一種電子油門踏板耐久性及性能試驗裝置的研制

摘要: 針對國際同行對電子油門試驗要求，研制了一種性能穩定可靠的電子油門踏板耐久性及性能試驗裝置。此裝置采用單作用氣缸作驅動力，PLC調整運動周期進行耐久性考核，用非接觸式角度傳感器和高速率數據采集卡進行性能測試，滿足了國內外最苛刻通行綜合技術要求，已通過試驗考核并投入使用。

關鍵詞: 電子油門； 耐久性； 性能測試； 氣動控制； 低成本

中圖分類號：U467.5+23 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）02-0067-04

An Auto Electronic Accelerator Pedal Test-equipment’s Manufacture

XI He-feng，BAI Song-qi，ZHANG Qi-feng，DING Ji-xian

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL ，Wuhan 430056，China ）

Abstract：According to the test requirement of electronic accelerator pedal from International Industry， it developed a stable and reliable electronic accelerator pedal experimental device. This device is used to test the durability and performance of the electronic accelerator pedal and it used a single acting cylinder for driving force. PLC adjusts the movement cycle to check the durability and the performance is tested by non-contact angle sensor and high speed data acquisition card. The device has met all kinds of common technology demands from home and abroad，and it has passed the assessment test， and then put into use.

Key words：electronic accelerator；durability；performance test；pneumatic control；low cost

隨國Ⅲ排放全面實施，電子油門成為車輛標配，是電噴系統和車輛安全最重要的部件之一［1］。中國作為全球最大汽車市場在電子油門產品開發和試驗手段上仍處弱勢。為市場安全需求和產品研發水平的提高，具有自主知識產權電子油門踏板測試系統的研制迫在眉睫。

經過精心策劃建造調試，我們自主研發的電子油門耐久性及性能試驗系統建成并通過考核試驗。經對十幾處技術細節巧妙設計和精確論證，使其具有易用性、耐用性、低功耗、低噪音等特點，美觀大氣造型新穎，可做到無人值守。模塊化結構通用性、設計可擴展性極強，低運行成本和易維護保養非常適合現代汽車電氣試驗室使用。本試驗裝置綜合性能指標國內領先，試驗運行成本國內最低。

1 項目背景及開發目標

1.1 國內外現狀描述

汽車踏板裝置相關行標對耐久性試驗規定為200萬次［2］，但作為應與車輛等壽命的安全件，行業上開發試驗和產品型式試驗普遍參考德國標準和眾多國際主流電子油門跨國生產企業的廠標［3］，將耐久性試驗定位于1 000萬次。

國內外同行，有采用電液伺服系統配工裝夾具開發踏板耐久性試驗設備；有采用電動機作動力拉索傳動方式完成試驗；或采用電機和復雜同步機構，存在試驗費用過高（一輪十幾萬至幾十萬支出）、動能損耗大、振動噪聲大、設備成本過高、通用性差等問題。行業內缺乏實用的耐久性及性能試驗系統，相關國標制定缺乏硬件設備支持。

