìn)液口自動(dòng)輸入0-12MPa液壓(一定的速度控制)，記錄輸出力——輸入液壓曲線。其曲線如圖5所示。橫坐標(biāo)代表輸入的液壓，縱坐標(biāo)代表助力器的輸出力。

對(duì)比離合器助力器廠家所提供的由國(guó)外進(jìn)口儀器測(cè)得的數(shù)據(jù)和測(cè)試曲線與本系統(tǒng)所測(cè)得結(jié)果基本一致。

圖5 輸入輸出曲線

3.3 泄漏性試驗(yàn)結(jié)果分析

在測(cè)試臺(tái)氣壓為500kPa的條件下測(cè)量20次，記錄下非工作狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 非工作狀態(tài)下密封性測(cè)試數(shù)據(jù)

由此表2經(jīng)計(jì)算所得的氣壓壓降的平均值為0.219kPa，在誤差允許范圍之內(nèi)，所以離合器助力器氣壓密封性測(cè)試符合要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了離合器助力器檢測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)以“軟件為核心”，結(jié)合數(shù)據(jù)采集與運(yùn)動(dòng)控制等硬件模塊，實(shí)現(xiàn)重型車離合器助力器性能的測(cè)試，采用伺服電機(jī)作為加載機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程中加載力與速度的精確控制，提高了系統(tǒng)的精度，使測(cè)試過程達(dá)到全自動(dòng)化。實(shí)驗(yàn)表明:系統(tǒng)具有精度高，可靠性強(qiáng)，易操作等特點(diǎn)。符合“Q/WA508-2008《離合器助力器技術(shù)條件》”標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過重復(fù)性評(píng)定，完全可以用于產(chǎn)品性能與質(zhì)量檢測(cè)以及試驗(yàn)室產(chǎn)品的開發(fā)。

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The Design of Test System for Performance of Clutch Booster

LUO Quan1，LUO Zai1，GUO Bin1，LU Yi1，F(xiàn)AN Wei-jun1，ZHAO Jing2
(1.College of Metrology Technology and Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China;2.Hangzhou wo-lei technology limited.，Hangzhou 310018，China)

A performance testing system about Performance of Clutch Booster was developed.Using high-Speed data collection card，computer control technology is applied.The backward compatibility of design principles were used in the hardware and software.And the test items include clutch booster input-output characteristic and sealing.Servo-loading mechanism was introduced in the design of test system.It breaks through the limit that previous test can not control the load speed and load force value of vacuum booster and achieves load speed is precise and adjustable.According to the evaluation method of MSA(measurement systems analysis)，a lot of experiment has been done.The results show that the detection system meets the test requirements in contrast to the test data and curves measured by the foreign instrument.

clutch booster;performance testing;input-output characteristic;sealing

TH162;TP23

A

1001-2265(2012)11-0064-03

2012-03-08

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2010QK406);國(guó)家質(zhì)檢總局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201210109)

羅泉(1986—)，女，海南文昌人，中國(guó)計(jì)量學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠嚵悴考z測(cè)，精密儀器及測(cè)量測(cè)試技術(shù)，(E-mail)luoquan789@163.com。

(編輯 李秀敏)