液壓盤式制動器制動泵性能仿真與試驗臺架檢測

王 萌，韓愛國

（武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070）

摩托車制動器制動泵是摩托車制動系統(tǒng)中不可或缺的部分，制動泵對制動器總成的性能有著重要影響。在對摩托車制動泵性能和制動泵檢測技術(shù)進行深入研究之后，根據(jù)行業(yè)標準QC/T 655—2005《摩托車和輕便摩托車制動器技術(shù)條件》[1]中，對活塞無效行程為1.1 mm±0.7 mm的技術(shù)要求和制動器廠家對制動泵的設(shè)計要求，基于VC++設(shè)計了摩托車液壓盤式制動泵在線檢測系統(tǒng)，用于檢測制動泵活塞的無效行程；結(jié)合Matlab/Simulink搭建了氣動系統(tǒng)仿真模型，將臺架測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進行對比分析，驗證了試驗臺架測試系統(tǒng)的準確性，為產(chǎn)品性能提供可靠保障。

1 制動泵組成及工作原理

制動泵是制動系統(tǒng)中的壓力源，主要由油杯、泵體、制動泵活塞、回位彈簧、若干密封件組成。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 制動泵的結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure composition of brake pump

在制動泵的制動手柄無動作情況下，制動泵活塞前皮碗處于旁通孔A與補償孔B之間，油杯與泵體內(nèi)油液相連，制動泵出油口由螺栓與輸油管連接。制動泵工作時，駕駛員手握制動泵手柄、推動制動泵活塞從右向左運動（圖1所示方向），活塞前皮碗利用橡膠特性堵住旁通孔A，形成密閉空間，開始建立制動壓力?；钊^續(xù)向右移動，制動壓力由于密封腔體積的減小不斷增大，當達到一定壓力時，油液壓力推動制動鉗活塞，推動摩擦片壓緊制動輪產(chǎn)生摩擦制動力，達到制動效果。因此，制動泵旁通孔A的位置直接關(guān)系到制動壓力的建立時刻，從制動泵手柄開始動作到制動泵開始建立制動壓力，活塞移動的距離被稱為制動泵活塞無效行程。

2 氣體流經(jīng)節(jié)流孔的理論研究

氣動系統(tǒng)的建模根據(jù)氣體動力學(xué)和熱力學(xué)的基本理論進行特性分析，所研究的對象是氣體通過小孔的流動特性，故將氣源、制動泵、旁通孔3部分結(jié)合作為整體進行分析，將氣體通過小孔的過程簡化，如圖2所示。區(qū)域I為氣源，區(qū)域Ⅱ為制動泵，放氣過程中，制動泵壓力會隨著活塞移動打開小孔發(fā)生劇烈變化，該壓力突變點為臨界點。在檢測空行程時，以壓力突變點作為測量點，計算制動泵活塞無效行程。

圖2 氣體放氣簡圖Fig.2 Schematic diagram of gas deflation

為了便于建立實際氣體放氣數(shù)學(xué)模型，做以下假設(shè)：①密封容器無泄漏，且氣體流動初始時刻為滯止狀態(tài)，即速度為零；②容器內(nèi)的壓力、溫度和密度是均勻分布的，且為絕熱容器；③氣體通過小孔的放氣過程每一瞬時為穩(wěn)定流動；④小孔中各橫截面位置內(nèi)壓力、溫度和密度是均勻分布的；⑤忽略密封件如皮碗，因受力變形造成體積變化的影響；⑥忽略活塞后退過程中因皮碗自身的橡膠特性，使皮碗在摩擦力的作用下向密封腔一側(cè)變形，重新堵住小孔的情況。

2.1 能量方程

為了得到檢測容器內(nèi)的壓力變化關(guān)系，對理想氣體狀態(tài)方程PV=mRT等式兩邊同時求導(dǎo)，得

并有，小孔排向大氣的質(zhì)量流量qm

故式（1）可轉(zhuǎn)化為

根據(jù)氣體的能量守恒方程，可得

式中：cV為氣體的比定容熱容，J/（kg·K）；Ta為外界環(huán)境溫度，K；T為容器內(nèi)部溫度，K。

在外界溫度保持不變的情況下，根據(jù)傳熱學(xué)方程，可知經(jīng)過容器壁的熱傳遞交換過程方程式為

式中：Q 為傳導(dǎo)熱量，J；h 為對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Sh為熱交換面積，m2。根據(jù)Kagawa對于充氣和放氣過程熱交換系數(shù)的研究，對于放氣過程，h=15～20 W/（m2·K）[2]。

