BA功能真空助力器綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)

陸　藝，闕　飚，金浪濱

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院　浙江杭州　310018)

0　引言

真空助力器是制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，它可以減少駕駛員制動(dòng)時(shí)所需的踏板力，達(dá)到改善制動(dòng)性能的效果，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車真空助力系統(tǒng)中。BA功能真空助力器是指帶有緊急制動(dòng)功能的助力器，在緊急制動(dòng)情況下駕駛員無(wú)法提供足夠的制動(dòng)力，助力器可以感應(yīng)緊急制動(dòng)操作并且增加制動(dòng)器的輸出力，減少制動(dòng)時(shí)間及制動(dòng)距離，從而保證了行車安全。帶BA功能真空助力器是近幾年才發(fā)展起來(lái)的，國(guó)內(nèi)的研究處于空白階段。目前國(guó)產(chǎn)真空助力器性能檢測(cè)設(shè)備只能夠檢測(cè)輸入輸出特性及密封性，缺少BA功能、空行程以及反應(yīng)釋放時(shí)間檢測(cè)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)檢測(cè)設(shè)備在控制方面相對(duì)落后，氣動(dòng)控制采用開環(huán)方式，數(shù)據(jù)采集精度低，嚴(yán)重阻礙了新產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度和影響產(chǎn)品的出廠質(zhì)量[1-2]。

國(guó)內(nèi)對(duì)真空助力器的檢測(cè)沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，主要依據(jù)真空助力器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 307-1999《真空助力器技術(shù)條件》。國(guó)內(nèi)各科研機(jī)構(gòu)也對(duì)真空助力器進(jìn)行了研究，如重慶汽車研究所的梅宗信分析了測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)方法對(duì)助力比產(chǎn)生的影響，得出輸入傳感器與輸出傳感器的線性一致性是影響測(cè)量準(zhǔn)確性的最大因素[3]。中國(guó)汽車工程研究院的唐春蓬等人分析了數(shù)據(jù)采集的規(guī)范，提出用最小二乘法計(jì)算助力比[4]。廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的萬(wàn)頻等人利用PLC和觸摸屏設(shè)計(jì)了真空助力器檢測(cè)設(shè)備，但是它只提供了輸入輸出特性測(cè)試，無(wú)法滿足全面檢測(cè)的要求[5]。因此研制出一套檢測(cè)項(xiàng)目全面的BA功能真空助力器綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)很有必要。為驗(yàn)證加載速度對(duì)輸入輸出特性的影響，引入了隨動(dòng)平衡理論。同時(shí)，在AMEsim仿真環(huán)境下建立了真空助力器仿真模型分析了加載速度對(duì)助力比的影響。

1　系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

1．1BA真空助力器原理及測(cè)試要求

BA功能真空助力器的原理圖如圖1，當(dāng)真空助力器處在非工作狀態(tài)時(shí)，真空閥開啟，空氣閥關(guān)閉，前后腔通道導(dǎo)通，前后氣室聯(lián)通并且與外界空氣隔絕。當(dāng)開始工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將前后腔抽成真空，制動(dòng)踏板推動(dòng)閥座前移，真空閥關(guān)閉，前后腔通道被隔斷，空氣閥開啟，空氣進(jìn)入后腔氣室形成壓力差，壓力差產(chǎn)生助力。當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，真空閥和空氣閥都處于關(guān)閉狀態(tài)，后腔氣室氣壓仍小于1個(gè)大氣壓。真空助力器充分工作時(shí)，真空閥關(guān)閉，空氣閥完全打開，這時(shí)后腔氣室的氣壓為1個(gè)大氣壓，提供的助力值達(dá)到最大。真空助力器回復(fù)時(shí)，真空閥打開，空氣閥關(guān)閉，制動(dòng)解除。

