公交客車氣制動(dòng)繼動(dòng)閥性能測(cè)試系統(tǒng)研究

易北華，楊春生，陳正龍

(1.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，成都 610021;2.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

公交客車作為城市交通運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?，其行駛安全性能關(guān)乎人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全［1］。目前，大中型商用客車其制動(dòng)系統(tǒng)多采用氣壓制動(dòng)系統(tǒng)，其制動(dòng)性能的好壞決定著車輛行駛安全性的高低。氣制動(dòng)系統(tǒng)是由許多閥類組成，每種閥的性能好壞將直接影響制動(dòng)系統(tǒng)的整個(gè)制動(dòng)性能。城市大中型公交客車制動(dòng)管路相對(duì)較長(zhǎng)，氣壓制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間受到管路長(zhǎng)度的影響。繼動(dòng)閥安裝于長(zhǎng)管路的末端，用來(lái)縮短操作氣路中制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間和解除制動(dòng)時(shí)加速放氣，起快速動(dòng)作的作用。繼動(dòng)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能將直接影響緊急制動(dòng)時(shí)汽車制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間及制動(dòng)距離［2］。

文獻(xiàn)［3］研究了氣制動(dòng)閥類綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)，但其目的主要是完成制動(dòng)閥性能測(cè)試;文獻(xiàn)［4］制動(dòng)性能測(cè)試方法主要針對(duì)整車的制動(dòng)性能測(cè)試方法的分析與研究;文獻(xiàn)［5］完成了氣制動(dòng)閥類綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其只是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體介紹，沒(méi)有詳細(xì)對(duì)繼動(dòng)閥的測(cè)試方法進(jìn)行闡述;文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)了氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，其主要是模擬真實(shí)汽車制動(dòng)過(guò)程，從而檢測(cè)整個(gè)制動(dòng)性能，因此其中某個(gè)閥的性能特點(diǎn)將給其他閥檢測(cè)帶來(lái)一定影響，特別是其中一個(gè)閥類泄露而導(dǎo)致其他閥的氣壓供應(yīng)不足，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，影響對(duì)特定閥的性能分析;文獻(xiàn)［7］與文獻(xiàn)［8］分別對(duì)防抱死系統(tǒng)性能與各閥門的排氣性能進(jìn)行研究，而對(duì)于其中特定繼動(dòng)閥的動(dòng)靜態(tài)性能沒(méi)有做過(guò)多的分析研究。

針對(duì)上述對(duì)繼動(dòng)閥性能測(cè)試系統(tǒng)的不足，為獲取汽車氣制動(dòng)繼動(dòng)閥性能特性，分析其測(cè)試方法，開(kāi)發(fā)一種高精度、高可靠性以及高自動(dòng)化的汽車氣制動(dòng)繼動(dòng)閥的性能測(cè)試系統(tǒng)十分重要，對(duì)汽車行駛安全和繼動(dòng)閥生產(chǎn)廠家、維修廠家以及質(zhì)量監(jiān)督部門具有實(shí)際意義。

1 繼動(dòng)閥結(jié)構(gòu)及工作原理

繼動(dòng)閥安裝于長(zhǎng)管路的末端，用于縮短汽車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)施加和放松過(guò)程中充氣和排氣時(shí)間，從而減少制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。繼動(dòng)閥控制氣腔A 和進(jìn)出氣腔B 之間氣壓差控制繼動(dòng)閥的工作狀態(tài)及氣壓回路，其結(jié)構(gòu)原理圖1 所示。圖中，4 口接氣制動(dòng)閥，1 口接儲(chǔ)氣筒，2 口接制動(dòng)氣室，3 口通大氣。

圖1 繼動(dòng)閥結(jié)構(gòu)原理圖

繼動(dòng)閥工作原理:正常行駛時(shí)，儲(chǔ)氣筒的壓縮空氣從1 口進(jìn)入，進(jìn)氣閥門b 關(guān)閉，排氣閥門c 開(kāi)啟，與制動(dòng)氣室相連的2 口通過(guò)3 口與大氣相通。

