商用車電控氣壓制動(dòng)自動(dòng)調(diào)壓閥測試系統(tǒng)研究

郭儀凡，包漢偉，張莉莎,李剛炎

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

商用車電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)，采用電控單元進(jìn)行控制，有效解決了壓力響應(yīng)時(shí)延較長、制動(dòng)壓力響應(yīng)不協(xié)調(diào)以及壓力調(diào)節(jié)不精確等問題，提高了氣壓制動(dòng)系統(tǒng)性能[1]。自動(dòng)調(diào)壓閥作為商用車電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)的核心控制部件，其性能優(yōu)劣將直接影響電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的安全性與平順性，因此研究商用車電控氣壓制動(dòng)自動(dòng)調(diào)壓閥的性能測試技術(shù)有著非常重要的意義[2-4]。

自動(dòng)調(diào)壓閥屬于自主研發(fā)的新型電控制動(dòng)部件，相比傳統(tǒng)氣制動(dòng)控制部件，自動(dòng)調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測試項(xiàng)目較多。國外的商用車電控制動(dòng)系統(tǒng)及其性能測試的研究已基本趨于完善，例如德國的WABCO公司和KNORR公司，都擁有較為先進(jìn)的零部件測試設(shè)備[5-7]，但許多關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及具體的測試指標(biāo)都對我國進(jìn)行技術(shù)封鎖，國內(nèi)很難借鑒。而國內(nèi)的相關(guān)零部件測試國家標(biāo)準(zhǔn)仍然停留在傳統(tǒng)的繼動(dòng)閥、ABS電磁閥以及其他氣制動(dòng)閥，尚未形成成熟的電控產(chǎn)品測試的國家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可供參考，也沒有成熟的相關(guān)測試設(shè)備。

筆者以商用車電控氣壓制動(dòng)自動(dòng)調(diào)壓閥作為測試對象，參考QC/T35-2015《汽車與掛車氣壓控制裝置臺(tái)架試驗(yàn)方法》和GB12676-2014《商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》等相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)[8-10]，并考慮了生產(chǎn)廠家的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)了一套商用車電控氣壓制動(dòng)自動(dòng)調(diào)壓閥測試系統(tǒng)。

1 自動(dòng)調(diào)壓閥及其性能測試方法

1.1 自動(dòng)調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)與工作原理

商用車電控氣壓制動(dòng)自動(dòng)調(diào)壓閥原理如圖1所示，自動(dòng)調(diào)壓閥由電子控制單元(electronic control unit,ECU)和氣壓控制單元(power control unit，PCU)組成。其中電子控制單元由一組高速開關(guān)進(jìn)排氣閥和繼動(dòng)閥組成，中央控制器ECU通過控制進(jìn)排氣開關(guān)時(shí)間實(shí)現(xiàn)對繼動(dòng)閥活塞上腔體壓力的控制；氣壓控制單元由單向閥與繼動(dòng)閥組成。

圖1 自動(dòng)調(diào)壓閥原理圖

自動(dòng)調(diào)壓閥通過CAN(controller area network)總線接收中央控制單元ECU的制動(dòng)指令，分別控制高速進(jìn)氣口3、高速排氣口4動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)出氣口2輸出壓力增壓、減壓、保壓3種狀態(tài)轉(zhuǎn)換，使出氣口2輸出達(dá)到目標(biāo)壓力值。而當(dāng)自動(dòng)調(diào)壓閥出現(xiàn)電控失效故障時(shí)，控制器退出對高速進(jìn)氣口3、高速排氣口4的開關(guān)控制，氣壓控制單元(PCU)進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，打開氣控口5的單向閥，此時(shí)氣控口5的壓力決定出氣口2的壓力輸出，自動(dòng)調(diào)壓閥等同于普通繼動(dòng)閥。

1.2 自動(dòng)調(diào)壓閥測試參數(shù)及其測試方法

根據(jù)自動(dòng)調(diào)壓閥工作原理，結(jié)合QC/T35-2015《汽車與掛車氣壓控制裝置臺(tái)架試驗(yàn)方法》等相關(guān)國標(biāo)，制定了以下測試項(xiàng)目及測試方法：

