電子駐車用滾珠絲桿組件耐久效率試驗(yàn)的研究及應(yīng)用

趙坤，李影

?

電子駐車用滾珠絲桿組件耐久效率試驗(yàn)的研究及應(yīng)用

趙坤，李影

（慈興集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，浙江 寧波 315301）

研制了一種電子駐車（簡稱EPB）用滾珠絲桿組件耐久效率試驗(yàn)機(jī)，可以模擬滾珠絲桿組件的載荷、轉(zhuǎn)速、油壓及溫度等工況參數(shù)，測(cè)試了電子駐車系統(tǒng)的滾珠絲桿組件性能，為滾珠絲桿組件性能分析提供準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該試驗(yàn)機(jī)測(cè)試結(jié)果與國外研制的同類設(shè)備測(cè)試結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了該試驗(yàn)機(jī)的可靠性。采用該試驗(yàn)機(jī)對(duì)新開發(fā)的滾珠絲桿組件進(jìn)行效率與耐久測(cè)試，耐久后零件的精度、效率均大于客戶要求，驗(yàn)證了新開發(fā)的滾珠絲桿組件的效率與耐久性能指標(biāo)，均可滿足實(shí)際工作要求。

滾珠絲桿；電子駐車；耐久試驗(yàn)機(jī)；耐久效率

滾珠絲桿具備傳動(dòng)精度高、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)可逆、同步性好、壽命長等特點(diǎn)[1]，逐漸被廣泛應(yīng)用于新能源汽車電子駐車系統(tǒng)中，滾珠絲桿組件是駐車系統(tǒng)中最關(guān)鍵的零部件之一，其壽命與傳動(dòng)效率十分重要，該組件實(shí)際工作于始終充滿剎車液的剎車鉗內(nèi)部，駐車時(shí)承載較大，且要承受環(huán)境溫度與油壓的變化，工作條件比較惡劣。目前該滾珠絲桿組件的研究與生產(chǎn)技術(shù)幾乎全部掌握在國外，國內(nèi)還沒有企業(yè)有批量生產(chǎn)該產(chǎn)品的能力，同時(shí)其性能及耐久壽命測(cè)試設(shè)備在國內(nèi)也少有研究及應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]中介紹了滾珠絲桿副的使用壽命檢測(cè)與可靠性試驗(yàn)方法，但該文獻(xiàn)僅是對(duì)機(jī)床用滾珠絲杠副零件的耐久檢測(cè)方法進(jìn)行了介紹，該檢測(cè)方法并不適于駐車用滾珠絲桿組件的耐久測(cè)試。

為進(jìn)入汽車用高精度、小結(jié)構(gòu)滾珠絲桿組件領(lǐng)域，掌握汽車用滾珠絲桿組件的研發(fā)與加工技術(shù)，目前正在開發(fā)并生產(chǎn)電子駐車用滾珠絲桿組件，為了確保對(duì)產(chǎn)品研發(fā)與批量生產(chǎn)提供優(yōu)化數(shù)據(jù)及質(zhì)量保證，用測(cè)試數(shù)據(jù)和性能對(duì)比曲線取信用戶，針對(duì)電子駐車用滾珠絲桿組件的實(shí)際工況，開發(fā)了該產(chǎn)品的耐久效率試驗(yàn)機(jī)來測(cè)試滾珠絲桿組件及整套剎車系統(tǒng)的耐久性以及滾珠絲桿組件在工作過程中的傳動(dòng)效率。

1 電子駐車用滾珠絲桿組件介紹

該滾珠絲桿組件主要零部件如圖1所示。

1.絲母2.絲桿3.支撐墊圈4/5/6.彈簧（零件內(nèi)部包括三種彈簧：中間彈簧、調(diào)節(jié)彈簧和預(yù)緊彈簧）7.卡簧8.平面軸承9.平面墊片

在駐車過程中該零件的傳動(dòng)方式為：電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，絲母相對(duì)絲桿做直線運(yùn)動(dòng)，由絲母推動(dòng)卡鉗內(nèi)的活塞擠壓剎車片，最終由剎車片將剎車盤鎖死，實(shí)現(xiàn)駐車功能。

滾珠絲桿組件耐久性能要求：

（1）產(chǎn)品在運(yùn)行過程中卡鉗系統(tǒng)的傳動(dòng)效率始終大于70%；

（2）產(chǎn)品在規(guī)定工況條件下反復(fù)運(yùn)行15萬次，各零部件不得有疲勞損傷。

滾珠絲桿組件的傳動(dòng)效率與各零部件的結(jié)構(gòu)、表面加工精度及之間的配合均有直接聯(lián)系，所以傳動(dòng)效率是滾珠絲桿組件性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，其計(jì)算公式為[3]：

式中：η為傳動(dòng)效率；F為系統(tǒng)輸出載荷，kN，該輸出載荷為每個(gè)循環(huán)過程中的最大載荷；p為導(dǎo)程，mm；T為最大驅(qū)動(dòng)扭矩，N·m。