汽車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)閥上腔來(lái)的壓縮空氣經(jīng)4 口進(jìn)入，A 腔氣壓大于B 腔，氣壓通過(guò)A 腔推動(dòng)活塞a向下移動(dòng)，關(guān)閉排氣閥門c，打開(kāi)進(jìn)氣閥門b，使儲(chǔ)氣筒壓縮空氣經(jīng)1 口、進(jìn)氣閥門b 進(jìn)入B 腔，通過(guò)2 口進(jìn)入制動(dòng)氣室，產(chǎn)生制動(dòng)。

解除制動(dòng)時(shí)，A 腔壓縮空氣從制動(dòng)閥排氣口排出，A 腔氣壓迅速降低，B 腔壓縮空氣推動(dòng)活塞a 上移，關(guān)閉進(jìn)氣閥門b，打開(kāi)排氣閥門c，制動(dòng)氣室壓縮空氣經(jīng)過(guò)2 口、排氣閥門c 從3 口排出，制動(dòng)解除。

當(dāng)踏下制動(dòng)踏板氣制動(dòng)開(kāi)始制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)閥控制進(jìn)氣閥門b 開(kāi)啟，儲(chǔ)氣筒壓縮空氣不通過(guò)制動(dòng)閥而是直接通過(guò)進(jìn)氣閥門b 進(jìn)入制動(dòng)氣室。汽車解除制動(dòng)時(shí)，排氣閥門c 開(kāi)啟，制動(dòng)氣室直接與排氣口相連，氣壓快速放入大氣。大中型汽車長(zhǎng)管路中，繼動(dòng)閥縮短制動(dòng)氣室的充放氣管路，加速充排氣過(guò)程，縮短氣制動(dòng)回路制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。

2 繼動(dòng)閥測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試原理

根據(jù)汽車制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)方法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)家相關(guān)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［9-10］，測(cè)試系統(tǒng)中包括三條氣路:①由氣壓系統(tǒng)、儲(chǔ)氣筒、電氣比例閥、氣壓傳感器、被測(cè)繼動(dòng)閥控制口4 構(gòu)成測(cè)試控制氣路;②由氣壓系統(tǒng)、儲(chǔ)氣筒、氣壓傳感器、被測(cè)繼動(dòng)閥進(jìn)氣口1構(gòu)成充氣氣路;③被測(cè)繼動(dòng)閥出氣口2、氣壓傳感器、固定容腔、排氣閥構(gòu)成模擬制動(dòng)氣路。

測(cè)試啟動(dòng)后，工控機(jī)向控制電路發(fā)出指令，控制電氣比例閥的大小，實(shí)現(xiàn)氣壓不同進(jìn)氣、排氣速率，完成繼動(dòng)閥多種性能的測(cè)試試驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集繼動(dòng)閥各口氣壓傳感器的氣壓值，并傳輸至工控機(jī)，由工控機(jī)儲(chǔ)存的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、顯示，完成繼動(dòng)閥出氣口2 與控制氣口4 氣壓曲線圖以及各口氣壓與時(shí)間曲線圖，并生成報(bào)告。

2.2 總體架構(gòu)

