制動主缸綜合性能測試系統設計＊

闕 飚 陸 藝 胡曉峰 羅 哉 范偉軍

（1.中國計量學院；2.杭州沃鐳科技有限公司）

1 前言

汽車制動主缸是液壓制動系統中的核心部件，為確保汽車行駛安全，制動主缸生產廠家在產品出廠前必須對其性能進行全面檢測。目前我國的制動主缸性能檢測設備多采用開環控制系統，普遍存在檢測精度低和檢測周期長等問題。國外進口的設備雖然檢測精度高、檢測項目全面，但其價格昂貴、維護成本高，不符合我國廠商的實際情況。

我國各科研機構對制動主缸氣密性檢測研究較多，但影響制動主缸性能的關鍵因素還有液壓特性等，故只針對氣密性進行檢測無法全面反映其性能[1]。為此，本文在研究制動主缸結構和工作原理的基礎上，參考汽車行業標準QC/T 311—2008《汽車液壓制動主缸性能要求及臺架試驗方法》，設計了一套測試項目全面的汽車液壓制動主缸綜合性能檢測系統。

2 制動主缸結構原理及測試項目

汽車制動主缸分雙腔串列制動主缸、柱塞式制動主缸和中心閥式制動主缸。由于中心閥式制動主缸應用廣泛，因此本文的測試系統主要針對中心閥式制動主缸的性能進行測試。

2.1 中心閥式制動主缸結構及工作原理

中心閥式制動主缸主體結構由第1活塞、供液腔、制動腔、回位彈簧和中心閥等組成，如圖1所示。

制動主缸在不工作狀態下，連接供液腔和制動腔的中心閥處于開啟狀態，供液腔和制動腔相互連通。當制動時，駕駛員踩下制動踏板，經真空助力器放大的制動踏板力推動主缸第1活塞運動，此時在復位彈簧作用下中心閥閥口間隙逐漸減小直至關閉，第1制動腔建立起工作液壓，制動液由排液孔泵入制動管路產生制動。第2制動腔建壓原理與第1制動腔相似。當汽車解除制動時，在第1回位彈簧和第2回位彈簧的共同作用下推動活塞回到原始位置，同時在控制銷的作用下使中心閥開啟，制動主缸恢復初始狀態，制動力解除。

2.2 汽車制動主缸性能測試項目

制動主缸性能測試系統設計原理如圖2所示，其綜合性能的檢測項目包括以下5項。

a.初始建壓行程測試。制動主缸初始建壓行程直接影響制動距離，其測試方法為:加載裝置推動第1活塞運動，當各制動腔分別建立起0.1 MPa工作液壓時，測量第1活塞移動的位移[2]。

b.輸出功能測試。輸出功能是制動主缸能否正常建立起工作液壓的一項重要指標，其測試方法為:加載裝置推動第1活塞運動，建立主缸最高工作液壓和一腔失效時的液壓狀態，同時計算機自動采集液壓傳感器數據并描繪出位移-壓力曲線。

c.密封性測試。密封性可分為真空密封性、液壓密封性、氣壓密封性三部分。真空密封性測試方法為:當關閉排液孔并從供液孔抽真空時，測量缸體30 s內壓力上升值；液壓密封性測量方法為:當主缸建立起最高工作液壓及130%最高工作液壓時，測量各制動腔5 s內壓力降；氣壓密封性反映了制動腔與供液腔之間的密封性，其測試方法為:加載機構推動第1活塞運動至設定行程5～12 mm位置，同時系統向排液孔充氣，測量各制動腔在10 s內壓力降。

d.無負載回程時間測試。回程時間是指主缸在無任何負載及外力作用下，第1活塞完全返回原位的時間，其測試方法為:加載裝置推動主缸活塞到達最大行程位置，此時關閉負載裝置進液孔，然后迅速撤銷加載力，測量主缸活塞在無任何其它限制條件下完全返回原位的時間。

e.壓差性能測試。

3 測試系統設計

根據測試項目并依據我國現階段汽車液壓制動主缸的生產狀況及產品技術要求，設計了全自動化測試系統，系統結構如圖3所示。

測試系統主要技術參數為:力測量精度為0.1%，氣液壓測量精度為0.3%，位移測量分辨率為0.1 mm，時間測量分辨率為0.01 s。

3.1 計算機測控系統設計

計算機測控系統由數據采集系統和運動控制系統組成。數據采集系統選用研華PCI-1711高精度數據采集卡，其擁有16路12位單端模擬量輸入通道，采樣速率為100 kHz，還有2路模擬量輸出通道和16路數字量輸入輸出通道[3]。在運動控制系統中,為模擬不同制動狀態下主缸推桿力的精確加載與快速釋放，選用了MPC08運動控制卡。MPC08卡采用先進的控制芯片，具有梯形升降速曲線，最高輸出頻率為4.0 MHz，適用于數字式交流伺服系統或閉環步進電機控制系統，同時可外接原點、減速、限位等開關信號，以實現回原點、保護等功能，這些開關信號由MPC08卡自動檢測并作出反映[4]。

