基于PLC的制動鉗拖滯力矩檢測系統設計

范偉軍，葉楊烽，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）

基于PLC的制動鉗拖滯力矩檢測系統設計

范偉軍1，葉楊烽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）

采用氣體加壓方式，基于PLC系統設計制動鉗拖滯力矩的快速檢測系統，實現制動鉗拖滯力矩的在線檢測。使用伺服電機加精密減速機實現制動盤勻速轉動，高壓調壓閥加電磁閥實現壓力的高精密控制和充、排氣的自動控制；PLC數據采集模塊實時采集氣壓和扭矩值，并在觸摸屏顯示測試曲線和測試結果。試驗結果表明，檢測系統的制動盤系統端面跳動為0.04 mm，空轉力矩為0.3 N·m，滿足制動鉗拖滯力矩測試需求；相對于傳統的液壓檢測系統，氣體加壓檢測第1圈拖滯力矩平均值比液體加壓方式大0.0205N·m，第10圈拖滯力矩平均值為比液體加壓方式大0.0202N·m。綜合檢測數據與系統硬件參數，對檢測系統進行不確定度分析，拖滯力矩檢測系統的不確定度為0.028N·m，滿足檢測要求。

制動鉗；氣體加壓；檢測系統；拖滯力矩

0 引 言

制動器拖滯力矩是汽車在非制動情況下，由于制動缸活塞的不完全回位，在取消制動后制動器仍對汽車起制動作用的力矩[1-2]。拖滯力矩作為汽車制動鉗的一項重要檢測指標，不但損壞零件，還容易造成制動器抱死，發生意外事故，增加燃油消耗。當拖滯力矩為2N·m時，燃油消耗將增加3.1%～5.7%；當拖滯力矩為3N·m時，燃油消耗將增加4.6%～8.5%[3]。企業上對拖滯力矩的檢測大部分都按照行業標準QC/T 592——2013《液壓制動鉗總成性能要求及臺架試驗方法》所描述的采用制動液對制動鉗加壓的方法實現拖滯力矩檢測，測試前需要對制動鉗進行100s的真空注油，測試結束后利用儲氣罐中的氣體對制動鉗進行90s的吹氣排油。隨著對制動部件的檢測要求越來越嚴格，對每一批產品的檢測率都要求達到100%，在實際生產應用中使用這種檢測方法，真空注油、吹氣排油的時間過長且操作復雜、繁瑣，檢測效率低，不適合在生產現場中應用。所以研制一套高效率的拖滯力矩檢測系統很有必要。

國內對拖滯力矩的檢測方法研究，如吉林大學胡偉[4]雖然對其原有的拖滯力矩進行改進，引入氣動液壓系統，提高了一定的檢測效率，但是其本質仍然是采用制動液加壓方式對拖滯力矩進行檢測，依舊不能避免真空注油和吹氣排油，在測試效率上仍然不能滿足在線檢測的需求；武漢理工大學張亞飛[5-6]對制動器拖滯力矩的在線檢測設備進行研究，采取液體加壓方式進行檢測，檢測效率雖能滿足在線檢測的要求但仍然偏慢。國外采用特定的扭矩測量模型和高精度的扭矩測量儀檢測拖滯力矩，在測試效率和測試精度上雖大幅提高，但價格昂貴、維護成本高，很難在國內推廣[7-8]。

通過對制動鉗拖滯力矩檢測研究，設計出一套使用氣體對制動鉗加壓的拖滯力矩檢測系統，簡化了管路設計，去掉了繁瑣的注油、排油操作，提高了檢測效率，滿足企業在線檢測的要求。

1 制動鉗拖滯力矩分析及檢測原理

制動鉗的結構圖如圖1所示，制動輪缸和制動鉗支架通過滑動導向銷連接起來產生相對移動，當駕駛員踩下剎車進行制動時，制動液通過制動鉗鉗體后面的孔流入鉗體內，制動液推動活塞移動，活塞又推動內剎車片向靠近制動盤方向移動。當內剎車片頂住制動盤無法移動時，此時由于制動液持續推動活塞，在反作用力的作用下制動鉗鉗體沿著滑動導向銷的方向帶動為剎車片靠近制動盤，直到制動鉗的內、外剎車片夾住制動盤，使制動盤停止轉動為止[9]；當駕駛員松開剎車結束制動時，依靠活塞密封圈的彈性形變帶動活塞回位，使活塞達到起始位置。

