IBooster總成三工位耐久測試系統設計

蘇錦強， 范偉軍， 胡曉峰， 陳 濤

(1. 中國計量大學，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)

0 引 言

伴隨著能源危機，電動汽車有著良好的發展前景[1]。電動汽車取消了傳統的燃油發動機，而通過搭載真空泵代替發動機提供真空源的方案有很多缺點[2]，因此真空助力器不再適用，電動助力器隨之誕生。電動助力器不依賴真空源，相對傳統真空助力器，有體積更小，質量更輕，僅在制動時消耗電量，可以進行能量回收[3]等優點，適應未來汽車自動化及電氣化的發展趨勢。

電子助力器作為汽車制動系統的關鍵部位，它的性能優劣和工作穩定性直接影響了乘車安全，如何高效準確地檢測汽車電子助力器耐久性是一個迫切關注的問題[4]。目前我國主流還是采用傳統的真空助力器，電子助力器的研發生產處于起步階段[5]，相關電子助力器耐久性測試系統的公開文獻較少，企業生產用的電子助力器耐久性測試臺質量參差不齊。因此開發自動化程度高、高效的電子助力器耐久測試系統具有重要的現實意義。

通過分析德國博世公司生產的IBooster電子助力器的物理結構和工作原理，構建IBooster總成三工位耐久測試系統，能夠進行ABS工作耐久性試驗，其具備高效、自動化、較高經濟效益的特點，滿足在不同環境溫度條件下的測試需求。由于還沒有制定電子助力器耐久性能測試的國家標準和企業標準，主要參考真空助力器標準QC/T 311—2018《汽車液壓制動主缸性能要求及臺架試驗方法》、QC/T 307—2016《汽車用真空助力器性能要求及臺架試驗方法》。

1 測試系統需求分析

1.1 IBooster電子助力器工作原理

IBooster物理結構圖如圖1所示，主要由電機電控單元、輸入推桿、位移差傳感器、制動主缸等系統部件組成。當駕駛員踩制動踏板時，踏板行程傳感器檢測到輸入推桿產生的位移，并將位移信號發送至電控單元，電控計算出電機應產生的扭矩，再由傳動裝置將該扭矩轉化為伺服制動力。伺服制動力與踏板輸入力一起作用[6]，在制動主缸內產生液壓力作用在負載上實現制動。

圖1 IBooster物理結構圖

1.2 系統需求分析

分析實車制動狀況和相關行業標準，耐久測試系統主要包含以下部分：驅動加載機構、高低溫試驗箱、液壓系統、數據采集與控制系統[7]。

驅動加載機構模擬腳踩踏板的過程，需要有實現往復直線運動的直線運動裝置、限制直線運動裝置運動行程的限位裝置。

高低溫箱調控環境條件，能夠滿足電子助力器在常溫、高溫、低溫下的耐久測試需求，實際溫度與設定溫度誤差應小于±2 ℃。

需要液壓系統模擬實車制動環境，并且能實現管路注油、排油等功能。為了更符合實車工況，添加ABS控制模塊[8]，在非ABS工作模式下和ABS工作模式下分別作耐久性測試。

數據采集與控制系統應滿足傳感器信號的高速采集及對系統一些硬件模塊的控制需求。配合系統軟件能夠動態顯示試驗數據和曲線并進行存儲，能夠根據設定參數進行不同的工況測試。

