集成式線控制動助力器氣壓檢測系統(tǒng)設(shè)計

朱子路,王學(xué)影,胡曉峰,葉建冬

(1.中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院,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

隨著以電能為主要動力源的新能源汽車推廣,保證汽車安全行駛的一項主動安全系統(tǒng)即制動系統(tǒng)中,制動助力器由真空助力器正逐漸向電控助力器發(fā)展[1]。線控液壓制動助力器也由分立式(two-box)發(fā)展為一體化的集成式(one-box)[2-3]。

本文研究對象是采用線控液壓制動技術(shù)的集成式線控制動助力器,作為新能源汽車制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部位之一,其性能可靠性影響行車駕駛的安全及汽車維護周期,但是其量產(chǎn)工藝比較困難,技術(shù)水平較高。

現(xiàn)階段成型的檢測系統(tǒng)基本上針對分立式線控制動助力器及其他傳統(tǒng)制動部件,因其工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,關(guān)于線控制動助力器相關(guān)的文獻資料、專利、標準較少?，F(xiàn)有檢測裝置大多基于液壓檢測且存在下列問題:首先產(chǎn)品密封性不足會導(dǎo)致油液泄漏污染產(chǎn)品及外部環(huán)境,測試完成后不能徹底排出制動液,影響后續(xù)整車裝配,更適合小規(guī)模實驗室研究測試;其次測試過程包括排氣、注油等步驟,導(dǎo)致操作復(fù)雜繁瑣,效率低、成本高,不能滿足產(chǎn)線在線測試效率要求,且注油過程易產(chǎn)生氣泡,影響檢測精準度。故提出氣壓檢測方法,被測產(chǎn)品自動裝夾,其效率高、成本較低,且該系統(tǒng)測試介質(zhì)是清潔氣體,適用于總成裝配生產(chǎn)線及下線前測試,保證產(chǎn)品性能可靠。

1 集成式線控制動助力器結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 被測對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)

集成式線控制動助力器中電子元件取代了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中的部分機械部件,仍保留了原有成熟可靠的液壓制動系統(tǒng),可視為分立式線控制動助力器和電子穩(wěn)定控制模塊(ESC)集成化的新技術(shù)產(chǎn)品。如圖1所示,它集成了電子控制單元(ECU)、液壓控制單元(HCU)、制動主缸、無刷電機和電缸、傳感器、踏板感覺模擬器以及電磁閥等結(jié)構(gòu),保證了制動系統(tǒng)的可靠性[4]。

圖1 集成式線控制動助力器結(jié)構(gòu)圖

被測對象內(nèi)部閥結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括14個電磁閥,分別是2個主缸隔離閥隔絕工作區(qū)與主缸一、二腔室,2個電缸隔離閥隔絕工作區(qū)與伺服電缸,8個位于工作區(qū)的4組建壓到車輪的增壓閥(HFL、HRR、HRL、HFR)和減壓閥(DFL、DRR、DRL、DFR),1個診斷閥用于系統(tǒng)全面檢測,確保下一個點火循環(huán)系統(tǒng)的可靠工作,1個模擬器隔離閥用于隔離踏板模擬器[5]。其制動主缸是柱塞式雙腔串聯(lián)制動主缸,補償孔在活塞上,滿足汽車ABS的要求[6]。傳感器由踏板位移傳感器、主缸和電缸壓力傳感器組成,實時監(jiān)控制動液壓力。伺服電缸由無刷電機驅(qū)動,工作原理類似單腔的制動主缸,用于正常工作時的制動液建壓。

圖2 被測對象內(nèi)部閥結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 被測對象工作原理

由ECU接收傳感器信號,通過運算發(fā)送指令,從而動態(tài)分配整車制動,其踏板與液壓控制單元建壓是完全解耦。在常規(guī)制動時,制動主缸不參與建壓,主缸隔離閥和電缸隔離閥上電,駕駛員踩下踏板,放大的液壓制動力進入踏板模擬器并提供腳感反饋,ECU接收踏板位移傳感器信號并計算,驅(qū)動無刷電機使電缸活塞泵建壓到制動卡鉗;當系統(tǒng)出現(xiàn)故障掉電情況,即進入制動備份狀態(tài),電磁閥均處于初始狀態(tài),當駕駛員踩下制動踏板,制動主缸直接建壓,制動液直接進入制動卡鉗,實現(xiàn)制動[7]。