3.2 真空子系統設計

真空子系統為檢測系統提供了準確的真空度，其構成如圖4所示。

在真空子系統中，選用極限壓力為0.06 Pa、抽氣速率為4 L/s的真空泵，可為系統提供穩定的真空度。利用電氣比例閥調節系統所需的真空度，二位二通電磁閥負責氣路的開啟與關閉。選用量程為-1～0 bar、測量精度為0.3%的真空傳感器對測試系統真空度進行精確采集。

當測量真空密封性時，首先將被測主缸裝配在檢測臺上，關閉排液孔，兩供液孔與真空子系統相連接。然后真空泵開始對系統抽真空，當缸體內部真空度達到設定值時切斷真空源，此時電磁閥4和電磁閥8關閉，穩壓后測量主缸內部壓力的上升值。

3.3 氣壓子系統設計

氣壓子系統主要用于氣壓密封性能測試及夾緊氣缸的運動控制，其構成如圖5所示。

在氣壓子系統中，通過氣源向儲氣罐進行充氣加壓，從而提供所需的氣壓值。利用電氣比例閥4調節測試系統輸入氣壓值，電磁閥負責氣路的開啟與關閉。調壓閥13通過調節夾緊氣缸的輸入氣體流量，實現了對氣缸推桿運動速度的控制。選用量程為0～9 bar、測量精度為0.3%的氣壓傳感器對系統氣壓值進行精確采集。

測試氣壓密封性時，首先將被測主缸安裝在檢測臺上，將兩排液孔與氣壓子系統相連接，打開氣源開關，向儲氣罐進行充氣加壓。然后電氣比例閥調節系統輸入氣壓至20 kPa，同時伺服加載機構推動主缸活塞至設定行程位置，關閉電磁閥6和電磁閥10。穩壓后測量制動主缸兩制動腔在10 s內的壓力降。

3.4 液壓子系統設計

液壓子系統用于對制動主缸輸出功能、無負載回程時間及液壓密封性等液壓特性進行測試，其構成如圖6所示。

在液壓子系統中，利用回油緩沖瓶向制動主缸補充制動液。選用量程為0～250 bar、測量精度為0.3%的液壓傳感器對制動主缸第1、2制動腔輸出的液壓進行精確測量。負載裝置主要用來替代實車中的制動輪缸，以實現液壓輸出及卸載的功能。選用最高工作壓力為350 bar、最大流量為120 L/min的液壓零泄漏閥，消除了因液壓泄漏對液壓性能測試的影響。

在制動主缸液壓性能測試開始前，先將制動主缸安裝在檢測臺上，啟動排氣注油程序對制動主缸進行排氣注油，排氣注油完成后再對制動主缸液壓密封性能、初始建壓行程、壓差性能以及無負載回程時間進行測試。

初始建壓行程測試流程為:伺服加載機構推動主缸活塞以0.5 mm/s的速度向前運動，計算機繪出第1、2制動腔輸出液壓隨輸入位移變化曲線，并分別記錄主缸各制動腔建立起0.1 MPa液壓時活塞移動的位移。

液壓密封性能測試流程為:伺服加載機構推動主缸活塞向前運動直至主缸建立起最高工作液壓，保持推桿位置不變，穩壓5 s后測量主缸各制動腔在30 s內的壓力降。

壓差性能測試流程為:伺服加載機構推動主缸活塞以3 mm/s的速度向前運動，液壓傳感器測量各制動腔輸出液壓值，當某一腔液壓到達5.0 MPa時，分別記錄兩制動腔輸出液壓值，兩者差值即為緩加壓壓差。然后液壓零泄漏閥3、4開啟，制動液回流至回油緩沖瓶，伺服加載機構快速推動主缸活塞，使制動腔以25 MPa/s的速率上升，測量當主缸兩制動腔中有一個建立起13.0 MPa液壓時兩制動腔的壓力差值，此值即為急加壓壓差。

4 測試結果及分析

利用設計的測試系統對某汽車中心閥式制動主缸性能進行測試，將測試數據與汽車行業標準QC/T311—2008及廠家的技術指標進行對比分析。根據《測量不確定度評定與表示》（JJF 1059—1999）中不確定度的定義及評定要求，對各測試項目進行不確定度評定[5]。