(1)靜特性。靜特性指的是自動(dòng)調(diào)壓閥出氣口輸出壓力隨控制口輸入氣壓變化的關(guān)系曲線，并以曲線中最初平衡氣壓以及相關(guān)特征點(diǎn)作為測試參數(shù)指標(biāo)[11]。

(2)響應(yīng)特性。響應(yīng)特性是指當(dāng)自動(dòng)調(diào)壓閥控制口氣壓快速變化時(shí)，其輸出口氣壓隨時(shí)間的變化關(guān)系。測試時(shí)，需控制電控單元高速進(jìn)氣口3快速充氣，測量樣品出氣口2從零上升到額定輸出氣壓的75%所經(jīng)歷的時(shí)間，該時(shí)間為響應(yīng)時(shí)間Tx。之后關(guān)閉高速進(jìn)氣口3穩(wěn)壓后，打開高速排氣口4測量樣品出氣口2從額定氣壓下降到該值的25%所經(jīng)歷的時(shí)間。該時(shí)間為釋放時(shí)間TS。

(3)階梯壓力特性。階梯升降壓測試采用分段式階梯增減壓[12]，計(jì)算自動(dòng)調(diào)壓閥出氣口2在增減壓過程中某一臺(tái)階后的壓力及臺(tái)階間壓差。

(4)密封性。將自動(dòng)調(diào)壓閥樣品充氣至額定壓力后將樣品置于截?cái)辔恢?，穩(wěn)定1 min后，記錄5 min內(nèi)壓力表的壓力降。

(5)制動(dòng)氣室制動(dòng)力。由于自動(dòng)調(diào)壓閥的出口氣壓直接作用于制動(dòng)氣室，而制動(dòng)氣室的推桿力大小直接反映了制動(dòng)過程中的制動(dòng)強(qiáng)度與制動(dòng)性能，因此測試氣室推桿力且需與自動(dòng)調(diào)壓閥出口氣壓具有良好的線性關(guān)系。

綜合以上測試項(xiàng)目和相關(guān)國標(biāo)以及生產(chǎn)廠家的具體測試要求，自動(dòng)調(diào)壓閥測試的主要測試指標(biāo)如表1所示。參考上述相關(guān)要求，可得自動(dòng)調(diào)壓閥測試系統(tǒng)的指標(biāo)如表2所示。

表1 自動(dòng)調(diào)壓閥測試指標(biāo)

表2 自動(dòng)調(diào)壓閥測試系統(tǒng)指標(biāo)

2 自動(dòng)調(diào)壓閥測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)調(diào)壓閥測試系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1.1 測試系統(tǒng)氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

按照QC/T35-2015《汽車與掛車氣壓控制裝置臺(tái)架試驗(yàn)方法》等相關(guān)國標(biāo)，結(jié)合測試需求對自動(dòng)調(diào)壓閥測試系統(tǒng)的測試回路進(jìn)行設(shè)計(jì)，測試原理圖如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)氣動(dòng)回路原理圖

系統(tǒng)氣動(dòng)回路中，空壓機(jī)1為回路提供穩(wěn)定氣源，氣動(dòng)三聯(lián)件2過濾凈化氣體，氣罐3穩(wěn)定回路氣源氣壓。開關(guān)閥4控制是否供氣，精密減壓閥5調(diào)節(jié)整個(gè)回路的供氣壓力。

電氣比例閥6、7分別置于自動(dòng)調(diào)壓閥電控控制進(jìn)氣口8.3與自動(dòng)調(diào)壓閥氣控控制口8.4支路前，通過上位機(jī)傳遞的模擬壓力信號(hào)可自動(dòng)調(diào)控自動(dòng)調(diào)壓閥氣控回路與電控回路的控制壓力。

電磁閥9、10、11分別自動(dòng)控制自動(dòng)調(diào)壓閥輸入口8.1、自動(dòng)調(diào)壓閥電控控制進(jìn)氣口8.3、自動(dòng)調(diào)壓閥氣控控制口8.4的供氣通斷。