2 基于氣壓測試的測試方案設(shè)計

根據(jù)T/CAAMTB 64—2022《汽車解耦式電子助力制動系統(tǒng)總成性能要求及臺架試驗方法》及現(xiàn)有臺架技術(shù)和相關(guān)企業(yè)標準,分析被測產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理,針對關(guān)鍵部件確定相關(guān)測試項并制定測試方法,進而對所需器件進行選型并進行系統(tǒng)設(shè)計,圖3所示為系統(tǒng)總體方案設(shè)計架構(gòu)。

圖3 測試系統(tǒng)總體方案設(shè)計架構(gòu)圖

2.1 性能測試項目及方法設(shè)計

2.1.1 制動主缸空行程與全行程測試

制動主缸空行程和全行程測試是集成式線控制動助力器綜合性能檢測的重要測試項目之一,本文檢測對象內(nèi)部制動主缸工作原理與常見柱塞式制動主缸類似,分為2個工作腔。

空行程是指腳踩制動踏板,推桿前移使第一活塞和第二活塞前移,但因活塞上補償孔未過腔體主皮碗,沒達到完全密封狀態(tài)且不能建壓,這段距離就是空行程,影響制動建壓時間和汽車制動性能。采用流量突變法,電機前進并在流量下降時記錄位移,此位移與零點接觸位移差值即為空行程,該測試方法快捷且精度高,可對雙腔空行程同時檢測。

全行程是指主缸活塞在缸體內(nèi)運動行程,是被測對象物理結(jié)構(gòu)中的一個關(guān)鍵尺寸參數(shù),全行程測試能檢測其是否滿足設(shè)計要求,也能檢測出缸體根部狀況,該測試采用力突變法,當推桿推力達到設(shè)置最大時停止,此時位移與零點接觸位移差值即為全行程[8]。

2.1.2 密封性及泄漏測試

(1)制動主缸動密封性測試。該測試是針對主缸工作狀態(tài)下內(nèi)部密封狀況的檢測,是對主缸缸體內(nèi)孔壁及活塞皮碗缺陷的密封測試,該項不合格將嚴重影響工作時的建壓保壓能力[8]。通過檢漏儀檢測其在推桿移動下的泄漏狀態(tài),從而得到泄漏值,并大致判斷缺陷位置以及找出大致泄漏原因。

(2)高壓密封泄漏測試。檢測被測產(chǎn)品在高壓狀態(tài)下的密封性能,從而滿足整車工作需求。采用壓差法,利用高壓傳感器測量一段時間的壓降即泄漏值。

(3)整體外泄漏測試。重點在于通過檢漏儀測試產(chǎn)品內(nèi)部與外部環(huán)境的泄漏情況,以滿足產(chǎn)品內(nèi)部管路與制動液儲蓄壺暢通性。

2.1.3 電磁閥脈沖與氣密性測試

本文檢測對象的液壓控制單元的液壓力由內(nèi)部電磁閥調(diào)節(jié),電磁閥是集成式線控制動助力器內(nèi)部工作的關(guān)鍵,采用高頻 PWM 控制,通過調(diào)整占空比實現(xiàn)壓力的動態(tài)控制。系統(tǒng)制動經(jīng)歷增壓、泄壓、保壓3個階段,通過電磁閥的開閉可實現(xiàn)不同制動要求,電磁閥的脈沖值決定閥的增壓和泄壓能力,其氣密性即靜密封特性,它決定內(nèi)部管路的保壓能力,從而有效實現(xiàn)制動,所以該測試項目至關(guān)重要[9]。

電磁閥脈沖測試分別對14個電磁閥進行測試,對其施加脈沖信號控制閥口開合,從而讀取傳感器變化值,即為該電磁閥脈沖值。針對工作區(qū)電磁閥之間的氣密性測試,通過檢漏儀分別檢測聯(lián)帶腔體的泄漏,從而保證工作區(qū)的可靠性。圖4為電磁閥脈沖與氣密性測試流程。

圖4 電磁閥脈沖與氣密性測試流程圖

2.1.4 帶儲蓄壺總成正負壓泄漏測試

針對帶儲蓄壺總成分別進行正壓和負壓泄漏測試,正壓測試保證在加裝制動液儲蓄壺后的密封性,模擬實車狀況下的密封性能;進行負壓測試原因在于被測樣件的真空密封性能影響制動管路內(nèi)真空度,影響真空狀態(tài)下注入制動液的注油效果,該測試借助低壓檢漏儀和真空檢漏儀測得,其具有一定實際意義[10-11]。