圖1 制動鉗結構圖

拖滯力矩的產生主要由制動力解除后活塞回位不完全，導致制動塊與制動盤之間仍有摩擦力矩產生。在制動鉗中，活塞回位情況完全依靠密封圈的彈性形變，當壓力解除后，因為密封圈與活塞直接存在摩擦，所以活塞在密封圈的復位力作用下完成復位[10-11]。

假設制動時的作用在活塞上的內壓力為P0，活塞外徑為d，密封圈寬度基本尺寸為b0，密封圈與活塞接觸面積為S，密封圈的彈性模量為E，密封圈與活塞間的摩擦系數為μ，密封圈復位力F1[6]如下：

根據胡克定律得出活塞回位時回位量x如下：

在實際測量拖滯力矩時，利用力矩平衡的原理，在輪軸與制動盤之間安裝扭矩傳感器用于檢測制動盤轉動時的力矩，該力矩與制動鉗的拖滯力矩大小相等、方向相反。

2 測試方法確定

根據行業標準QC/T 592——2013《液壓制動鉗總成性能要求及臺架試驗方法》，用液體加壓的方式對制動鉗拖滯力矩檢測的過程分為真空注油、加壓、保壓、泄壓、靜置、拖滯力矩測試和氣洗排油6個步驟。其中真空注油時間為100s、加壓時間為10s、保壓時間為5 s、泄壓時間為 5 s、靜置時間為120 s、測試時間為15 s、氣洗排油時間為 90 s，加壓-保壓-泄壓重復次數為10次，整個測試過程所需時間約為 535s。

用氣體加壓的方式對制動鉗拖滯力矩檢測的過程分為充氣、排氣、充排氣等待和拖滯力矩測試4個步驟。其中充氣時間為2s、排氣時間為2s、充排氣等待時間為5s、測試時間為15s，充氣-排氣-充排氣等待重復次數為2次，整個測試過程所需時間為33s。

通過對以上2種方式測試拖滯力矩的過程分析，用氣體加壓的方式節省了真空注油和氣洗排油兩大步驟，且大大縮短了測試時間，檢測效率較液體加壓方式大幅提高。由于氣體的可壓縮性，導致用氣體加壓方式測試時測試管路內的壓力穩定性相對較差，且在實車中采用液體加壓方式進行制動，管路內壓力相對穩定，所以液體加壓方式在實車模擬方面較好，測試值更接近實車制動時的拖滯力矩值。綜合以上分析，在提高檢測效率同時滿足測試要求的前提下，使用氣體加壓的方式檢測拖滯力矩更適合在生產現場中使用。

3 測試系統需求分析

為了提高檢測效率，并且更好地適應工業現場，使用壓縮氣體代替制動液的方法對制動鉗加壓，大大減少了在鉗體內的建壓時間且在鉗體內氣體比液體達到穩定的時間更快；對制動鉗泄壓時只需排凈鉗體氣體，測試結束后可直接從測試工裝上取下制動鉗，無需氣洗排油操作，大大減少了整個測試過程所需時間。廠家要求，整個測試過程所需時間＜40s。

為了得到拖滯力矩測量值和動態拖滯力矩測量曲線，數據采集系統需要快速采集測量數據，利用PLC的模擬信號調理模塊進行高精度快速采集，不僅滿足測試要求，同時節省了數據采集模塊，簡化硬件設計，節約設計成本[12]。

為了更好地接近實車環境，在拖滯力矩測量裝置加工過程中利用高精密的加工機器控制制動盤的端面跳動≤0.05mm，檢測過程中測量裝置的空轉力矩≤0.5N·m，安裝制動盤時，采用校準塊保證制動盤和制動鉗安裝面的平行度≤0.1mm。測試拖滯力矩時，氣壓一般控制在7MPa，制動盤轉動速度控制在45～50r/min內，第1圈拖滯力矩范圍在0～0.5N·m內，第10圈拖滯力矩范圍在0～3.5N·m內，結合上述測試系統需求分析，提出了制動鉗拖滯力矩檢測過程中的主要參數及技術指標，如表1所示。

