汽車氣壓控制閥綜合性能檢測系統研制

范偉軍，姚富麗，郭 斌，楊維和

（1.中國計量大學計量測試工程學院，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）

汽車氣壓控制閥綜合性能檢測系統研制

范偉軍1，姚富麗1，郭 斌2，楊維和2

（1.中國計量大學計量測試工程學院，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）

依據汽車行業標準設計汽車氣壓控制閥綜合性能檢測系統，完成2路供氣回路、3路氣壓控制回路、5路出氣負載回路的測試管路設計，可滿足商用車制動系統氣壓控制閥性能測試的氣路控制要求；完成伺服電機驅動的直線與旋轉加載機構設計，滿足制動總閥、手閥的靜特性測試加載要求；設計基于低摩擦氣缸的動特性加載機構，滿足氣壓控制閥的動特性測試加載要求；設計基于研華PCI1716的數據采集控制系統，可滿足3路模擬量輸出、40路數字量輸出、12路模擬量輸入的數據采集控制要求。對檢測系統進行測試實驗，600 s內系統密封性＜0.6 kPa，標準差＜0.07 kPa；干燥器切斷壓力均值為745.16 kPa，回座壓力均值為620.25 kPa，回流壓力均值為59.40 kPa，標準差＜1.7 kPa；四回路保護閥開啟壓力、保護壓力、關閉壓力標準差＜2 kPa；氣壓控制閥動特性響應時間＜0.4 s，釋放時間＜0.6s，標準差均＜5ms。測試實驗表明，系統測試數據穩定，滿足測試需求。

氣壓控制閥；檢測系統；密封性；靜特性；動特性

0 引 言

在商用車氣制動系統中，氣壓控制閥起到調節制動氣壓、保護氣路的作用，氣閥的性能直接影響行車安全，氣壓控制閥出廠前必須對其性能進行全面檢測[1]。目前國內大部分企業對制動部件的檢測以手工或半自動操作為主，檢測設備采用傳統儀表顯示，無法保證測試數據的可靠性，且設備檢測單一，測試項少，使用效率低[2]，勞動強度高；國外對汽車制動性能的檢測側重于整個制動系統的性能檢測[3-4]，測試功能齊全，可擴展性好，但該類設備價格昂貴。商用汽車氣壓控制閥部件品種眾多，有干燥器、四回路保護閥（簡稱四保閥）、制動總閥、繼動閥、掛車閥、感載閥、應急繼動閥、快放閥等，依據汽車行業標準QC/T 37——2011《汽車與掛車氣壓調節保護裝置性能要求及臺架試驗方法》、QC/T 35——2011《汽車與掛車氣壓控制裝置性能要求及臺架試驗方法》，氣壓控制性能檢測包含靜特性、動特性、密封性等40余項，把所有的氣壓控制閥性能檢測集中整合在一個測試臺上，可減少設備的空間占有率、降低設備的采購費用，提高設備的使用效率。因此研制包含所有氣壓控制閥的綜合性能測試臺有重要的實際意義[5]。

1 測試需求分析

氣壓控制閥的氣壓控制性能測試項包括密封性測試、靜特性測試、動特性測試等3種測試類型。氣壓控制閥密封性主要有非工作密封和全工作密封，靜特性是指氣壓控制閥在緩慢制動時氣壓控制閥的輸出氣壓與控制端輸入信號的關系[6]，動特性是指在緊急制動的情況下氣壓控制閥的響應特性[7]。

1.1 密封性需求分析

氣壓控制閥的密封膜片和閥座以及殼體等均存在泄露的可能，需要對氣壓控制閥的密封性進行測試?？傞y、繼動閥、掛車閥、快放閥等閥的非工作密封性測試是指氣壓控制閥只在供氣口有氣壓而控制端無動作狀態下的密封性，總閥的工作密封性是指總閥加載到最大行程處時的密封性，繼動閥、掛車閥、感載閥、應急繼動閥的工作密封性是指供氣口和控制口同時在設定氣壓下的密封性，手閥和感載閥可以通過旋轉機構加載使得手閥和感載閥停在不同的角度來完成各種工作密封性測試。依據汽車行業標準QC/T 35——2011，密封性測試采用直壓法，標準中規定，在常溫和工作氣壓下，5 min內非工作密封性指數不大于10kPa，工作密封性指數不大于20kPa；依據客戶要求，測試系統自身密封性10 min的系統密封泄漏值不超過3 kPa。目前絕大多數廠家氣壓控制閥密封性測試氣壓不超過1.0MPa。采用量程為1.6MPa，輸出信號為4~20mA，檢測精度±0.1%FS的氣壓傳感器[8]，能夠滿足直壓法密封性測試要求。

