氣壓防抱死制動系統調節器動態特性試驗研究

蔣 強 羅 宏 林 樺 孟偉勛

(重慶理工大學汽車學院1，重慶 400054;重慶聚能汽車技術有限公司2，重慶 400043)

0 引言

汽車防抱死制動系統(anti-lock braking system，ABS)在車輛制動系統中已得到廣泛應用，它提高了車輛制動時的方向穩定性，也保證了汽車的安全制動[1]。氣壓ABS作為ABS的子類，其工作可靠性主要取決于制動壓力調控的準確性及迅速程度，這對制動系統的關鍵部件——調節器提出了極高的要求。調節器的性能直接影響氣壓ABS產品的質量和可靠性。

國外在氣壓ABS模型設計參數等一系列核心技術方面執行嚴格的保密制度。而在我國，雖然氣壓ABS產品已有一定市場，但由于大部分廠家仍處在簡單的仿造階段，其設計水平、制造工藝和檢測技術水平的落后，導致產品的可靠性低、故障率高，從而無法進入高端產品市場。究其原因，主要是沒有成熟的產品檢測與試驗方法及設備，不能為氣壓ABS產品設計制造提供理論基礎及試驗數據分析方面的支持。本文從氣壓ABS產品的評價方法入手，建立并對調節器制動氣室充放氣的微分方程進行了仿真，提出一種新的試驗方法，并運用開發的系統檢測軟件進行試驗分析，彌補了路試對調節器檢測的不足，為后期ABS控制器單元(electronic control unit，ECU)匹配設計奠定基礎[2]。

1 氣壓ABS性能評價指標

氣壓ABS動態試驗尚沒有統一的標準，當前國內外主流評價標準分為基于附著系數利用率和基于抽動距離這兩種[2]。氣壓ABS調節器的工作原理是通過ECU控制膜片式電磁閥的開關動作及時間，控制制動氣室的進氣與排氣，實現其壓力的增加、減小和保持。氣壓ABS動作狀態如表1所示。

表1 氣壓ABS動作狀態Tab.1 The action states of pneumatic ABS

對于氣壓ABS制造商而言，如何評價氣壓ABS的性能成為保證產品質量的重要措施之一，且氣壓ABS性能評價指標是保證所提供的產品對整車防抱死制動系統可靠性的一項重要技術指標，也是指導開發調節器動態性能檢測系統的重要參考依據[3－5]。

氣壓ABS性能評價可從ABS調節器的靜態特性與動態特性試驗出發，對比各項性能參數。通過ABS調節器靜態特性的測試，判斷ABS調節器的最大壓力、升壓速率、降壓速率、絕緣特性、調節器線圈工作電阻值等參數以及調節器的密封性，從而確認氣壓ABS的基本性能是否滿足相應的設計技術指標。

動態特性能真實反映調節器工作過程中的性能特性，通過測試，可為氣壓ABS系統的控制器設計奠定基礎。氣壓ABS的壓力動態特性主要受膜片式電磁閥和制動氣室等主要部件的動態特性的影響[5]。由于充放氣的過程極短，假設充放氣過程絕熱及調節器等效為收縮噴管，根據理想氣體狀態方程和氣體瞬時流量方程，制動氣室的壓力與流量方程為[6－7]：

式中：p為壓力，Pa;Qm為體積流量，m3/s;R0=287.1 J/kg·k，為普適氣體常數;T0=313 K，為制動氣室內的絕對溫度;V為制動氣室容積(10－3m3);A為制動氣室入口面積(增壓)或出口面積(減壓);k=1.4，為絕熱系數;δ為入口上流壓力p1與制動氣室壓力p2之比(增壓)或制動氣室壓力p2與出口壓力p3之比(減壓)。由于入口或出口截面需保持臨界狀態，根據流體動力學原理[6]，將氣體的瞬時流量以臨界壓力比作為分界點，計算氣體瞬時流量，所以式(2)可寫成：

由理想氣體狀態方程可得：

對式(4)求導，并結合式(1)和式(3)，可得制動氣室充放氣動態特性微分方程為：

2 試驗方法

以氣壓ABS性能評價指標作為指導，確定其基本性能指標、靜態及動態指標的試驗方法。合理的測量方法不僅能保證獲取可靠的氣壓ABS性能試驗參數，也可為后期產品ECU開發提供可靠的技術支持。由于試驗系統的復雜性，測量方法的研究主要涉及試驗系統的測量原理、電氣參數特性、數據采集和數據處理等問題。

