汽車制動部件耐壓破壞測試系統(tǒng)的設(shè)計

范偉軍 張章 郭斌 李冬 佘祥

摘要：針對企業(yè)為同時滿足乘用車、商用車制動部件高、低液壓耐壓破壞測試的要求，基于計算機控制系統(tǒng)和高低壓分區(qū)控制模式設(shè)計汽車制動部件液壓耐壓破壞測試系統(tǒng)。采用電氣比例閥加氣液增壓器增壓伺服控制方式，可實現(xiàn)0～3 MPa的低液壓控制，控制準確度為±0.05 MPa，滿足商用車制動部件耐壓破壞測試需求；電氣比例閥加氣驅(qū)液泵增壓伺服控制方式，可實現(xiàn)3～40MPa的高液壓控制，控制準確度為±0.1MPa，滿足乘用車制動部件耐壓破壞測試需求；系統(tǒng)采用計算機控制電磁閥實現(xiàn)高低壓耐壓測試的自動切換，實現(xiàn)測試過程的自動化。系統(tǒng)增壓速率10～500kPa/s連續(xù)可設(shè)，共設(shè)5級升壓臺階逐級加壓。對測試系統(tǒng)進行不確定評定，低壓耐壓破壞測試不確定度<0.042MPa，高壓耐壓破壞測試不確定度<0.057MPa，測試結(jié)果表明汽車制動部件耐壓破壞檢測系統(tǒng)滿足測試需求。

關(guān)鍵詞：汽車制動；耐壓破壞；計算機控制；自動化；不確定度

0引言

汽車制動系統(tǒng)是使行駛中的汽車按照駕駛?cè)说牟僮鬟M行減速或者停車的機構(gòu)。在常見的交通事故中，制動系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏、爆裂以及變形等故障導(dǎo)致制動失效無疑是最危險的因素之一，因此制動系統(tǒng)性能的好壞直接關(guān)系到整車制動的安全性。汽車制動部件耐壓破壞試驗是對制動部件所承受最大破壞壓力的檢測試驗，為保證制動系統(tǒng)的正常工作，耐壓破壞試驗是汽車制動部件檢測的重要項目之一。

目前，國內(nèi)對汽車制動部件的檢測越來越重視，設(shè)計出相關(guān)的檢測設(shè)備，比如制動鉗綜合試驗臺、氣閥綜合測試臺等，但是制動部件的耐壓測試通常作為綜合檢測系統(tǒng)的附屬檢測項，控制精度有限，檢測安全性不高，對于現(xiàn)有乘用車和商用車制動部件耐壓破壞測試都是單獨的試驗臺，并沒有可同時滿足乘用車以及商用車制動部件耐壓破壞測試的試驗臺，這對于制動部件廠商造成了浪費和不便。國外對汽車制動部件檢測處于領(lǐng)先位置，較為著名的有日本的HORIBA公司和美國的LINK公司，其生產(chǎn)出的制動部件檢測臺，性能穩(wěn)定且可靠性高，但因價格昂貴、技術(shù)壁壘以及售后維護不便等原因很難在國內(nèi)推廣。

基于此，本文通過仔細研究汽車制動部件的工作原理，根據(jù)汽車QC/T 37-2015《汽車與掛車氣壓調(diào)節(jié)保持裝置技術(shù)要求及臺架試驗方法》、QC/T592-2013《液壓制動鉗總成性能要求及臺架試驗方法》等一系列制動部件行業(yè)標準設(shè)計了一套滿足乘用車和商用車精度要求的耐壓破壞檢測控制系統(tǒng)。

1汽車制動部件耐壓破壞測試系統(tǒng)需求分析

通過向制動部件腔體內(nèi)充注水或制動液，控制加壓速率，達到系統(tǒng)所設(shè)定的壓力破壞點。采用計算機控制系統(tǒng)設(shè)定升壓速率和升壓臺階，實現(xiàn)自動分段耐壓破壞檢測，壓力傳感器自動采集系統(tǒng)控制壓力，并反饋于壓力控制系統(tǒng)，實現(xiàn)檢測壓力的高精度控制。

