工程車全液壓制動系統性能試驗臺設計

姜文平, 張振東, 王小燕, 胡 波, 石楠楠

(上海理工大學機械工程學院,上海 200093)

工程車全液壓制動系統性能試驗臺設計

姜文平, 張振東, 王小燕, 胡 波, 石楠楠

(上海理工大學機械工程學院,上海 200093)

為了對全液壓制動系統的動態響應特性及制動壓力輸出特性進行精確檢測,設計了一套由供油、主體、制動器及測控4個模塊組成的全液壓制動系統性能試驗臺,為滿足充液閥和制動閥高低溫試驗空間的要求,主體模塊的結構布置力求緊湊.另外,基于LabVIEW平臺構建了制動系統參數檢測與控制模塊,并開發了一套制動踏板驅動機構及其反饋控制算法,實現了制動踏板運動過程的編程控制以及相關測試數據的自動化采集處理等功能.實驗表明,該試驗臺可對不同溫度和不同工況條件下的制動系統動態響應特性及制動壓力輸出特性等關鍵性能進行自動化精確檢測.

工程車;全液壓制動系統;動態響應特性;壓力輸出特性;試驗臺

全液壓制動系統以其優越的性能及較高的可靠性被國外工程車輛廣泛采用.與國內應用較多的氣液制動系統(俗稱“氣頂油”)相比較,該系統具有回路簡單、結構緊湊、制動迅速及易于維護等特點.因此,為了提高控制系統的性能和控制精度,從“氣頂油”到全液壓制動,是工程車輛制動系統的發展趨勢[1-3].

當前,全液壓制動系統的生產、檢測方面的核心技術主要由美國MICO、德國Rexroth等公司所壟斷[4].為形成自主研發及配套能力,國內一些高校和相關企業對全液壓制動系統進行了技術攻關.但由于產品性能檢測手段不健全,評價方法不科學,在產品設計、生產、檢測等各個環節均缺乏規范性指導,造成產品質量與國外同類產品相比尚存在較大差距,主要表現在:壓力控制不精確、動態響應滯后、閥件保壓性能差等方面.因此,開發高性能全液壓制動系統試驗臺,實現制動性能的自動化檢測和科學評價,對于推動全液壓制動系統關鍵部件的自主研發具有重要的現實意義.

本文在分析全液壓制動系統工作原理的基礎上,開發了一套制動系統性能自動化檢測系統,實現了不同工況下制動系統動態響應特性以及制動壓力輸出特性等關鍵性能的精確檢測,可為全液壓制動系統及其關鍵部件性能的試驗評價提供可靠依據.

1 全液壓制動系統工作原理

如圖1所示[5],全液壓制動系統主要由液壓泵、充液閥、制動閥、蓄能器以及油箱、過濾器、制動器等部件組成.

圖1 全液壓制動系統布置圖Fig.1 Layout diagram of full hydraulic braking system

液壓泵在電機的驅動下為系統提供動力源,蓄能器用于存儲制動能量.充液閥和制動閥是制動系統中的兩個核心部件.

充液閥的作用相當于一個壓力開關,其動作由蓄能器壓力決定.當蓄能器壓力低于規定的壓力下限時,充液閥中的單向閥開啟,來自液壓泵的壓力油經充液閥向蓄能器充液;當蓄能器壓力達到規定的壓力上限時,單向閥關閉,蓄能器充液過程停止,在單向閥的作用下,蓄能器壓力維持不變.

制動閥相當于一個受踏板行程控制的開關閥,當踩下制動閥踏板并消除預行程后,制動閥將蓄能器輸出口與前后橋制動器壓力輸入口接通,壓力油經蓄能器傳輸至前后橋制動器,從而實現工程車輛的有效制動.

2 全液壓制動系統試驗臺結構方案

試驗臺主要設計要求:a.實現充液及制動過程動態響應特性、壓力輸出特性等的自動測試;b.實現踏板力、踏板轉角、不同測點壓力及溫度的精確檢測以及制動踏板運動過程實現程序控制;c.采用模塊化設計,主體模塊各部件布置緊湊,滿足-40～80℃高低溫實驗場合測試要求;d.測試界面美觀,具有良好的人機交互功能.

依據上述要求并參考GB 12676-1999《汽車制動系統結構、性能和實驗方法》等標準,制定試驗臺結構方案如圖2所示.

圖2 試驗臺結構示意圖Fig.2 Structural diagram of test bench

整個測試系統由供油模塊、主體模塊、制動器模塊及測控模塊4個部分組成.其中,供油模塊包括油箱、液壓泵、電機、溢流閥以及濾清器等部件,為系統提供具有一定壓力的清潔液壓油;主體模塊包括充液閥、蓄能器、制動閥等部件,集成在同一個平板支架上,以減小體積并適應高低溫試驗箱有限容積的需要;制動器模塊包括前后橋4個制動器,用于模擬剎車輪轂;測控模塊由各種傳感器、踏板驅動器、數據采集卡、工控機及測控界面所組成,工控機通過數據采集卡檢測各傳感器信號,按預定要求對踏板動作進行控制,控制界面對各種數據進行運算、顯示、存儲或輸出等操作.