1-制動(dòng)主缸推桿；2-橡膠反作用盤；3-空氣閥；4-真空閥；5-BA功能零件；6-后腔氣室；7-腔氣室；A-前腔通道；B-后腔通道

BA功能真空助力器相較于常規(guī)真空助力器，在制動(dòng)踏板推桿輸入端處增加了套筒、凸輪、鎖片以及制動(dòng)輔助彈簧等部件，如圖2所示。

圖2　BA真空助力器增加零件

在正常制動(dòng)狀態(tài)下，制動(dòng)踏板推桿推動(dòng)空氣閥向前移，鎖片穿過(guò)套筒抵靠在凸輪處，由于是緩慢制動(dòng)，鎖片不會(huì)穿過(guò)凸輪，預(yù)留打開距離沒(méi)有被打開，其工作原理與普通助力器完全相同。在緊急制動(dòng)狀態(tài)下，制動(dòng)踏板推桿帶動(dòng)空氣閥座快速前移，抵靠在凸輪上的鎖片會(huì)向兩邊打開，鎖片打開口，凸輪可以穿過(guò)鎖片，使空氣閥口額外打開一個(gè)預(yù)留距離，大氣迅速進(jìn)入真空助力器后腔，制動(dòng)輸出力瞬間增大。

BA功能真空助力器檢測(cè)系統(tǒng)有5個(gè)主要檢測(cè)項(xiàng)目：

(1)密封性檢測(cè)：密封性能按推桿位置不同分為非工作密封性、最大助力點(diǎn)以上密封性以及最大助力點(diǎn)以下密封性；(2)常規(guī)輸入輸出特性檢測(cè)：加載機(jī)構(gòu)緩慢推動(dòng)真空助力器輸入推桿，速度調(diào)節(jié)范圍在0～10 mm/s之間，得到制動(dòng)踏板輸入力與輸出力之間的關(guān)系；(3)反應(yīng)釋放時(shí)間檢測(cè)：真空助力器反應(yīng)時(shí)間是指制動(dòng)踏板推桿快速制動(dòng)過(guò)程中，從加力到97%最大助力點(diǎn)時(shí)所需的時(shí)間。釋放時(shí)間是指解除制動(dòng)踏板上的推力，輸出力下降到10%最大助力點(diǎn)時(shí)所需的時(shí)間；(4)空行程檢測(cè)：從制動(dòng)踏板推桿開始移動(dòng)至輸出推桿產(chǎn)生位移期間，制動(dòng)踏板走過(guò)的距離；(5)BA特性檢測(cè)：加載機(jī)構(gòu)以50 mm/s速度快速加載情況下真空助力器輸入力與輸出力關(guān)系[6]。

1．2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)以上測(cè)試要求，設(shè)計(jì)了PC控制的BA真空助力器綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖3所示。真空源接入后首先經(jīng)過(guò)20 L氣罐，氣罐出口處接精密調(diào)壓閥，可實(shí)現(xiàn)真空度精密調(diào)節(jié)。精密調(diào)壓閥后接入5 L氣罐使真空系統(tǒng)更加穩(wěn)定，最后連接二位三通電磁閥V1、V2、V3負(fù)責(zé)氣路的開啟與關(guān)閉，選用分辨率為0．01 kPa的真空傳感器測(cè)量系統(tǒng)真空度。運(yùn)動(dòng)加載采用兩種方式，加載方式1為氣缸加載，加載方式2為伺服電機(jī)加載[7]。選用分辨率為1N的力傳感器及分辨率為0．01 mm的位移傳感器，在助力器輸入與輸出端分別安裝輸入力傳感器、輸出力傳感器、兩個(gè)位移傳感器以及一個(gè)觸點(diǎn)開關(guān)，采集測(cè)試過(guò)程中的力、位移值及接觸時(shí)高電平信號(hào)[8]。

圖3　檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

測(cè)量BA真空助力器的非工作密封性時(shí)，真空調(diào)壓閥調(diào)節(jié)至測(cè)試所需真空度，打開電磁閥V1、關(guān)閉V2對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，真空傳感器采集助力器前腔真空值。測(cè)量點(diǎn)上密封時(shí)，系統(tǒng)控制加載機(jī)構(gòu)以方式2推動(dòng)制動(dòng)踏板推桿勻速加載，直到最大助力點(diǎn)的130%后停止，記錄前腔氣室真空變化值。測(cè)量點(diǎn)下密封時(shí)，加載機(jī)構(gòu)以方式2推動(dòng)制動(dòng)踏板推桿，加載到最大助力點(diǎn)的60%后停止，記錄前腔氣室真空變化值。

