商用車鼓式制動器性能試驗臺的設計與實現(xiàn)

韓福江，蔣 眾，張瀟文，張 彬，張洪濤，徐海東

(北京航天發(fā)射技術研究所，北京 100076)

1 引 言

汽車制動器的制動性能是確保汽車安全行駛的根本保證，優(yōu)良的汽車制動性能可以減少交通事故的發(fā)生。汽車在出廠前必須對其質量和可靠性進行嚴格檢驗，制動器的制動性能檢驗是汽車安全性檢測最重要的項目之一。制動器是汽車制動系統(tǒng)中的重要部件，其性能好壞直接關系著汽車的行駛安全，影響著駕駛人的生命安全。因此，對汽車制動器的制動性能進行檢驗至關重要[1]，而制動器試驗臺就是測試制動器性能的核心試驗設備。

本文設計的鼓式制動器試驗臺采用模塊化設計思路，按照國家汽車行業(yè)標準《商用車輛行車制動器技術要求及臺架試驗方法》(QC/T 239-2015)要求進行設計，依照制動器臺架試驗方法模擬汽車制動時所產(chǎn)生的動能開展相應的試驗項目測試與性能分析，利用該試驗臺可以對汽車制動器研制過程中的性能進行摸底試驗及評價改進，同時也可以作為制動器性能測試平臺滿足相關產(chǎn)品出廠測試評價的要求。

2 試驗臺模塊化設計

試驗臺總體構成如圖1所示，主要由電機驅動系統(tǒng)、多擋飛輪箱、緊急制動裝置、被試件(制動器總成)及控制系統(tǒng)等部分組成。其中，控制系統(tǒng)以工控機作為主控制單元，由工控機完成對制動速度、制動壓力等試驗參數(shù)的控制，通過傳感器自動采集制動轉矩、轉速、溫度、噪聲等數(shù)據(jù)并進行分析。

圖1 試驗臺總體結構

2.1 試驗臺布置

試驗臺現(xiàn)場布置情況如圖2、圖3所示，主要包括4部分：電機驅動系統(tǒng)、多擋飛輪箱、通風冷卻系統(tǒng)以及被試件。為確保試驗過程中操作人員的安全，設計整體防護罩將試驗臺罩在其中，并將試驗臺控制系統(tǒng)放置在專門控制室內，實現(xiàn)制動器試驗過程中現(xiàn)場無人值守。

圖2 試驗臺組成示意圖

圖3 試驗臺實物

2.2 電機驅動系統(tǒng)

電機驅動系統(tǒng)具有提供驅動力、吸收反拖功的功能。驅動電機采用直流電機，功率280kW，額定轉速300r/min，最高轉速900r/min。電機配有編碼器，用于直流調速系統(tǒng)閉環(huán)控制。電機驅動系統(tǒng)主要由直流電機、電機底座、彈性膜片聯(lián)軸器及冷卻風機等組成，如圖4所示。

圖4 電機驅動系統(tǒng)組成

2.3 多擋飛輪箱

多擋飛輪箱[2]由飛輪盤組件、飛輪盤拔叉組件、花鍵主軸、緊急制動器、飛輪箱箱體等部分組成，其結構如圖5所示。各飛輪盤通過滾動軸承支撐到軸承座上，由手動推動飛輪軸上的可移動齒套進行掛接或脫開。當飛輪盤脫開掛接時，飛輪盤與飛輪軸之間無任何連接或接觸。飛輪掛接機構設置感應開關，用于檢測飛輪是否掛接到位或完全分離，防止誤操作。

圖5 多擋飛輪箱示意圖

飛輪箱共配有7組飛輪盤和1個緊急制動盤，緊急制動盤與傳動軸、電機軸、聯(lián)軸器、齒輪等不可脫開掛接(連接)部件組成試驗臺的基礎慣量，飛輪箱轉動慣量如表1所示。通過與電慣量相結合的方式，試驗臺可實現(xiàn)200～3500kg·m2范圍內的無級慣量加載。飛輪箱箱體上裝有安全防護罩，防護罩內壁為多孔板，內部填充隔音棉，可有效地隔離飛輪轉動時所產(chǎn)生的噪聲。

