趙晨馨范偉軍楊維和郭斌胡曉峰

（1.中國計量大學，杭州 310018；2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，杭州 310018）

汽車制動鉗所需液量檢測系統(tǒng)設計*

趙晨馨1范偉軍1楊維和2郭斌2胡曉峰1

（1.中國計量大學，杭州 310018；2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，杭州 310018）

針對目前制動鉗所需液量檢測可靠性差、自動化程度低的問題，基于伺服控制技術和數(shù)據(jù)采集技術設計了制動鉗所需液量檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了制動鉗在不同制動壓力下所需液量及其動態(tài)曲線的自動檢測。在設計中應用電氣自動化技術實現(xiàn)了檢測系統(tǒng)的自動注油、排油、預加壓操作，提高了檢測效率。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)檢測性能穩(wěn)定、精度高，滿足測試需求。

主題詞:制動鉗 所需液量 動態(tài)曲線 自動檢測

1 前言

在眾多交通事故中，制動部件故障無疑是最直接、最危險的因素之一。盤式制動器與鼓式制動器相比，更具穩(wěn)定性、耐久性和安全性，且易于安裝維修[1]。制動鉗是汽車盤式制動器的重要組成部分，汽車制動鉗所需液量是指在鉗體內(nèi)建立一定液壓所需壓入鉗體制動液的體積，直接影響汽車的制動效果，反映到整車的表現(xiàn)有制動反應時間、制動距離、踏板感覺等[2]。所需液量偏大會造成制動主缸施壓困難，踏板行程增加，鉗內(nèi)活塞壓力不足，導致汽車制動力達不到標準；所需液量偏小會使活塞回位量小，導致制動襯塊與制動盤分離不徹底，產(chǎn)生拖磨現(xiàn)象影響制動鉗壽命，還會造成踏板行程短，制動時踏板過硬，腳感差[3]，對駕駛員的舒適度有較大影響。因此，對汽車制動鉗所需液量的檢測，是汽車制動系統(tǒng)檢測中十分重要的內(nèi)容。

行業(yè)對制動鉗所需液量的測量也很重視，行業(yè)標準QC/T 592—2013《液壓制動鉗總成性能要求及臺架試驗方法》對其試驗方法進行了描述。目前國內(nèi)科研機構(gòu)對制動鉗所需液量檢測方法的研究較少，企業(yè)大多采用指針儀表、液量管顯示和半自動化操作，檢測儀器的抗干擾能力差，精度低，且操作復雜，測量效率低，易產(chǎn)生較大的人為誤差。國外開發(fā)出了精度高的齒輪流量計產(chǎn)品，在精度和可靠性上雖有較大提升，但價格昂貴、維護成本高，很難在國內(nèi)推廣[4]。

本文通過對制動鉗所需液量檢測的研究，引入伺服電機實現(xiàn)對液壓加載的精確控制，采用電氣自動化技術和高精度數(shù)據(jù)采集技術，設計了制動鉗所需液量檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)所需液量的自動化檢測，以滿足企業(yè)需求。

2 制動鉗所需液量分析及檢測原理

汽車制動過程中，駕駛員踩下制動踏板，通過杠桿原理將力傳遞給汽車制動主泵，制動主泵活塞移動，將制動液推進制動油管中，制動鉗內(nèi)液缸增加的制動液推動鉗體活塞前進，使得鉗體與制動盤接觸，從而實現(xiàn)制動[5]。汽車制動系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 制動系統(tǒng)示意

制動鉗液缸增加的制動液體積和鉗體產(chǎn)生液壓的關系即為制動鉗所需液量參數(shù)。可以看出，制動鉗所需液量對汽車制動踏板行程和管路壓力建立具有決定性的作用。