由式（3）—式（5），可得

式中：cP為氣體的比定容熱容，J/（kg·K）。

2.2 質(zhì)量流量特性方程

通過小孔的質(zhì)量流量公式為

式中：P0為下游絕對壓力，Pa；P1為上游滯止絕對壓力，Pa；T0為上游滯止溫度，K；Ae為小孔孔截面積，m2；δ為臨界壓力比；k為絕熱比；R為氣體常數(shù)，N·m/（kg·K）。

2.3 活塞運動方程

實際臺架試驗過程中，活塞的運動由電機推動制動手柄做勻速行駛，根據(jù)活塞的運動速度以及初始位移等條件，得出活塞在制動泵中運動的關(guān)系表達式為

3 氣體流經(jīng)小孔動態(tài)仿真模型及分析

在制動泵活塞運動的仿真系統(tǒng)中，氣流的聲速段和非聲速段的條件選擇、微分方程組的約束條件以及活塞隨時間運動的位移，是通過Simulink的Switch模塊及Look up模塊而實現(xiàn)的。在此制動泵放氣運動仿真中，采用的某型號制動泵試驗參數(shù)見表1。根據(jù)相關(guān)的參數(shù)關(guān)系，搭建了仿真模型，如圖3所示。

表1 氣體放氣過程仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of gas outgassing process

圖3 制動泵放氣動態(tài)仿真模型Fig.3 Dynamic simulation model of brake pump deflation

壓力建立時，分別向密封腔內(nèi)充入0.2 MPa，0.3 MPa的氣體，密封腔內(nèi)壓力隨活塞位移變化的仿真由圖4所示。由圖可見，在活塞后退的過程中，密封腔內(nèi)壓力隨著密封腔體積的增大而減小，當活塞繼續(xù)后退打開小孔時，密封腔內(nèi)氣體壓力陡降，通過小孔釋放氣體，壓力逐步下降至常壓狀態(tài)。圖4a中初始壓力為0.2MPa時，壓力突變點對應(yīng)的活塞位移為1.35 mm，對應(yīng)的活塞無效行程為1.32 mm；圖4b中初始壓力為0.3 MPa，壓力突變點對應(yīng)的活塞無效行程為1.36 mm，誤差在允許的范圍內(nèi)。

圖4 制動泵內(nèi)壓力隨活塞位移變化的仿真曲線Fig.4 Simulation curve of the change of the initial pressure of the brake pump with piston displacement

4 試驗臺架檢測系統(tǒng)組成及檢測原理

試驗臺檢測系統(tǒng)由檢測機構(gòu)、電控系統(tǒng)和氣動回路等組成[3]，如圖5所示。檢測機構(gòu)負責檢測動作的執(zhí)行；電控系統(tǒng)負責檢測系統(tǒng)運行，由工控機、各種傳感器及控制電路等組成；氣動回路提供系統(tǒng)運行時所必需的氣體。

圖5 檢測系統(tǒng)的組成Fig.5 Composition diagram of the test system

試驗臺由微機處理，工控機控制，實現(xiàn)實時監(jiān)控與調(diào)整試件相對位置，采集壓力、位移傳感器信號，進行數(shù)據(jù)采集與處理等功能。電控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有顯示器、內(nèi)嵌數(shù)據(jù)采集卡的工控機；配電柜內(nèi)設(shè)有電源、電機控制器、電磁閥控制器、氣動管路模塊、信號處理及數(shù)據(jù)處理模塊。其中，傳感器、步進電機均選用高精度配置，以保證測試精度要求。檢測系統(tǒng)主要實現(xiàn)對制動泵空行程的檢測。

檢測過程中，制動泵內(nèi)壓力會隨著活塞的封堵或旁通孔的打開而發(fā)生劇烈變化，將壓力發(fā)生劇烈變化的點設(shè)為壓力突變點。檢測空行程時，以壓力突變點作為測量點，計算制動泵活塞無效行程。

4.1 檢測機構(gòu)的組成及檢測過程

檢測機構(gòu)的組成如圖6所示。檢測前，調(diào)整支座使制動泵出油口軸線與測壓閥軸線重合，并使測壓閥閥芯前端的出氣孔與制動泵出油孔保持一定距離。絲桿推動氣缸使測壓閥沿氣缸軸線移動，測壓閥與制動泵接觸以建立密封區(qū)域。此時，啟動電機與推桿組成驅(qū)動裝置，推動制動手柄動作。