4 檢測系統設計

4.1 制動鉗拖滯力矩測量裝置設計

根據以上測試系統需求分析，設計了汽車制動鉗拖滯力矩測量裝置。如圖2所示，該測量裝置由同步帶輪、同步帶、伺服電機、減速器、扭矩傳感器、聯軸器、制動盤、定位工裝、支撐工裝組成。為保證測量裝置的同軸度，減速器、扭矩傳感器、聯軸器通過定位銷連接；為減小系統的空轉力矩，聯軸器采用自制的前后剛性連接的聯軸器，制動盤和定位工裝、支撐工裝平行；整套測量裝置的動力由伺服電機提供，并且通過同步帶輪帶動同步帶傳遞；測試前把制動鉗放在支撐工裝和制動盤上，用螺栓把制動鉗固定在定位工裝上，保證制動鉗與制動盤平行。

表1 拖滯力矩檢測主要參數及技術指標

圖2 制動鉗拖滯力矩測量裝置結構示意圖

制動盤應廠家要求做成直徑為250mm，厚度為10 mm的圓盤，制動盤表面進行打磨處理減小制動盤表面的粗糙度使其端面跳動≤0.05mm，利用軸跳動測試儀測得制動盤的端面跳動為0.04mm，符合廠家要求。

進行拖滯力矩測量前首先要測試測量裝置的空轉力矩，空轉力矩作為測量裝置的系統誤差，其存在不僅造成測量結果不準確，而且空轉力矩過大會影響系統的穩定性。根據廠家要求空轉力矩不應大于0.5 N·m，獲取空轉力矩的方法如下：在安裝制動鉗之前以一定速度使制動盤轉動10圈，轉動過程中的最大力矩即為空轉力矩。

拖滯力矩測量過程中，在制動鉗合格情況下，其拖滯力矩≤5N·m，行業標準中規定第1圈拖滯力矩≤5N·m，第10圈拖滯力矩≤3.5N·m，即使遇到不合格的制動鉗在對其拖滯力矩測量時也在7～8 N·m內，最大也不超過10N·m，選用量程為20N·m，精度為0.25%FS的扭矩傳感器完全符合設計要求。

4.2 測試管路系統設計

基于以上分析，本系統采用壓縮氣體對鉗體加壓取代了傳統使用制動液對鉗體加壓，具有穩定的氣源對系統測試非常重要。氣源使用工業現場提供的高壓氣源，一般在7～10MPa，但是現場氣源不穩定，如若直接使用勢必對測試產生影響。使用高壓調壓閥精確控制輸入系統管路中的氣壓使其穩定輸入7MPa氣壓，選用量程為0～25MPa，精度為0.25%FS的氣壓傳感器符合設計要求[13]。利用電磁閥響應快速的特點控制系統管路對制動鉗充排氣，使控制系統能夠對用戶發送的指令快速響應，達到提高檢測效率的目的。測試管路如圖3所示。

圖3 測控管路系統原理圖

汽車制動鉗拖滯力矩測量的充排氣動作由常開高壓電磁閥和常通高壓電磁閥控制，常開高壓電磁閥接入測試管路中；常通高壓電磁閥進氣口與測試管路連接，出氣口與大氣相通。充氣時常開高壓電磁閥上電，常通高壓電磁閥失電；排氣時常通高壓電磁閥上電，常開高壓電磁閥失電；氣壓傳感器實時監測測試管路中的壓力大小，測試完成后直接取下制動鉗即可，無需跟傳統方法一樣氣洗排油。

