IBooster總成三工位耐久測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇錦強(qiáng)， 范偉軍， 胡曉峰， 陳 濤

(1. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018; 2. 杭州沃鐳智能科技股份有限公司，浙江 杭州 310018)

0 引 言

伴隨著能源危機(jī)，電動(dòng)汽車有著良好的發(fā)展前景[1]。電動(dòng)汽車取消了傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，而通過搭載真空泵代替發(fā)動(dòng)機(jī)提供真空源的方案有很多缺點(diǎn)[2]，因此真空助力器不再適用，電動(dòng)助力器隨之誕生。電動(dòng)助力器不依賴真空源，相對(duì)傳統(tǒng)真空助力器，有體積更小，質(zhì)量更輕，僅在制動(dòng)時(shí)消耗電量，可以進(jìn)行能量回收[3]等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)未來(lái)汽車自動(dòng)化及電氣化的發(fā)展趨勢(shì)。

電子助力器作為汽車制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，它的性能優(yōu)劣和工作穩(wěn)定性直接影響了乘車安全，如何高效準(zhǔn)確地檢測(cè)汽車電子助力器耐久性是一個(gè)迫切關(guān)注的問題[4]。目前我國(guó)主流還是采用傳統(tǒng)的真空助力器，電子助力器的研發(fā)生產(chǎn)處于起步階段[5]，相關(guān)電子助力器耐久性測(cè)試系統(tǒng)的公開文獻(xiàn)較少，企業(yè)生產(chǎn)用的電子助力器耐久性測(cè)試臺(tái)質(zhì)量參差不齊。因此開發(fā)自動(dòng)化程度高、高效的電子助力器耐久測(cè)試系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

通過分析德國(guó)博世公司生產(chǎn)的IBooster電子助力器的物理結(jié)構(gòu)和工作原理，構(gòu)建IBooster總成三工位耐久測(cè)試系統(tǒng)，能夠進(jìn)行ABS工作耐久性試驗(yàn)，其具備高效、自動(dòng)化、較高經(jīng)濟(jì)效益的特點(diǎn)，滿足在不同環(huán)境溫度條件下的測(cè)試需求。由于還沒有制定電子助力器耐久性能測(cè)試的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要參考真空助力器標(biāo)準(zhǔn)QC/T 311—2018《汽車液壓制動(dòng)主缸性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》、QC/T 307—2016《汽車用真空助力器性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》。

1 測(cè)試系統(tǒng)需求分析

1.1 IBooster電子助力器工作原理

IBooster物理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由電機(jī)電控單元、輸入推桿、位移差傳感器、制動(dòng)主缸等系統(tǒng)部件組成。當(dāng)駕駛員踩制動(dòng)踏板時(shí)，踏板行程傳感器檢測(cè)到輸入推桿產(chǎn)生的位移，并將位移信號(hào)發(fā)送至電控單元，電控計(jì)算出電機(jī)應(yīng)產(chǎn)生的扭矩，再由傳動(dòng)裝置將該扭矩轉(zhuǎn)化為伺服制動(dòng)力。伺服制動(dòng)力與踏板輸入力一起作用[6]，在制動(dòng)主缸內(nèi)產(chǎn)生液壓力作用在負(fù)載上實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

圖1 IBooster物理結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)需求分析

分析實(shí)車制動(dòng)狀況和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，耐久測(cè)試系統(tǒng)主要包含以下部分：驅(qū)動(dòng)加載機(jī)構(gòu)、高低溫試驗(yàn)箱、液壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)[7]。

驅(qū)動(dòng)加載機(jī)構(gòu)模擬腳踩踏板的過程，需要有實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)裝置、限制直線運(yùn)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)行程的限位裝置。

高低溫箱調(diào)控環(huán)境條件，能夠滿足電子助力器在常溫、高溫、低溫下的耐久測(cè)試需求，實(shí)際溫度與設(shè)定溫度誤差應(yīng)小于±2 ℃。