綜合考慮系統各個部分的測試需求， IBooster總成耐久測試的技術參數要求如表1所示(1bar=0. 1 MPa)，系統主要的結構示意圖如圖2所示。

圖2 系統結構示意圖

表1 IBooster總成耐久性檢測系統技術參數

2 測試系統設計

測試系統設計主要包括：驅動加載系統設計、管路系統設計、數據采集系統設計和測試流程設計。

2.1 驅動加載系統設計

驅動加載系統主要由伺服電機、氣缸、阻擋氣缸、IBooser帶主缸總成、力傳感器、位移傳感器等組成，驅動加載機構圖如圖3所示，系統為三工位。

圖3 驅動加載機構圖

伺服電機、氣缸推桿、IBooser輸入推桿等位于同一直線上，當氣缸加載時，直線運動裝置通過模擬擺臂推動電子助力器輸入推桿，實現腳踩踏板的效果。

伺服電機經傳動機構帶動氣缸走設定的位移，可以實現耐久測試的多點位置加載控制。電機絲杠位移設定好的距離后，阻擋氣缸推桿伸出，代替伺服電機抵住左側安裝板，可以避免伺服電機絲杠受到ABS模塊工作時帶來的反沖壓影響。氣缸速度可調節，通過控制二位五通電磁閥狀態，可以實現氣缸的反復加載卸載，符合耐久測試需求。

IBooster總成安裝于高低溫試驗箱中。高低溫箱實現對環境加熱和冷卻的PID控制，并可以在溫控儀面板上直接顯示和設定實驗溫度。

2.2 管路系統設計

小型汽車是通過液壓制動，為模擬實車效果，需要讓管路內充滿制動液。設計管路系統如圖4、圖5、圖6所示，圖4是氣體管路設計圖。

圖4 氣體管路設計圖

圖5 真空液壓管路設計圖

圖6 測試管路設計圖

如上圖所示氣體管路通過調壓閥或電氣比例閥調控氣壓，為四部分管路供氣。第一部分向真空液壓管路供氣，主要用于管路氣洗；第二部分向加載氣缸供氣，實現氣缸加載卸載；第三部分向阻擋氣缸供氣，抵住左側安裝板；第四部分向氣控閥供氣，通過二位五通電磁閥調整氣控閥狀態。

圖5是真空液壓管路設計圖，主要由真空管路、氣洗管路、儲液管路、測試管路四部分組成[9]。

真空管路是真空注油的關鍵部分。真空泵提供真空源，負責將管路抽真空。真空注油時，將管路抽真空，利用負壓將儲液罐中的制動液順著管路充滿測試回路。

氣洗管路是回路氣洗的關鍵部分。所用氣源來自氣體管路，回路氣洗時，調整管路中氣控閥和電磁閥的工作狀態，使得氣體順著管路將管路和制動主缸中的制動液排出至儲液罐中。

儲液管路是儲存和傳輸制動液的關鍵部分。利用隔膜泵從油槽中抽油并儲存至儲液罐中。儲液管路和測試管路形成一個回路，通過注油和回路氣洗實現儲液管路中制動液的運輸和儲存。

氣控閥19、20、21作為開關，分別與三個工位的測試管路相連。測試管路設計圖如圖6所示，這里只列舉第一個工位。

制動主缸進油口與氣控閥19相連，制動液從出油口流入測試管路中。測試時，手動球閥關閉，加載機構經產品助力后推動主缸活塞產生液壓，ABS根據設置工況調節液壓，作用到液壓負載單元上。

液壓負載單元采用可更換彈簧模擬負載，通過調節負載彈簧長度，能夠保證輸入力在90%拐點力時，被測樣件的輸入位移達到設計最大輸入位移的2/3，滿足國家標準[10]。

測試時應保證管路密封不泄露，同時管路內制動液無氣泡，避免影響實驗結果。

2.3 數據采集與控制系統設計

數據采集與控制系統如圖7所示，主要由工控機、各類傳感器、電磁閥、數據采集卡、用戶操作按鈕等組成。

圖7 數據采集與控制系統框圖

工控機作為控制中心，通過PCI總線與研華數據采集卡連接，數據采集卡是數據采集與控制系統的核心部件，起著傳感器信號的采集及工控機信號的輸出作用[11]。系統通過AI通道獲取液壓傳感器、力傳感器、位移傳感器等各類傳感器數據值；通過AO通道控制電氣比例閥開度；通過DO通道控制閥和三色燈的通斷狀態；通過DI通道控制啟動、急停等用戶操作按鈕。