按照汽車制動需求及QC/T 37-2015、QC/T 592-2013等一系列制動部件行業(yè)標準規(guī)定：對于氣制動閥施加高于最大工作壓力1.5倍的壓力，保壓20s，觀察被測件是否出現(xiàn)損壞：對于液壓制動部件施加高于最大工作壓力1.5倍的液壓，保壓5 s，檢查并記錄液壓制動部件是否有損壞、泄露和龜裂。在實際設(shè)計耐壓破壞檢測系統(tǒng)時，很多汽車零部件及整車企業(yè)要求做分段階梯、逐步遞增耐壓測試。

考慮到商用車以及乘用車制動部件耐壓破壞壓力及壓力控制精度不同，一種增壓器無法同時滿足氣、液制動器耐壓破壞檢測要求，采用氣液增壓器和氣驅(qū)液泵兩種增壓器配合使用。在試驗進行過程中通過控制策略和算法，比較輸出壓力與目標壓力的差值，不斷通過反饋控制電氣比例閥的開度，對液壓控制實現(xiàn)10～500 kPa/s升壓速率，對商用車制動部件耐壓破壞測試壓力實現(xiàn)+0.05 MPa控制準確度，乘用車制動部件耐壓破壞測試實現(xiàn)±0.1 MPa控制準確度。結(jié)合上述測試系統(tǒng)需求分析，提出汽車制動部件耐壓破壞測試系統(tǒng)中的主要技術(shù)參數(shù)和性能指標，如表1所示。

2檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)安全設(shè)計

根據(jù)以上測試系統(tǒng)需求分析，由于耐壓破壞試驗為高液壓測試，為保證試驗安全性，采用設(shè)計保護箱裝置，用于保護試驗人員安全，保護箱裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該保護箱采用不銹鋼板制成，安全防護等級高。另外，蓋板上安裝有機玻璃的窗體和鎖定蓋板的門禁，門禁中安裝有接近開關(guān)。有機玻璃的窗體用于觀察試驗產(chǎn)品：門禁用于試驗時對蓋板的鎖緊固定；接近開關(guān)，用于檢測門禁螺栓是否擰緊，避免門禁螺栓出現(xiàn)未擰或漏擰等情況發(fā)生，保障試驗安全。

2.2系統(tǒng)管路設(shè)計

基于以上測試需求分析，為保證測試系統(tǒng)正常運行，該系統(tǒng)應(yīng)該具有穩(wěn)定干凈的氣壓源和液壓源，監(jiān)控液壓的檢測裝置以及控制管路氣體和液體流向的通斷裝置?；诖嗽O(shè)計了汽車制動部件耐壓破壞測試管路系統(tǒng)，如圖2所示。

二聯(lián)件是空氣過濾器和減壓閥的組合，為系統(tǒng)過濾氣源雜質(zhì)以及調(diào)節(jié)氣源供給壓力：氣源的進氣壓力設(shè)置為700 kPa，通過電氣比例閥精確控制為測試裝置供氣，電氣比例閥采用SMC系列，量程為0～900kPa，可以實現(xiàn)氣壓力的連續(xù)和無極調(diào)節(jié)：液壓加壓裝置分別采用氣液增壓比為7倍的氣液增壓器和氣液增壓比為60倍的氣驅(qū)液泵兩種增壓元件，分別有兩位五通電磁閥進行氣源通斷控制，其中氣液增壓器負責(zé)對商用車制動部件耐壓破壞測試，測試壓力范圍是0～3MPa，有控制簡易、精度高、可以高頻率動作，不產(chǎn)生油霧等優(yōu)點。氣驅(qū)液泵負責(zé)乘用車制動部件高壓耐壓破壞測試，測試壓力范圍為3～40 MPa，還負責(zé)對整個系統(tǒng)的排氣與注油，具有體積小、質(zhì)量輕、使用壽命長等優(yōu)點。在接近測試產(chǎn)品的出油口處，安裝有液壓傳感器，用來實現(xiàn)對產(chǎn)品和管路液壓的實時監(jiān)控和采集，液壓傳感器采用HUBA系列傳感器，準確度為0.5%FS，滿足測試需求；測試系統(tǒng)加壓管路采用特制高壓不銹鋼管構(gòu)成，以減少測試管路在加壓過程中出現(xiàn)變形對測試結(jié)果的影響，系統(tǒng)測試管路采用零泄漏閥進行控制，保證整個系統(tǒng)的密封性，系統(tǒng)測試管路和測試產(chǎn)品中間采用耐高壓軟管進行連接，增加測試過程中可操作性；系統(tǒng)減壓閥用于輸出恒定氣壓作為先導(dǎo)氣壓對兩位五通電磁閥以及氣驅(qū)液泵進行先導(dǎo)供氣。