自動(dòng)調(diào)壓閥輸出口8.5后設(shè)有制動(dòng)氣室15以模擬商用車電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，且通過制動(dòng)氣室內(nèi)的氣壓變化來表征自動(dòng)調(diào)壓閥的壓力變化。

氣壓傳感器P1、P2、P3、P4、P5分別采集自動(dòng)調(diào)壓閥輸入口8.1、自動(dòng)調(diào)壓閥輸出口8.2、自動(dòng)調(diào)壓閥電控控制進(jìn)氣口8.3、自動(dòng)調(diào)壓閥氣控控制口8.4、自動(dòng)調(diào)壓閥腔內(nèi)的壓力值。其中P1～P4氣壓傳感器均用作各測試點(diǎn)的壓力值測試，P5為自動(dòng)調(diào)壓閥內(nèi)置傳感器，用作控制自動(dòng)調(diào)壓閥動(dòng)作時(shí)提供壓力反饋，稱重傳感器P6采集制動(dòng)氣室的推桿力壓力值。

2.1.2 測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)原理如圖3所示。系統(tǒng)通過電源裝置供電，以工控計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，與數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)通信，通過接線端子板、電磁驅(qū)動(dòng)模塊等實(shí)現(xiàn)與傳感器信號(hào)、電氣比例閥信號(hào)、電磁閥信號(hào)、自動(dòng)調(diào)壓閥信號(hào)的數(shù)據(jù)傳遞。

圖3 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)原理圖

數(shù)據(jù)采集卡接收上位機(jī)命令，采集6路傳感器的模擬信號(hào)，并通過軟件程序?qū)⒉杉ú杉降哪M信號(hào)標(biāo)定，然后轉(zhuǎn)化為標(biāo)定信號(hào)交由上位機(jī)處理。上位機(jī)發(fā)送的模擬量控制信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡接收后，并兩路作用于電氣比例閥，從而實(shí)現(xiàn)在測試過程中對自動(dòng)調(diào)壓閥控制口進(jìn)氣速度的控制。由計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字量控制信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡接收后，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)模塊的功率放大處理，三路作用于電磁閥，控制各電磁閥的通斷，從而控制氣路通斷；兩路通過采集卡的數(shù)字計(jì)數(shù)器發(fā)出脈沖頻率信號(hào)，通過PWM(pulse width modulation)控制自動(dòng)調(diào)壓閥的開關(guān)動(dòng)作；上位機(jī)通過顯示器等外圍設(shè)備顯示并操作，電源裝置為整個(gè)測試系統(tǒng)供電。

測試系統(tǒng)硬件平臺(tái)實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)硬件平臺(tái)實(shí)物圖

2.2 自動(dòng)調(diào)壓閥測試系統(tǒng)軟件開發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、元件控制、數(shù)據(jù)處理與計(jì)算、數(shù)據(jù)管理及人機(jī)交互等功能，基于LabVIEW對軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括以下模塊：參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、性能測試模塊、數(shù)據(jù)管理模塊，軟件系統(tǒng)總體框圖如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)總體框圖

根據(jù)軟件系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)界面如圖6所示，其中包括測試參數(shù)設(shè)置界面、顯示采集的數(shù)據(jù)曲線界面，電控氣控切換按鈕，性能測試按鈕，數(shù)據(jù)管理路徑，通道設(shè)置端口等。

圖6 測試系統(tǒng)界面

3 自動(dòng)調(diào)壓閥測試系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證與評定

選取某型號(hào)某自動(dòng)調(diào)壓閥樣件，在常溫環(huán)境下，氣源壓力為0.7 MPa的條件下，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓閥的性能測試試驗(yàn)。