2 滾珠絲桿組件耐久效率試驗(yàn)機(jī)

滾珠絲桿耐久效率試驗(yàn)機(jī)技術(shù)要求如下：

（1）滾珠絲桿運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境溫度在－4～120 ℃可調(diào)；

（2）伺服電機(jī)正向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速隨扭矩值實(shí)時(shí)變化；回退轉(zhuǎn)速為恒定值50 r/min；

（3）試驗(yàn)機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)扭矩為50 N·m；

（4）試驗(yàn)機(jī)的最大軸向工作載荷為60 kN；

（5）試驗(yàn)機(jī)可以對(duì)卡鉗系統(tǒng)內(nèi)部提供真空環(huán)境；

（6）卡鉗系統(tǒng)內(nèi)部剎車液液壓在0～180 bar可調(diào)，增壓及泄壓時(shí)間小于0.5 s；

（7）試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過測(cè)試系統(tǒng)采集并由工控機(jī)輸出，工控機(jī)界面顯示所有控制數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)曲線，實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，其它測(cè)試信號(hào)能在相應(yīng)儀表上顯示；

（8）自動(dòng)進(jìn)行多載荷譜的連續(xù)測(cè)試；

（9）系統(tǒng)穩(wěn)定性好，重復(fù)性好，故障率低。

試驗(yàn)機(jī)的整體布局如圖2、測(cè)試原理如圖3所示。試驗(yàn)機(jī)對(duì)滾珠絲桿組件的實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行模擬，將滾珠絲桿安裝在卡鉗內(nèi)部，卡鉗系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況被固定在固定座上；扭矩傳感器通過聯(lián)軸器與伺服電機(jī)連接，采集伺服電機(jī)的輸出扭矩；3個(gè)微型壓力傳感器安裝在特殊的測(cè)力裝置內(nèi)，將該裝置安裝在兩剎車片間來模擬剎車盤，同時(shí)精確采集卡鉗系統(tǒng)的制動(dòng)力。微型壓力傳感器的布局方式如圖4所示，3個(gè)壓力傳感器成三角分布，其布局必須保證所有輸出載荷作用在3個(gè)傳感器上，確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

傳感器實(shí)時(shí)采集測(cè)試過程中的扭矩與載荷值，經(jīng)過工控機(jī)存儲(chǔ)并處理，根據(jù)滾珠絲桿組件的效率計(jì)算公式，計(jì)算并顯示滾珠絲桿每個(gè)測(cè)試循環(huán)的效率值。

該試驗(yàn)機(jī)為了模擬滾珠絲桿組件在實(shí)際工作中的不同油壓環(huán)境，設(shè)計(jì)了特殊的增壓裝置，該裝置調(diào)節(jié)范圍廣且可以快速自動(dòng)調(diào)節(jié)油壓。

1.真空泵2.增壓裝置3.電控柜4.保溫箱5.主體測(cè)試裝置6.工控機(jī)7.溫控箱

1.電機(jī)2.減速機(jī)3.扭矩傳感器4.彈性聯(lián)軸器5.復(fù)位彈簧6.滾珠花鍵7.導(dǎo)向套8.連接花鍵軸9.測(cè)試滾珠絲桿組件10.剎車片11.卡鉗殼體12.測(cè)力裝置13.固定支座14.液壓裝置15.真空裝置16.溫控箱

圖4 微型壓力傳感器分布示意圖

滾珠絲桿組件耐久效率試驗(yàn)機(jī)分為工況模擬和數(shù)據(jù)測(cè)量兩個(gè)部分：

（1）工況模擬部分：包括機(jī)械主體、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、加熱冷卻裝置及溫控儀、液壓系統(tǒng)等；

（2）試驗(yàn)測(cè)量部分：由力/扭矩傳感器、信號(hào)放大器、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成。

試驗(yàn)機(jī)測(cè)量和控制原理如圖5所示。

圖5 測(cè)試和控制原理框圖

由于該滾珠絲桿組件耐久測(cè)試過程卡鉗運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，零件處于卡鉗內(nèi)部無法直接觀察滾珠絲桿在測(cè)試過程中的狀態(tài)，為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以及對(duì)測(cè)試零件進(jìn)行失效保護(hù)，該試驗(yàn)機(jī)通過數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有監(jiān)控參數(shù)的實(shí)時(shí)采集及顯示，并設(shè)置了多種停機(jī)保護(hù)與報(bào)警信息提示，試驗(yàn)機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別測(cè)試狀態(tài)，并顯示可能出現(xiàn)的具體原因。便于操作人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并解決問題，同時(shí)可第一時(shí)間對(duì)失效零件進(jìn)行保護(hù)，便于后期技術(shù)人員對(duì)零件真正失效的原因做出正確判斷。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

