滾筒反力式制動檢測臺動態(tài)校準(zhǔn)研究

蔡永洪 孫曉輝 譚山

摘要：針對滾筒反力式制動檢測臺傳統(tǒng)檢定方法的不足進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)研究，設(shè)計(jì)開發(fā)一套基于離心式動態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的制動臺校準(zhǔn)裝置，該裝置由伺服電機(jī)驅(qū)動多組離心機(jī)構(gòu)做圓周轉(zhuǎn)動，將可溯源的向心力集中輸出，以此作為參考制動力加載到制動檢測臺，進(jìn)行工況條件下動態(tài)校準(zhǔn)。通過制動檢測臺現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，研究校準(zhǔn)裝置和制動檢測臺的測量重復(fù)性與動態(tài)特性，分析相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)：離心式動態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在階躍激勵(lì)下能在200ms內(nèi)最大輸出3.8kN力，力值標(biāo)準(zhǔn)差不大于5.0N或小于1%，動態(tài)力響應(yīng)曲線有13%～19%超調(diào)量;制動檢測臺的測量結(jié)果重復(fù)性較差，在力值上升階段最大標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到280 N，終值階段的標(biāo)準(zhǔn)差亦達(dá)到3%，而且測量值曲線的超調(diào)量只有1%～2%，峰值時(shí)間滯后約100ms。研究表明，制動檢測臺數(shù)據(jù)處理存在過度平滑的失真。

關(guān)鍵詞：儀器儀表技術(shù);離心式動態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī);動態(tài)校準(zhǔn);滾筒反力式制動檢測臺

中圖分類號：TB921 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）05-0093-05

收稿日期：2018-07-02;收到修改稿日期：2018-08-15

基金項(xiàng)目：國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016QK031）

作者簡介：蔡永洪（1978-），男，江西大余縣人，高級工程師，博士，從事幾何量與力學(xué)計(jì)量檢測技術(shù)研究。

0 引言

滾筒反力式制動檢測臺（以下簡稱制動臺）是目前國內(nèi)機(jī)動車安檢機(jī)構(gòu)廣泛使用的汽車制動力檢測裝置。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB21861-2014《機(jī)動車安全技術(shù)檢測項(xiàng)目和方法》和GB/T13564-2017《滾筒反力式汽車制動檢測臺》，制動臺需能測得左、右車輪制動力增長全過程的數(shù)值及左、右車輪最大制動力。然而，現(xiàn)行滾筒反力式制動臺檢定規(guī)程是在制動臺電機(jī)停轉(zhuǎn)的情況下使用砝碼或千斤頂加力，以靜態(tài)方式單一檢定測力單元的計(jì)量性能。經(jīng)過檢定“合格”的制動臺檢測數(shù)據(jù)的重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性較差，甚至出現(xiàn)檢定為“不合格”的制動臺實(shí)際卻是使用正常的情況[1]，如檢定的示值誤差在3%以內(nèi)，但實(shí)際檢測過程中諸如滾筒使用狀況和結(jié)構(gòu)參數(shù)、測力單元?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)性能、測量電路軟硬件設(shè)計(jì)等方面對測量值的影響可達(dá)35%以上[2-4]。因此，傳統(tǒng)的靜態(tài)檢定方法并不能準(zhǔn)確反映出制動臺的實(shí)際計(jì)量性能。

針對靜態(tài)檢定的不足，國內(nèi)對滾筒反力式制動檢測臺動態(tài)檢定方法和裝置進(jìn)行了研究陣[5-11]，常見報(bào)道的解決方案有插值法、標(biāo)準(zhǔn)曲線法、替換法和模擬法。其中，插值法是在被檢車輛駛上制動臺按正常情況進(jìn)行檢測時(shí)，通過在靜態(tài)檢定專用杠桿上加載砝碼f或者在力傳感器平衡電橋上并聯(lián)電阻（產(chǎn)生模擬制動力f），測得動態(tài)制動力F，若滿足F=F'+f，（F為施加砝碼之前的制動力）則認(rèn)為檢定合格;標(biāo)準(zhǔn)曲線法是在制動臺測力杠桿上加載標(biāo)準(zhǔn)力值曲線，在檢測狀態(tài)下測得的力值曲線與之比較，實(shí)現(xiàn)動態(tài)標(biāo)定;替換法是使用特制輪胎替換被檢車輛的輪胎，特制輪胎上安裝扭力傳感裝置，可準(zhǔn)確測得車輛制動力，與制動臺測量值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)動態(tài)標(biāo)定;模擬法是使用模擬裝置，在滾筒上模擬機(jī)動車車輪轉(zhuǎn)動和制動。