對于盤式制動器的制動過程，制動管路液壓一般不超過16 MPa。制動鉗所需液量為[6]：

式中，di為制動鉗內(nèi)活塞直徑；n為活塞個數(shù)；Vd為鉗體形變量；si為完全制動時制動鉗的活塞行程。

si的計算方法為：

式中，sg為克服制動間隙所需的活塞行程；sj為制動鉗鉗口變形所引起的活塞行程；sb為制動鉗制動襯塊彈性形變引起的活塞行程。

廠商一般將si設定為0.4～0.6 mm，由于在實際測量中無法測得制動鉗在制動時的活塞行程和鉗體形變體積，一般通過測量制動主泵活塞位移間接得到鉗體的所需液量。

制動主泵所需液量為：

式中，V′為制動系統(tǒng)除制動鉗外的所需液量；d0為制動主泵的活塞直徑；x0為制動主泵的活塞行程。

利用一個實心金屬球替代制動鉗，可測得制動系統(tǒng)除制動鉗外的所需液量V′，此時的制動主泵活塞位移為x1，則制動鉗所需液量為：

3 測試系統(tǒng)需求分析

為了能使制動鉗內(nèi)建立液壓，需要加載機構(gòu)模擬汽車制動主泵加壓，對鉗內(nèi)液壓進行精準控制。在舊式檢測設備中一般采用氣缸或手推桿加載，但自動化程度低，檢測效率低。采用精密伺服電機配合滾珠絲桿的加載方式更能滿足需求，根據(jù)廠商要求，加載速度的調(diào)節(jié)范圍為0～10 mm/s。

在進行制動鉗所需液量測試前，應排凈加壓系統(tǒng)管路中的空氣，使管路充滿油液，采用真空注油的方式快捷有效，因此檢測系統(tǒng)必須能夠提供穩(wěn)定可靠的真空氣源和液壓源實現(xiàn)對產(chǎn)品管路的注油，加壓系統(tǒng)管路真空度應小于0.5 kPa。完成制動鉗所需液量的測試后，還需要對管路和產(chǎn)品排油，以便于管路的護理和產(chǎn)品的拆卸。

為了得到所需液量特征值和所需液量動態(tài)曲線，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要采集快速加載過程中的液壓信號和位移信號。由于加載速度很快，需要在短時間內(nèi)采集很多的數(shù)據(jù)點，因此選擇高速采集方式進行采集。

在制動鉗所需液量檢測過程中，液壓一般控制在0～20 MPa內(nèi)，所需液量測量范圍在0～8 mL內(nèi)，結(jié)合上述測試系統(tǒng)需求分析，提出了制動鉗所需液量檢測過程中的主要參數(shù)及技術指標，如表1所示。

表1 所需液量檢測主要技術參數(shù)和性能指標

4 檢測系統(tǒng)設計

4.1 制動鉗所需液量測量裝置設計

基于以上測試系統(tǒng)需求分析，設計了汽車制動鉗所需液量測量裝置。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括加載裝置和測試腔。加載裝置由伺服電機、滾珠絲桿、聯(lián)軸器、活塞桿、位移傳感器、安裝撐桿等構(gòu)成。測量腔上有進油口和出油口，分別通過制動管路與制動鉗相連，活塞桿與測試腔模擬汽車制動主泵。

在測試腔、管路充滿制動液的情況下，精密伺服電機通過聯(lián)軸器配合滾珠絲桿帶動活塞桿勻速前進，對管路和產(chǎn)品進行穩(wěn)定加壓，在達到設定壓力后退回原點，通過位移傳感器分別記錄有、無被測產(chǎn)品時的活塞桿前進位移，繼而計算得到包括制動鉗在內(nèi)的系統(tǒng)所需液量和系統(tǒng)自身的所需液量，兩者相減即為制動鉗的所需液量。檢測系統(tǒng)自身的所需液量測量方法為用金屬接頭替代制動鉗連接出油油管和進油油管進行測量。

圖2 制動鉗所需液量測量裝置結(jié)構(gòu)示意

活塞桿直徑設計為16 mm，最大行程為50 mm，滿足所需液量測量范圍的技術要求。外接限位開關、原點信號以實現(xiàn)電機回原點、裝置保護等功能[7]。選用量程為50 mm，精度為0.1%FS的高精度位移傳感器以實現(xiàn)對電機前進位移信號的實時采集。

加壓系統(tǒng)管路充滿制動油液并排凈空氣是裝置測量的前提，考慮到裝置的結(jié)構(gòu)和工業(yè)檢測的快速性，采用真空注油和增壓器注油相結(jié)合的方法對裝置管路和產(chǎn)品注油。

4.2 測控管路系統(tǒng)設計

基于以上的測試分析，該系統(tǒng)應具有穩(wěn)定的液壓源和真空源。目前常見的液壓源有氣液增壓器、液壓泵站等，本檢測系統(tǒng)采用企業(yè)試驗臺上較為常用的氣液增壓器作為本系統(tǒng)的液壓源，其優(yōu)點是價格低、體積小，建壓性能滿足本試驗的需要。氣液增壓器的動力源是壓縮空氣，因此該系統(tǒng)還應具有可調(diào)節(jié)氣壓的供氣裝置，并通過供氣裝置實現(xiàn)對裝置氣洗排油的功能。真空源選擇真空泵實現(xiàn)管路的抽真空。檢測系統(tǒng)的測控管路系統(tǒng)原理如圖3所示。