根據(jù)以上測試項目,本文的測試內(nèi)容如表1所示,系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表2所示,表中1 bar=105Pa。

表1 測試內(nèi)容匯總表

表2 測試系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

依據(jù)上述測試項目及測試內(nèi)容的分析,該系統(tǒng)硬件部分以工控機PC作為核心,通過采集卡、CAN卡、運動控制卡和PLC等,進行數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制,圖5為硬件模塊結(jié)構(gòu),包括臺架工裝夾具模塊、運動加載模塊、測控氣路模塊、CAN 通信模塊、計算機控制與數(shù)據(jù)采集模塊。

圖5 系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)圖

臺架工裝夾具模塊,臺架采用鋁合金與不銹鋼材料,工裝夾具如圖6所示,包括下壓機構(gòu)、上頂機構(gòu)、側(cè)封主推機構(gòu)、側(cè)封張緊機構(gòu)、推桿支撐機構(gòu)等,通過PLC進行控制。其中下壓、上頂及側(cè)封主推機構(gòu)由氣液增壓缸控制,具備預(yù)壓和增壓的功能,其余由氣缸控制,保證被測對象安裝到位以及密封性可靠等,產(chǎn)品通過針床與ECU直接對接,以便后續(xù)測試項目的展開。

圖6 工裝夾具結(jié)構(gòu)圖

運動加載模塊用于被測對象推桿動力的供給,由伺服電機、電機直線傳動機構(gòu)、位移和力傳感器構(gòu)成,電缸與傳動部分連接,帶動頂桿運動。其中力傳感器監(jiān)測輸入力,位移傳感器反饋推桿位移,可無級調(diào)速且加載速度和位移精確可調(diào),并能夠可靠鎖止,與上位機交互從而滿足不同測試項的不同加載需求。

測控氣路模塊包括測試氣路和控制氣路。主要測試氣路如圖7所示,根據(jù)測試項目需求設(shè)計,包括高壓管路、低壓管路、真空管路,以及測試所需的精密調(diào)壓閥、傳感器、檢漏儀等,滿足高低壓性能測試以及真空負壓測試需求;控制氣路通過閥的控制,從而控制測試氣路中的氣控閥以及控制氣缸運動。

圖7 測試氣路圖

CAN通信模塊采用高速、高容錯NI PCI-8512總線CAN卡,上位機測試軟件通過CAN通訊協(xié)議可實時與產(chǎn)品電子控制單元ECU通訊,實現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部電磁閥線圈動作邏輯控制與產(chǎn)品電缸控制,同時可實時讀取產(chǎn)品內(nèi)部反饋信號。

計算機控制與數(shù)據(jù)采集模塊由工控機、電路、高速數(shù)據(jù)采集卡、運動控制卡、供電系統(tǒng)、傳感器等組成?？刂朴嬎銠C采用研華工控機,數(shù)據(jù)采集卡采用NI PCI-6229板卡,通過對其AI、AO、DO通道的使用,可滿足系統(tǒng)高速實時、高精度的信號采樣要求;運動控制卡采用MPC08E板卡,實現(xiàn)對伺服電機的獨立控制;供電系統(tǒng)包括可編程電源、蓄電池、線性電源、開關(guān)電源等,以滿足供電需求。以軟件上位機觸發(fā)形式進行信號采集,且工控機PC通過PN交換機與PLC交互,并運用 TCP/IP 協(xié)議通訊,控制相關(guān)電磁閥實現(xiàn)對工裝氣缸的控制,從而實現(xiàn)不同需求。

2.3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分基于LabVIEW平臺開發(fā),采用模塊化編程,根據(jù)測試流程需要,通過節(jié)點調(diào)用相應(yīng)的子程序,從而滿足測試流程,達到測試目的[12],基本測試流程如圖8所示。