表1 飛輪箱慣量

2.4 通風冷卻系統(tǒng)

通風冷卻系統(tǒng)由氣路系統(tǒng)、送風風機機組、除塵(過濾)機組等組成，是一個相對封閉的循環(huán)系統(tǒng)。試驗時，通風風機給被試件送風，使被試件冷卻，除塵過濾機組抽風，形成一個循環(huán)系統(tǒng)。被試件產(chǎn)生的粉塵通過除塵過濾系統(tǒng)收集。通風除塵機組型號、規(guī)格見表2。

表2 通風除塵機組型號、規(guī)格

3 試驗臺控制系統(tǒng)設計

試驗臺控制系統(tǒng)主要由工控機、直流調速系統(tǒng)、低壓電氣等控制元件組成，控制單元主要包括主驅動電機轉速轉矩控制、制動壓力控制及低壓電氣控制等。主驅動電機轉速轉矩控制由工控機通過DP總線控制直流調速系統(tǒng)實現(xiàn)，制動壓力控制由工控機通過控制板卡實現(xiàn)，低壓電氣控制(主要指繼電器、電磁閥等)通過工控機+PLC或工控機+控制板卡來實現(xiàn)。同時，利用工控機板卡通過傳感器實現(xiàn)對現(xiàn)場電機速度、剎車時的扭矩、輪轂的溫度、剎車時氣體壓力等參數(shù)進行實時監(jiān)控、故障預警，記錄測試數(shù)據(jù)并開展數(shù)據(jù)分析，測控系統(tǒng)原理如圖6示。

圖6 控制系統(tǒng)原理框圖

制動試驗過程：試驗參數(shù)設定(制動初速度、加載慣量、制動壓力、制動次數(shù)等)→驅動電機帶動飛輪盤及制動器到設定的制動初速度→切除主動力→控制系統(tǒng)以設定的制動減速度(制動壓力)對制動器進行制動，直到速度降至0→制動過程中采集輸出制動力矩、制動鼓溫度、制動襯片溫度、制動時間及制動距離等參數(shù)，并自動繪制這些參數(shù)在制動過程中的變化曲線→數(shù)據(jù)自動存儲，一次制動試驗完成。

3.1 硬件設計

試驗臺控制系統(tǒng)硬件主要由測控系統(tǒng)、直流調速系統(tǒng)以及各類傳感器等組成。

(1)測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)工業(yè)計算機選用西門子工控機，并配用19寸寬屏液晶顯示器。數(shù)據(jù)采集板卡選用NI公司的M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡，控制及監(jiān)控系統(tǒng)選用西門子S7系列PLC及相應擴展模塊或同等級別產(chǎn)品，用于系統(tǒng)試驗控制及設備狀態(tài)巡檢。

(2)直流調速系統(tǒng)

直流調速系統(tǒng)選用英國歐陸590+全數(shù)字直流四象限調速系統(tǒng)或同等級別產(chǎn)品，數(shù)字化設置參數(shù)，具有正反轉功能，具有過載和短路保護功能，選配相應的電抗器和編碼器模塊。按衰退特性試驗流程的要求機械模擬慣量，同時可對電機轉向同電機施加力矩方向，在制動過程中進行電慣量模擬[3]。

(3)傳感器

整個試驗臺的傳感器[4]主要有溫度傳感器、扭矩儀、脈沖編碼器、壓力傳感器、脈沖聲級計以及振動傳感器等，其選型及功能見表3。

表3 傳感器功能及選型

3.2 軟件設計

試驗臺控制系統(tǒng)軟件采用Windows標準應用程序形式，主要包含系統(tǒng)管理、試驗管理、進行試驗、設備調試、參數(shù)管理、數(shù)據(jù)查看等模塊，具備用戶級別操作、板卡調試、試驗、離線數(shù)據(jù)查看及日志記錄與查看等功能。試驗配置數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫或xml文件存儲，試驗數(shù)據(jù)文件以tdms文件存儲，日志以txt文件存儲。操作界面如圖7所示，其主要特點如下：(1)軟件系統(tǒng)采用模塊化設計思想，具有良好的靈活性和可擴展性；(2)開機自檢功能、錯誤操作提示功能、故障報警顯示功能和豐富的各系統(tǒng)自診斷檢測功能，開機條件不滿足不能開機，一旦發(fā)生故障，立即停機并報警，并顯示故障部位。