氣源的進氣壓力設為700 kPa，電氣比例閥采用SMC系列，量程為0.9 MPa，氣液增壓器增壓比為33，可產(chǎn)生的最大液壓為23.1 MPa，滿足測量制動鉗的液壓要求，通過電氣比例閥可以實現(xiàn)對液壓的穩(wěn)定控制。在連接產(chǎn)品的出油口接口處，安裝有量程25 MPa，精度為0.25%FS的液壓傳感器，實現(xiàn)對產(chǎn)品和管路液壓的實時采集和監(jiān)控。選用量程為100 kPa，精度為0.05 kPa的絕對壓力傳感器用于采集管路抽真空時的真空度。電磁閥和零泄漏閥用于控制氣體的充放和管路的注油、排油，其中加壓系統(tǒng)管路用零泄漏閥控制，以免管路泄漏對測量產(chǎn)生影響。加壓系統(tǒng)管路由制動鋼管制成，以盡可能減小管路形變對所需液量測試的影響，出油口和進油口通過汽車專用制動軟管與被測產(chǎn)品相連。減壓閥的作用是調(diào)節(jié)氣壓，用于氣洗排油。油箱和油霧分離罐用于制動油液的回收和儲存。

圖3 測控管路系統(tǒng)原理

汽車制動鉗所需液量檢測系統(tǒng)通過控制電磁閥和零泄漏閥來實現(xiàn)對產(chǎn)品、管路的自動注油、預加壓操作。在系統(tǒng)管路充滿制動液的前提下，利用所需液量測量裝置進行測量，液壓傳感器和位移傳感器實時采集管路的液壓和電機前進的位移，計算機處理信號值并顯示所需液量和液壓的動態(tài)曲線和設定壓力下的制動鉗所需液量。在測量完成后，控制管路對產(chǎn)品進行氣洗排油。

4.3 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)液壓和位移信號的實時采集，以及電磁閥、零泄漏閥的通斷和伺服電機的控制，系統(tǒng)以工控機為處理和控制核心，結(jié)合研華數(shù)據(jù)采集卡PCI-1716和運動控制卡MPC08組成控制器進行信號處理。數(shù)據(jù)采集卡的AI通道采集液壓傳感器、位移傳感器和絕壓傳感器的信號值；AO通道輸出電壓至電氣比例閥用于調(diào)節(jié)氣壓控制液壓；DI信號用于檢測故障和處理用戶操作；DO信號用于控制系統(tǒng)電磁閥和零泄漏閥的通斷，可實現(xiàn)注油、排油和預加壓等操作[8]；伺服電機控制層采用半閉環(huán)方式，運動控制卡發(fā)送指令到伺服電機編碼器，編碼器通過脈沖數(shù)精確控制伺服電機的前進位移和加載速度，實現(xiàn)加載速度0～10 mm/s范圍內(nèi)的精確調(diào)節(jié)。系統(tǒng)控制處理原理如圖4所示。

4.4 系統(tǒng)測試流程分析

4.4.1 制動鉗所需液量檢測流程

考慮到檢測系統(tǒng)的設計原理及檢測效率的提高，檢測流程分為注油、預加壓、測試和排油4個步驟。

圖4 系統(tǒng)控制處理原理

a.注油

在安裝好產(chǎn)品后，應該對產(chǎn)品和管路進行注油。注油分為真空注油和增壓器注油。

通過打開電磁閥2和零泄漏閥8、21，運行真空泵對管路進行抽真空，絕對壓力傳感器實時采集管道的真空值，為了使注油達到良好效果，設定抽真空時間為300 s，絕對壓力小于0.5 kPa，達到設定目標后，打開電磁閥16和零泄漏閥23，氣液增壓器開始向管道注油，設定注油時間為35 s。