圖6 試驗臺檢測機構(gòu)的組成Fig.6 Composition of testing mechanism of test bench

檢測空行程時，啟動電機正轉(zhuǎn)，推動制動手柄使活塞前移，待活塞封堵制動泵旁通孔A后停止電機正轉(zhuǎn)，將此時活塞行駛的位移設(shè)為起始位置；控制氣缸電磁閥，接通氣源氣缸，推動測壓閥壓緊制動泵出油口，氣體通過測壓閥閥芯進入制動泵泵體。再次啟動電機正轉(zhuǎn)，推動活塞繼續(xù)前移一段距離后使電機反轉(zhuǎn)，活塞返回到起始位置后繼續(xù)后退，當檢測到制動手柄與推桿完全分離時停止電機反轉(zhuǎn)，關(guān)閉氣缸氣源，完成測試。

測試過程中，測試系統(tǒng)以活塞的初始位置作為測試起點，采集位移傳感器、壓力傳感器的信號，尋找活塞通過旁通孔時刻的壓力突變點，以確定制動泵活塞無效行程。在測試過程中，保存測量數(shù)據(jù)，并以圖形的方式顯示壓力與位移的關(guān)系。

4.2 電控系統(tǒng)設(shè)計

4.2.1 電控系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)硬件由工業(yè)用計算機、I/O擴展、A/D采樣、電磁閥、信號處理電路、繼電器控制電路、步進電機以及傳感器等組成。

測試過程中，將計算機的工業(yè)標準結(jié)構(gòu)總線端口與數(shù)據(jù)采集卡相連，實現(xiàn)系統(tǒng)控制。通過自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡，集成A/D采樣電路和I/O擴展電路。該數(shù)據(jù)卡集成具有8個模擬量輸入通道，1個模擬量輸出通道，3個數(shù)字量端口，共24個數(shù)字量通道，可滿足檢測系統(tǒng)要求。信號處理方面，傳感器采集到的信號，經(jīng)過信號處理后由采集卡輸入計算機，系統(tǒng)通過對輸入信號的分析、判斷后發(fā)出控制信號，由采集卡傳遞到控制電路，隨后由繼電器來控制電磁閥和電機執(zhí)行動作。

4.2.2 電控系統(tǒng)軟件組成

試驗臺架軟件測試系統(tǒng)使用VC++編寫整個控制程序[4]?？刂瞥绦蛑饕姍C控制、傳感器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示及系統(tǒng)保護等6個部分。測試軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 軟件測試結(jié)構(gòu)Fig.7 Software test structure

軟件采集的模擬量包括壓力和位移，根據(jù)采集卡的特點，設(shè)置了模擬量輸入以及數(shù)字量輸入、輸出地址。在測試時，位移傳感器和壓力傳感器將采集到的電信號經(jīng)信號調(diào)理后，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡[5]，通過A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號傳入計算機進行分析處理，由VC++編寫的采集程序讀取相應(yīng)的數(shù)字量信息，通過數(shù)據(jù)處理并可視化。程序流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程Fig.8 Program flow chart

5 測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

利用該檢測系統(tǒng)對某型號摩托車制動泵空行程進行性能測試，其壓力和位移隨檢測點的變化曲線如圖9所示。

圖9 氣體壓力隨活塞位移變化檢測Fig.9 Pressure change test with piston displacement

由圖可見，在整個測量活塞無效行程過程中，活塞密封腔內(nèi)壓力的變化趨勢。測試時分別向制動泵內(nèi)充入0.2 MPa，0.3 MPa氣體，當活塞運動到旁通孔位置時，密封腔內(nèi)氣體壓力陡降即圖中的點a，此時由于皮碗本身的橡膠特性使皮碗在摩擦力的作用下向密封腔一側(cè)變形，又重新堵住小孔，使得檢測的壓力下降緩慢或保持不變，隨著活塞繼續(xù)后退，在物理位移作用下打開小孔，壓力逐漸降低至常壓狀態(tài)，如圖中點b。因此，小孔的位置應(yīng)為壓力第2次突變點所對應(yīng)的位置。此時，初始壓力0.2 MPa下對應(yīng)的活塞無效行程為1.58 mm，初始壓力0.3 MPa下對應(yīng)的活塞無效行程為1.35 mm。

6 結(jié)語

經(jīng)Matlab/Simulink建模仿真、試驗臺架檢測，所得的該型號制動泵的活塞無效行程，均在行業(yè)標準QC/T 655—2005《摩托車和輕便摩托車制動器技術(shù)條件》對活塞無效行程理論值要求范圍之內(nèi)，其誤差也在可接受誤差允許范圍內(nèi)。試驗檢測結(jié)果不僅驗證了該制動泵活塞無效行程的合格性，也為理論分析提供了實測數(shù)據(jù)支持，有利于提升產(chǎn)品的質(zhì)量，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期。該檢測系統(tǒng)在企業(yè)將有較好的應(yīng)用前景。

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