滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)動(dòng)、靜態(tài)檢定方式的比較

/宿遷市計(jì)量測試所

0 引言

機(jī)動(dòng)車制動(dòng)性能的好壞關(guān)系著車輛行駛的安全，因此，檢驗(yàn)機(jī)動(dòng)車制動(dòng)性能的優(yōu)劣至關(guān)重要，機(jī)動(dòng)車制動(dòng)性能檢測是所有機(jī)動(dòng)車必檢項(xiàng)目之一。RB/T 218-2017《檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)資質(zhì)認(rèn)定能力評(píng)價(jià) 機(jī)動(dòng)車檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)要求》[1]4.4.3a中明確要求：“主要檢驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)采用固定式儀器設(shè)備對(duì)機(jī)動(dòng)車進(jìn)行儀器設(shè)備檢驗(yàn)”。滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)是檢驗(yàn)機(jī)動(dòng)車制動(dòng)性能的計(jì)量器具之一，被列入國家強(qiáng)制檢定計(jì)量器具目錄。目前該設(shè)備檢定工作主要依照2016年6月7日實(shí)施的JJG 906-2015《滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)》檢定規(guī)程[2]進(jìn)行（主要項(xiàng)目見表1），2015版檢定規(guī)程比2009版主要增加了動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定項(xiàng)目等內(nèi)容。

表1 滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)制動(dòng)部分檢定項(xiàng)目（部分）

1 滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)動(dòng)、靜態(tài)檢定的比較

1.1 檢定原理的比較[3-4]

按照檢定方式的不同，滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)（以下簡稱制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)）分為動(dòng)態(tài)檢定法和靜態(tài)檢定法。靜態(tài)檢定法由測力杠桿和標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器（或標(biāo)準(zhǔn)砝碼）組成，標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器（或標(biāo)準(zhǔn)砝碼）通過測力杠桿，將力值按照杠桿比例系數(shù)放大，壓在（或拉伸）制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的被測力值傳感器上，被測力值傳感器將力值信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，調(diào)理放大后輸出到制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的顯示器上。被測力值傳感器的力值大小與制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)滾筒表面制動(dòng)力的關(guān)系為式（1）。

為了保證被測力值傳感器示值誤差檢定的準(zhǔn)確，被測力值傳感器與滾筒的電機(jī)下端受力點(diǎn)靠近（無受力時(shí)不接觸），安裝標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器后，力臂杠桿一端連接標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器，另一端固定在電機(jī)端面爪盤上，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器（或標(biāo)準(zhǔn)砝碼）通過杠桿直接或間接的方式將力值加載到滾筒端面上時(shí)，其下端被測力值傳感器開始受力。

動(dòng)態(tài)檢定法如圖1所示，檢定時(shí)將動(dòng)態(tài)力傳感器安裝在車軸上，制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)啟動(dòng)時(shí)，動(dòng)態(tài)力傳感器隨著車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪速度穩(wěn)定后，將動(dòng)態(tài)力傳感器示值置零。當(dāng)車輪開始制動(dòng)時(shí)，動(dòng)態(tài)力傳感器隨車輪制動(dòng)力的大小而變化，動(dòng)態(tài)力傳感器輸出的電壓信號(hào)由電路放大濾波后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳至高速微處理器，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)采集到的動(dòng)態(tài)力傳感器信號(hào)，繪出制動(dòng)力曲線并計(jì)算出最大制動(dòng)力。理論上，由于輪胎上的力與滾筒之間的作用力大小相等、方向相反，動(dòng)態(tài)力傳感器與制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的被測力值傳感器數(shù)值應(yīng)相等，因此，動(dòng)態(tài)檢定法不僅可對(duì)比結(jié)果數(shù)據(jù)，還可以對(duì)比制動(dòng)力過程曲線，更準(zhǔn)確地反應(yīng)出被檢定的制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)所測試數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

