離合總泵綜合性能測試系統(tǒng)研制

胡曉峰　陸藝　羅哉　范偉軍　陳俊杰

摘要：針對離合總泵性能測試項(xiàng)目單一，難以復(fù)測動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，引入高精度數(shù)據(jù)采集、伺服精密控制、氣動(dòng)比例抓取等技術(shù)，研制一套雙工位綜合性能測試系統(tǒng)。工位一用于密封測試，工位二用于動(dòng)態(tài)行程及真空性測試，設(shè)計(jì)基于伺服線性滑臺和抓取氣缸的拾取機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工位間的移動(dòng)?；诠δ苣K化設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)以工控計(jì)算機(jī)為載體，數(shù)據(jù)采集與處理模塊實(shí)現(xiàn)傳感器信號的輸入與調(diào)理，設(shè)計(jì)精密伺服加載機(jī)構(gòu)復(fù)現(xiàn)實(shí)車環(huán)境下離合作業(yè)狀態(tài)，基于LabVIEW開發(fā)測試軟件。完成系統(tǒng)的標(biāo)定與試驗(yàn)，引入測量系統(tǒng)分析開展重復(fù)性分析。結(jié)果表明：功能項(xiàng)測量能力指數(shù)Cg均≥1.67，量具R&R貢獻(xiàn)率<30%，測試時(shí)間小于2min/件，滿足系統(tǒng)在線測試需求。

關(guān)鍵詞：離合總泵;密封測試;動(dòng)態(tài)特性測試;測量系統(tǒng)分析

中圖分類號：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）03–0101–07

Development of performance test system for clutch master cylinder

HU Xiaofeng1， LU Yi1， LUO Zai1， FAN Weijun2， CHEN Junjie1

（1. China Jiliang University， Hangzhou 310018，China;

2. Hangzhou Wolei Science &Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310019，China）

Abstract： At current the test items of clutch master cylinder is simple and can't be repeat the dynamic response characteristic. Therefore， it is introduced the high precision data acquisition， servo precision control technology， pneumatic grasp control technology. Based on the above techniques， it is developed a set of double station comprehensive detection system. which realizes the sealing test on test station one and meanwhile dynamic travel and vacuum test on test station two. Designed the picking mechanism based on servo linear slide table and grabbing cylinder， the product can be achieved with moving between the test stations. Based on design concept of function modularization， the test system takes industrial computer as the carrier and the data acquisition and processing module realizes sensor signal input and conditioning. Meanwhile designed the precision servo loading mechanism can be reappeared the clutch response on the real driving condition and developed the teast soft based on LabVIEW. Completed calibration and test of the system， and then adopted the MSA to analyze the repeatability of system.The test result showed that the measurement capability index （Cg） of test item is larger than 1.67， R&R is less than 30%， test time of one product test is less than 2 min， and system meets the online testing requirements.

Keywords： clutch master cylinder; tightness test; dynamic performance test; MSA

0 引言

離合系統(tǒng)作為車輛操控的核心系統(tǒng)，承擔(dān)行車過程發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱間的離合作業(yè)，離合總泵則提供液壓助力減輕駕駛員踩踏力度，確保車輛離合平順性。因而對離合總泵展開測試和評估是確保離合系統(tǒng)正常作業(yè)、行車安全的必要措施之一[1]。

國內(nèi)對離合總泵性能測試和設(shè)計(jì)已開展了相關(guān)研究，但缺乏集成度高、功能全面、適應(yīng)生產(chǎn)在線測試的裝置。例如孫銳[2]基于PLC和差壓測試法研制離合器主缸檢測臺，對其低壓密封性展開測試;高智[3]利用電機(jī)控制技術(shù)模擬實(shí)車離合過程，研制離合器性能試驗(yàn)臺，實(shí)現(xiàn)靜扭特性、摩擦特性檢測;張羽[4]基于ARM開發(fā)離合器性能檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分離特性和負(fù)荷特性的測試;李占旗等[5]針對雙離合器硬件在環(huán)測試需求，基于Simulink建立雙離合器自動(dòng)變速器實(shí)時(shí)仿真模型，開展離合功能故障仿真實(shí)驗(yàn);以及對新型干、濕離合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真等研究現(xiàn)狀[6]?？偠灾?，針對汽車領(lǐng)域離合總泵測試研究相對甚少，測試項(xiàng)目圍繞密封性開展，缺乏對其動(dòng)態(tài)離合特性、真空特性的綜合測試，系統(tǒng)整體信息化程度低，無法融入企業(yè)MES系統(tǒng)，易形成“信息孤島”。而國外對離合系統(tǒng)研究伴隨其汽車工業(yè)發(fā)展，技術(shù)成熟，以WABCO、KNORR等業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的離合系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)為例，擁有獨(dú)立設(shè)計(jì)能力和成套生產(chǎn)、檢測設(shè)備，且研究集中于新型離合系統(tǒng)開發(fā)及整體系統(tǒng)集成測試階段，對單一部件性能檢測較少，且檢測設(shè)備價(jià)格昂貴，售后維護(hù)成本高，可擴(kuò)展性差[7-9]。