測(cè)量輸入輸出特性測(cè)試：測(cè)試開始之前對(duì)加載、卸載速度進(jìn)行設(shè)置，建立系統(tǒng)真空達(dá)到設(shè)定值后，斷開真空并穩(wěn)定5s．加載機(jī)構(gòu)以方式2進(jìn)行加載，加載到130%最大助力點(diǎn)。同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡采集加載與卸載過(guò)程中的輸入力與輸出力值，繪制出輸入輸出特性曲線。

反應(yīng)釋放時(shí)間測(cè)試：首先對(duì)被測(cè)真空助力器進(jìn)行裝夾，后對(duì)系統(tǒng)抽真空，加載機(jī)構(gòu)以方式1對(duì)制動(dòng)踏板推桿快速加載，同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡采集輸出力信號(hào)并繪制力-時(shí)間曲線，當(dāng)輸出力達(dá)到最大助力點(diǎn)130%后，停止加載進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定時(shí)間達(dá)設(shè)定值后，迅速卸載，繪出力-時(shí)間曲線得到反應(yīng)釋放時(shí)間。

空行程檢測(cè)方法為：加載機(jī)構(gòu)以方式2對(duì)制動(dòng)踏板推桿進(jìn)行加載，加載機(jī)構(gòu)與輸入端推桿剛好接觸時(shí)，記錄輸入端推桿移動(dòng)的距離A1，繼續(xù)加載直到輸出推桿位移達(dá)到5 mm后停止，繪制出制動(dòng)踏板推桿位移與輸出推桿位移曲線圖。獲得輸出推桿開始產(chǎn)生位移時(shí)，輸入端推桿位移A2，則空行程為(A2-A1)。

BA特性檢測(cè)方法：加載速度設(shè)置為50 mm/s，卸載速度設(shè)置為1 mm/s．加載機(jī)構(gòu)以方式2快速加載，加載到130%最大助力點(diǎn)后，加載機(jī)構(gòu)卸載。采集加載與卸載過(guò)程中輸入力與輸出力值，繪制BA特性曲線計(jì)算特征值。

2　真空助力器仿真建模

以隨動(dòng)平衡分析為基礎(chǔ)，研究建立AMESim仿真環(huán)境下非BA狀態(tài)下真空助力器仿真模型，分析加載速度對(duì)輸入輸出特性中助力比的影響，為真空助力器測(cè)試加載速度選擇提供了理論基礎(chǔ)[9]。

2．1橡膠反作用盤受力分析

隨動(dòng)平衡是指真空助力器平衡建立和破壞的循環(huán)過(guò)程，是使真空助力器在非BA觸發(fā)狀態(tài)下，輸入力與輸出力呈線性關(guān)系增長(zhǎng)的主要原因，橡膠反作用盤受力分析如圖4所示。

圖4　橡膠反作用盤受力分析圖

在真空助力器中，要求橡膠反作用盤表面所受的壓強(qiáng)處處相等才能平衡，因此輸入力與伺服力關(guān)系滿足公式(1)，推導(dǎo)即可以得公式(2)：

(1)

(2)

式中：F伺服為伺服力，N；F輸入為制動(dòng)踏板推桿輸入力，N；D1為橡膠反作用盤直徑，mm；d1為橡膠反作用盤主面直徑，mm．

對(duì)真空助力器膜片座進(jìn)行受力分析，可以得到以下力學(xué)平衡方程：

(3)

式中：F輸出為真空助力器輸出力，N；P后為后腔氣室壓力，kPa；P前為前腔氣室壓力，kPa；A膜為膜片面積，mm2；F彈簧為膜片回位彈簧力，N；F預(yù)壓為彈簧預(yù)壓力，N；R為彈簧剛度，N/mm；X為膜片座位移，mm．

2．2氣路方程

將充氣過(guò)程看成氣體流過(guò)小孔的過(guò)程，視為等熵流動(dòng)，當(dāng)0．528≤P后/P0≤1，氣體的流動(dòng)狀態(tài)為亞聲速，P后/P0≤0．528時(shí)，進(jìn)氣流動(dòng)狀態(tài)為聲速。由于空氣通道的有效截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真空閥口的有效截面積，因此選擇真空閥口有效截面積作為充氣有效截面積，得到充氣過(guò)程氣體特性方程如下：

(4)

A=π(d空/2)2·S1·μ1

(5)