圖1 動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定裝置

1.2 檢定方法的比較

依據(jù)JJG 906-2015，靜態(tài)檢定首先要進(jìn)行零位示值檢測，保證制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)空載，將二次儀表調(diào)零。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，記錄二次儀表最大零位偏離值。停止電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，依照以上方法再進(jìn)行第二次零位示值檢測，共計(jì)進(jìn)行三次。然后檢查制動(dòng)力零點(diǎn)漂移實(shí)驗(yàn)，保持制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)空載，二次儀表調(diào)零后，相隔10 min記錄零位變化值，共計(jì)記錄三次。規(guī)程中要求零位偏離值在30 min內(nèi)不大于滿量程的±0.2%。

制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的制動(dòng)力是通過杠桿的力臂將標(biāo)準(zhǔn)力值放大后與被測力值傳感器示值進(jìn)行對(duì)比，判斷出被測力值傳感器是否符合規(guī)程的要求。靜態(tài)檢定時(shí)有兩種加載方法，方法一見圖2（a）、方法二見圖2（b），可任選。

圖2 制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)兩種加載的靜態(tài)檢定方法

法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)工作人員依據(jù)JJG 906-2015，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，如圖3所示，并記錄現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)。

圖3 靜態(tài)檢定試驗(yàn)現(xiàn)場

動(dòng)態(tài)檢定時(shí)（如圖4），將機(jī)動(dòng)車行駛?cè)胫苿?dòng)檢驗(yàn)臺(tái)，制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)開機(jī)，滾筒帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)左右阻滯力，動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定裝置清零，當(dāng)制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)顯示屏顯示踩剎車時(shí)，操作員在5～8 s內(nèi)慢踩剎車，要保證輪胎不出現(xiàn)抱死狀態(tài)。如出現(xiàn)抱死狀態(tài)，采用增加載重的方式，試驗(yàn)每組操作10次，用動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定裝置上位機(jī)軟件進(jìn)行繪制，選取左、右制動(dòng)力作為數(shù)值參數(shù)變量，與制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)儀表示值進(jìn)行比較，計(jì)算出制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)動(dòng)態(tài)制動(dòng)力的絕對(duì)誤差，自動(dòng)生成檢測報(bào)告。

圖4 動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定試驗(yàn)現(xiàn)場

1.3 檢定裝置的比較

1）靜態(tài)檢定砝碼法的檢定裝置主要為M2等級(jí)的砝碼，其中砝碼屬于實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器，可以直接進(jìn)行測量。靜態(tài)檢定傳感器法主要由標(biāo)準(zhǔn)測力傳感器和顯示裝置組成，標(biāo)準(zhǔn)測力傳感器的準(zhǔn)確度要求為0.3級(jí)，輸出電壓信號(hào)一般通過8位ADC轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后由串行的I2C總線與8位單片機(jī)進(jìn)行通信，經(jīng)單片機(jī)處理后導(dǎo)通三極管驅(qū)動(dòng)LED小燈刷新點(diǎn)陣屏或LCD1602/12864液晶屏顯示。

2）動(dòng)態(tài)檢定裝置硬件主要由數(shù)據(jù)處理單元和信號(hào)輸出裝置構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理單元由集成儀表和無線通信模塊組成，主要特點(diǎn)是信號(hào)采集穩(wěn)定性好、速度快、準(zhǔn)確度高，可設(shè)定量程上下限、獲取峰谷值、零點(diǎn)滿量程修復(fù)、折線修正及通信協(xié)議（Modbus-RTU或TC）等功能。檢測過程中儀表通過實(shí)時(shí)接收變化的無線模塊反饋信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過采集、運(yùn)放、濾波，最后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終將測試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上傳。信號(hào)輸出裝置采用應(yīng)變式傳感器，它具有高穩(wěn)定性、良好的溫度及蠕變補(bǔ)償性能，對(duì)車輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)后與扭矩傳感器裝配，形成一臺(tái)動(dòng)態(tài)參考輪。采用的扭矩傳感器具有體積小、準(zhǔn)確度高、溫漂小等特點(diǎn)，參數(shù)如表2所示。

表2 兩種方法的檢定設(shè)備參數(shù)對(duì)比表

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算的比較

1）實(shí)施靜態(tài)檢定法時(shí)，按照制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)額定載荷的20%、40%、60%、80%和100%均勻選取五個(gè)測試點(diǎn)，當(dāng)采用方法一時(shí)，按式（2）計(jì)算各測試點(diǎn)所需的加載用砝碼的質(zhì)量m，計(jì)算該測試點(diǎn)的制動(dòng)力標(biāo)稱值F見式（3）。