2.3數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計

考慮到實時數(shù)據(jù)采集并反饋控制壓力與壓力動態(tài)顯示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要有較快的采集速率對壓力傳感器信號進行數(shù)據(jù)采集，在采集模式上選擇高速采集模式進行數(shù)據(jù)采集。

為了實現(xiàn)對液壓信號的實時采集和電氣比例閥、電磁閥、零泄漏閥的實時控制，系統(tǒng)以研華工控機為數(shù)據(jù)處理和控制核心，結(jié)合研華數(shù)據(jù)采集卡PCI-1716組成控制器進行信號分析與處理。研華數(shù)據(jù)采集卡具有模擬輸入，輸出通道、數(shù)字輸入/輸出通道以及16位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達100kHz，可以滿足高速實時、高精度采樣的要求。數(shù)據(jù)采集卡的AI通道用于采集液壓傳感器的信號值；AO通道輸出電壓用于控制電氣比例閥調(diào)節(jié)輸出氣壓值；DI通道用于處理用戶操作和試驗現(xiàn)象判斷：DO通道用于控制電磁閥和零泄漏閥的通斷。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制原理圖如圖3所示。

2.4系統(tǒng)測試流程分析

根據(jù)對系統(tǒng)測試原理分析，系統(tǒng)測試步驟主要分為被測產(chǎn)品裝夾階段、被測產(chǎn)品及其測試系統(tǒng)注油排氣階段、被測產(chǎn)品測試階段。

1）被測產(chǎn)品裝夾

手動將被測產(chǎn)品放到保護箱中，將系統(tǒng)測試管路連接到被測產(chǎn)品進口，用螺栓封堵其他出口，關(guān)閉保護箱門，并使用門禁鎖緊，確保試驗安全。

2）注油排氣

通過工控機設(shè)定電氣比例閥相應(yīng)氣壓，打開電磁閥8啟動氣驅(qū)液泵，打開零泄漏閥14、15、18進行第一階段為氣液增壓器及其管路注油排氣，待到氣液增壓器油箱半滿后停止第一階段注油排氣，關(guān)閉電磁閥8和零泄漏閥14、15、18，第一階段注油排氣成功；進行第二階段為被測產(chǎn)品及其管路注油排氣，打開電磁閥8啟動氣驅(qū)液泵，打開零泄漏閥15、21開始注油排氣，直到被測產(chǎn)品出口有穩(wěn)定少量液壓油流出時，第二階段注油排氣成功，關(guān)閉電磁閥8和零泄漏閥15、21停止注油，用螺栓封堵住被測產(chǎn)品出口，形成密閉空間，被測產(chǎn)品及其測試系統(tǒng)管路注油排氣結(jié)束。