1.2 靜特性測試需求分析

根據測試產品的不同，氣壓控制閥靜特性測試內容也不相同。在供氣口1口供氣的情況下，通過檢測1口和輸出口氣壓變化情況，可完成干燥器靜特性測試；分別在供氣口1口供氣的情況下、供氣口失效的情況下、輸出口失效的情況下，檢測1口和輸出口21口氣壓變化情況，可完成四保閥性能測試；手制動閥和感載閥靜特性是指擺桿角度與輸出口氣壓的關系；總閥靜特性是指總閥緩慢加載情況下，加載位移與輸出口氣壓、總閥加載力的變化關系；通過供氣口1口、控制口4口的持續供氣，采集控制口與輸出口的氣壓，完成繼動閥、應急繼動閥、掛車閥靜特性測試；應急繼動閥靜態特性測試，是指通過供氣口的充排氣，采集供氣口與輸出口氣壓，并繪制氣壓關系曲線。

不同氣壓控制閥的靜特性測試壓力要求不一致，同一種閥靜特性測試項不同，測試壓力也不完全一樣，綜合檢測系統測試過程中壓力需自動調節，以實現不同檢測項目測試壓力的自動切換。電氣比例閥通過控制輸入模擬量可精確調節輸出氣壓，滿足測試要求。氣壓控制閥靜特性測試氣壓一般不超1.0MPa，系統選用FESTO的MPPE-3-1/2-10-010-B型電氣比例閥，其控制電壓輸入為0～10V，壓力輸出范圍為0～1.0MPa，精度為±0.1%FS。

1.3 動特性測試需求分析

氣壓控制閥動特性是指在控制端快速加載情況下，輸出端的氣壓響應特性。需要檢測動特性的氣制動閥包括制動總閥、繼動閥、掛車閥、快放閥、感載閥。汽車行業標準QC/T 35——2011中規定：響應時間應≤0.4s，釋放時間應≤0.6s。

總閥動特性主要檢測緊急剎車即駕駛員迅速踩下踏板時的總閥輸出氣壓響應能力。亞泰克SDA80×40型低摩擦氣缸加載速度為50～500 mm/s，缸徑80mm，行程為40mm，在500kPa的壓力下，氣缸的加載力達3200N?？蛰d情況下，氣缸走完15mm的總閥行程需要0.03 s，在負載端為總閥的情況下，氣缸走完15 mm的行程低于0.2 s，滿足總閥動特性檢測的加載要求。繼動閥、掛車閥、快放閥、感載閥動特性測試需在控制口快速供氣，7mm口徑截止電磁閥，管徑為10 mm的氣管，在供氣壓力800 kPa，2 m的供氣管長度情況下，繼動閥、掛車閥、快放閥、感載閥的控制腔在0.2s內可達到最高氣壓，滿足氣壓控制閥動特性檢測要求。

2 檢測系統設計

檢測系統的設計包括測試管路設計、加載機構設計、數據采集控制系統設計。

2.1 測試管路設計

汽車氣壓控制閥品種眾多，測試內容也不盡相同，使得測試管路要求各異，因此需對測試管路進行設計。氣壓控制閥進氣口總閥最多，有兩個進氣口，因此系統中需設置兩個供氣口，測試總閥時兩個供氣口氣壓相同。掛車閥有3個控制口，是氣壓控制閥控制口最多的，因此系統中需設置3個控制口，測試掛車閥時控制1口和控制2口氣壓相同。氣壓控制閥輸出口最多的是四保閥，有4個輸出口，因此在系統需設置4個負載口。由于干燥器回流壓力測試需要接一個80L的儲氣罐，因此在系統中增加了1個負載口接儲氣罐，滿足干燥器回流壓力測試的需要。為了精確控制氣壓，需要在進氣端設置電氣比例閥和調壓閥滿足測試時供氣需求。

綜上所述，測試系統共設有2個供氣口，3個控制口和5個負載口。其中2個供氣口要求測試氣壓相同，因此使用一個電氣比例閥精確提供測試氣壓，同理控制1口和控制2口共用1個電氣比例閥，控制3口在測試時需求氣壓不同，因此單獨使用一個電氣比例閥。