1 離心式動態(tài)力校準(zhǔn)裝置研究

廣州計(jì)量檢測技術(shù)研究院針對滾筒反力式制動檢測臺動態(tài)校準(zhǔn)的需求，研制開發(fā)了一套離心式動態(tài)力校準(zhǔn)裝置[12-13]，如圖1所示。該裝置主要由動態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)、杠桿機(jī)構(gòu)和測控系統(tǒng)組成。動態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要包括電機(jī)、離心機(jī)構(gòu)和機(jī)筒部分。其中，離心機(jī)構(gòu)是由多組質(zhì)量塊、轉(zhuǎn)向架和簧片，以及其他零部件組成。單組離心機(jī)構(gòu)的簡化結(jié)構(gòu)如圖2所示，轉(zhuǎn)向架是一個(gè)直角三角形結(jié)構(gòu)的杠桿，在其三個(gè)角端分別安裝簧片與其他零件，其中直角端的簧片有兩個(gè)，呈十字交叉布置，分別限制該點(diǎn)的水平和豎直方向自由度，使轉(zhuǎn)向架只能繞該點(diǎn)轉(zhuǎn)動，起著支點(diǎn)作用。支點(diǎn)簧片的使用能有效避免使用軸承鉸支座帶來的摩擦與游隙。當(dāng)離心機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)，質(zhì)量塊通過簧片拽動轉(zhuǎn)向架的上端，轉(zhuǎn)向架則繞底部支點(diǎn)在另一端拽動頂桿，頂桿再將力輸出。合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向架的杠桿比，可實(shí)現(xiàn)力值的放大。由于質(zhì)量塊的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動速度和半徑均直接溯源到計(jì)量基本單位kg、m和s，因此由標(biāo)準(zhǔn)機(jī)復(fù)現(xiàn)的動態(tài)力滿足量值溯源性原則。校準(zhǔn)裝置的測控系統(tǒng)采用了伺服控制技術(shù)，可靈活處理激勵(lì)信號并精確控制運(yùn)動參量，實(shí)現(xiàn)動態(tài)力過程控制。

動態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)使用電機(jī)作激勵(lì)源。為了獲得較高的響應(yīng)速度和控制精度，選用電機(jī)慣量小、轉(zhuǎn)矩大、編碼器線數(shù)高的直驅(qū)伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為500r/min，最大轉(zhuǎn)速達(dá)800r/min，峰澎紹電為16.9N·m，集成了27位高分辨率正弦編碼器，重復(fù)性小于1"?；诖?，所研制的滾筒反力式制動檢測臺用離心式動態(tài)力校準(zhǔn)裝置的最大輸出力11.3kN，上升時(shí)間<300ms，重復(fù)性優(yōu)于2%。

使用時(shí)，動態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的頂桿與杠桿機(jī)構(gòu)的受力端面接觸，杠桿機(jī)構(gòu)的另一側(cè)受力端則與制動臺的測力桿連接。杠桿應(yīng)調(diào)節(jié)至水平并保持相同初始力狀態(tài)。

2 制動臺動態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究

使用離心式動態(tài)力校準(zhǔn)裝置對滾筒反力式制動檢測臺進(jìn)行性能研究，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)選用某公司生產(chǎn)制造的滾筒反力式汽車制動檢測臺，最大軸荷10t，杠桿比5：1，經(jīng)靜態(tài)檢定為合格。

2.1 動態(tài)參考力與量值重復(fù)性

圖4是動態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在階躍響應(yīng)模式下電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到400，450，500r/min時(shí)的參考力曲線（1daN=10N）。由圖可知，動態(tài)參考力在上升時(shí)間里加速遞增，能在200ms內(nèi)最大輸出3.8kN，而且3個(gè)轉(zhuǎn)速的參考力曲線的上升線段幾乎重合，表現(xiàn)出了良好的量值重復(fù)性。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速的加速度是由電機(jī)轉(zhuǎn)矩決定的，階躍啟動時(shí)轉(zhuǎn)矩最大，因此量值重復(fù)性與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的精確控制密切相關(guān)。圖中上升線段重合表明電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性硬，恒矩控制準(zhǔn)確。

圖5是電機(jī)階躍400r/min的參考力曲線及其絕對標(biāo)準(zhǔn)差（a）和相對標(biāo)準(zhǔn)差（b）。由圖5（a）可知，當(dāng)力值上升時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差隨之增大，最大為16N;當(dāng)力值調(diào)節(jié)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差急劇減小;當(dāng)力值穩(wěn)定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差處于較低水平。這是因?yàn)殡姍C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在轉(zhuǎn)速控制模式，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)值后，啟動反饋控制，轉(zhuǎn)速精度立即提高，與轉(zhuǎn)速呈指數(shù)關(guān)系的參考力的標(biāo)準(zhǔn)差和重復(fù)性便得以顯著改善。從圖5（b）得知，相對標(biāo)準(zhǔn)差總體趨勢是在響應(yīng)時(shí)間里迅速下降，雖然在起步階段的0～100ms里相對標(biāo)準(zhǔn)差大于1%，實(shí)際絕對標(biāo)準(zhǔn)差卻小于5N。當(dāng)力值達(dá)到1.3kN后，重復(fù)性優(yōu)于1%;當(dāng)力值趨于恒定時(shí)，重復(fù)性優(yōu)于0.2%。