4.3 控制系統設計

為了克服復雜的工業現場環境，提高檢測效率，實現氣壓和扭矩信號的實時采集，以及電磁閥的通斷和伺服電機的控制，本系統充分發揮PLC可靠性高的優勢，采用上位觸摸屏與下位PLC結合的方式來控制。采用PLC自帶的數據采集模塊采集氣壓傳感器和扭矩傳感器的信號值；采用PLC內嵌高性能運動控制芯片控制伺服電機的運動；采用PLC的D0接線端子控制電磁閥通斷實現充、排氣操作，檢測故障以及處理用戶操作。電機驅動裝置采用閉環控制的方式，利用PLC發生脈沖到編碼器，編碼器通過脈沖數精確控制電機的轉速和轉動角度，實現轉速45～50r/min精確調節。觸摸屏控件通過關聯PLC數據塊的地址實現曲線實時顯示，傳感器數據顯示以及系統參數設置，達到人機交互的目的。系統控制原理如圖4所示。

圖4 系統控制原理圖

4.4 測試系統軟件測試流程分析

4.4.1 PLC控制系統設計

根據系統的檢測流程進行系統軟件設計。采用s7-1200系列PLC作為下位機，該型號PLC具有50 KB工作存儲器，14個通道的數字量輸入，10個通道的數字量輸出，2個模擬量輸入和2路脈沖輸出，可實現對執行元件的控制及氣壓、扭矩信號的采集，具有光電隔離、凈化、抗干擾等性能，可以確保系統的穩定性、可靠性，與上位觸摸屏通信，以接受控制才是。系統測試軟件流程如圖5所示，主要實現功能是系統充氣加壓、排氣泄壓、測量裝置運動的協調合作，實現對拖滯力矩的自動檢測。

4.4.2 上位觸摸屏設計

采用北京昆侖通泰公司生產的MCGS工業觸摸屏作為上位觸摸屏，完成人機交互[14]，觸摸屏主要實現功能是對測試系統參數設置，實時顯示測試過程中角度-扭矩曲線、氣壓值和扭矩值，記錄第1圈和第10圈的最大拖滯力矩，測試數據查詢。

5 測試結果分析

選取國內某型號的制動鉗作為被檢測對象，利用所設計的制動鉗拖滯力矩檢測系統對其進行測試，根據廠家要求，制動鉗測試壓力7 MPa、充氣時間2 s、排氣時間2 s、充排氣等待時間5 s，如此反復2次，制動盤轉速為45 r/min，所測的第1圈拖滯力矩≤5 N·m，第10圈拖滯力矩≤3.5 N·m。同時根據JJF 1059——2012《測量不確定度評定與表示》中不確定度的定義及評定要求，進行對測試系統的不確定度評定[5]。

5.1 拖滯力矩數據對比及分析

根據設定的系統參數，采用兩種檢測方式分別對同一被測對象的拖滯力矩進行測試。重復測量10次所得的第1圈拖滯力矩和第10圈拖滯力矩數據如表2、表3所示。

圖5 PLC系統控制流程圖

圖6 角度-扭矩曲線

根據表2中的數據，制動鉗第1圈拖滯力矩平均值為3.9994N·m，標準差為0.001625；第 10圈拖滯力矩平均值為2.299 8 N·m，標準差為0.001 327。根據表3中的數據，制動鉗第1圈拖滯力矩平均值為3.9789N·m，標準差為0.000831；第 10圈拖滯力矩平均值為2.279 6 N·m，標準差為0.000 917。與液體加壓方式測試結果相比，氣體加壓方式測得的第1圈拖滯力矩平均值比液體加壓方式大0.0205N·m，第10圈拖滯力矩平均值比液體加壓方式大0.0202N·m，在允許的誤差范圍之內。其中第1圈拖滯力矩≤5 N·m，第10圈拖滯力矩≤3.5 N·m，滿足廠家的測試要求。

表2 氣體加壓方式拖滯力矩測試數據

表3 液體加壓方式拖滯力矩測試數據

5.2 動態拖滯力矩曲線特性分析

對制動鉗進行7MPa制動壓力下的拖滯力矩檢測，利用PLC實時采集扭矩值與制動盤轉動角度的關系，在觸摸屏上繪制檢測拖滯力矩與制動盤轉動角度關系曲線如圖6所示，并記錄下電機轉動時第1圈至第10圈每一圈的最大拖滯力矩，記錄的拖滯力矩值按圈數排列分別為：4.001，3.499，3.237，3.001，2.879，2.756，2.633，2.5，2.455，2.301N·m。

