汽車制動部件耐壓破壞測試系統的設計

范偉軍 張章 郭斌 李冬 佘祥

摘要：針對企業為同時滿足乘用車、商用車制動部件高、低液壓耐壓破壞測試的要求，基于計算機控制系統和高低壓分區控制模式設計汽車制動部件液壓耐壓破壞測試系統。采用電氣比例閥加氣液增壓器增壓伺服控制方式，可實現0～3 MPa的低液壓控制，控制準確度為±0.05 MPa，滿足商用車制動部件耐壓破壞測試需求；電氣比例閥加氣驅液泵增壓伺服控制方式，可實現3～40MPa的高液壓控制，控制準確度為±0.1MPa，滿足乘用車制動部件耐壓破壞測試需求；系統采用計算機控制電磁閥實現高低壓耐壓測試的自動切換，實現測試過程的自動化。系統增壓速率10～500kPa/s連續可設，共設5級升壓臺階逐級加壓。對測試系統進行不確定評定，低壓耐壓破壞測試不確定度<0.042MPa，高壓耐壓破壞測試不確定度<0.057MPa，測試結果表明汽車制動部件耐壓破壞檢測系統滿足測試需求。

關鍵詞：汽車制動；耐壓破壞；計算機控制；自動化；不確定度

0引言

汽車制動系統是使行駛中的汽車按照駕駛人的操作進行減速或者停車的機構。在常見的交通事故中，制動系統出現泄漏、爆裂以及變形等故障導致制動失效無疑是最危險的因素之一，因此制動系統性能的好壞直接關系到整車制動的安全性。汽車制動部件耐壓破壞試驗是對制動部件所承受最大破壞壓力的檢測試驗，為保證制動系統的正常工作，耐壓破壞試驗是汽車制動部件檢測的重要項目之一。

目前，國內對汽車制動部件的檢測越來越重視，設計出相關的檢測設備，比如制動鉗綜合試驗臺、氣閥綜合測試臺等，但是制動部件的耐壓測試通常作為綜合檢測系統的附屬檢測項，控制精度有限，檢測安全性不高，對于現有乘用車和商用車制動部件耐壓破壞測試都是單獨的試驗臺，并沒有可同時滿足乘用車以及商用車制動部件耐壓破壞測試的試驗臺，這對于制動部件廠商造成了浪費和不便。國外對汽車制動部件檢測處于領先位置，較為著名的有日本的HORIBA公司和美國的LINK公司，其生產出的制動部件檢測臺，性能穩定且可靠性高，但因價格昂貴、技術壁壘以及售后維護不便等原因很難在國內推廣。

基于此，本文通過仔細研究汽車制動部件的工作原理，根據汽車QC/T 37-2015《汽車與掛車氣壓調節保持裝置技術要求及臺架試驗方法》、QC/T592-2013《液壓制動鉗總成性能要求及臺架試驗方法》等一系列制動部件行業標準設計了一套滿足乘用車和商用車精度要求的耐壓破壞檢測控制系統。

1汽車制動部件耐壓破壞測試系統需求分析

通過向制動部件腔體內充注水或制動液，控制加壓速率，達到系統所設定的壓力破壞點。采用計算機控制系統設定升壓速率和升壓臺階，實現自動分段耐壓破壞檢測，壓力傳感器自動采集系統控制壓力，并反饋于壓力控制系統，實現檢測壓力的高精度控制。

按照汽車制動需求及QC/T 37-2015、QC/T 592-2013等一系列制動部件行業標準規定：對于氣制動閥施加高于最大工作壓力1.5倍的壓力，保壓20s，觀察被測件是否出現損壞：對于液壓制動部件施加高于最大工作壓力1.5倍的液壓，保壓5 s，檢查并記錄液壓制動部件是否有損壞、泄露和龜裂。在實際設計耐壓破壞檢測系統時，很多汽車零部件及整車企業要求做分段階梯、逐步遞增耐壓測試。

考慮到商用車以及乘用車制動部件耐壓破壞壓力及壓力控制精度不同，一種增壓器無法同時滿足氣、液制動器耐壓破壞檢測要求，采用氣液增壓器和氣驅液泵兩種增壓器配合使用。在試驗進行過程中通過控制策略和算法，比較輸出壓力與目標壓力的差值，不斷通過反饋控制電氣比例閥的開度，對液壓控制實現10～500 kPa/s升壓速率，對商用車制動部件耐壓破壞測試壓力實現+0.05 MPa控制準確度，乘用車制動部件耐壓破壞測試實現±0.1 MPa控制準確度。結合上述測試系統需求分析，提出汽車制動部件耐壓破壞測試系統中的主要技術參數和性能指標，如表1所示。