針對離合總泵測試存在的不足，研制綜合性能測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其密封特性、真空特性及動(dòng)態(tài)行程特性的測試以及信息數(shù)據(jù)溯源管理。本系統(tǒng)在提高離合總泵制造企業(yè)檢測能力、提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，有助于強(qiáng)化“工業(yè)4.0”背景下企業(yè)產(chǎn)品制造技術(shù)水平，提升信息化管理能力，促進(jìn)企業(yè)智能制造新范式的深度融合。

1 離合總泵工作原理

離合系統(tǒng)，作為車輛傳動(dòng)中承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳承的控制機(jī)構(gòu)，確保車輛起步平穩(wěn)及換擋平順，防止傳動(dòng)系統(tǒng)過載。圖1為離合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。離合總泵1作為離合系統(tǒng)的執(zhí)行單元，響應(yīng)來自離合踏板2的離合強(qiáng)度，控制并輸出液壓助力至離合器3，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間的分離和接合，以切斷或傳遞動(dòng)力的輸出。

圖2為離合總泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。離合作業(yè)時(shí)，離合踏板作為輸入端連接推桿6，液壓油由進(jìn)液口4在活塞8的作用下建壓并經(jīng)出液口10輸出。

2 測試方案與評定方法

2.1 系統(tǒng)測試方案設(shè)計(jì)

根據(jù)QC/T1011-2015《離合器液壓氣助力系統(tǒng)總泵技術(shù)要求和臺架試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)與企業(yè)測試指導(dǎo)需求，制定離合總泵性能測試方法，確定測試系統(tǒng)軟硬件技術(shù)方案與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

性能測試項(xiàng)目：密封性，包括總成氣壓密封性（p1）、動(dòng)態(tài)離合密封性（p2）;真空特性，即單位測試時(shí)間內(nèi)總成真空壓降（p3）;動(dòng)態(tài)行程-力特性，即初始行程至特征位C1處（活塞位置36～36.5mm）活塞力（F1）、由特征位C1處回退至特征行程位C2處（活塞位置2.0～2.2mm）活塞力（F2）、由特征位C2處移動(dòng)至特征行程位C3處（活塞位置31.0～31.5mm）活塞力（F3）、繼續(xù)推動(dòng)活塞前移再退回C3處活塞力（F4），計(jì)算動(dòng)態(tài)行程活塞力差值（△F=|F3-F4|）。

表1為離合總泵性能測試參數(shù)。

性能測試方法：總成氣壓密封性，即非工作狀態(tài)密封性，采用差壓測試方法，由進(jìn)液口輸入額定工作氣壓，待穩(wěn)壓若干時(shí)間后，實(shí)時(shí)采集離合總泵與標(biāo)準(zhǔn)腔的壓降值p1，差壓測量范圍為–1～5kPa[10];動(dòng)態(tài)離合密封性，即工作狀態(tài)密封性，采用直壓測試方法，由進(jìn)液口輸入額定工作氣壓，推動(dòng)活塞至離合總泵腔室內(nèi)部壓力達(dá)到額定壓力，待穩(wěn)壓若干時(shí)間后，實(shí)時(shí)采集壓降值p2，壓力測量范圍為0～1MPa;總成真空特性，封堵離合總泵進(jìn)液口，推動(dòng)活塞由初始靜止?fàn)顟B(tài)位置行進(jìn)至補(bǔ)償口位置且封堵補(bǔ)償口，通過真空泵對腔室內(nèi)抽真空小于300Pa，穩(wěn)定若干時(shí)間后記錄初始真空值p初，經(jīng)平衡階段后記錄真空值p末，獲取真空壓降值p3=|p初-p末|，壓降合格范圍0～200Pa;動(dòng)態(tài)行程特性，即特征位活塞力測量，輸入額定工作液壓，推動(dòng)活塞以5mm/s加載速率行進(jìn)至特征位置（C1、C2、前進(jìn)至C3、回退至C3），采集特征位置處活塞反饋力（F1、F2、F3、F4），活塞力測量范圍為0～200N，制動(dòng)位移測量范圍為0～100mm。

根據(jù)離合總泵工作原理和性能測試需求分析，滿足企業(yè)生產(chǎn)在線節(jié)拍（2min/件）及工作穩(wěn)定性要求，采用雙工位布局方式研制了離合總泵綜合性能測試系統(tǒng)，可同時(shí)開展密封特性檢測和動(dòng)態(tài)行程檢測。整體系統(tǒng)由功能硬件模塊、測試軟件、機(jī)械平臺、氣壓回路、上位機(jī)控制系統(tǒng)等模塊構(gòu)成。

