一體化機電作動型制動器靜態(tài)試驗研究

汪銀風(fēng)， 朱紀(jì)洪， 蘭 海， 胡 錚， 龐惠仁， 寧克焱

(1.中國北方車輛研究所，北京100072；2.清華大學(xué)，北京100084)

傳統(tǒng)履帶車輛用干片式機械制動器[1-4]采用單一液壓源驅(qū)動、分離式作動方式，即采用單個液壓缸操縱制動器使其實現(xiàn)制動.單點式液壓作動方式由于其工作原理，使其存在響應(yīng)慢、占用空間大、比例控制精度低、維護(hù)性差以及作動力分布不均勻?qū)е碌闹苿悠髯冃未蟮葐栴}.近年來，機電作動技術(shù)日益發(fā)展成熟，機電作動裝置以其響應(yīng)快、控制精度高、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點，被逐漸應(yīng)用于履帶車輛用干片式機械制動器的操縱系統(tǒng)中.通過采用具有機械蓄能的全電驅(qū)動的對稱作動方式[5-7]，可實現(xiàn)高效對稱制動作動，從根本上解決傳統(tǒng)液壓作動方式存在的各大突出問題.

制動器靜態(tài)試驗是其在動態(tài)臺架試驗和樣車實際使用前必不可少的重要環(huán)節(jié).通過對一體化機電作動型制動器進(jìn)行靜態(tài)測試試驗，獲得一體化機電作動型制動器的靜態(tài)制動性能，可初步驗證其結(jié)構(gòu)和控制策略的合理性；通過試驗測試獲得輸入(制動指令，踏板角度百分比)與輸出(制動正壓力)的關(guān)系曲線，得到模擬樣車的動態(tài)臺架試驗的加載依據(jù)，為其在履帶車輛上的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 一體化機電作動型制動器的結(jié)構(gòu)與基本原理

一體化機電作動型制動器的示意圖如圖1所示.一體化機電作動型機械制動器是將機電作動機構(gòu)與干片式機械制動器集成于一體，其中，機電作動機構(gòu)主要由兩個電動缸、蓄能彈簧組件(數(shù)量可根據(jù)所需力調(diào)整)、蓄能彈簧施壓活動框架、蓄能彈簧位控固定框架以及調(diào)整螺桿等組成.蓄能彈簧組件與兩個電動缸徑向并列組合，即彈簧布置在制動器彈子盤周圍，兩電動缸徑向布置在彈簧外周.

圖1 一體化機電作動型制動器示意圖

一體化布置的機電作動機構(gòu)的原理圖如圖2所示.一體化布置的機電作動機構(gòu)采用兩個電動缸和碟片彈簧為作動源.碟片彈簧同時為蓄能元件，其工作原理為：1)車輛行車時，制動控制器控制1#電動缸拉回、2#電動缸推出至相應(yīng)位置，兩電動缸協(xié)同帶動轉(zhuǎn)動彈子盤逆時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動彈子盤聯(lián)動施壓彈簧活動框架使蓄能彈簧壓縮，機械制動器通過自身的回位彈簧使制動器的內(nèi)齒摩擦片(動片)和外齒摩擦片(靜片)分離，使其從制動/駐車狀態(tài)恢復(fù)至行車狀態(tài)；2)行車制動時，制動控制器依據(jù)接收到的制動指令和存儲的碟片彈簧的蓄力標(biāo)定數(shù)據(jù)，解算控制指令并控制兩電動缸分別提供相應(yīng)的推力和拉力，聯(lián)動施壓彈簧活動框架，使壓縮的碟片彈簧釋放彈力，共同作用輸出作動力(所需作動力小于彈簧力時，電動缸反向抑制彈簧力，所需作動力大于彈簧力時，電動缸補充相應(yīng)大小的作動力)至制動器彈子盤，使制動器的動、靜摩擦片軸向壓緊，實現(xiàn)制動；3)駐車時，兩電動缸失電，完全由蓄能彈簧提供駐車力，可通過調(diào)整螺桿調(diào)整碟片彈簧的初始預(yù)緊力進(jìn)而調(diào)整駐車力大?。?)應(yīng)急制動時(電動缸意外失電或故障)，蓄能彈簧自動彈出提供駐車力，當(dāng)需要進(jìn)行拖車時，可通過調(diào)整螺桿壓縮碟片彈簧至行車位置，使作動機構(gòu)撤銷作動力，實現(xiàn)應(yīng)急解脫，機械制動器自動回位至行車狀態(tài).

圖2 一體化機電作動機構(gòu)的原理示意圖

相較于作動力完全由電動缸提供的方案，該方案中由蓄能彈簧的彈力和電動缸的推/拉力共同提供制動所需的作動力，減小了電動缸需提供的力，從而減小了電動缸的體積和重量，并且由于蓄能彈簧的輔助作動，使作動機構(gòu)的響應(yīng)速度得到提高；從結(jié)構(gòu)形式上，機電作動機構(gòu)對稱布置，彈子盤受力均勻，且外形體積更符合一體化、緊湊型的要求.