3 制動踏板驅動機構

在全液壓制動系統工作過程中,車輛的制動過程由司機腳踩制動踏板完成.由于踏板的實際操作過程存在多樣性的特點,而且需要適應高低溫試驗箱內特定場合試驗操作的需要,因此,常規的腳踩踏板動作方式已不能滿足多樣性的試驗要求,需要專門設計踏板驅動機構以實現踏板運動過程的靈活控制.

基于以上要求和考慮,本系統中的制動踏板驅動機構采用了由大扭力舵機帶動四桿機構的結構形式,整個機構由舵機、搖臂、兩根連桿、壓桿、踏板力傳感器等部件組成.舵機轉動時帶動搖臂旋轉,連桿的兩端分別與搖臂和壓桿鉸接,壓桿與固定在踏板上的踏板力傳感器貼靠在一起,隨著搖臂的轉動,壓桿通過踏板力傳感器帶動踏板轉動.另外,在踏板轉軸上安裝了一個轉角傳感器,以實現踏板轉角的檢測.踏板驅動機構的原理圖和實物如圖3所示.

圖3 制動踏板驅動機構Fig.3 Pedal driving mechanism

舵機選用了180 kg/cm耐高低溫、大扭力舵機,其最大轉速可達到120(°)/s(24 V),通過上位機向舵機驅動電路發送控制信號,可實現舵機轉速以及踏板轉角的精確控制,角度控制精度可達到0.32°,完全滿足0.5°的角度控制誤差要求.

4 測控模塊設計

4.1 硬件結構

硬件部分由各種傳感器及信號調理電路、數據采集卡、輸出驅動電路以及工控機5部分組成,硬件電路結構如圖4所示.

圖4 硬件電路結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the hardware circuit

在系統中布置了4組溫度和壓力傳感器,用于檢測4個不同關鍵測點的溫度及壓力變化情況,在踏板制動閥上還安裝了踏板力傳感器和踏板角度傳感器.角度傳感器是踏板控制的重要元件,選用了WDD35D4型角位移傳感器,精度達到0.25%FS;壓力及溫度檢測分別選用了南京高華MB300型壓力變送器及GW200溫度變送器,其精度均達到0.5% FS;踏板力傳感器選擇博通TH4805型踏板力傳感器,精度為0.2%FS.由于該傳感器的輸出電壓幅值較小,為了實現傳感器輸出與數據采集卡的匹配,系統中配置了一個力敏放大器.上述傳感器信號經過信號調理電路進行濾波等處理后轉變成電壓信號輸入數據采集卡.

選用研華公司PCI1710U型數據采集卡對12路傳感器信號進行采集,最高采樣頻率為100 kS/s,可完全滿足數據采集需要.控制界面對檢測的傳感器信號進行運算處理后,完成數據的顯示、存儲以及油門踏板的控制操作.

4.2 測控軟件

測控軟件基于LabVIEW軟件環境開發[6],主要實現數據采集、數據后臺處理與存儲、前面板顯示以及控制信號輸出等功能.

軟件依據設定的踏板角度、速度和踩踏次數向踏板驅動器輸出相應的控制信號,使踏板到達指定的下壓角度和完成預定的踩踏次數.測試開始前需對角度傳感器進行初始化標定,以消除傳感器零點漂移產生的測量誤差.踏板角度控制通過角度傳感器信號的反饋控制實現,并采用PID算法提高踏板角度的控制精度,測控軟件流程圖如圖5所示.

圖5 LabVIEW測控軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the Lab VIEW program

整個軟件可分為動態響應特性測試和制動性能測試兩部分.動態響應特性測試界面(圖6(a))借助DAQNavi模塊顯示傳感器數據,對系統整體運行狀態進行實時監測,并用于測試系統充液特性及單次充液后安全制動次數;制動性能測試界面(圖6(b))測試踏板力、踏板角度與制動壓力關系.

圖6 測控軟件前面板Fig.6 Interface of the software

5 系統功能驗證

為了對系統功能進行驗證,本文選用與10 T裝載機配套的某型全液壓制動系統為對象進行實驗測試,液壓制動系統主要參數如表1所示.

系統中配置的液壓泵額定供油壓力為20 MPa,流量為32 mL/r;配套電機功率為7.5 kW,額定轉速為1 470 r/min;蓄能器容積1.6 L,充液壓力為17.5 MPa;選用了壓力可調式溢流閥維持油泵出口油壓一定,最大溢流壓力為20 MPa.

5.1 液壓制動系統動態響應特性

系統中蓄能器壓力范圍由充液閥控制.充液閥工作過程分為充液和保壓兩個階段,由閥體中的控制閥控制其充液上下限.系統充液時間、一次充液后安全制動次數以及蓄能器壓力控制范圍是評價液壓制動系統動態性能的重要指標[7-8].