圖7 試驗臺操作界面

4 試驗臺的試驗功能

本試驗臺具有各種試驗功能，包括制動器磨合試驗、制動器效能試驗(含噪聲測試)、制動器熱衰退恢復試驗、制動襯片磨損試驗、模擬實車熱衰退(任意設定制動初速度)。針對某型制動器，依據(jù)《商用車輛行車制動器技術要求及臺架試驗方法》(QC/T 239-2015)要求，闡述試驗臺的被試件安裝方式以及控制軟件的使用方法。試驗臺與被試件制動器總成現(xiàn)場安裝情況如圖8所示。

圖8 試驗現(xiàn)場布置

4.1 試驗配置

打開上位機試驗控制軟件，進行試驗模板設定，如圖9所示。

圖9 試驗臺控制軟件試驗模板設定

進入試驗軟件系統(tǒng)主界面，點擊“試驗管理”，進入“試驗管理”界面。點擊“插入試驗”，輸入“XX盤式制動器總成性能試驗”，點擊“插入項目”，輸入“第一次磨合試驗”。在屏幕下方試驗配置一欄，雙擊單元格，輸入?yún)?shù)完成配置，詳見圖10。其它試驗配置方式相同。

圖10 試驗類型及參數(shù)設定

4.2 試驗過程

完成試驗配置后，選擇試驗名稱，單擊“開始試驗”進入試驗界面，如圖11所示。

圖11 試驗過程數(shù)據(jù)記錄及狀態(tài)監(jiān)控界面

從圖11可以看出，試驗界面主要包括三大功能區(qū)：一是試驗控制區(qū)，可以實現(xiàn)試驗開始、試驗終止及退出試驗等功能；二是數(shù)據(jù)顯示及記錄區(qū)，實時記錄相關試驗數(shù)據(jù)以及利用圖形曲線進行實時顯示；三是試驗狀態(tài)監(jiān)控區(qū)，對試驗過程中各類狀態(tài)進行監(jiān)控，并對試驗過程中的異常情況及時發(fā)出告警，以便試驗操作人員迅速處置。

4.3 試驗數(shù)據(jù)及處理

試驗數(shù)據(jù)可以在操作界面的數(shù)據(jù)顯示及記錄區(qū)進行實時查看，也可以在試驗結束后打開TDMS查看器進行試驗數(shù)據(jù)讀取，如圖12所示。該數(shù)據(jù)查看程序不可生成試驗報告，可以打開任意TDMS試驗數(shù)據(jù)文件，進行試驗數(shù)據(jù)判讀，也可以將試驗數(shù)據(jù)根據(jù)后期數(shù)據(jù)處理需要進行復制讀取。

圖12 TDMS試驗數(shù)據(jù)查看器

5 結 論

本試驗臺采用模塊化設計，基于《商用車輛行車制動器技術要求及臺架試驗方法》(QC/T 239-2015)中的技術要求及試驗方法，對鼓式(蹄式)制動器進行臺架試驗，主要完成以下試驗項目及性能評價工作：(1)制動效能試驗：檢測制動器經(jīng)過磨合后的輸出制動力矩值；(2)熱衰退-恢復試驗：檢測制動器在多次連續(xù)使用時的性能衰變及其冷卻后的恢復能力；(3)制動襯片(襯塊)磨損試驗：測量制動襯片(襯塊)的磨損量(人工測量)；(4)噪聲檢測：檢測制動器在制動過程中的噪聲值。