基于以上分析，該系統應具有穩定提供氣壓的供氣裝置、監控氣壓的檢測裝置以及管路失效模擬裝置，設計氣壓控制閥綜合性能檢測系統的氣路系統，主要由氣壓傳感器、位移傳感器、電磁閥、氣控閥、電氣比例閥和節流孔、伺服電機、力傳感器構成，進氣口和出氣口安裝有氣壓傳感器，可實現對氣壓的實時監控；進氣電磁閥和排氣電磁閥分別用于氣體的充放[9]；電氣比例閥可以實現對進氣氣壓的精準可調；氣控閥管徑大，可瞬間通大氣，模擬管路爆裂時的失效情況，而節流孔用于減小氣體充放速度，模擬管路漏氣時的失效情況。

2.2 靜特性加載機構設計

總閥靜特性是模擬緩慢踩下踏板時的制動情況，靜特性加載速度要求為（0.4±0.1）mm/s，采用伺服電機帶動滾珠絲桿的直線加載機構滿足靜特性測試要求，可實現調速功能以模擬不同制動狀態。針對氣制動閥最大行程位移和伺服加載機構設計的考慮，位移傳感器選用量程為0～125 mm，對應輸出為4～20mA，線性度為±0.02%FS的電阻式傳感器即可。針對氣制動閥最大加載力約為2 200 N和系統需滿足2~3倍的承壓范圍，力傳感器選用量程為0～5000N，對應輸出為4~20 mA，精度為±0.05%FS的壓電式傳感器。直線加載機構選用額定輸出功率200W，額定轉矩0.64N·m，額定轉速3000r/min的GYS201D5-RC2型伺服電機[10]，配套編碼器選用RHY201F5-VV2型驅動器。

總閥靜特性測試時由電機帶動滾珠絲桿前進使頂桿向前運動直到加載到總閥的最大行程處；為了測試總閥的動特性，需要使用氣缸快速加載到總閥最大行程。直線加載機構由伺服電機、滾珠絲桿、聯軸器、位移傳感器、氣缸、限位開關等構成，如圖1所示。

圖1 直線加載機構示意圖

手閥和感載閥性能測試時需要擺動手閥手柄和感載閥擺桿，角度加載速度調節范圍在0~2°/s。旋轉加載機構選用額定輸出功率400 W，額定轉矩1.27N·m，額定轉速3 000 r/min的GYS401D5-RC2型伺服電機，配套編碼器選用RHY401F5-VV2型驅動器。旋轉加載機構由伺服電機、編碼器、聯軸器、支座構成，如圖2所示。

圖2 旋轉加載機構示意圖

2.3 數據采集控制系統設計

從檢測系統氣路可以看出系統有3路模擬量輸出，用于控制電氣比例閥的輸出氣壓；12路模擬量的輸入，用于傳感器的氣壓、位移、力傳感器信號的采集；40路數字量的輸出[11]，用于控制電磁閥的工作狀態和信號燈的顯示；6路數字量的輸入，其中5路用于檢測臺按鈕的信號，其他1路用于限位開關的信號。因此，系統選用兩塊帶有一個16位的A/D轉換器，提供16路單端式/8路差分式模擬量輸入通道，16路數字量輸入/輸出通道和兩路模擬量輸出通道，最高采樣速率為250kS/s的研華PCI-1716高精度數據采集卡和一塊具有32路隔離數字量I/O的PCI-1730卡，能夠負責數字量的輸出[12-13]。

為了實現氣壓信號的實時采集和電磁閥的通斷，系統以工控機為控制和處理核心，結合研華數據采集卡PCI-1716和PCI-1730組成控制器處理信號值，數據采集卡的AO通道輸出電壓至電氣比例閥用于調節測試氣壓，數據采集卡的AI通道采集氣壓和氣壓傳感器的信號值，DI信號用于檢測故障和處理用戶操作，DO信號用于控制外部電磁閥的通斷，為了控制直線與旋轉加載機構的伺服運動，使用樂創MPC08控制卡發送脈沖來控制伺服電機前進的位移量[14]、旋轉角度和電機加載速度。系統控制如圖3所示。