3.1 自動(dòng)調(diào)壓閥測試系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

設(shè)置自動(dòng)調(diào)壓閥供氣氣壓為0.7 MPa，電控控制口8.3緩慢充氣至0.7 MPa，系統(tǒng)自動(dòng)繪制制動(dòng)氣室氣壓隨控制口8.3氣壓變化的靜特性曲線，靜特性測試曲線如圖7所示。從圖7可知，制動(dòng)氣室升壓存在一定延時(shí)，為最初平衡氣壓，之后制動(dòng)氣室氣壓與控制口跟隨性良好，呈線性關(guān)系。自動(dòng)調(diào)壓閥靜特性測試參數(shù)如下：最初平衡氣壓P0為36.38 kPa，特征點(diǎn)S1(P4=200 kPa)為191.07 kPa，特征點(diǎn)S2(P4=400 kPa)為413.94 kPa，特征點(diǎn)S3(P4=600 kPa)為637.70 kPa，符合測試需求。

圖7 靜特性測試曲線

設(shè)置系統(tǒng)的響應(yīng)升壓時(shí)間為500 ms，保壓時(shí)間為3 000 ms，釋放降壓時(shí)間為500 ms，同時(shí)選擇自動(dòng)調(diào)壓閥電控與氣控工作模式，設(shè)置該工作模式下的控制壓力為0.7 MPa。系統(tǒng)自動(dòng)繪制響應(yīng)特性曲線，響應(yīng)特性測試曲線如圖8所示。從圖8可知，在電控工作狀態(tài)下，自動(dòng)調(diào)壓閥的響應(yīng)速度較為迅速，且響應(yīng)延遲低。自動(dòng)調(diào)壓閥的響應(yīng)時(shí)間Tx為0.25 s，釋放時(shí)間Ts為0.22 s，符合測試需求。

圖8 響應(yīng)特性測試曲線

分別設(shè)置階梯升壓次數(shù)為5次，升壓得電時(shí)間為20 ms，升壓保持時(shí)間為350 ms；階梯降壓次數(shù)為5次，降壓得電時(shí)間為20 ms，降壓保持時(shí)間為350 ms。系統(tǒng)自動(dòng)繪制制動(dòng)氣室氣壓隨時(shí)間變化的曲線，階梯壓力特性測試曲線如圖9所示。從圖9可知，階梯升壓第3步的壓力值P1=518.3 kPa，階梯降壓第3步的壓力值P2=130.2 kPa，階梯增壓第2和第3臺(tái)階的壓力差ΔP1=159.1 kPa，階梯減壓第2和第3臺(tái)階的壓力差ΔP2=124.0 kPa。

圖9 階梯壓力特性測試曲線

密封性測試時(shí)，需選擇被測閥工況，即非工作狀態(tài)、電控工作狀態(tài)、氣控工作狀態(tài)，并設(shè)置測試保壓時(shí)間為60 s，使被測閥置于充氣狀態(tài)，之后設(shè)置測試時(shí)間為300 s，使被測閥置于截?cái)酄顟B(tài)，記錄此間各測試點(diǎn)的泄漏壓力值。密封性測試結(jié)果如表3所示。

表3 密封性測試測試結(jié)果

制動(dòng)氣室制動(dòng)力測試伴隨著上述4個(gè)測試項(xiàng)目中，圖10為某次被測閥的電控響應(yīng)特性測試制動(dòng)氣室氣壓變化曲線與制動(dòng)力變化曲線測試結(jié)果。從圖10可知，制動(dòng)氣室推桿力變化和制動(dòng)氣室的氣壓變化跟隨性良好，制動(dòng)氣室氣壓變化可以較好反映出電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力大小變化。

圖10 制動(dòng)氣室制動(dòng)力測試

3.2 自動(dòng)調(diào)壓閥測試系統(tǒng)評定

表4 系統(tǒng)測試評定指標(biāo)

綜上所述，測試系統(tǒng)測量能力指數(shù)Cg和Cgk均大于2.0，測試系統(tǒng)測試性能良好，符合新設(shè)備驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

筆者在分析商用車電控氣壓制動(dòng)自動(dòng)調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上提出了自動(dòng)調(diào)壓閥靜特性、響應(yīng)特性、階梯壓力特性、密封性的測試方法，以及測試指標(biāo)與系統(tǒng)指標(biāo)。研制了一套針對商用車電控氣壓制動(dòng)自動(dòng)調(diào)壓閥的專用在線測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各性能參數(shù)的在線檢測。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，測試系統(tǒng)重復(fù)性、準(zhǔn)確性較好。