該系統(tǒng)主要包括工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、傳感器、控制電路，如圖2 所示為系統(tǒng)總體架構(gòu)圖。圖中，工控機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)PCI 總線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？刂齐娐吠ㄟ^(guò)串口與工控機(jī)通信。氣動(dòng)系統(tǒng)包括空壓機(jī)、空氣干燥閥，單向閥，儲(chǔ)氣筒，電氣比例閥。排氣系統(tǒng)有固定容腔，排氣閥?？刂齐娐吠ㄟ^(guò)I/O 口輸出控制信號(hào)控制電氣比例閥大小，氣動(dòng)系統(tǒng)按照設(shè)定參數(shù)提供氣壓大小。氣壓傳感器分別與被測(cè)繼動(dòng)閥控制氣口，進(jìn)氣口和出氣口相連。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)氣動(dòng)元件以及氣動(dòng)制動(dòng)器采用SMC 公司生產(chǎn)的電氣比例閥以及標(biāo)準(zhǔn)氣缸CJ2 型，夾緊氣缸和快速接頭等，其符合零泄漏標(biāo)準(zhǔn)，并且產(chǎn)品間兼容與銜接性好。數(shù)據(jù)采集卡與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用研華公司生產(chǎn)的最新產(chǎn)品，數(shù)據(jù)采集卡集成A/D、D/A、Timer/Counter 等功能，工控機(jī)具有很強(qiáng)的防塵、防震等能力，其簡(jiǎn)化了通信接口設(shè)計(jì)。傳感器與數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)光電耦合器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，降低干擾。試驗(yàn)臺(tái)采用分體組合形式，分別將主控系統(tǒng)和制動(dòng)控制系統(tǒng)安裝于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的機(jī)柜中，保證系統(tǒng)的防電磁干擾以及防塵，同時(shí)各機(jī)柜具有減震措施。從硬件設(shè)計(jì)中提高系統(tǒng)可靠性。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件功能如圖2 所示，主要包括初始化模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)分析模塊、曲線實(shí)時(shí)顯示模塊等。初始化模塊完成測(cè)試系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的選擇與設(shè)定，數(shù)據(jù)采集模塊完成各種傳感器信號(hào)的采集，數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的濾波、處理以及控制信號(hào)的輸出等，數(shù)據(jù)分析模塊實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)性能與關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)的計(jì)算［11］、判定，實(shí)時(shí)顯示模塊完成測(cè)試曲線的繪制以及評(píng)判結(jié)論的顯示。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于VC6.0 ++，根據(jù)系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)圖形顯示的要求，采用中斷觸發(fā)數(shù)據(jù)采集技術(shù)和多線程技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)［12］，采集線程進(jìn)行中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制，主線程進(jìn)行用戶界面管理和繪圖操作，數(shù)據(jù)采集線程實(shí)時(shí)采集氣壓傳感器氣壓值，數(shù)據(jù)處理線程處理和保存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析線程進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和判定，監(jiān)控線程等待用戶輸入和檢測(cè)工況信號(hào)，有效地提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能和多任務(wù)處理能力。數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖4，線程間通信過(guò)程如圖5。

圖5 線程通信過(guò)程

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，采用面向?qū)ο笏枷?，同時(shí)采用規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化編程，程序設(shè)計(jì)采用模塊化編程，各模塊間獨(dú)立完成相應(yīng)功能?？刂品矫娌捎脮r(shí)間片與循環(huán)控制相結(jié)合，保證系統(tǒng)的可靠性。

3 測(cè)試試驗(yàn)

3.1 靜態(tài)特性測(cè)試

(1)測(cè)試內(nèi)容:出氣口2 與控制口4 氣壓曲線，各口密封性。

(2)測(cè)試方法:在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)軟件初始化程序預(yù)先設(shè)定好各個(gè)測(cè)試參數(shù)，調(diào)節(jié)電氣比例閥的大小，使儲(chǔ)氣筒氣壓按照一定速率向被測(cè)繼動(dòng)閥控制口4 通入氣壓，直到達(dá)到額定工作氣壓0.8MPa。關(guān)閉電氣比例閥，使繼動(dòng)閥各個(gè)氣壓口保壓30s，氣壓傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)記錄各口泄露氣壓大小。開(kāi)啟電氣比例閥設(shè)定氣壓減小速率，直到氣壓降為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。在啟動(dòng)軟件，設(shè)定測(cè)試參數(shù)后，開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集、曲線顯示、數(shù)據(jù)分析線程，使整個(gè)測(cè)試過(guò)程中程序控制、數(shù)據(jù)采集、曲線顯示同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性。由安裝于控制口4 和出氣口2 的氣壓傳感器采集各口的氣壓值，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集并上傳至工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線圖顯示。

通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析，在控制口升壓階段可以計(jì)算出繼動(dòng)閥最小啟動(dòng)氣壓;在氣壓保持階段，可以通過(guò)傳感器氣壓變化值判斷繼動(dòng)閥各個(gè)口的密封性;在控制口降壓階段，可計(jì)算出繼動(dòng)閥開(kāi)始排氣的最大氣壓值。

(3)測(cè)試結(jié)果:如圖6 所示，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)設(shè)置值所測(cè)得繼動(dòng)閥靜態(tài)特性的出氣口2 與控制口4 的氣壓曲線，如圖7 所示。