需要液壓系統(tǒng)模擬實(shí)車制動(dòng)環(huán)境，并且能實(shí)現(xiàn)管路注油、排油等功能。為了更符合實(shí)車工況，添加ABS控制模塊[8]，在非ABS工作模式下和ABS工作模式下分別作耐久性測(cè)試。

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)應(yīng)滿足傳感器信號(hào)的高速采集及對(duì)系統(tǒng)一些硬件模塊的控制需求。配合系統(tǒng)軟件能夠動(dòng)態(tài)顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線并進(jìn)行存儲(chǔ)，能夠根據(jù)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行不同的工況測(cè)試。

綜合考慮系統(tǒng)各個(gè)部分的測(cè)試需求， IBooster總成耐久測(cè)試的技術(shù)參數(shù)要求如表1所示(1bar=0. 1 MPa)，系統(tǒng)主要的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 IBooster總成耐久性檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括：驅(qū)動(dòng)加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)、管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試流程設(shè)計(jì)。

2.1 驅(qū)動(dòng)加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)加載系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、氣缸、阻擋氣缸、IBooser帶主缸總成、力傳感器、位移傳感器等組成，驅(qū)動(dòng)加載機(jī)構(gòu)圖如圖3所示，系統(tǒng)為三工位。

圖3 驅(qū)動(dòng)加載機(jī)構(gòu)圖

伺服電機(jī)、氣缸推桿、IBooser輸入推桿等位于同一直線上，當(dāng)氣缸加載時(shí)，直線運(yùn)動(dòng)裝置通過模擬擺臂推動(dòng)電子助力器輸入推桿，實(shí)現(xiàn)腳踩踏板的效果。

伺服電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)氣缸走設(shè)定的位移，可以實(shí)現(xiàn)耐久測(cè)試的多點(diǎn)位置加載控制。電機(jī)絲杠位移設(shè)定好的距離后，阻擋氣缸推桿伸出，代替伺服電機(jī)抵住左側(cè)安裝板，可以避免伺服電機(jī)絲杠受到ABS模塊工作時(shí)帶來(lái)的反沖壓影響。氣缸速度可調(diào)節(jié)，通過控制二位五通電磁閥狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)氣缸的反復(fù)加載卸載，符合耐久測(cè)試需求。

IBooster總成安裝于高低溫試驗(yàn)箱中。高低溫箱實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境加熱和冷卻的PID控制，并可以在溫控儀面板上直接顯示和設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度。

2.2 管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小型汽車是通過液壓制動(dòng)，為模擬實(shí)車效果，需要讓管路內(nèi)充滿制動(dòng)液。設(shè)計(jì)管路系統(tǒng)如圖4、圖5、圖6所示，圖4是氣體管路設(shè)計(jì)圖。

圖4 氣體管路設(shè)計(jì)圖

圖5 真空液壓管路設(shè)計(jì)圖

圖6 測(cè)試管路設(shè)計(jì)圖

如上圖所示氣體管路通過調(diào)壓閥或電氣比例閥調(diào)控氣壓，為四部分管路供氣。第一部分向真空液壓管路供氣，主要用于管路氣洗；第二部分向加載氣缸供氣，實(shí)現(xiàn)氣缸加載卸載；第三部分向阻擋氣缸供氣，抵住左側(cè)安裝板；第四部分向氣控閥供氣，通過二位五通電磁閥調(diào)整氣控閥狀態(tài)。

圖5是真空液壓管路設(shè)計(jì)圖，主要由真空管路、氣洗管路、儲(chǔ)液管路、測(cè)試管路四部分組成[9]。

真空管路是真空注油的關(guān)鍵部分。真空泵提供真空源，負(fù)責(zé)將管路抽真空。真空注油時(shí)，將管路抽真空，利用負(fù)壓將儲(chǔ)液罐中的制動(dòng)液順著管路充滿測(cè)試回路。

氣洗管路是回路氣洗的關(guān)鍵部分。所用氣源來(lái)自氣體管路，回路氣洗時(shí)，調(diào)整管路中氣控閥和電磁閥的工作狀態(tài)，使得氣體順著管路將管路和制動(dòng)主缸中的制動(dòng)液排出至儲(chǔ)液罐中。