依據(jù)機電作動控制策略的設(shè)計，試驗輸入(踏板角度百分比)與機電作動機構(gòu)輸出的切向作動力一一對應(yīng)，即控制輸入為0%～100%的踏板角度百分比，其中0%為行車狀態(tài)，100%為最大制動狀態(tài)，0%～10%設(shè)定為防誤操作區(qū)間，即輸入指令為0%～10%時電動缸不動作，10%～30%為制動空行程消除段，30%～80%區(qū)間為作動力線性比例施加段，當(dāng)輸入指令為80%～100%時，電動缸保持最大的作動力不變.

機電作動機構(gòu)輸出的作動力

FZ=FE+k(L0-x).

(1)

式中：FZ為機電作動機構(gòu)輸出的作動力；FE為兩電動缸輸出的合力；k為碟片彈簧的剛度；L0為碟片彈簧的原長，x為制動時碟片彈簧的實際長度.

一體化機電作動型機械制動器的制動正壓力

(2)

式中：Q為制動正壓力；RZ為作動機構(gòu)等效作動半徑；RD為彈子盤等效作用半徑；kD為制動器彈子盤的增力系數(shù)；η為制動器彈子盤的增力效率.

2 試驗?zāi)康呐c試驗方案

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

一體化機電作動型制動器靜態(tài)試驗的主要目的有：1)測試獲得一體化機電作動型制動器的靜態(tài)性能；2)初步驗證一體化機電作動型制動器結(jié)構(gòu)和機電作動控制策略設(shè)計的合理性；3)標(biāo)定測試獲得加壓作動的制動正壓力曲線，為后續(xù)動態(tài)臺架試驗和樣車應(yīng)用的作動力加載提供依據(jù).

2.2 試驗方案與試驗步驟

2.2.1 靜態(tài)測試試驗工裝布置

為試驗測定一體化機電作動型制動器的靜態(tài)正壓力曲線，設(shè)計搭建了專用的試驗工裝，如圖3所示.該試驗工裝主要由承壓盤、連接盤、壓力傳感器、支座等零部件組成.承壓盤的外徑略小于制動器承壓支撐盤的內(nèi)徑，使制動器的內(nèi)齒摩擦片落在承壓盤上，通過上下調(diào)整承壓盤，可調(diào)整制動器的間隙.

圖3 制動器靜態(tài)測試專用工裝

2.2.2 試驗方案與步驟

制動控制器是機電作動型機械制動系統(tǒng)的“大腦”，功能是實現(xiàn)對機電作動機構(gòu)的高精度伺服控制，使其快速、精確地輸出所需作動力.機電作動控制系統(tǒng)框圖和控制器的示意圖如圖4所示.在調(diào)試階段和臺架試驗階段，采用上位機控制軟件輸入?yún)?shù)方式代替樣車的指令裝置和傳動控制單元對制動系統(tǒng)下達(dá)指令.上位機控制軟件可實現(xiàn)踏板角度百分比、駐車等單次指令發(fā)送、時序循環(huán)指令發(fā)送，以及電動缸位移、電流等反饋數(shù)據(jù)的接收、顯示與保存.

圖4 機電作動制動器控制系統(tǒng)

一體化機電作動型制動器靜態(tài)試驗的試驗步驟如下：

1)將裝配完成的一體化機電作動型制動器安裝在靜態(tài)測試專用工裝上，連接電機、控制器線纜、上位機、以及測試采集系統(tǒng)(包括壓力傳感器、紅外位移傳感器等)；

2)配置測試系統(tǒng)參數(shù)，配置上位機軟件參數(shù)；

3)電機、控制盒上電，輸入調(diào)試參數(shù),動作電動缸，檢查各項示數(shù)是否正常，是否有卡滯等；

4)將控制程序修改為標(biāo)定用程序，標(biāo)定兩電動缸位移與制動器正壓力的關(guān)系，標(biāo)定曲線如圖5所示；

圖5 電動缸位移-制動壓力標(biāo)定曲線

5)依據(jù)標(biāo)定的1#電動缸位移與制動正壓力曲線，修改源程序，將需要達(dá)到的制動壓力按照控制策略分配；

6)按照編寫好的試驗大綱，設(shè)定不同的工況、參數(shù)分別進(jìn)行試驗，實時采集電動缸反饋的電流和位移等數(shù)據(jù)以及制動正壓力、制動器壓板位移等參數(shù)；

7)試驗后，電動缸和控制器下電，記錄駐車狀態(tài)時各項數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析.

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 靜態(tài)試驗結(jié)果

輸入踏板角度百分比控制指令為0%，使制動器摩擦片分離回到行車狀態(tài)，然后在上位機控制軟件指令輸入框以每5%增量間隔輸入踏板角度百分比控制參數(shù)，控制機電作動機構(gòu)逐步施加作動力，記錄制動正壓力、1#電動缸反饋位移、外齒摩擦片位移，獲得制動正壓力曲線和制動器動靜片相對位移曲線，如圖6所示.