由于真空注油后管道里還殘留著少量氣泡，還需通過增壓器注油來排除氣泡。增壓器注油分為建壓和泄壓兩部分，通過控制電氣比例閥27和電磁閥25、16使得氣液增壓器輸出液壓，打開零泄漏閥23，使氣液增壓器對管道進行加壓并保持數(shù)秒，然后打開零泄漏閥8、21泄壓，管道里殘留的氣泡會隨著油液排出加壓系統(tǒng)的管道，設定輸出液壓為7 MPa、加壓時間12 s、泄壓時間4 s，重復3次。

b.預加壓

在確保管路排凈空氣的情況下，控制氣液增壓器和零泄漏閥23輸出液壓對被測產(chǎn)品預加壓，目的是消除制動鉗襯塊、活塞、制動盤之間人工安裝造成的間隙，根據(jù)QC/T 592—2013的規(guī)定，設定加壓至16 MPa、加壓時間9 s，然后控制氣液增壓器泄壓，泄壓時間3 s，重復4次。

c.測試

計算機控制伺服電機運轉(zhuǎn)，配合滾珠絲桿推動活塞桿勻速前進，從而進行穩(wěn)定加壓，利用液壓傳感器采集管路的壓力，直至加壓到設定壓力，電機退回原點，分別記錄有、無制動鉗時活塞桿的前進距離。計算機通過傳感器實時采集液壓、位移信號，繪制所需液量動態(tài)曲線，測得設定壓力下包含制動鉗的系統(tǒng)所需液量，減去系統(tǒng)自身所需液量即為被測制動鉗的所需液量。

d.排油

本系統(tǒng)采用氣洗的方法對管路、產(chǎn)品排油。通過控制電磁閥17接通氣洗管路，氣液增壓器輸出經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)的氣壓，打開零泄漏閥8、21、23，管路和產(chǎn)品中的油液在氣壓的推動下排出管路和產(chǎn)品，流向油霧分離罐，從而實現(xiàn)制動油液的回收利用和產(chǎn)品、管路的排油。設定調(diào)壓閥調(diào)節(jié)后的氣壓為200 kPa，氣洗時間90 s。

4.4.2 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)檢測流程進行系統(tǒng)的軟件設計。測試軟件采用Visual C++6.0作為開發(fā)環(huán)境，完成人機交互、信號采集、數(shù)據(jù)保存與打印等操作。系統(tǒng)測試軟件流程如圖5所示，主要功能是實現(xiàn)測量裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及氣、液路系統(tǒng)的協(xié)調(diào)合作，實現(xiàn)對所需液量的自動檢測。

圖5 軟件流程

數(shù)據(jù)采集采用高速采集模式，每個采樣通道的采樣頻率為1 kHz。采用多線程監(jiān)控技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和報警系統(tǒng)的同步，確保系統(tǒng)的正確運行。

5 測試數(shù)據(jù)及分析

選取國內(nèi)某型號制動鉗作為被測對象，利用所設計的檢測系統(tǒng)對其進行測試，根據(jù)廠商的要求，制動鉗在16 MPa制動壓力時，所需液量期望值應在3.5～4.5 mL范圍內(nèi)。同時根據(jù)JJF 1059—2012《測量不確定度評定與表示》中不確定度的定義及評定要求，對測試系統(tǒng)的不確定度進行評定[9]。

5.1 所需液量數(shù)據(jù)分析

分別對制動鉗在10 MPa、16 MPa、20 MPa制動壓力的所需液量進行測量。重復測量10次所得的數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)表1的中的數(shù)據(jù)，測量裝置滿足廠商的測試要求。

5.2 所需液量動態(tài)曲線特性分析

對制動鉗進行16 MPa制動壓力下的所需液量檢測，利用計算機實時采集液壓信號與伺服電機的位移信號，得到動態(tài)所需液量的測量結(jié)果如表3所示，為便于分析高壓和低壓下的動態(tài)所需液量，記錄的壓力點作不等間隔分布，其中P為各檢測壓力點，β為根據(jù)電機位移計算得到的動態(tài)所需液量值。

表2 所需液量測試數(shù)據(jù) mL

整體上看，在測量范圍內(nèi)，制動鉗所需液量隨壓力的增大而增大，增速不斷下降。可以推測，當壓力進一步增大后，所需液量將緩慢增加，最終維持在接近理論所需液量的最大值附近。

根據(jù)對所需液量動態(tài)測量結(jié)果的分析，各相同間距壓力點增量逐次減小，所需液量隨壓力的上升連續(xù)穩(wěn)定增加，不存在所需液量在某個壓力點劇烈變化的情況，滿足制動鉗建壓過程穩(wěn)定性指標要求。