式中：A為進(jìn)氣有效面積，mm2；d空為真空閥口直徑，mm；S1為真空閥口開啟最大距離，mm；μ1為流量系數(shù)；P0為大氣壓強(qiáng)；R為氣體常數(shù)，R=287．1 J/kg·K；k為絕熱指數(shù)，k=1．4；T為氣室氣體的絕對(duì)溫度，T=313 K；V為氣室容積，m3．

放氣方程與充氣過(guò)程原理類似不再詳細(xì)描述，得到放氣氣體特性方程如下：

(6)

A1=π(d真/2)2·S2·u2

(7)

式中：P為前腔氣室真空，kPa；A1為真空閥口有效面積，mm2；d真為真空閥口直徑，mm；S2為真空閥口開啟距離，mm；u2為流量系數(shù)。

2．3隨動(dòng)平衡分析

將真空助力器的整個(gè)工作過(guò)程看成無(wú)數(shù)個(gè)分開的隨動(dòng)平衡過(guò)程，在平衡周期t內(nèi)，當(dāng)F伺服和F輸入滿足公式(8)時(shí)平衡建立，隨著真空助力器輸入力繼續(xù)增加，平衡打破，進(jìn)入下一個(gè)平衡周期。當(dāng)大氣不斷進(jìn)入助力器后腔產(chǎn)生足夠的伺服力時(shí)，平衡才重新建立。

(8)

式中：R為膜片回位彈簧剛度，N/mm；X為推桿行程，mm．

從平衡公式可以看出，隨動(dòng)平衡建立的關(guān)鍵是在一個(gè)平衡周期t內(nèi)由真空前后腔壓差產(chǎn)生的伺服力與輸入力滿足特定的比例(伺服比)，在加載速度較小時(shí)由于充氣時(shí)間t較大，隨動(dòng)平衡容易滿足，而加載速度增大時(shí)，由于t減小，式(8)中積分環(huán)節(jié)值即后腔氣室的壓力減小，而由彈簧引起的阻力RX增大，會(huì)使伺服力減小無(wú)法達(dá)到平衡的要求，導(dǎo)致無(wú)法建立平衡。

2．4仿真分析

為了驗(yàn)證上述隨動(dòng)平衡分析結(jié)論，建立真空助力器仿真模型。由于真空助力器的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，而AMEsim仿真軟件已經(jīng)為常用元器件如彈簧、質(zhì)量塊、氣動(dòng)元件及液壓元件配備了多個(gè)子模型，故選擇在AMESim軟件環(huán)境下建立模型進(jìn)行分析。仿真模型如圖5所示，其主要參數(shù)設(shè)置見表1。

圖5　非BA狀態(tài)真空助力器仿真模型

表1　真空助力器模型主要參數(shù)

完成關(guān)鍵參數(shù)配置后，對(duì)真空助力器的輸入信號(hào)進(jìn)行設(shè)置，以20 N/s的初始加載速度進(jìn)行加載，逐漸增加至200 N/s．為了更直觀體現(xiàn)助力比變化，選擇兩條測(cè)試曲線L1、L2進(jìn)行比較，如圖6所示。L1為20 N/s緩慢加載速度，10 N/s卸載速度試驗(yàn)條件下得到的助力曲線；L2為200 N/s加載速度，10 N/s卸載速度下得到測(cè)試曲線。

圖6　不同加載速度仿真結(jié)果

觀察曲線發(fā)現(xiàn)兩條曲線的卸載曲線完全重合，但是加載曲線不重合，緩慢加載情況下的助力曲線L1的斜率要大于快速加載的曲線L2的斜率。曲線斜率反映了助力比大小，說(shuō)明在連續(xù)加載的情況下，加載速度增加會(huì)使測(cè)得的助力比數(shù)值偏小，因此在輸入輸出特性檢測(cè)時(shí)應(yīng)選擇盡可能小的加載速度。

3　測(cè)試結(jié)果與分析

在測(cè)試開始前，在BA功能真空助力器輸出端口處安裝密封配件以保證密封。

3．1密封性試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)效果，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試真空66．7 kPa下，對(duì)真空助力器密封性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表2所列。密封性測(cè)試結(jié)果表明被測(cè)真空助力器密封性能合格。

表2　密封性測(cè)試結(jié)果　kPa

3．2輸入輸出試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)真空助力器進(jìn)行輸入輸出性能測(cè)試，測(cè)試曲線如圖7所示。