根據所測的每一圈拖滯力矩分析，制動盤開始轉動時第1圈的拖滯力矩為4.001N·m，是轉動過程中拖滯力矩的最大值，以后幾圈的拖滯力矩都比第1圈小且呈遞減趨勢，直至第10圈的拖滯力矩是所有測量拖滯力矩中最小值，為2.301N·m。在圖6測試曲線中分析可得測試扭矩曲線呈正弦形式變化其峰值不斷下降，制動盤轉動一圈過程中扭矩值隨轉動角度實時變化，扭矩值并不是一個恒定的值，這是由于測量裝置中制動盤端面跳動的存在和制動盤上每個位置的摩擦系數不同的原因造成的。

5.3 不確定度分析

由測量重復性引起的不確定度用A類方法評定[14]，當用單次測量值作為測量的估計值時，標準不確定度uA為單次測量的標準差，選取企業上常用的7MPa制動壓力下的拖滯力矩測量的標準差，第1圈拖滯力矩的標準不確定度用uA1表示，第10圈拖滯力矩的標準不確定度用uA2表示。傳感器引起的不確定度用B類方法評定，為傳感器誤差界除以氣壓傳感器的標準不確定度分量u1約為0.036MPa，扭矩傳感器的標準不確定度分量u2約為0.028N·m。

根據上述分析，系統氣壓的合成標準不確定度：

在制動壓力7MPa時制動鉗第1圈拖滯力矩檢測的合成標準不確定度：

第10圈拖滯力矩檢測的合成標準不去定度：

由此可知，該檢測設備重復性較好，滿足檢測需求。

6 結束語

采用氣體加壓方式，設計了一套基于PLC的汽車制動鉗拖滯力矩的檢測系統。壓縮氣體相對于制動液，清潔環保，加壓速度快，大大縮短了檢測時間；采用PLC加觸摸屏的控制顯示模式，系統成本低、穩定性好，使該檢測系統可廣泛應用于制動鉗的在線檢測。壓縮氣體具有可壓縮性，加壓時管路內壓力穩定性相對較差，導致測試結果偏差范圍較液體加壓方式略偏大。相對于液體加壓方式，氣體加壓方式第1圈拖滯力矩大0.0205N·m，第10圈拖滯力矩大0.0202N·m，但仍在誤差允許范圍之內。實驗數據表明，該檢測系統運行可靠，系統現已成功應用于國內零部件廠家制動鉗的在線檢測。

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（編輯：劉楊）

Design of detection system for drag torque of brake caliper based on PLC

FAN Weijun1，YE Yangfeng1，GUO Bin2，YANG Weihe2
（1.College of Metrology&Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China；2.Hangzhou Wolei Intelligent Technology Co.，Ltd，Hangzhou，310018，China）

Based on the PLC system，the paper designs a fast detecting system of the brake caliper drag torque under air pressurization，which realized the online detection of brake caliper drag torque.The servo motor is used with a precision reducer to achieve the brake disc rotating at a constant speed，the high pressure control valve is used with a solenoid valve to achieve high precision pressure control and automatic control of pressure increase and decrease，data acquisition module of PLC is used to collect the pressure and torque value in real time and display the test curve and results on the touch screen.The test results show that the brake disc’s end face runout is 0.04 mm and idle torque is 0.3 N·m，satisfying the brake caliper drag torque detecting requirements.Compared with the traditional hydraulic detecting system，the first loop's average drag torque under air pressurization is 0.0205N·m greater than that under liquid pressurization and the tenth loop’s average drag torque under air pressurization is 0.020 2 N·m greater than that under liquid pressurization.According to the testing data and system parameters of hardware and uncertainty analysis of the detecting system，the uncertainty of drag torque detecting system is 0.028N·m，meeting the test requirements.

brake caliper；air pressurization；detection system；drag torque

A

1674-5124（2017）09-0100-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.09.018

2016-11-28；

2017-01-09

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。