氣壓ABS調節器相當于一個復雜的非線性系統，它主要包括電磁系統、機械系統和氣壓系統等。當調節器工作時，各系統參數不斷發生變化，輸入的能量以不同形式變化傳遞。因此，確定合理可靠的參數檢測方法有助于判斷產品是否合格，性能指標是否滿足要求[7]。

基本性能指標的測試方法是在調節器的入口與出口設置測試點，檢測靜態增壓與靜態減壓條件下壓力的大小;調節器的絕緣電阻、控制線圈電阻和最大電流等參數的測試則采用專用測試儀器——絕緣電阻測試儀及精密萬用表。密閉性的檢測方法有干式和濕式兩種檢測方法。由于濕式檢測方法受人為因素影響，所以本文采用檢測方便、效率高的干式檢測法來實現調節器的氣密性檢測。氣密性分為增壓密閉性、保壓密閉性和減壓密閉性。在額定壓力下，保壓5 s，按調節器的三種工作狀態分別測試10 s，當壓力變化＜50 Pa/s時，表示調節器氣密性合格。

調節器內的氣體流動具有非定特性，動態測試能夠準確及時地確定制動氣室內壓力的瞬時值及其隨時間而變化的量值。為獲得制動氣室壓力變化的準確性，以便為ECU設計提供依據，試驗中采用頻譜分析和波形分析進行動態數據處理，兩者之間可通過傅里葉變換相互轉換。根據《機動車和掛車防抱制動性能和試驗方法》和《機動車運行安全技術條件》等技術標準[8]，動態特性試驗分為增壓動態特性試驗、減壓動態特性試驗和PWM循環動態特性試驗[9－12]。

3 試驗結果與分析

試驗對象為聚能氣壓ABS調節器，型號為JN144FB，調節器工作時的額定壓力為0.7 MPa，額定電壓為24 VDC，并采用相應的測試軟件和測試儀器(如萬用表、絕緣電阻測量儀、壓力調節器專用檢測試驗臺)完成氣壓ABS調節器的靜動態試驗。

3.1 靜態特性試驗

通過對氣壓ABS調節器靜態參數的測試，獲得調節器承受的最大壓力為1.3 MPa，電磁線圈電阻平均值為14.8 Ω。當調節絕緣電阻儀的測試電壓值大于500 V時，線圈電流小于5 mA;排氣降壓后，排氣口的壓力p≤0.01 MPa。制動氣室增減壓的靜態特性曲線如圖1所示。

圖1 靜態特性曲線Fig.1 Curves of static characteristics

氣壓ABS調節器的密封性用干式法檢測。結果表明，在常溫下，調節器氣壓達標后，當未進行制動時，壓降≤10 kPa;當制動板被踏到底且穩定以后，壓降≤20 kPa。

3.2 動態特性試驗

本文將氣壓ABS調節器的動態特性試驗分為增壓特性試驗、減壓特性試驗和動態循環試驗三類。氣壓ABS系統動態響應特性直接影響制動系統的控制品質，而調節器的動態特性試驗是一種真實反映實際工作狀態的試驗方法。

氣壓ABS調節器增減壓的動態特性曲線如圖2所示。

圖2 動態特性曲線Fig.2 Curves of dynamic characteristics

動態循環試驗的參數設置如下：卸壓次數為8次，卸壓時間為40 ms，卸壓保持時間為80 ms，長卸壓時間為400 ms;加壓次數為13次，加壓時間為40 ms，加壓保持時間為80 ms;循環周期為120 ms。動態循環試驗曲線如圖3所示。

圖3 動態循環試驗曲線Fig.3 The dynamic circulated experiment curve

試驗結果表明，動態循環增減壓過程與動態特性仿真過程趨勢基本一致。根據氣壓ABS調節器的工作原理及特性要求，測試以下參數來判斷產品是否合格。由試驗仿真可知，最大壓力為0.91 MPa，最小壓力為0.02 MPa;第 4 次加壓壓差為 0.05 MPa，加壓延時為13 ms，第4次卸壓壓差為0.08 MPa，卸壓延時為24 ms，第8次卸壓壓力為0.26 MPa，第13次加壓壓力為0.69 MPa均分布在規定區間，產品合格。

4 結束語

本文根據氣壓ABS調節器(JN144FB型號)的性能評價方法及工作原理，建立了調節器制動氣室充放氣動態特性微分方程。以性能評價參數為指導，分別提出了性能指標參數和動態特性參數的試驗測試方法，并進行仿真與試驗分析。試驗結果表明，所獲得的數據能作為準確評價氣壓ABS調節器的性能的依據，為ECU設計提供參考，并驗證了此試驗方法的可行性，該方法在ABS性能試驗中有一定的推廣價值。

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