滾珠絲桿組件的效率測(cè)試按照客戶測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)循環(huán)的最大輸入扭矩值為20 N·m，取最大扭矩對(duì)應(yīng)的效率作為滾珠絲桿組件的傳動(dòng)效率。首先對(duì)客戶提供的滾珠絲桿標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行試驗(yàn)機(jī)的驗(yàn)證測(cè)試，其中液壓與驅(qū)動(dòng)扭矩及輸出載荷的關(guān)系如圖6所示。

3.1 試驗(yàn)機(jī)測(cè)試結(jié)果可靠性驗(yàn)證

整個(gè)耐久測(cè)試在不同階段的油壓、溫度不同，絲母相對(duì)絲桿的位置也會(huì)變化。表1是在各油壓下測(cè)試同一標(biāo)準(zhǔn)件，本試驗(yàn)機(jī)與國外技術(shù)成熟的試驗(yàn)機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果，兩者基本一致，最大誤差約為3%，在客戶認(rèn)可的誤差范圍內(nèi)，可以用于產(chǎn)品驗(yàn)證中的測(cè)試。

表1 不同油壓下兩種試驗(yàn)機(jī)輸出載荷對(duì)比

圖6 油壓、載荷和扭矩曲線

3.2 滾珠絲桿不同測(cè)試階段的效率變化

（1）滾珠絲桿組件初始效率

在常溫、零油壓條件下，采用該試驗(yàn)機(jī)測(cè)試50套滾珠絲桿組件在卡鉗內(nèi)的效率，取前20個(gè)循環(huán)的效率均值作為滾珠絲桿組件的初始效率，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。測(cè)試結(jié)果表明，滾珠絲桿組件的初始效率值為73%～77%，所有測(cè)試零件的初始效率均大于客戶要求的70%。

圖7 滾珠絲桿組件初始效率

（2）耐久試驗(yàn)前后滾珠絲桿組件的效率。

選取初始效率不同的6套滾珠絲桿組件，采用該耐久效率試驗(yàn)機(jī)按照測(cè)試規(guī)范進(jìn)行耐久測(cè)試，測(cè)試后在常溫下再次測(cè)量零件的效率，耐久前后滾珠絲桿組件的效率如圖8所示。

從試驗(yàn)結(jié)果看出，試驗(yàn)后滾珠絲桿組件的效率均有增加，增加范圍在3%～6%。如圖9所示，通過對(duì)比滾珠絲桿組件測(cè)試前后溝道的粗糙度可知，測(cè)試后絲桿溝道的粗糙度小于測(cè)試前，說明滾珠絲桿經(jīng)過長時(shí)間往復(fù)旋轉(zhuǎn)，溝道粗糙度有所改善，從而使鋼球與溝道的摩擦減小、傳動(dòng)效率提高。

圖8 滾珠絲桿組件耐久前后效率值

圖9 耐久前后絲桿溝道粗糙度值對(duì)比

4 結(jié)束語

對(duì)電子駐車用滾珠絲桿組件的耐久效率試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了開發(fā)與應(yīng)用，設(shè)計(jì)了能夠模擬滾珠絲桿組件實(shí)際工況、同時(shí)可檢測(cè)傳動(dòng)效率的試驗(yàn)機(jī)。通過與國外同類試驗(yàn)機(jī)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，證明了該試驗(yàn)機(jī)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。

利用該試驗(yàn)機(jī)對(duì)新開發(fā)的滾珠絲桿組件進(jìn)行了多輪耐久效率測(cè)試，結(jié)果表明所開發(fā)的滾珠絲桿組件的效率及耐久性能夠滿足客戶要求。

[1]屈岳陵. 高效的HIWIN SUPER-高速滾珠絲桿[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2006（6）：28-29.

[2]馮虎田，等. 滾珠絲杠副綜合性能測(cè)量方法與技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]馮虎田，等. 滾珠絲杠副動(dòng)力學(xué)與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

The Research and Application for Ball Screw Endurance and Efficiency Test of Electrical Parking Brake

ZHAO Kun，LI Ying

( Technology Center, Cixing Group Co., Ltd., Ningbo 315301, China )

A new type ball screw efficiency and durability equipment is designed and developed ,the operating conditions of load, rotating speed, hydraulic pressure and temperature of ball screw are simulated, the performance of ball screw is tested, the accurate experimental data are provided for performance analysis of ball screws. the test result of this durability equipments basic unanimously with the result of foreign EPB endurance testing machine. The efficiency and endurance of new development ball screw assembly is tested on this test bench. precision and efficiency of ball screw after durability test were greater than the customer's requirements, verified efficiency and durability of these new parts can meet the requirements of actual work.

ball screw；electrical parking brake；durability test bench；efficiency and durability

TH133.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.018

1006－0316 (2018) 02－0071－05

2017－06－14

趙坤（1979－），男，四川閬中人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檩S承設(shè)計(jì)與制造工藝。