2檢測系統設計

2.1系統安全設計

根據以上測試系統需求分析，由于耐壓破壞試驗為高液壓測試，為保證試驗安全性，采用設計保護箱裝置，用于保護試驗人員安全，保護箱裝置的結構如圖1所示。

該保護箱采用不銹鋼板制成，安全防護等級高。另外，蓋板上安裝有機玻璃的窗體和鎖定蓋板的門禁，門禁中安裝有接近開關。有機玻璃的窗體用于觀察試驗產品：門禁用于試驗時對蓋板的鎖緊固定；接近開關，用于檢測門禁螺栓是否擰緊，避免門禁螺栓出現未擰或漏擰等情況發生，保障試驗安全。

2.2系統管路設計

基于以上測試需求分析，為保證測試系統正常運行，該系統應該具有穩定干凈的氣壓源和液壓源，監控液壓的檢測裝置以及控制管路氣體和液體流向的通斷裝置。基于此設計了汽車制動部件耐壓破壞測試管路系統，如圖2所示。

二聯件是空氣過濾器和減壓閥的組合，為系統過濾氣源雜質以及調節氣源供給壓力：氣源的進氣壓力設置為700 kPa，通過電氣比例閥精確控制為測試裝置供氣，電氣比例閥采用SMC系列，量程為0～900kPa，可以實現氣壓力的連續和無極調節：液壓加壓裝置分別采用氣液增壓比為7倍的氣液增壓器和氣液增壓比為60倍的氣驅液泵兩種增壓元件，分別有兩位五通電磁閥進行氣源通斷控制，其中氣液增壓器負責對商用車制動部件耐壓破壞測試，測試壓力范圍是0～3MPa，有控制簡易、精度高、可以高頻率動作，不產生油霧等優點。氣驅液泵負責乘用車制動部件高壓耐壓破壞測試，測試壓力范圍為3～40 MPa，還負責對整個系統的排氣與注油，具有體積小、質量輕、使用壽命長等優點。在接近測試產品的出油口處，安裝有液壓傳感器，用來實現對產品和管路液壓的實時監控和采集，液壓傳感器采用HUBA系列傳感器，準確度為0.5%FS，滿足測試需求；測試系統加壓管路采用特制高壓不銹鋼管構成，以減少測試管路在加壓過程中出現變形對測試結果的影響，系統測試管路采用零泄漏閥進行控制，保證整個系統的密封性，系統測試管路和測試產品中間采用耐高壓軟管進行連接，增加測試過程中可操作性；系統減壓閥用于輸出恒定氣壓作為先導氣壓對兩位五通電磁閥以及氣驅液泵進行先導供氣。

2.3數據采集與控制系統設計

考慮到實時數據采集并反饋控制壓力與壓力動態顯示，數據采集系統需要有較快的采集速率對壓力傳感器信號進行數據采集，在采集模式上選擇高速采集模式進行數據采集。

為了實現對液壓信號的實時采集和電氣比例閥、電磁閥、零泄漏閥的實時控制，系統以研華工控機為數據處理和控制核心，結合研華數據采集卡PCI-1716組成控制器進行信號分析與處理。研華數據采集卡具有模擬輸入，輸出通道、數字輸入/輸出通道以及16位A/D轉換器，采樣速率可達100kHz，可以滿足高速實時、高精度采樣的要求。數據采集卡的AI通道用于采集液壓傳感器的信號值；AO通道輸出電壓用于控制電氣比例閥調節輸出氣壓值；DI通道用于處理用戶操作和試驗現象判斷：DO通道用于控制電磁閥和零泄漏閥的通斷。系統數據采集與控制原理圖如圖3所示。

2.4系統測試流程分析

根據對系統測試原理分析，系統測試步驟主要分為被測產品裝夾階段、被測產品及其測試系統注油排氣階段、被測產品測試階段。

1）被測產品裝夾

手動將被測產品放到保護箱中，將系統測試管路連接到被測產品進口，用螺栓封堵其他出口，關閉保護箱門，并使用門禁鎖緊，確保試驗安全。

2）注油排氣

通過工控機設定電氣比例閥相應氣壓，打開電磁閥8啟動氣驅液泵，打開零泄漏閥14、15、18進行第一階段為氣液增壓器及其管路注油排氣，待到氣液增壓器油箱半滿后停止第一階段注油排氣，關閉電磁閥8和零泄漏閥14、15、18，第一階段注油排氣成功；進行第二階段為被測產品及其管路注油排氣，打開電磁閥8啟動氣驅液泵，打開零泄漏閥15、21開始注油排氣，直到被測產品出口有穩定少量液壓油流出時，第二階段注油排氣成功，關閉電磁閥8和零泄漏閥15、21停止注油，用螺栓封堵住被測產品出口，形成密閉空間，被測產品及其測試系統管路注油排氣結束。