圖3 系統控制處理框圖

3 測試數據分析

利用所設計的檢測系統對氣壓控制閥的密封性、靜特性、動特性各進行10次測試，對測試結果進行分析，從而檢驗氣壓控制閥綜合性能檢測系統的重復性、可靠性。

3.1 系統密封性數據分析

密封性測試分為進氣、平衡、保壓測試3個過程，在測試產品的密封性之前先要對系統管路的密封性進行檢測，主要檢測2個供氣口、3個控制口及4個負載口的密封性，系統管路的密封性要求為10min泄漏值≤3kPa，測試時均為進氣時間30s，平衡時間120 s，保壓測試600 s，測試所得數據如表1所示。系統密封性測試結果均值≤0.6 kPa，標準差最大值均不超過0.07kPa，系統的整體密封性滿足要求。

表1 系統密封性測試結果

3.2 靜特性測試分析

氣壓控制閥的靜特性測試內容主要有供氣口與輸出口的氣壓關系、控制口與輸出口的氣壓關系、擺桿角度與輸出口氣壓的關系、加載位移與輸出氣壓及加載力的變化關系、供氣口及單個輸出口失效其他輸出口氣壓變化情況。

圖4 干燥器切斷與回座壓力測試曲線

圖5 回流壓力測試曲線

干燥器切斷與回座壓力測試曲線如圖4所示，當21口氣壓達到切斷壓力后，供氣口從排氣口卸載，當21口氣壓下降到一定值后，排氣閥門關閉，供氣口進氣，21口氣壓也隨之上升，此時21口對應的氣壓即為回座壓力?；亓鲏毫y試曲線如圖5所示，干燥器切斷后21口氣壓開始下降直到趨于穩定，21口氣壓值從最大到平衡時的壓差即為回流壓力，測試結果如表2所示。切斷壓力標準差為1.69kPa，回座壓力標準差為0.47 kPa，回流壓力標準差為1.3 kPa，均在合理偏差范圍內。

表2 干燥器性能測試結果

四保閥開啟壓力測試曲線如圖6所示，供氣口氣壓上升到一定氣壓后22口開啟，同理其余輸出口依次開啟，測量數據如表3所示，四保閥開啟壓力標準差最大值為1.62kPa。圖7所示為四保閥保護壓力測試曲線，當輸出口開啟并升到指定氣壓后，使21口緩慢通大氣，其余3個輸出口氣壓下降到一定值后趨于穩定不再下降，再向供氣口快速進氣至指定氣壓值，同理可測得其余3個口失效狀況，測量數據如表4所示，保護壓力標準差最大值為2.75 kPa。圖8所示為四保閥關閉壓力測試曲線，輸出口全部開啟并升至指定氣壓后，使供氣口通大氣，4個負載口氣壓值下降逐漸趨于穩定，穩定的氣壓值即為對應的關閉壓力，測量數據如表5所示，關閉壓力測試結果最大標準差為1.13kPa。

圖6 四保閥開啟壓力測試曲線

圖7 四保閥保護壓力測試曲線

表3 開啟壓力測試結果

表4 保護壓力測試結果（xˉ：平均值，u：標準差）

表5 關閉壓力測試結果

手閥和感載閥性能曲線如圖9所示，開始時手閥輸出口氣壓與供氣口氣壓相同[15]，隨著手閥手柄的擺動，輸出口在19°時輸出口氣壓迅速下降，手柄擺到28°時氣壓下降速率變緩，直到68°時輸出口氣壓降為零。感載閥在控制端氣壓一定時，擺桿由過零點30°向零點方向擺動，當靠近零點角度時輸出口氣壓先緩慢的下降，然后在零點角度附近達到平衡，隨著擺動角度的增大，輸出口氣壓開始上升最后趨于穩定，同理可測不同控制氣壓下的感載閥的靜特性。

總閥靜特性測試曲線如圖10所示，總閥加載到2.7mm處時，輸出口導通，輸出口氣壓隨著加載位移的增加而上升，總閥加載到12 mm處時輸出口完全輸出，總閥加載力值同樣也隨著加載位移增加而增大直到平衡，當總閥加載到最大行程處時總閥力值會迅速增加。

圖8 四保閥關閉壓力測試曲線

圖9 手閥、感載閥性能曲線

圖10 總閥性能測試曲線

繼動閥、掛車閥、應急繼動閥、感載閥靜特性測試曲線如圖11所示，隨著控制端氣壓達到一定值后輸出端開啟，然后輸出端隨著控制端氣壓的增加而增加直到氣壓趨于平衡，掛車閥43口靜特性測試是43口緩慢排氣至一定氣壓值后，輸出口開啟，輸出口氣壓隨著43口氣壓的下降而增加到最大。感載閥擺桿在固定角度時，輸出口氣壓隨著控制口氣壓上升而上升。