實驗在常溫(20℃)下進行,分別進行多次充液過程和制動過程實驗,系統動態響應特性測試結果如圖7所示.充液過程中,蓄能器壓力p由低于11.4 MPa上升至13.8 MPa后充液停止,充液時間為7 s.此時,踏板驅動器開始以勻速反復進行完全制動,制動過程中蓄能器壓力p由13.8 MPa開始呈階梯型下降至11.4 MPa.制動過程中曲線的每個階梯表示踏板完成一次完全制動,可見每個制動過程完成的完全制動次數均為11次.3項測試指標均與系統中該充液閥標定范圍一致,表明測試系統能夠真實再現制動系統的動態響應過程.

圖7 充液閥的動態響應曲線(20℃)Fig.7 Dynamic response curves of the charging valve(20℃)

5.2 制動壓力輸出過程

制動閥的工作過程分為空行程、制動和閥芯復位3個階段[9].踏板角度α與制動壓力的關系是評價系統制動壓力輸出性能的關鍵指標.

實驗在高低溫試驗箱中進行,在-40℃下制動壓力p1輸出過程如圖8所示.踏板在0～13.5°為空行程,此階段制動壓力輸出較小,無制動效果.踏板到達13.5°后,制動壓力p1隨踏板角度α增大而呈線性上升.對制動行程階段數據進行最小二乘法曲線擬合,得到擬合函數如圖8所示.在踏板到達行程終點時,制動壓力p1達到最高5 MPa.實驗結果與產品標定值一致,且制動壓力輸出表現平穩,表明系統踏板角度與制動壓力具有良好的輸出關系.

5.3 踏板力與制動壓力的關系

制動閥制動踏板不僅是制動閥的控制開關,同時也需要其將制動力反饋給駕駛員,便于駕駛員對制動力進行控制.因此,踏板力F必須與制動壓力p1具有良好的線性關系[10-11].本實驗以測試踏板

力F與制動壓力p1的關系為測試目標,由制動性能測試程序完成測試.

80℃環境下踏板力與制動壓力關系曲線如圖9所示.在踏板空行程階段,踏板力F增大,制動壓力p1基本不變;踏板越過空行程后,踏板力F繼續增大,制動壓力p1隨之增大.從曲線中看出踏板力F與制動壓力p1具有良好的線性關系,表明該制動閥制動壓力反饋性能良好.

圖8 踏板角度與制動壓力關系曲線(-40℃)Fig.8 Relation curve of the pedal angle and braking pressure(-40℃)

圖9 踏板力與制動壓力關系曲線(80℃)Fig.9 Relation curve of the pressure and brake pedal force(80℃)

6 結 論

a.基于模塊化設計理念開發了一套全液壓制動系統性能測試試驗臺.試驗臺可以實現制動系統動態響應特性以及制動壓力輸出特性的測試功能.

b.基于LabVIEW軟件環境開發了一套可實現自動化檢測的試驗臺測控軟件.軟件實現了測試過程的高度自動化和規范化,提高了檢測準確度.

c.通過實驗驗證,試驗臺對制動系統性能測試達到了預期要求.該試驗臺的建立實現了全液壓制動系統關鍵部件性能的精確檢測和科學評價,對于推動全液壓制動系統的自主研發具有指導意義.

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(編輯:丁紅藝)

Test Bench Design for Full Hydraulic Braking System of Construction Vehicle

JIANGWenping, ZHANGZhendong, WANGXiaoyan, HUBo, SHINannan
(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

In order to measure the dynamic response characteristics and braking pressure output characteristics of a full hydraulic braking system accurately under different working conditions,a test bench was designed using the modular design method.The test bench was consisted of four modules,namely the oil supply module,the main module,the brake module and the measurement and control module.The main module was arranged compactly to meet the requirements of high and low temperature tests.A pedal driving mechanism was designed to drive and control the motion of brake-pedal.The measurement and control module was developed based on LabVIEW,in which a feedback control was used to improve the precision of the pedal driver and realize the automatic data acquisition and management.The results show that the pedal driving mechanism can work normally at different temperature and the measurement and control system has an efficient and automatic test performance to analyze accurately the dynamic characteristics and braking pressure output characteristics of full hydraulic braking systems under different working conditions.

construction vehicle;full hydraulic braking system;dynamic response characteristic; braking pressure output characteristic;test bench

TH 137.7

A

1007-6735(2015)05-0467-06

10.13255/j.cnki.jusst.2015.05.010

2014-06-03

上海市科技興農重點攻關項目[滬農科攻字(2012)第5-4號]

姜文平(1988-),男,碩士研究生.研究方向:汽車發動機電控.E-mail:jiangwenping1988@gmail.com

張振東(1968-),男,教授.研究方向:汽車發動機電控.E-mail:usstzzd@126.com