2.2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件基于模塊化設(shè)計(jì)思路，以工控計(jì)算機(jī)為載體，按功能定義劃分為數(shù)據(jù)采集與信號處理、運(yùn)動(dòng)控制與反饋、數(shù)字信號輸入與輸出電路、物理信息通信、裝夾氣路與輔助回路及系統(tǒng)機(jī)械臺架等單元模塊[11]。圖3為系統(tǒng)硬件功能模塊結(jié)構(gòu)圖。

數(shù)據(jù)采集與信號處理模塊：以PCI-1716高精度數(shù)據(jù)采集卡為核心，以中斷方式采集模式獲取位移、壓力、力、差壓、真空傳感器信號及控制按鈕、合格指示燈、安全光柵、運(yùn)行狀態(tài)故障等數(shù)字量信號的輸入與輸出。針對測試項(xiàng)目、測試量程、精度指標(biāo)等要求，選擇各路傳感器。采用差分式模擬量輸入接線方式，有效減少耦合到信號中的噪聲。

數(shù)字信號輸入與輸出電路：傳感器輸出信號幅值較小，響應(yīng)速率快，而車間電信號環(huán)境復(fù)雜，為提升采樣信號信噪比，設(shè)計(jì)了基于RC網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)放的有源濾波電路，采用隔離變壓器將數(shù)據(jù)采集與運(yùn)動(dòng)控制高頻信號源隔離，減少采樣信號中的高頻雜波信號，提高微弱感應(yīng)信號的信噪比[12]。

運(yùn)動(dòng)控制與反饋模塊：針對離合作業(yè)動(dòng)態(tài)行程響應(yīng)測試需求，設(shè)計(jì)基于伺服運(yùn)動(dòng)控制的精密加載機(jī)構(gòu)。以運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服加載系統(tǒng)為控制核心，輔以滾珠絲桿、精密伺服減速器、聯(lián)軸器、推桿等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)線性可控加載，復(fù)現(xiàn)實(shí)車工作狀態(tài)下離合踏板作業(yè)，加載過程中實(shí)時(shí)采集力、位移等傳感器。圖4為精密伺服加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

機(jī)械平臺：基于雙工位獨(dú)立設(shè)計(jì)，平臺由測試工位、伺服加載機(jī)構(gòu)、裝夾工裝及操作系統(tǒng)構(gòu)成。平臺如圖5所示，左側(cè)為裝夾和測試工位，工位一用于密封測試，工位二用于動(dòng)態(tài)行程及真空性測試，通過伺服抓取機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工位間的移動(dòng)，右側(cè)為計(jì)算機(jī)及操作工位，平臺下方為測試氣路。

圖6為測試系統(tǒng)氣路圖。氣路設(shè)計(jì)分為密封測試回路、行程特征及真空測試回路、輔助裝夾回路3路獨(dú)立氣路，設(shè)置單向閥降低工作壓降擾動(dòng)。

物理信息通信模塊：設(shè)計(jì)基于ARM的通信控制終端系統(tǒng)，集成USB、串口、TCP/IP、I/O等數(shù)據(jù)接口，圖7為終端架構(gòu)體系。

通過物理信息通信模塊，實(shí)現(xiàn)對測試任務(wù)傳輸、下達(dá)及信息采集、存儲，確保數(shù)據(jù)真實(shí)性，消除非標(biāo)測試設(shè)備“信息孤島”，更好融入MES系統(tǒng)。

2.3 測試軟件功能設(shè)計(jì)

以LabVIEW為開發(fā)平臺，基于柔性化設(shè)計(jì)思路，將程序分為測試流模塊和功能測試模塊。根據(jù)功能定義，將數(shù)據(jù)采集處理、行程動(dòng)態(tài)加載、產(chǎn)品拾取安放、數(shù)據(jù)溯源、參數(shù)管理等分裝成獨(dú)立VI，通過方法節(jié)點(diǎn)和狀態(tài)機(jī)根據(jù)測試流程動(dòng)態(tài)載入功能模塊，實(shí)現(xiàn)性能測試[13]。圖8為軟件測試流程圖。

系統(tǒng)初始化自檢，檢測產(chǎn)品到位信號后，拾取機(jī)構(gòu)抓取被測產(chǎn)品，置于工位一，讀取測試參數(shù)進(jìn)行密封測試。密封測試合格，由拾取氣爪抓取并將其置于工位二，讀取測試參數(shù)，進(jìn)入動(dòng)態(tài)行程、真空度項(xiàng)測試。單功能測試完畢，若測試不合格，則將其置于待返工工裝位，報(bào)警提示。所有項(xiàng)測試合格，打印產(chǎn)品信息二維碼，上傳測試數(shù)據(jù)，抓取并將其置于合格產(chǎn)品傳輸帶，輸出測試報(bào)告。