圖11 繼動閥、掛車閥、應急繼動閥、感載閥靜特性曲線

應急繼動閥供氣測試曲線如圖12所示，供氣口氣壓升至700kPa后以一定速率排氣，供氣口氣壓下降到160kPa時輸出口氣壓突然開始增加到600kPa，等到供氣口氣壓下降到零時，重新向供氣口以一定速率進氣，當供氣口氣壓上升到310kPa時輸出口氣壓突然開始下降直到零。

圖12 應急繼動閥供氣曲線

3.3 動特性數據分析

動特性測試的是模擬汽車緊急制動時輸出口的響應情況，計算輸出口氣壓從15%上升到85%的升壓時間和輸出口氣壓從85%下降到15%的降壓時間。動特性測試曲線如圖13所示,掛車閥41-2口表示掛車閥41口快速充排氣2口氣壓與時間對應的曲線，其他曲線均表示控制端快速充排氣2口的響應情況。測試數據如表6所示，動特性測試結果表明釋放時間均不超過0.6 s，動特性響應時間均不超過0.4s的，且響應時間標準差的最大值為4.13ms。

圖13 動特性測試曲線

表6 動態特性測試結果

4 結束語

在分析氣壓控制閥工作原理的基礎上，根據汽車制動系統行業標準設計了氣壓控制閥綜合性能檢測系統，完成測試管路設計、加載機構設計、數據采集控制系統設計。利用檢測系統對所有氣壓控制閥各進行10次性能測試，系統密封10 min內不超過0.6kPa，標準差不超過0.07kPa；四保閥開啟壓力、保護壓力、關閉壓力測試結果標準差不超過2kPa；氣壓控制閥動特性測試響應時間不超過0.4s、釋放時間不超過0.6s，標準差均不超過5ms。試驗結果表明，檢測系統運行穩定，檢測數據可靠，滿足汽車行業標準氣制動部件的檢測要求。

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（編輯：徐柳）

Design of comprehensive performance test system for air pressure control valve of automobiles

FAN Weijun1，YAO Fuli1，GUO Bin2，YANG Weihe2
（1.Institute of Precision Measurement and Control，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China；2.Hangzhou Wolei Intelligent Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310018，China）

A comprehensive performance test system of the automobile air pressure control valve is designed according to the automobile industry standards.The design of a test pipe for 2 air supply circuits，3 air pressure control circuits and 5 venting and loading circuits can meet the air circuit control requirements for performance test of air pressure control valve of brake system of commercial vehicles.The design of straight-line and rotating loading mechanism driven by servo motor can meet the loading requirements for static characteristic test of main brake valve and hand operated valve.The design of dynamic-characteristic loading mechanism below low-friction air cylinder can meet the loading requirements of dynamic characteristic test of air pressure control valve，the design of data acquisition control system based on Yanhua PCI1716 can meet the data acquisition control requirements of 3 circuits of analog quantity output，40 circuits of digital quantity output and 12 circuits of analog quantity input.By testing the test system，the test data shows that the sealing of this system is less than 0.6 kPa in 600 s and the standard deviation is less than 0.07 kPa.The mean cut-out pressure of the dryer is 745.16 kPa.The mean reseating pressure is 620.25 kPa.The mean backflow pressure is 59.40 kPa and the standard deviation is less than 1.7 kPa.The standard deviation of the opening pressure，protection pressure and closing pressure of the four-circuit protection valve is all less than 2 kPa.The dynamic characteristic response time of the air pressure control valve is less than 0.4s，the release time is less than 0.6 s and the standard deviation is less than 5 ms.Test results show that the system render stable test data and meets the test requirements.

air pressure control valve；test system；sealing；static characteristic；dynamic characteristic

A

：1674-5124（2016）12-0070-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.015

2016-03-30；

：2016-05-19

國家質量監督檢驗檢疫總局科技計劃項目（2015QK288）浙江省公益技術研究工業項目（2016C31048）杭州市汽車零部件智能檢測科技創新服務平臺（20151433S01）

范偉軍（1973-），男，湖南邵陽市人，博士，研究方向為汽車零部件檢測和精密測試技術。