式中：mj′——第j測試點(diǎn)所需的加載用砝碼質(zhì)量的計(jì)算值，kg；

D——滾筒直徑，mm；

Fj′——第j測試點(diǎn)的制動(dòng)力預(yù)選值，N；

L——加載裝置的力臂長，mm；

g——檢定地點(diǎn)的重力加速度，m/s2

式中：mj——第j測試點(diǎn)加載用砝碼質(zhì)量的實(shí)際值，kg；

Fj——第j測試點(diǎn)制動(dòng)力的標(biāo)稱值，N

用方法二時(shí)，按式（4）計(jì)算各測試點(diǎn)所需的加載載荷。

式中：pj——第j測試點(diǎn)所需加載的載荷，N

2）實(shí)施動(dòng)態(tài)檢定法時(shí)，選取左、右制動(dòng)力作為數(shù)值參數(shù)變量，與制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)儀表示值進(jìn)行比較，計(jì)算出制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)動(dòng)態(tài)制動(dòng)力的絕對(duì)誤差；左、右制動(dòng)力減去阻滯力和檢測儀示值之差與檢測儀示值相對(duì)比，得到相對(duì)誤差，見式（5），并計(jì)算10次測量值的平均值。

式中：δi——第i次測量所得動(dòng)態(tài)制動(dòng)力示值相對(duì)誤差，（i=1，2，3，…，10），%；

F制動(dòng)臺(tái)——第i次測量時(shí)，制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)顯示的制動(dòng)力，N；

F阻滯力——第i次測量時(shí)，制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)顯示的阻滯力，N；

F標(biāo)準(zhǔn)值——第i次測量時(shí)，動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定裝置顯示的制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值，N

1.5 示值誤差和重復(fù)性要求的比較

JJG 906-2015要求，靜態(tài)制動(dòng)力檢定法示值誤差不超過±3%，間差不超過±3%，重復(fù)性不超過±2%，即可判定該項(xiàng)合格[5]。

動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定是將制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)設(shè)定在“制動(dòng)”的情況下進(jìn)行檢定，檢測車輛真實(shí)的制動(dòng)力，將實(shí)際制動(dòng)力與制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)顯示值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出示值誤差，檢定規(guī)程要求示值誤差不超過±8%，重復(fù)性不超過±3%，即可判定該項(xiàng)合格，對(duì)測量間差不做要求。

表3 檢定規(guī)程中靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差

1.6 不確定度來源及減小方法

靜態(tài)檢定法采用標(biāo)準(zhǔn)測力傳感器（或標(biāo)準(zhǔn)砝碼），利用杠桿原理對(duì)制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行檢定，其不確定度主要來源于三大因素。（1）制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的不確定度，包括儀表數(shù)顯分辨力和測量重復(fù)性；（2）標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度，包括標(biāo)準(zhǔn)測力傳感器或標(biāo)準(zhǔn)砝碼的不確定度；（3）杠桿傳力比不確定度，包括杠桿傳力比允許誤差、杠桿安裝誤差和杠桿與制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)夾緊誤差。從相關(guān)的不確定度文獻(xiàn)中可以看出[6]，三大不確定度來源所占的百分比如圖5所示，其中，杠桿傳力比不確定度占據(jù)主要的不確定度來源。

圖5 靜態(tài)制動(dòng)力檢定法不確定來源占據(jù)的百分比

為了減小杠桿傳力比引入的不確定度，除了保持力臂水平、減小杠桿的安裝誤差和夾緊誤差外，建議采取加載后清零的方法來減小誤差。具體操作如下：

杠桿安裝完畢后，逐漸加載至滿量程的 50%，用水平尺調(diào)整專用測力杠桿處于水平狀態(tài)，卸載至滿量程的 2%～5%。

標(biāo)準(zhǔn)測力傳感器與制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)儀表同時(shí)調(diào)零，按規(guī)定測試點(diǎn)對(duì)制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)逐級(jí)加載，讀取各測試點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的左（右）制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)示值fil(R)，重復(fù)測量三次。按式（6）計(jì)算示值誤差，按式（7）計(jì)算三次測量示值誤差的平均值。