3 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

為確保測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，對系統(tǒng)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。已知傳感器輸入輸出特性，采用高等級量具對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，獲取其靜態(tài)曲線，采用最小二乘法計(jì)算得到更精確的數(shù)學(xué)模型，模型表達(dá)式為：

y=c+kx

式中：x——輸入量;

y——輸出量;

c——零位輸出;

k——傳感器靈敏度。

以位移傳感器標(biāo)定為例，選用平頭千分尺作為評定工具，根據(jù)制動(dòng)行程設(shè)置標(biāo)定范圍為0～40mm，間隔為2mm，測量精度為0.001mm，得到模型方程為y=19.96x+0.018，將計(jì)算得到的靈敏度k、零位值c保存至系統(tǒng)傳感器參數(shù)。

3.2 性能測試實(shí)驗(yàn)

性能測試前，各項(xiàng)測試參數(shù)如表2、表3所示。

完成測試條件設(shè)置，將待測產(chǎn)品放入安放工位，由伺服氣爪拾取依次放入密封檢測工位、行程特性檢測進(jìn)入測試，測試數(shù)據(jù)及結(jié)果評估如表4。

結(jié)果表明：系統(tǒng)功能完善，產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)合格。

3.3 測量系統(tǒng)分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JBT10633-2006《專用檢測設(shè)備評定方法指南》，采用MSA的測量能力指標(biāo)和交叉量具R&R研究方法對重復(fù)性進(jìn)行評價(jià)[14-15]。選擇25件合格樣品，由同一測試人員在相同測試條件下，對每個(gè)產(chǎn)品重復(fù)測試2遍，共計(jì)50組數(shù)據(jù)。

測量能力指標(biāo)計(jì)算公式：

式中：Xi——單次測得數(shù)據(jù);

n——測量次數(shù);

Sg——標(biāo)準(zhǔn)偏差;

T——合格公差;

Cg——測量能力指數(shù)。

表5為系統(tǒng)各功能項(xiàng)重復(fù)性測試數(shù)據(jù)。

表6為系統(tǒng)重復(fù)性評定數(shù)據(jù)。依據(jù)評定方法指南：對于新系統(tǒng)驗(yàn)收，要求各測試項(xiàng)測量能力指數(shù)C≥1.67[16]。

結(jié)果表明：各項(xiàng)測量能力指標(biāo)Cg均大于1.67，驗(yàn)證了測試數(shù)據(jù)的有效性。

采用MSA中的交叉量具R&R研究方法對系統(tǒng)重復(fù)性&再現(xiàn)性展開評價(jià)，針對25個(gè)部件分別在兩個(gè)工位由不同的操作人員獨(dú)立測試25遍，利用Minitab軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對部件測試數(shù)據(jù)采用極差控制圖表示測量結(jié)果的波動(dòng)性，樣本極差計(jì)算公式為R=Xgmax-Xgmin，其中Xgmax、Xgmin分別為單件部件測量值中的最大值與最小值，UCL、LCL分別為極差控制上限、下限。

量具R&R貢獻(xiàn)率是指測量系統(tǒng)R&R標(biāo)準(zhǔn)差在總觀測過程標(biāo)準(zhǔn)差中所占的百分比，其數(shù)學(xué)公式為

式中：σMS——系統(tǒng)波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差;

σRPD——再現(xiàn)性方差;

σRPT——重復(fù)性方差;

σTotal——系統(tǒng)與過程整體標(biāo)準(zhǔn)差;

σp——過程波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差;

R&R=6σMS，即對應(yīng)于99.73%的置信度。

圖9為以C1項(xiàng)為例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖9（a）為極差控制圖，均值為0.396，上限為1.294，下限為0，單位為N，所有樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)均位于極差控制公差限內(nèi)，表明系統(tǒng)重復(fù)性誤差較小;圖9（b）為誤差波動(dòng)源分量，依據(jù)表7測量系統(tǒng)貢獻(xiàn)率判斷標(biāo)準(zhǔn)，圖中量具R&R貢獻(xiàn)率為18.23%<30%，表明測試系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性水平較好。

4 結(jié)束語

基于離合總泵結(jié)構(gòu)特征和工作原理，制定性能測試方案，設(shè)計(jì)精密伺服加載機(jī)構(gòu)，研制了雙工位離合總泵綜合性能測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其密封性、動(dòng)態(tài)行程、真空度等性能測試。經(jīng)重復(fù)性評定，系統(tǒng)各項(xiàng)性能評價(jià)指標(biāo)均符合《專用檢測設(shè)備評定方法指南》中對新設(shè)備的驗(yàn)收要求，現(xiàn)投入重慶卡福離合總泵類產(chǎn)品的出廠質(zhì)量檢測。

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（編輯：劉楊）