4.1 制動主缸液壓性能測試結果分析

制動主缸初始建壓行程測試結果如圖7所示。圖7中曲線1和曲線2分別表示第1制動腔、第2制動腔的輸出液壓與第1活塞位移之間的關系。測試軟件自動標出各制動腔在建立起0.1 MPa工作液壓時第1活塞移動的位移特征點，分別用Smin1（第1制動腔初始建壓行程）和Smin2（第2制動腔初始建壓行程）表示。

緩加壓壓差性能測試結果如圖8所示。圖8中曲線1和曲線2分別表示第1制動腔、第2制動腔的工作液壓與第1活塞位移之間的關系。測試軟件自動獲取當兩制動腔中的某一腔達到5.0 MPa工作液壓時兩制動腔的壓力差值。

急加壓壓差性能測試結果如圖9所示。圖9中曲線1和曲線2分別表示第1制動腔、第2制動腔工作液壓與加載時間的關系。測試軟件自動獲取兩工作腔中的某一腔建立起13.0 MPa工作液壓時兩制動腔之間的壓力差值。

由表1性能測試數據可知，制動主缸的測試結果符合標準要求。

表1 測試特征值

4.2 密封性測試結果分析

對制動主缸的真空密封性、氣壓密封性和液壓密封性分別進行測試，測試結果如表2所列。表2中Vp為真空密封性測試值，Ap1、Ap2分別為第1制動腔和第2制動腔的氣壓密封性測試值，Hp1、Hp2分別為第1制動腔和第2制動腔的液壓密封性測試值。由表2可知，被測制動主缸密封性能符合標準要求。

表2 密封性測試結果

4.3 測試結果的不確定度分析

測量重復性引起的不確定度用A類方法評定，傳感器、數據采集卡、機械結構設計誤差等引起的不確定度用B類方法評定。

A類不確定度計算式為:

式中，xk為單次測量的特征值；s（xk）為測量標準差；uA為A類標準不確定度。

合成標準不確定度uc（y）由各影響因子測得值xi的測量標準不確定度uxi合成求得，即

式中，f為被測量y與測得值x之間的函數關系；?f/?xi為靈敏系數，表示測量值xi變化對被測量y的影響程度；uxi為由A類方法或B類方法評定的標準不確定度。

4.3.1 初始建壓行程測量不確定度

重復進行10次初始建壓行程測量，測量結果見表3（只列出第1制動腔初始建壓行程Smin1）。

表3 初始建壓行程測試數據

將表 3的測試結果代入式 （1）和式（2），計算得到測量標準差us=0.1523 mm，則由測量重復性引起的標準不確定度分量 u（Smin1）=us=0.1523 mm。

位移傳感器的標準不確定度分量由標定報告得到，即u（s）=0.1999 mm；數據采集卡的標準不確定度分量u（ss）=0.0748 mm；機械結構設計誤差引起的標準不確定度分量u（ms）=0.0796 mm。

則第1制動腔初始建壓行程合成標準不確定度為:

計算可得uc=0.2740 mm。

取置信概率P=95%，查t分布表得包含因子k=2，則擴展不確定度U為:

計算得U=0.5480 mm。

4.3.2 其它項目測量不確定度

對其它測試項目進行不確定度評定，結果如表4所列。不確定度分析結果表明，在現有條件下，各測試項目的試驗結果在一定置信度下的置信范圍是可被接受的。

表4 其它測試項目不確定度評定結果

5 結束語

設計了一套制動主缸綜合性能測試系統，該系統是基于機、電、液、氣及計算機控制一體化技術的綜合測試系統，其檢測精度高、系統實時性強，可對制動主缸的8項性能全面檢測，完全符合汽車行業標準以及制動主缸生產廠家的產品性能檢測需求。測試結果表明，該系統結構設計合理，設備安全可靠，測試數據合理有效，可很好地對制動主缸性能進行評價。

1 張津津，馬朝永，等.差壓檢測法在汽車制動主缸氣密性檢測中的應用.機械設計與制造，2007（5）:116～118.

2 QC/T 311-2008.汽車液壓制動主缸性能要求及臺架試驗方法.2008.

3 陸藝，郭斌，等.基于高速數據采集的離合器踏板特性測試系統.汽車技術，2011（9）:48～51.

4 金浪濱，陸藝，等.真空助力器性能在線檢測系統的研究.汽車技術，2012（5）:50～53.

5 JJF1059—1999測量不確定度評定與表示.北京:中國計量出版社，1999.