1.2 設計要求

根據試驗條件及需求，對新研制試驗裝置制定如下技術要求：

1）便于試驗時間參量變更，主控系統為可編程控制器。

2）能調整踏板驅動力，循環頻率、氣缸運動速度可調，能達100次/分。

3）性能測試直接在電腦上生成樣件特性曲線，可打印、存儲、回放。

4）同時能進行三件樣品的試驗［4］，且踏板運行能單獨控制。

5）實現多種不同安裝方式樣件兼容，換裝夾具或附件快速簡便。

6）模塊化設計，方便進行高低溫濕度（三綜合）試驗擴展。

7）運行平穩，無明顯振動，噪音小于70 dB。

8）能晝夜連續可靠運行，實現低壓保護、自動監控，可無人值守。

9）系統可靠性1000萬次以上。

2 裝置總體設計

2.1 裝置組成及結構

系統組成如圖1所示。

圖1 系統結構

本裝置分為耐久性測試和性能測試兩個部分。

耐久性測試采用壓縮空氣作動力源，巧妙降低能耗成本，且氣壓傳動方式解決了其他采用電機、液壓傳動、凸輪等方式可能造成的功耗大、振動噪聲大、反應慢、難以實現保護、工作適應性差等弊端。運用氣缸活塞桿運動帶動曲柄使擺臂作圓弧往復運動來適應電子油門腳踏板操作動作，運動位置調整簡單。選用短行程、大截面、單作用氣缸作動力及低壓力工作氣源，氣缸采用垂直安裝，使耗氣量及沖擊振動減少，氣缸垂直運動摩擦阻力最低，運行安靜，延長使用壽命，有連續工作時間長維護量小的特點。將試驗驅動力調節轉化為系統氣壓控制。PLC程序輸出脈沖控制試驗頻率，調整三個樣件動作間歇，減小振動延長臺架壽命。

性能測試系統利用數據采集卡、角度傳感器、電子油門信號傳感器進行電子油門踏板輸出電壓、角度參數對應關系的檢測［5］，控制軟件（見圖2）在中文Windows操作系統下用DELPHI開發。只要配有USB接口的工控機或筆記本，均可作此試驗臺的性能試驗計算機控制系統?？芍苯釉陔娔X上生成樣件的特性曲線，可打印、存儲、回放進行分析。將電子油門和輸出電信號之間的精確關系直接在電腦上生成實物樣件的特性曲線，方便觀察和分析行程角和電信號之間的關系。將性能測試和耐久性測試結合，優化試驗設備，提高試驗效率。

圖2 性能檢測控制軟件

2.2 耐久性測試主體單元構造

裝置主體正面構造如圖3所示。主體架由鋼板制作的底板和12根并列垂直連接的鋁型材組成立面安裝板。三組相同電子油門踏板（試件）高低錯落地固定在立面安裝板上。直線運動轉換為擺動運動，由轉軸頭、轉軸座、轉軸聯接桿和擺臂機構組成，并通過轉軸座與立面安裝板固定，由制造保證使其旋轉中心與油門踏板擺動軸心在同一平面內，這樣完全固定時，只須調整其中某一部件的上下位置即可達到理想同軸。

圖3 主體單元的構造

氣缸下端與氣缸固定座相連，氣缸固定座固定在立面安裝板上，氣缸上端活塞桿與桿端軸承連接并用螺母鎖定，防止間距變化。

當軟管輸入壓縮空氣時，經過雙向速度閥的控制輸送到單作用氣缸下端氣口，活塞桿工作時，轉軸頭被桿端軸承推動作繞踏板中心的轉動，與轉軸頭相連的擺臂作弧形擺動。

擺臂端部在作用點安裝了擺動力傳遞機構，由螺桿式鉸鏈頭、L形座和鉸鏈式圓盤頭組成。鉸鏈式圓盤頭的活動鉸接作用，使其圓盤平面始終能隨從踏板面相貼合，模擬出人工腳踏操作狀態。

中間試驗工位有踏板擺角與電信號關系的性能測試功能，其角度傳感器通過安裝座可在位置調整桿上滑動并定位，可隨耐久試驗需求進行性能測試。位置調整桿固定在轉軸座側面，角度傳感器始終與轉軸聯接桿保持精確同軸，用波紋管軟傳動軸進行傳動連接。

2.3 氣動原理

圖4為氣動控制原理部分簡圖。打開電源和氣源，壓縮氣體進入三聯件，經空氣過濾器、減壓閥調制到系統需求輸入壓力范圍，經油霧器（因氣缸允許無潤滑油運行，為保持工作環境空氣潔凈，可以不加注潤滑油）后分兩路：一路氣體進入小型壓力開關（圖4“3”），小型壓力開關被設定在保護壓力值上，根據輸入氣壓大小決定PLC是否運行，實現氣壓過低保護；另一路經減壓閥（圖4“1”）第二次降壓到氣缸正常工作壓力范圍，進入集裝板輸入口。

在集裝板內氣體分為四路，其中三路分別進入對應的三個受控電磁閥輸入口，第四路經管接件后再分為三路，各輸送到六個手動按鈕閥輸入口（圖4“7”）。三個方向電磁閥受PLC控制，氣體通路按PLC循環程序分時段，交叉換向改變氣缸進氣或排氣，完成試驗循環程序。對應本裝置氣動系統負載率，試驗所需驅動力乘以比例系數通過對系統氣壓的調節來控制。