儲(chǔ)液管路是儲(chǔ)存和傳輸制動(dòng)液的關(guān)鍵部分。利用隔膜泵從油槽中抽油并儲(chǔ)存至儲(chǔ)液罐中。儲(chǔ)液管路和測(cè)試管路形成一個(gè)回路，通過注油和回路氣洗實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)液管路中制動(dòng)液的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。

氣控閥19、20、21作為開關(guān)，分別與三個(gè)工位的測(cè)試管路相連。測(cè)試管路設(shè)計(jì)圖如圖6所示，這里只列舉第一個(gè)工位。

制動(dòng)主缸進(jìn)油口與氣控閥19相連，制動(dòng)液從出油口流入測(cè)試管路中。測(cè)試時(shí)，手動(dòng)球閥關(guān)閉，加載機(jī)構(gòu)經(jīng)產(chǎn)品助力后推動(dòng)主缸活塞產(chǎn)生液壓，ABS根據(jù)設(shè)置工況調(diào)節(jié)液壓，作用到液壓負(fù)載單元上。

液壓負(fù)載單元采用可更換彈簧模擬負(fù)載，通過調(diào)節(jié)負(fù)載彈簧長(zhǎng)度，能夠保證輸入力在90%拐點(diǎn)力時(shí)，被測(cè)樣件的輸入位移達(dá)到設(shè)計(jì)最大輸入位移的2/3，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[10]。

測(cè)試時(shí)應(yīng)保證管路密封不泄露，同時(shí)管路內(nèi)制動(dòng)液無(wú)氣泡，避免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)如圖7所示，主要由工控機(jī)、各類傳感器、電磁閥、數(shù)據(jù)采集卡、用戶操作按鈕等組成。

圖7 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)框圖

工控機(jī)作為控制中心，通過PCI總線與研華數(shù)據(jù)采集卡連接，數(shù)據(jù)采集卡是數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的核心部件，起著傳感器信號(hào)的采集及工控機(jī)信號(hào)的輸出作用[11]。系統(tǒng)通過AI通道獲取液壓傳感器、力傳感器、位移傳感器等各類傳感器數(shù)據(jù)值；通過AO通道控制電氣比例閥開度；通過DO通道控制閥和三色燈的通斷狀態(tài)；通過DI通道控制啟動(dòng)、急停等用戶操作按鈕。

為獲得產(chǎn)品內(nèi)部信息數(shù)據(jù)，采用NI公司高速、低容錯(cuò)CAN卡實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與設(shè)備之間快速穩(wěn)定的CAN通信，其支持多速率數(shù)據(jù)通信，最高頻率達(dá)1MS/s。設(shè)備通信支持CCP協(xié)議收發(fā)操作，可以通過更新DBC文件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)IBooster產(chǎn)品電控變量的快速控制及監(jiān)控。

2.4 測(cè)試流程設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要將IBooster耐久測(cè)試流程分為三個(gè)部分，分別是準(zhǔn)備階段、測(cè)試階段和結(jié)束階段。

1）準(zhǔn)備階段

將被測(cè)產(chǎn)品在相關(guān)夾具上安裝固定好，連接測(cè)試回路，將制動(dòng)主缸進(jìn)油口和出油口分別接入設(shè)備管路系統(tǒng)中。

采用泵循環(huán)注油、真空注油、正壓注油等方式對(duì)液壓管路進(jìn)行注油排氣，使測(cè)試管路中充滿制動(dòng)液，并且管路中無(wú)氣泡。

2） 測(cè)試階段

根據(jù)產(chǎn)品特性及測(cè)試需求，設(shè)定高低溫箱溫度、試驗(yàn)運(yùn)行次數(shù)、目標(biāo)液壓、報(bào)警參數(shù)等工況信息，由伺服電機(jī)調(diào)節(jié)加載氣缸位置后，阻擋氣缸推桿伸出代替伺服電機(jī)受力。