5.3 不確定度評定

由測量重復性引起的不確定度用A類方法評定，當用單次測量值作為被測量的估計值時，標準不確定度uA為單次測量的標準差，選取企業(yè)常用的16 MPa制動壓力下的所需液量測量的標準差作為本次測量的A類不確定度分量。

數(shù)據(jù)采集卡、傳感器等引起的不確定度使用B類方法評定[10]。液壓傳感器的標準不確定度分量u1約為0.036 MPa，位移傳感器的標準不確定度分量約為0.029 mm，計算得到由于位移傳感器采集造成的所需液量標準不確定度u2為0.006 mL。查閱數(shù)據(jù)采集卡使用手冊，數(shù)據(jù)采集卡綜合誤差ε=2.492 mV，對液壓采集造成的不確定度u3約為0.016 MPa，對所需液量測量造成的不確定度u4約為0.006 mL。

根據(jù)上述分析，系統(tǒng)液壓的合成標準不確定度為：

制動壓力為16 MPa時，制動鉗所需液量檢測的合成標準不確定度為：

由此可知，該檢測設備重復性較好，滿足檢測需求。

6 結(jié)束語

本文論述了一套汽車制動鉗所需液量檢測系統(tǒng)，采用高精度數(shù)據(jù)采集技術和電氣自動化技術，引入伺服電機加載，實現(xiàn)對位移和液壓的精確控制，并實時采集，改變了以往檢測中手動操作和人工觀察的局限性。該系統(tǒng)引入了所需液量動態(tài)曲線，液壓加載控制快速精準、實時性強，數(shù)據(jù)采集處理準確，可實現(xiàn)自動注油及排油，檢測效率高。試驗結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，檢測數(shù)據(jù)可靠有效。

1 蘇小平，王良模，談瑞春.汽車盤式制動器密封性工藝試驗臺的開發(fā).南京理工大學學報，2001，25（4）：387～390.

2 許世波，王亥平，劉超麗，等.浮動式制動鉗總成所需液量試驗方法.第十屆河南省汽車工程科學技術研討會，鄭州，2013.

3 沈達.汽車制動鉗體所需液量的檢測與淺析.汽車技術，2003（5）：36～38.

4 熊虎，程華國，徐康，等.制動鉗所需液量試驗臺研制.汽車科技，2015（4）：61～64.

5 Bollinger J G,Duffie N A.Computer Control of Machines and Processes.Automatica,1991,27:428～429.

6 Stocke J E.Recent Reyulatory History of Airbags.Airbag Technology.Society of Automotive Engineers Academic Press，1993，42（5）：98～100.

7 金浪濱，陸藝.真空助力器性能在線檢測系統(tǒng)的研究.汽車技術，2012（5）：50～53.

8 羅泉，羅哉.離合器助力器性能檢測系統(tǒng)的設計.組合機床與自動化加工技術，2012（11）：64～66.

9 JJF 1059—2012測量不確定度評定與表示.

10 馮雪.數(shù)據(jù)采集卡性能指標與應用.工業(yè)控制計算機，2008，21（5）：10～11.

（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2016年4月27日。

Design of Detection System for Required Fluid Amount of Automobile Brake Caliper

Zhao Chenxin1,Fan Weijun1,Yang Weihe2,Guo Bin2,HuXiaofeng1
（1.China Jiliang University,Hangzhou 310018;2.Hangzhou Wolei Intelligent Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 310018）

Because of poor reliability and low automation for required fluid amount test of the brake caliper,a detecting system for required fluid amount of the brake caliper was designed based on servo control technology and data acquisition technology that could achieve the brake caliper automatic detection of required fluid amount at different braking pressures.Electric automation technology was applied in the design to achieve automatic oil filling,oil drain and prepressurization of the detecting system,which could improve the detecting efficiency.Test results showed that the detection system operates steadily,has high detecting precision and satisfies the test requirements.

Brake caliper,Required fluid amount,Dynamic curve,Automatic detection

U463.51+2

A

1000-3703（2016）11-0030-05

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃項目（2015QK288）；杭州市汽車零部件智能檢測科技創(chuàng)新服務平臺項目（20151433S01）；浙江省公益技術研究工業(yè)項目（2016C31048）。

范偉軍，男，副教授，碩士生導師，研究方向為汽車零部件檢測和精密測試技術，fanweijun@wolei-tech.com。