A-釋放力；B-始動(dòng)力；C-跳躍值；D-30%最大助力點(diǎn)輸出力；E-80%最大助力點(diǎn)輸出力。

由測(cè)試曲線圖可得，始動(dòng)力為62 N，釋放力為35 N，跳躍值為322 N，30%最大助力點(diǎn)輸出力為1 002 N，80%最大助力點(diǎn)輸出力為2 642 N，助力比為7．04。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中要求真空助力器始動(dòng)力小于110 N，釋放力大于30 N，測(cè)試結(jié)果表明被測(cè)助力器輸入輸出性能符合要求。

3．3空行程試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)真空助力器進(jìn)行空行程測(cè)試，測(cè)試曲線如圖8所示。圖中從左至右第一個(gè)“×”代表觸點(diǎn)開關(guān)接觸位置即A1，第二個(gè)“×”代表輸出推桿產(chǎn)生位移時(shí)輸出推桿對(duì)應(yīng)的位移即A2，由(A2-A1)得到真空助力器空行程值為1．12 mm．行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定空行程不大于2 mm，結(jié)果表明被測(cè)助力器空行程符合要求。

圖8　空行程測(cè)試結(jié)果

3．4反應(yīng)釋放時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

反應(yīng)釋放時(shí)間測(cè)試結(jié)果如圖9所示，由測(cè)試曲線可以得到反應(yīng)時(shí)間為0．224 s，釋放時(shí)間為0．183 s．測(cè)試結(jié)果滿足真空助力器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中反應(yīng)時(shí)間小于0．3 s，釋放時(shí)間小于0．3 s的要求。

圖9　反應(yīng)釋放時(shí)間測(cè)試結(jié)果

3．5BA特性試驗(yàn)結(jié)果

BA特性測(cè)試時(shí)，將加載速度設(shè)置為50 mm/s，卸載速度仍設(shè)置為2 mm/s，設(shè)置完成后啟動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖中F點(diǎn)為曲線上最大助力點(diǎn)，最大助力點(diǎn)輸入力為183 N．測(cè)試結(jié)果表明在觸發(fā)了BA功能后只需要提供183 N的輸入力就可以達(dá)到最大助力輸出，有效地避免了緊急制動(dòng)情況下因制動(dòng)力不足導(dǎo)致的制動(dòng)不及時(shí)現(xiàn)象。

圖10　BA特性測(cè)試結(jié)果

3．6加載速度對(duì)助力比影響

在標(biāo)準(zhǔn)真空度66．7 kPa測(cè)試條件下，以某品牌的真空助力器作為試驗(yàn)樣品，該助力器助力比標(biāo)準(zhǔn)值為7．53。在1～20 mm/s范圍內(nèi)以不同的加載速度對(duì)真空助力器進(jìn)行加載，記錄不同加載速度下的助力比數(shù)值，將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入曲線圖中，如圖11所示。

圖11　助力比變化曲線

由測(cè)試結(jié)果可知，為了降低測(cè)試節(jié)拍，可以在測(cè)試開始前對(duì)某一型號(hào)的多個(gè)被測(cè)真空助力器進(jìn)行加載速度試驗(yàn)，找出這一型號(hào)真空助力器的最佳加載速度，即保證測(cè)試精度要求的基礎(chǔ)上選取盡可能大的加載速度，然后按照最佳加載速度對(duì)相同型號(hào)的真空助力器進(jìn)行測(cè)試。

4　結(jié)論

文中在分析真空助力器特性以及各個(gè)特性的測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，研制了一套帶BA功能檢測(cè)的真空助力器檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)真空助力器密封性、輸入輸出特性、空行程、反應(yīng)釋放時(shí)間以及BA特性的測(cè)試。首次引入了隨動(dòng)平衡概念，分析了加載速度對(duì)助力比的影響，并在AMESim仿真環(huán)境下建立真空助力器數(shù)學(xué)模型，仿真分析了不同加載速度下的測(cè)試曲線變化。最后在檢測(cè)系統(tǒng)上進(jìn)行加載速度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明加載速度增加會(huì)使助力比偏小，同時(shí)提出了通過(guò)尋找最佳加載速度來(lái)提高測(cè)試節(jié)拍，具有重要的意義。

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