3.2 動(dòng)態(tài)特性測(cè)試

(1)測(cè)試內(nèi)容:進(jìn)氣口1、控制口4 和出氣口2 的氣壓與時(shí)間曲線圖。

圖6 測(cè)試參數(shù)設(shè)置

圖7 靜態(tài)曲線圖

(2)測(cè)試方法:在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，通過(guò)軟件初始化程序設(shè)定好各個(gè)測(cè)試參數(shù)，使程序按照汽車制動(dòng)時(shí)各個(gè)儲(chǔ)氣筒氣壓提供方式，以及氣壓大小，開(kāi)啟電氣比例閥，使儲(chǔ)氣筒氣壓按照額定氣壓向控制氣口4 和進(jìn)氣口1 充壓。繼動(dòng)閥各口氣壓傳感器實(shí)時(shí)記錄氣壓值大小，由數(shù)據(jù)采集卡采集各氣壓值大小，并通過(guò)PCI 總線傳輸至工控機(jī)，由工控機(jī)存儲(chǔ)的軟件繪圖顯示各口氣壓值與時(shí)間曲線，如圖6 所示。通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析，計(jì)算各個(gè)口在緊急制動(dòng)時(shí)達(dá)到工作氣壓所需要時(shí)間，并對(duì)此作出評(píng)價(jià)。

(3)測(cè)試結(jié)果:緊急制動(dòng)時(shí)各口氣壓建立時(shí)間曲線如圖8 所示。

圖8 各口氣壓建立曲線圖

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)繼動(dòng)閥靜動(dòng)態(tài)性能的在線測(cè)試，結(jié)果可知:在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，系統(tǒng)對(duì)繼動(dòng)閥靜動(dòng)態(tài)性能測(cè)試方法的可行性以及該系統(tǒng)能夠滿足企業(yè)對(duì)性能測(cè)試的要求。為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，多次測(cè)量不同型號(hào)繼動(dòng)閥，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析比較，系統(tǒng)運(yùn)行良好，同時(shí)使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作8 小時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果不受影響。

4 結(jié)論

對(duì)公交客車氣制動(dòng)系統(tǒng)中繼動(dòng)閥的作用及工作原理進(jìn)行了分析研究，提出并設(shè)計(jì)了公交客車氣制動(dòng)繼動(dòng)閥的性能測(cè)試方法以及測(cè)試系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)氣壓調(diào)節(jié)范圍為0.05 ～1.5MPa，氣壓測(cè)量范圍為0 ～1.2MPa 時(shí)，系統(tǒng)氣壓測(cè)量精度能夠達(dá)到0.25%，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)硬件采用SMC 公司的氣動(dòng)元件，符合零泄漏標(biāo)準(zhǔn)，使各氣動(dòng)元件配合度高;數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)采用臺(tái)灣研華公司產(chǎn)品，使得串口通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。多次長(zhǎng)時(shí)間工作，保證系統(tǒng)可靠性。

［1］魏義. 汽車制動(dòng)器總成制動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］. 合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

［2］李濱，劉明. 汽車氣制動(dòng)ABS 調(diào)節(jié)閥測(cè)試系統(tǒng)氣動(dòng)測(cè)試回路設(shè)計(jì)研究［J］. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19(4):78－82.

［3］韓銳，趙中煜，關(guān)強(qiáng). 氣制動(dòng)閥類綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)［J］. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2002，30(6):10－13.

［4］張改. 汽車制動(dòng)性能測(cè)試方法分析與研究［J］. 中國(guó)測(cè)試，2010，36(4):34－37.

［5］姚帥，李飛標(biāo)，郭春裕. 汽車氣制動(dòng)閥類綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009，22(4):36－37.

［6］馬冰，徐中明，張志飛，等. 一種用于氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)［J］. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，28(11):12－14.

［7］陸文昌. 汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)性能的研究［J］. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15(11):65－68.

［8］馬冰，徐中明，張志飛，等. 汽車氣制動(dòng)系統(tǒng)閥門排氣性能檢測(cè)［J］. 機(jī)械與電子，2005(9):36－38.

［9］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB13594－2003 機(jī)動(dòng)車和掛車防抱制動(dòng)性能和試驗(yàn)方法［S］，2003.

［10］GB 12676－1999. 汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和實(shí)驗(yàn)方法［S］.

［11］白云川，李樹珉，馬效，等. 汽車制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)檢定數(shù)據(jù)處理研究［J］. 中國(guó)測(cè)試，2010，36(4):77－80.

［12］賈廣雷. 多線程技術(shù)及其在串口通信中的應(yīng)用［J］. 計(jì)算機(jī)工程，2003，29(1):247－249.