非ABS工作耐久性實(shí)驗(yàn)條件下，系統(tǒng)按照“氣缸加載-加載保持-氣缸卸載”的狀態(tài)循環(huán)進(jìn)行，繪制并記錄試驗(yàn)曲線圖。試驗(yàn)壓力與動(dòng)作時(shí)間之間的關(guān)系如圖8所示[12]。

圖8 非 ABS 工作耐久性試驗(yàn)壓力與動(dòng)作時(shí)間之間的關(guān)系

ABS工作耐久性實(shí)驗(yàn)條件下，設(shè)置升壓動(dòng)作時(shí)間、保持時(shí)間、降壓動(dòng)作時(shí)間等參數(shù)，根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行ABS升降壓模擬動(dòng)作，系統(tǒng)按照“氣缸加載-ABS動(dòng)作-ABS動(dòng)作保持-加載保持-氣缸卸載”的狀態(tài)循環(huán)運(yùn)行。

測(cè)試過程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全監(jiān)控，當(dāng)液壓值、推桿行程、輸入力等超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警停機(jī)。

3） 結(jié)束階段

通過回路氣洗的方式將管路中的制動(dòng)液吹回儲(chǔ)液罐中。取下被測(cè)產(chǎn)品，整理測(cè)試臺(tái)，結(jié)束測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選用某廠家生產(chǎn)的IBooster產(chǎn)品作為測(cè)試對(duì)象，準(zhǔn)備階段結(jié)束后，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，根據(jù)試驗(yàn)要求分別做非ABS工作耐久性試驗(yàn)和ABS工作耐久性試驗(yàn)。

圖9為電機(jī)前進(jìn)液壓曲線圖，描繪測(cè)試前伺服電機(jī)走定位的液壓曲線。當(dāng)伺服電機(jī)以2 mm/s的速度前進(jìn)至目標(biāo)液壓位置后，氣缸推桿卸載。

圖9 電機(jī)前進(jìn)液壓曲線圖

圖10為非ABS工作耐久性部分曲線圖。如圖所示，液壓曲線良好，多次建壓泄壓符合耐久特點(diǎn)，其滿足非ABS工作耐久性試驗(yàn)壓力與動(dòng)作時(shí)間之間的關(guān)系，能夠保證試驗(yàn)頻率為1 000±100次/h。

圖10 非ABS工作耐久性部分曲線圖

圖11為ABS工作耐久性部分曲線圖，ABS循環(huán)試驗(yàn)穿插在非ABS工作耐久性試驗(yàn)中進(jìn)行。圖中有兩條曲線，一條為加載機(jī)構(gòu)位移曲線，一條為經(jīng)ABS調(diào)節(jié)后的液壓曲線。氣缸加載建壓后啟動(dòng)ABS動(dòng)作控制策略，ABS進(jìn)行降壓，降壓動(dòng)作時(shí)間設(shè)為20 ms，隨后進(jìn)行升壓，升壓動(dòng)作時(shí)間設(shè)為5 ms，每個(gè)升壓動(dòng)作后保壓一定時(shí)間，多段升壓后停止ABS動(dòng)作策略，最后氣缸回退泄壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液壓曲線符合實(shí)車ABS多段調(diào)壓特點(diǎn)，具有良好的線性，對(duì)ABS工作模式下電子助力器耐久性測(cè)試有實(shí)際的意義。

圖11 ABS工作耐久性部分曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的IBooster總成三工位耐久測(cè)試系統(tǒng)，使用ABS控制模塊，更加符合實(shí)車制動(dòng)環(huán)境，采用伺服電機(jī)走定位，氣缸進(jìn)行快速加載與退回的方式適合不同電子助力器的測(cè)試需求，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過兩周的運(yùn)行測(cè)試，該檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)運(yùn)行故障，測(cè)量結(jié)果較為精準(zhǔn)，能夠滿足各汽車產(chǎn)商對(duì)產(chǎn)品的耐久測(cè)試需求，現(xiàn)已投入日常研發(fā)應(yīng)用。