圖8 軟件測試流程圖

參數(shù)配置模塊針對測試臺系統(tǒng)參數(shù)以及測試中所需參數(shù)進行配置,包括參數(shù)的保存及讀取,通過調(diào)用設(shè)備參數(shù)全局實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置;信號采集模塊根據(jù)檢測需求對各類模擬量與數(shù)字量進行采集與控制;性能測試模塊配置是測試中的關(guān)鍵,包括具體的測試內(nèi)容,主要對測試項目的流程進行編輯,即調(diào)用任意子程序,實現(xiàn)測試目的并輸出結(jié)果;數(shù)據(jù)處理模塊存儲來自測試臺和被測產(chǎn)品的反饋數(shù)據(jù),從而處理成所需實驗數(shù)據(jù)及曲線,用于產(chǎn)品評定以及報表生成;通訊與控制模塊可實現(xiàn)對產(chǎn)品內(nèi)部以及臺架中的氣缸與電缸進行通訊與控制。

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3 測試結(jié)果分析

按照以上測試方案,對同一批次同一型號的集成式線控制動助力器進行檢測,具體測試數(shù)據(jù)和曲線分析如下。

3.1 制動主缸空行程與全行程測試

空行程測試曲線如圖9所示,表示推桿位移與進氣口流量的關(guān)系,可知隨著推桿緩慢向前移動,零點接觸后,由于受到彈簧阻力移動速度變緩,通氣導(dǎo)致流量急劇上升,隨著推桿繼續(xù)前移活塞過補償點,8.5 s時氣體流量由6 mL/min降至4 mL/min后繼續(xù)下降,表明推桿活塞過補償點開始建壓,此時推桿位移與零點接觸位移差值即為空行程;全行程測試曲線如圖10所示,設(shè)置推桿最大推力為250 N,當22 s推力達設(shè)置最大力時,即為全行程。

圖9 空行程測試曲線圖

圖10 全行程測試曲線圖

測試結(jié)果如表3所示,一腔空行程均值為0.78 mm,二腔空行程均值為0.88 mm,全行程均值為40.42 mm,測試結(jié)果均為合格。

表3 空行程全行程測試結(jié)果匯總表 mm

3.2 密封性及泄漏測試

制動主缸動密封性測試曲線如圖11所示,主缸推桿運動到20 mm,檢漏儀2充氣2 s,保壓3 s,后運動到30 mm再回退20 mm處,再次連接檢漏儀,測得泄漏平均值為1.01 mL/min;圖12為高壓密封泄漏測試曲線,首先提取高壓密封環(huán)境壓力,3 s后提取現(xiàn)有壓力值,差值即為所求,經(jīng)實驗得泄漏平均值為1.18 bar;被測產(chǎn)品整體外泄漏測試,2個檢漏儀同時充氣2 s,后穩(wěn)壓3 s,得到泄漏量平均值為24.06 mL/min。以上測試均符合測試要求,具體測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 密封性及泄漏測試結(jié)果匯總表

圖11 主缸動密封測試曲線圖

圖12 高壓密封泄漏測試曲線圖

3.3 電磁閥脈沖與氣密性測試

該測試項目按照電磁閥脈沖與氣密性測試流程進行測試,測試曲線如圖13所示,其中脈沖值通過傳感器采集壓力反饋,診斷閥先上電后斷電再上電脈沖測壓降,減壓閥、模擬閥、電缸隔離閥上電脈沖測壓降,主缸隔離閥先上電后斷電脈沖測壓降,增壓閥先上電后斷電脈沖測壓升;22～37 s進行氣密性測試,檢漏儀采集泄漏量,具體測試結(jié)果如表5和表6所示,均滿足測試要求。

表5 電磁閥氣密性測試結(jié)果匯總表 mL·min-1

表6 電磁閥脈沖測試結(jié)果匯總表 bar

圖13 電磁閥脈沖與氣密性測試曲線圖

3.4 帶儲蓄壺總成正負壓泄漏測試

該測試對象是帶儲蓄壺總成,真空檢漏儀和低壓檢漏儀分別建立通道進行測試,測試時間分別設(shè)置為10 s和5 s。表7為負壓測試結(jié)果,真空泄漏平均值為69.8 Pa,表8為正壓測試結(jié)果,氣壓泄漏平均值為7.29 mL/min,滿足技術(shù)要求。說明該帶儲壺總成真空密封性能以及正壓密封性能良好,利用氣壓和真空相互結(jié)合的方法更精準更全面,可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)液檢方法在產(chǎn)線上實際使用。

表7 負壓泄漏測試結(jié)果匯總表 Pa

表8 正壓泄漏測試結(jié)果匯總表

4 結(jié)論