圖6 制動器靜態(tài)試驗曲線

從行車狀態(tài)(踏板角度百分比為0%)，以每5%增量間隔，輸入踏板角度百分比控制參數(shù)至100%；然后，以每5%遞減間隔，從踏板角度百分比為100%輸入踏板角度百分比控制參數(shù)至0%，記錄每個測點的制動正壓力、動靜片相對位移，獲得一體化機電作動制動器的加壓-泄壓正壓力特性曲線和位移特性曲線，如圖7所示.

3.2 靜態(tài)特性分析

由圖6可知:制動正壓力曲線和制動器動摩擦片與靜摩擦片的相對位移曲線均表現(xiàn)了4段分段，各曲線斜率在踏板角度百分比指令在0%～10%時均保持不變；在10%～30%段，制動正壓力保持為0 kN，動靜片相對位移平穩(wěn)減小且曲線斜率較大，表明兩電動缸推/拉速度較大，此段為制動器間隙消除區(qū)域，此區(qū)域要求制動缸快速響應(yīng)使摩擦片盡快接觸.圖6(b)表明的動靜片相對位移曲線10%～30%段與設(shè)計相吻合；在30%～80%段為制動作動力比例施加段，在指令約為30%時各試驗曲線均出現(xiàn)拐點，該指令30%正是標(biāo)定且程序設(shè)定的動靜摩擦片接觸位置，而在30%之后兩摩擦片接觸，需要作動缸避免過大沖擊使制動平穩(wěn).由圖6(a)制動正壓力曲線可看出l比例施壓段過渡平緩且線性度良好；80%～100%段為設(shè)定的緊急制動段，該段內(nèi)制動器保持最大制動力.綜上所述，各試驗曲線與控制策略設(shè)定相符.

由圖7可知:制動加壓和泄壓時，由于機械結(jié)構(gòu)和碟片彈簧組的滯后運動等原因，制動正壓力和動靜片相對位移存在滯后差.由圖7(a)靜態(tài)加壓-泄壓制動正壓力曲線可看出：正壓力越大時差值越大，可通過優(yōu)化一體化作動機構(gòu)來優(yōu)化滯后誤差.由于對制動器而言在制動完畢后制動器只需快速回位到行車狀態(tài)，因此，此滯后差對制動器制動的影響不大.由圖7(b)靜態(tài)-泄壓位移曲線可看出：在10%～30%段即制動器間隙消除階段，該一體化機電作動型制動器的位移滯后誤差非常小，且泄壓位移曲線與加壓位移曲線線性平行，說明該制動器回位能力優(yōu)異；在30%到80%段即制動器的動摩擦片和靜摩擦片接合、制動力增長階段，泄壓位移曲線較加壓位移曲線滯后較明顯，與圖7(a)靜態(tài)加壓-泄壓制動正壓力曲線的趨勢相吻合.

4 結(jié) 論

依據(jù)靜態(tài)標(biāo)定測試以及對一體化機電作動型制動器結(jié)構(gòu)特點分析，結(jié)合機電作動控制策略和靜態(tài)試驗方法，進(jìn)行了靜態(tài)試驗，通過對測試數(shù)據(jù)的分析得出以下結(jié)論：

1)控制策略中將踏板指令分為0%～10%、10%～30%、30%～80%、80%～100%4段使之更符合制動快速平穩(wěn)的需求.從各試驗曲線可看出，靜態(tài)特性測試的結(jié)果與理論設(shè)計基本吻合，表明該一體化機電作動型制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制策略設(shè)計較為合理.

2)由圖6制動正壓力曲線的30%～80%段可知，制動壓力平滑過渡，無沖擊，表明該一體化機電作動型制動器行車制動較平穩(wěn).

3)由圖6中1#電動缸位移曲線30%～80%段可知，在制動器動靜摩擦片結(jié)合制動力增長階段，制動正壓力線性增長，制動性能良好，但電動缸的位移變化仍有約15 mm，表明一體化機電作動型制動器的結(jié)構(gòu)剛度不足，需要進(jìn)一步校核和優(yōu)化設(shè)計.

4)由圖7靜態(tài)加壓-泄壓曲線可知，在在較大踏板角度百分比時，制動正壓力和動摩擦片與靜摩擦片間的相對位移的加壓-泄壓滯后差較大，表明該一體化機電作動型制動器的碟片蓄能彈簧和機械結(jié)構(gòu)的滯后較大，需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計.但由于在制動恢復(fù)階段只要求制動器動靜摩擦片能夠快速脫開形成固定的制動間隙，因此，此滯后差對制動器的制動性能影響不大.

綜上所述，該一體化機電作動型制動器的靜態(tài)制動性能良好，可依此進(jìn)一步進(jìn)行動態(tài)臺架試驗，以充分驗證其動態(tài)制動性能，為一體化機電作動型制動器的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).