式中：fil(R)——第i次測量時(shí)制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)儀表顯示值，N；

η——杠桿傳力比；

Fi——第i次測量時(shí)，左（右）制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)所對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)測力傳感器的力值，N；

δiL(R)——第i測量時(shí)，左（右）制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的示值誤差，%；

各檢定點(diǎn)示值誤差均應(yīng)滿足JJG 906-2015的要求。如果檢定過程中杠桿明顯傾斜，則需要對(duì)杠桿傳力比進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。

動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定法影響因素較多，主要有裝置誤差、人為測量誤差等。影響最大的因素是人為誤差，由于引車員每次測量不能保持相同力值踩剎車制動(dòng)，因此，人為因素影響較大，重復(fù)性較差。建議引車員規(guī)范操作，同時(shí)使用踏板力計(jì)作為輔助工具，來保持力值的一致性，減少人為測量誤差。

2 結(jié)論

靜態(tài)制動(dòng)力示值誤差檢定是對(duì)均勻分散的六個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行檢定，計(jì)算測試點(diǎn)是否符合檢定規(guī)程。使用該方法后顯示值穩(wěn)定、操作便捷，能夠準(zhǔn)確地對(duì)不合格測試點(diǎn)進(jìn)行重新檢定。動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定法可以擬合出實(shí)際檢測曲線或分段，使直線或直線分段上各點(diǎn)更加靠近真實(shí)值（如圖6所示），可以描述出動(dòng)態(tài)制動(dòng)力實(shí)際檢測過程。

圖6 動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定法軟件檢測計(jì)算

動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定能夠描述制動(dòng)力檢測曲線不斷變化的動(dòng)態(tài)過程。制動(dòng)力檢驗(yàn)臺(tái)生產(chǎn)廠家一般將檢定系統(tǒng)和制動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)置為兩種狀態(tài)，檢定系統(tǒng)狀態(tài)為了數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，對(duì)數(shù)據(jù)采樣值進(jìn)行了硬件濾波和軟件平滑處理，使制動(dòng)力峰值受到損失，而真實(shí)的制動(dòng)力檢測由于受到外界電磁干擾，數(shù)值起伏大非常不穩(wěn)定。因此，檢定的系統(tǒng)與真實(shí)的制動(dòng)測試系統(tǒng)制動(dòng)力峰值有很大差別，一些系統(tǒng)中，檢定的峰值損耗有時(shí)可達(dá)到30%以上。另外，由于引車員踩制動(dòng)力踏板過程有快慢，因此，0.3～1.0 s的一段曲線緩慢上升，動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定能夠判斷引車員是否有提前踩制動(dòng)力踏板的行為，讓采樣值更加貼近實(shí)際，真實(shí)可信。但是由于車輛制動(dòng)過程較為復(fù)雜，影響因素很多，因此，動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定的穩(wěn)定性和重復(fù)性都不高（如圖7所示）。同時(shí)，動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定是個(gè)變化過程，數(shù)值不能固定，動(dòng)態(tài)檢定裝置最終溯源到靜態(tài)砝碼標(biāo)定法，所以不適用于設(shè)備的現(xiàn)場標(biāo)定工作，不具備標(biāo)定意義[7-8]?？梢宰鳛閷?shí)際檢定工作的一部分，是對(duì)靜態(tài)制動(dòng)力檢定工作的重要補(bǔ)充。

圖7 動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定法左、右輪制動(dòng)力與檢測儀示值對(duì)比

3 結(jié)語

本文主要分析了滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)檢定法在檢定原理、方法、裝置、數(shù)據(jù)計(jì)算、示值誤差、不確定度來源六個(gè)方面的不同。最終得出結(jié)論：動(dòng)態(tài)制動(dòng)力檢定法作為首次檢定方法是滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)檢定工作的重要組成部分，是對(duì)靜態(tài)制動(dòng)力檢定工作的重要補(bǔ)充。