圖4 氣動控制原理部分簡圖

耐久性試驗時二位手動旋鈕閥默認置于自動狀態，從電磁閥送出受控氣體經雙向速度閥（圖4“6”）到對應氣缸（圖4“5”），氣缸按調定速度作自動進退運行。當氣缸行程需要與踏板位置作間隔調整或要觀察慢速動作時，可運用點動方式控制氣缸進退，此時將需調整工位的二位手動旋鈕閥置于手動狀態，二位手動旋鈕閥切斷主路氣口，將氣缸通路切換給控制點動的按鈕閥。這時按鈕閥與集裝板分支末端另一按鈕閥相結合，共同控制該氣缸點動慢進退運動。

2.4 耐久測試控制原理

圖5為耐久測試電氣控制原理部分簡圖。當試驗臺接通氣源，打開帶指示燈的電源總開關，控制系統上電初始化后處于待機狀態。開關電源所有輸出均為獨立通道，同時為PLC和性能測試角度傳感器供電。

閉合運行開關，控制系統通過壓力開關檢測氣壓，如氣壓不足，警示燈長亮，繼電器常閉端斷開，PLC中斷程序指令，系統待機；如氣壓滿足要求，警示燈閃爍，繼電器常閉端閉合，控制系統轉入正常運行狀態。

當突然斷電或用急停開關停止試驗臺運行時，整個系統掉電停止工作，所有電磁閥復位，電源總開關上指示燈指示此時試驗臺電源是否正常。

采用急停開關停車后再次運行前，先斷開運行開關，然后閉合急停開關及運行開關，PLC會立刻初始化轉入正常循環運行，計數器繼續累計計數。停電引起停車后電源重新上電時，控制系統可安全恢復到停電前狀態繼續運行，避免供電停電而造成試驗重復計數。

為氣動平穩、低噪音運行，三組工位受PLC不同控制單元指令交替循環運行。PLC脈沖占空比、周期依據試驗頻率需求而定，以此控制踏板運行速度。同時PLC判斷是否達到設定試驗次數，次數滿足設備停止運行。

3 成本及推廣價值

本裝置耐久性測試部分成本總計4萬元以內。性能測試部分成本6千元以內（電腦除外）。常溫下每分100次循環，三樣件同時運行，總累計1 000萬次的耐久性試驗，一輪耐久性試驗周期包括準備、試驗、結果報告總耗時90天為一個計算單位。其過程發生的主要成本：踏板夾具制作、試驗設備用電、試驗耗氣、試驗臺折舊費、人工費、管理費總成本在5萬元以內（1000萬次）。行業中因為油門踏板耐久性試驗特殊性和困難性，200萬次耐久性試驗成本在12萬元~40萬元不等。

若僅用本試驗臺來完成200萬次試驗只有當前行業成本的1/10左右，且存在材料成本、人工費大幅降低的可能，可產生積極可觀的經濟效益。

4 結束語

對汽車踏板裝置耐久性試驗的規定，行業標準與實際使用和考核測試現狀相比過低，相關國標缺失。當前現狀與試驗特殊性和困難性、成本代價極大、試驗周期極長有關。

本系統避免了同行繁雜的設計思路和高昂的試驗費用，以簡潔巧妙的方法解決了行業的難題，嚴謹實用，成本極低，能很好的滿足電子油門生產廠家的設計驗證需求和主機廠對電子油門的質量檢驗要求，耐久性綜合性能指標突破1 000萬次，可完全替代進口設備，極具行業推廣價值?？蓪⒃O計思想用于多種電子傳感器耐久及性能試驗裝置的開發，簡潔高效實用的設計思路具有行業借鑒意義。

參考文獻：

［1］ BOSCH公司.汽車電氣與電子［M］. 魏春源，譯.北京：北京理工大學出版社，2004.

［2］ QC/T 788-2007，汽車踏板裝置性能要求及臺架試驗方法［S］.

［3］ Tom Denton.汽車電氣與電子控制系統［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［4］ QC/T 413-2002，汽車電氣設備基本技術條件［S］.

［5］ 李坤，龔宗洋.懸掛式電子油門踏板功能試驗臺研制［J］.現代電子技術，2007，（24）:192-194.