3）測試

測試階段分為商用車耐壓破壞測試和乘用車耐壓破壞測試；其中，商用車耐壓破壞測試流程，通過工控機測試軟件，打開電磁閥7和零泄漏閥14、18、21，啟動氣液增壓器，設(shè)定電氣比例閥輸出氣壓和輸出氣壓速率開始測試，采用逐級增壓方式，最多可設(shè)置5個階梯增壓到相應(yīng)耐壓破壞強度，采用反饋控制算法控制調(diào)整壓力，每段增壓達到指定壓力后保壓一段時間，待壓力穩(wěn)定后，繼續(xù)進行下一階段加壓，直到到達設(shè)定最大耐壓破壞測試壓力，保壓20 s，通過液壓傳感器17檢測壓力并由數(shù)據(jù)采集卡采集壓力信號上傳數(shù)據(jù)至工控機，顯示輸出測試結(jié)果，打開零泄漏閥20泄壓，商用車耐壓破壞測試完畢：乘用車耐壓破壞測試流程，通過工控機測試軟件，打開電磁閥8和零泄漏閥15、21，啟動氣驅(qū)液泵，設(shè)定電氣比例閥輸出氣壓和輸出氣壓速率開始測試，測試方法同商用車耐壓破壞測試，直到達到設(shè)定最大耐壓破壞測試壓力，保壓5 s，通過液壓傳感器17檢測壓力并由數(shù)據(jù)采集卡采集壓力信號上傳數(shù)據(jù)至工控機，顯示輸出測試結(jié)果，打開零泄漏閥20泄壓，乘用車耐壓破壞測試完畢。

2.5系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)計算機軟件采用vc++編寫，采用模塊化設(shè)計、全中文提示；系統(tǒng)軟件主要包含模塊有系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊、比例反饋控制算法模塊、曲線實時顯示模塊、數(shù)據(jù)導(dǎo)出與保存模塊、數(shù)據(jù)報表與打印模塊。系統(tǒng)軟件測試流程如圖4所示。

3測試試驗分析與不確定度評定

根據(jù)測試原理和方法，選取氣制動系統(tǒng)部件干燥器以及液制動部件制動鉗來作為試驗對象，根據(jù)汽車行業(yè)標準QC/T 37-2015以及QC/T 592-2013中規(guī)定，分別對干燥器施加2.25 MPa液壓和液壓制動鉗施加35 MPa液壓，觀察測試件有無變形和泄露：同時根據(jù)JJF 1059——2012《測量不確定度評定與表示》中不確定度評定的方法和要求，對測試系統(tǒng)進行不確定度評定。

3.1耐壓破壞測試結(jié)果分析

為保證試驗重復(fù)性，在不同加壓速率下重復(fù)測試10次，其中對干燥器測試加壓速率為80，100，120 kPa/s，對制動鉗測試加壓速率為300，400，500kPa/s，觀察試驗結(jié)果，如圖5所示為干燥器在壓強為2.25MPa時，不同速率情況下試驗曲線圖：如圖6所示為制動鉗在壓強為35 MPa時，不同速率情況下試驗曲線圖。

如圖5、圖6所示，試驗過程為階梯式加壓過程，每階段分為加壓過程、調(diào)壓過程和保壓過程，加壓速率可調(diào)。對試驗重復(fù)測量10次，得到試驗加壓在不同速率下試驗數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

從表中可以得出，在測試范圍內(nèi)，不同升壓速率對試驗測量精度有一定影響，但是不存在較大的波動，滿足測試精度要求，測試數(shù)據(jù)平穩(wěn)，測試產(chǎn)品合格，滿足出廠要求。

3.2不確定度評定

由誤差理論得，由測量重復(fù)性引起的不確定度用A類方法評定，當(dāng)用作單次測量值作為被測量的估計值時，測試數(shù)據(jù)標準不確定度分量U_A為單次測量的試驗標準差。

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。查閱相關(guān)資料可得，液壓傳感器的標準不確定度分量U₁約為0.036 MPa，數(shù)據(jù)采集卡對液壓采集系統(tǒng)造成的標準不確定度分量U₂約為0.016 MPa，系統(tǒng)合成標準不確定度為u_c。

根據(jù)式（1）計算可得，系統(tǒng)合成標準不確定度U_c如表4所示。

由不確定度表得知，在干燥器耐壓破壞試驗中，不確定度最大為0.0415，在制動鉗耐壓破壞試驗中，不確定度最大為0.0561。由此可知，該設(shè)備試驗重復(fù)性好，滿足實驗要求。

4結(jié)束語

本文設(shè)計了一套基于數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)的汽車制動部件耐壓破壞測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對液壓加壓的精確控制，并且高效、穩(wěn)定、方便。實現(xiàn)對汽車制動部件耐壓破壞試驗的綜合測量。試驗結(jié)果表明，該測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)可靠，已成功投入到企業(yè)中使用。