2.2 制動臺動態(tài)測量結(jié)果

圖6是階躍激勵(lì)的參考力曲線（主縱坐標(biāo)）和制動臺的測量值曲線（次縱坐標(biāo)），其中（a）、（b）、（c）分別對應(yīng)電機(jī)階躍至400，450，500r/min。由圖可知，參考力曲線有明顯的過沖和回調(diào)，超調(diào)量13%～19%，調(diào)節(jié)時(shí)間短;而測量值曲線卻無觀察到過沖，超調(diào)量只有1%～2%。經(jīng)過進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)參考力曲線達(dá)到峰值開始回調(diào)時(shí)，測量值曲線仍在上升，但明顯趨于減緩;當(dāng)參考力曲線調(diào)節(jié)結(jié)束達(dá)到終值時(shí)，測量值曲線亦趨于穩(wěn)態(tài)。這表明制動臺動態(tài)測量中存在滯后和失真的情況。雖然結(jié)構(gòu)剛性、傳感器性能、測量系統(tǒng)的濾波電路和數(shù)據(jù)采樣處理都是影響動態(tài)測量結(jié)果的因素，但在本實(shí)驗(yàn)中，制動臺測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣間隔為10ms（采樣頻率100Hz），系統(tǒng)中單片機(jī)程序采用了窗口平均值法做數(shù)據(jù)平滑處理，窗口的數(shù)據(jù)點(diǎn)為20個(gè)，周期為200ms，這比圖6所示參考力曲線過沖再回調(diào)的時(shí)間（約100ms）還大，將造成測量結(jié)果被過度平滑。

通過進(jìn)一步比較參考力曲線與測量值曲線的上升時(shí)間（見圖7）和峰值時(shí)間（見圖8）可知，測量值曲線的上升時(shí)間和峰值時(shí)間存在明顯滯后，其中峰值時(shí)間滯后約100ms。這與采樣數(shù)據(jù)的平滑處理有關(guān)，但響應(yīng)終值越大響應(yīng)時(shí)間越長的線性變化趨勢仍在測量結(jié)果中得以體現(xiàn)，說明測量結(jié)果仍可準(zhǔn)確反映制動力的變化趨勢。圖7所示測量值的上升時(shí)間線性較差，是由于測量采樣時(shí)間間隔相比上升時(shí)間變化較大所造成的誤差。

圖9是力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)階躍400r/min的制動臺測量值曲線與量值標(biāo)準(zhǔn)差。比較圖9和圖5，制動臺測量值標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)出與參考力標(biāo)準(zhǔn)差基本一致的變化趨勢，但最大標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到了280N，相對標(biāo)準(zhǔn)差在力值上升階段亦達(dá)到10%左右，在達(dá)到終值階段仍然有3%。這說明，制動臺的測量結(jié)果中除了參考力引入不確定度以外，還有其他分量引入，造成測量準(zhǔn)確度下降;而且，上升階段的動態(tài)力測量重復(fù)性要明顯差于終值階段的靜態(tài)力測量重復(fù)性。3結(jié)束語

通過對離心式動態(tài)力校準(zhǔn)裝置與滾筒反力式制動檢測臺動態(tài)校準(zhǔn)的研究可知：

1）所研制的離心式動態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)量值重復(fù)性不大于5N或優(yōu)于1%，在階躍激勵(lì)下能在200ms內(nèi)最大輸出3.8kN力，而且動態(tài)力響應(yīng)曲線有較明顯的過沖和回調(diào)過程;

2）所試驗(yàn)的滾筒反力式制動檢測臺由于數(shù)據(jù)平滑處理窗口周期較長，以致測量結(jié)果出現(xiàn)過度平滑和滯后;然而，測量結(jié)果仍可準(zhǔn)確反映制動力的變化趨勢;

3）所試驗(yàn)的滾筒反力式制動檢測臺測量重復(fù)性相比力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)有較大下降，而且動態(tài)力的測量重復(fù)性明顯差于靜態(tài)力的測量重復(fù)性。

滾筒反力式制動檢測臺動態(tài)校準(zhǔn)是準(zhǔn)確評價(jià)制動臺計(jì)量性能的技術(shù)發(fā)展趨勢?；陔x心式動態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對制動臺進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)是一種具有應(yīng)用價(jià)值的創(chuàng)新探索。

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（編輯：徐柳）