3）測試

測試階段分為商用車耐壓破壞測試和乘用車耐壓破壞測試；其中，商用車耐壓破壞測試流程，通過工控機測試軟件，打開電磁閥7和零泄漏閥14、18、21，啟動氣液增壓器，設定電氣比例閥輸出氣壓和輸出氣壓速率開始測試，采用逐級增壓方式，最多可設置5個階梯增壓到相應耐壓破壞強度，采用反饋控制算法控制調整壓力，每段增壓達到指定壓力后保壓一段時間，待壓力穩定后，繼續進行下一階段加壓，直到到達設定最大耐壓破壞測試壓力，保壓20 s，通過液壓傳感器17檢測壓力并由數據采集卡采集壓力信號上傳數據至工控機，顯示輸出測試結果，打開零泄漏閥20泄壓，商用車耐壓破壞測試完畢：乘用車耐壓破壞測試流程，通過工控機測試軟件，打開電磁閥8和零泄漏閥15、21，啟動氣驅液泵，設定電氣比例閥輸出氣壓和輸出氣壓速率開始測試，測試方法同商用車耐壓破壞測試，直到達到設定最大耐壓破壞測試壓力，保壓5 s，通過液壓傳感器17檢測壓力并由數據采集卡采集壓力信號上傳數據至工控機，顯示輸出測試結果，打開零泄漏閥20泄壓，乘用車耐壓破壞測試完畢。

2.5系統軟件設計

控制系統計算機軟件采用vc++編寫，采用模塊化設計、全中文提示；系統軟件主要包含模塊有系統初始化模塊、數據采集控制模塊、比例反饋控制算法模塊、曲線實時顯示模塊、數據導出與保存模塊、數據報表與打印模塊。系統軟件測試流程如圖4所示。

3測試試驗分析與不確定度評定

根據測試原理和方法，選取氣制動系統部件干燥器以及液制動部件制動鉗來作為試驗對象，根據汽車行業標準QC/T 37-2015以及QC/T 592-2013中規定，分別對干燥器施加2.25 MPa液壓和液壓制動鉗施加35 MPa液壓，觀察測試件有無變形和泄露：同時根據JJF 1059——2012《測量不確定度評定與表示》中不確定度評定的方法和要求，對測試系統進行不確定度評定。

3.1耐壓破壞測試結果分析

為保證試驗重復性，在不同加壓速率下重復測試10次，其中對干燥器測試加壓速率為80，100，120 kPa/s，對制動鉗測試加壓速率為300，400，500kPa/s，觀察試驗結果，如圖5所示為干燥器在壓強為2.25MPa時，不同速率情況下試驗曲線圖：如圖6所示為制動鉗在壓強為35 MPa時，不同速率情況下試驗曲線圖。

如圖5、圖6所示，試驗過程為階梯式加壓過程，每階段分為加壓過程、調壓過程和保壓過程，加壓速率可調。對試驗重復測量10次，得到試驗加壓在不同速率下試驗數據如表2和表3所示。

從表中可以得出，在測試范圍內，不同升壓速率對試驗測量精度有一定影響，但是不存在較大的波動，滿足測試精度要求，測試數據平穩，測試產品合格，滿足出廠要求。

3.2不確定度評定

由誤差理論得，由測量重復性引起的不確定度用A類方法評定，當用作單次測量值作為被測量的估計值時，測試數據標準不確定度分量U_A為單次測量的試驗標準差。

數據采集卡、傳感器等引起的不確定度使用B類方法評定。查閱相關資料可得，液壓傳感器的標準不確定度分量U₁約為0.036 MPa，數據采集卡對液壓采集系統造成的標準不確定度分量U₂約為0.016 MPa，系統合成標準不確定度為u_c。

根據式（1）計算可得，系統合成標準不確定度U_c如表4所示。

由不確定度表得知，在干燥器耐壓破壞試驗中，不確定度最大為0.0415，在制動鉗耐壓破壞試驗中，不確定度最大為0.0561。由此可知，該設備試驗重復性好，滿足實驗要求。

4結束語

本文設計了一套基于數據采集與控制技術的汽車制動部件耐壓破壞測試系統，實現對液壓加壓的精確控制，并且高效、穩定、方便。實現對汽車制動部件耐壓破壞試驗的綜合測量。試驗結果表明，該測試系統運行穩定，測試數據可靠，已成功投入到企業中使用。