為獲得產品內部信息數據，采用NI公司高速、低容錯CAN卡實現產品與設備之間快速穩定的CAN通信，其支持多速率數據通信，最高頻率達1MS/s。設備通信支持CCP協議收發操作，可以通過更新DBC文件來實現對IBooster產品電控變量的快速控制及監控。

2.4 測試流程設計

根據相關行業標準，主要將IBooster耐久測試流程分為三個部分，分別是準備階段、測試階段和結束階段。

1）準備階段

將被測產品在相關夾具上安裝固定好，連接測試回路，將制動主缸進油口和出油口分別接入設備管路系統中。

采用泵循環注油、真空注油、正壓注油等方式對液壓管路進行注油排氣，使測試管路中充滿制動液，并且管路中無氣泡。

2） 測試階段

根據產品特性及測試需求，設定高低溫箱溫度、試驗運行次數、目標液壓、報警參數等工況信息，由伺服電機調節加載氣缸位置后，阻擋氣缸推桿伸出代替伺服電機受力。

非ABS工作耐久性實驗條件下，系統按照“氣缸加載-加載保持-氣缸卸載”的狀態循環進行，繪制并記錄試驗曲線圖。試驗壓力與動作時間之間的關系如圖8所示[12]。

圖8 非 ABS 工作耐久性試驗壓力與動作時間之間的關系

ABS工作耐久性實驗條件下，設置升壓動作時間、保持時間、降壓動作時間等參數，根據設定好的參數進行ABS升降壓模擬動作，系統按照“氣缸加載-ABS動作-ABS動作保持-加載保持-氣缸卸載”的狀態循環運行。

測試過程中對系統進行安全監控，當液壓值、推桿行程、輸入力等超過設定值時，系統自動報警停機。

3） 結束階段

通過回路氣洗的方式將管路中的制動液吹回儲液罐中。取下被測產品，整理測試臺，結束測試。

3 實驗結果分析

選用某廠家生產的IBooster產品作為測試對象，準備階段結束后，在標準大氣壓下，根據試驗要求分別做非ABS工作耐久性試驗和ABS工作耐久性試驗。

圖9為電機前進液壓曲線圖，描繪測試前伺服電機走定位的液壓曲線。當伺服電機以2 mm/s的速度前進至目標液壓位置后，氣缸推桿卸載。

圖9 電機前進液壓曲線圖

圖10為非ABS工作耐久性部分曲線圖。如圖所示，液壓曲線良好，多次建壓泄壓符合耐久特點，其滿足非ABS工作耐久性試驗壓力與動作時間之間的關系，能夠保證試驗頻率為1 000±100次/h。

圖10 非ABS工作耐久性部分曲線圖

圖11為ABS工作耐久性部分曲線圖，ABS循環試驗穿插在非ABS工作耐久性試驗中進行。圖中有兩條曲線，一條為加載機構位移曲線，一條為經ABS調節后的液壓曲線。氣缸加載建壓后啟動ABS動作控制策略，ABS進行降壓，降壓動作時間設為20 ms，隨后進行升壓，升壓動作時間設為5 ms，每個升壓動作后保壓一定時間，多段升壓后停止ABS動作策略，最后氣缸回退泄壓。實驗結果表明，液壓曲線符合實車ABS多段調壓特點，具有良好的線性，對ABS工作模式下電子助力器耐久性測試有實際的意義。

圖11 ABS工作耐久性部分曲線圖

4 結束語

本文介紹的IBooster總成三工位耐久測試系統，使用ABS控制模塊，更加符合實車制動環境，采用伺服電機走定位，氣缸進行快速加載與退回的方式適合不同電子助力器的測試需求，具有較高的經濟效益。經過兩周的運行測試，該檢測系統無運行故障，測量結果較為精準，能夠滿足各汽車產商對產品的耐久測試需求，現已投入日常研發應用。