王磊

(安康學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院， 安康 725000)

0 引言

汽車制動系統(tǒng)是汽車行駛安全的重要保證，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，車速和車流密度持續(xù)提高，汽車制動系統(tǒng)的工作可靠性變得越來越重要。汽車要安全行駛必須有性能可靠的制動系統(tǒng)作為保障。因此，制動系統(tǒng)作為汽車的重要組成部分，對汽車制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析與檢測也就顯得尤為重要了[1-3]。

汽車制動系統(tǒng)有液壓制動系統(tǒng)和氣壓制動系統(tǒng)之分，其中氣壓制動系統(tǒng)的整個系統(tǒng)全部采用氣壓式操作，對系統(tǒng)的閥門和管路的氣密性要求很高。汽車氣壓制動系統(tǒng)最初采用單回路設(shè)計，但是一旦有閥門漏氣或者某一處管路漏氣，都會導(dǎo)致整個制動系統(tǒng)故障，工作安全性無法保證。為了消除這一缺陷，目前的氣壓制動系統(tǒng)多使用雙回路設(shè)計，制動系統(tǒng)有兩條獨立的制動回路構(gòu)成，如意外導(dǎo)致其中一條制動回路不能正常工作，雙回路設(shè)計可以保證另外一條回路不受影響繼續(xù)完成制動功能[4-5]。

氣制動閥是氣壓制動系統(tǒng)的主要設(shè)備，根據(jù)氣制動閥的氣閥腔室排列不同，雙腔式氣制動閥可以分為并聯(lián)式和串聯(lián)式兩種，其中的串聯(lián)式制動閥，其被廣泛應(yīng)用在大型客車和大型載重汽車等車型中[6]。

本文以雙腔串聯(lián)式氣制動閥作為檢測對象，按照參數(shù)要求設(shè)計了一套氣制動閥直線伺服加載裝置，能夠模擬出駕駛員緩慢連續(xù)踩腳踏板的制動過程，并同時以Labview為開發(fā)平臺，實現(xiàn)了運動控制、數(shù)據(jù)采集等功能，建立完成了汽車制動閥的性能測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)分析

氣制動閥作為氣壓制動系統(tǒng)的重要設(shè)備，主要用來在產(chǎn)生制動作用，同時讓駕駛員感受到相應(yīng)的踏板感。在輸入壓力不變的時候，制動閥的輸出壓力與駕駛員對制動施加踏板的壓力和踏板運動的距離具有遞增的函數(shù)關(guān)系。氣制動閥的輸出壓力既可以直接輸入到氣制動室給制動系統(tǒng)提供動力，也可以作為控制信號去控制其他裝置。雙腔式氣制動閥根據(jù)氣閥腔室的排列分為并聯(lián)式和串聯(lián)式兩種，其中廣泛使用的串聯(lián)式制動閥，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

雙腔串聯(lián)式氣制動閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由上閥體、上腔回位彈簧、橡膠平衡彈簧、上腔閥桿、上腔活塞、上腔閥桿回位彈簧、上腔活塞回位彈簧、下閥體、下腔閥桿、下腔活塞、下腔閥桿回位彈簧、橡膠底座、密封橡膠圈和C型卡簧等零件組成，M21和M22分別是上腔和下腔的出氣口，M11和M12分別是上腔和下腔進氣口，M3為排氣口，這樣設(shè)計優(yōu)勢是當其中一個腔體失效不能工作時，另一個腔體任然能夠產(chǎn)生正常工作，產(chǎn)生制動力[7]。

根據(jù)測試要求，系統(tǒng)由靜態(tài)加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩大模塊構(gòu)成，系統(tǒng)總體硬件構(gòu)成框圖，如圖2所示。

圖1 串聯(lián)雙腔式氣制動閥結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)總體硬件框圖

2 硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能劃分，硬件設(shè)計包括靜態(tài)加載系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計兩部分。

靜態(tài)加載系統(tǒng)是硬件設(shè)計的核心，用來模擬駕駛員剎車過程中踩制動踏板的力的變化，這一部分設(shè)計主要以交流伺服電機為核心，運動控制卡為控制單元，電缸為加載機構(gòu)模擬實現(xiàn)剎車過程中制動閥的受力變化。整個加載系統(tǒng)中伺服電機通過減速器帶動滾珠絲桿做水平方向的往復(fù)運動，氣制動閥自重約為1 kg，最大的推桿力約為4.5 kN，摩擦力可忽略不計。

本系統(tǒng)使用交流伺服電機來驅(qū)動整個加載裝置。整套伺服控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制回路，驅(qū)動器對編碼器的反饋信號進行采樣與處理，通過內(nèi)部的位置環(huán)和速度環(huán)來提高控制機精度。對交流伺服電機的選型，首先要確定減速機的減速比和滾珠絲杠的導(dǎo)程，然后考慮系統(tǒng)對伺服電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及負載/電機慣量比的要求。

滾珠絲桿通過螺紋作用將伺服電機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動來驅(qū)動推桿前進，由滾珠循環(huán)裝置、絲杠、螺母、滾珠四部分構(gòu)成，因其高傳動效率和動態(tài)性能、較小的摩擦力矩、傳動可逆性以及運轉(zhuǎn)平穩(wěn)等特點，被廣泛使用。制動閥的靜特性測試要滿足 (0.4±0.1)mm/s的移動速率，所以最小速度Vmin為0.3 mm/s，同時為了測試結(jié)束能夠快速退回原位置，故最大速度Vmax為10 mm/s，且最大相對轉(zhuǎn)速要達到2 r/s，根據(jù)計算以及滾珠絲桿的選用標準，選擇公稱導(dǎo)程為5 mm。因減速比要求為10，所以減速器選用VGM PG60-L1-10型雙行星齒輪式減速器，其慣性矩為0.306 kg·cm2，連續(xù)出力轉(zhuǎn)矩為19.6 Nm，入徑軸孔徑≤14 mm。通過計算確定系統(tǒng)選用日本富士公司的GSY40105-RC2型伺服電機及配套的RYH401F5-VV2型伺服放大器[8]。

本文選用的運動控制卡MPC08實現(xiàn)運動系統(tǒng)的控制。MPC08控制卡對運動的控制是通過PC機實現(xiàn)，運動控制卡插在PC機的PCI卡槽中，通過軟件編程設(shè)置運動方式然后給電機的驅(qū)動器發(fā)送脈沖信號、方向信號以及位置信號等實現(xiàn)對電機的運動控制[9]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是硬件設(shè)計的另一大模塊，它是將靜態(tài)加載機構(gòu)模擬剎車過程中力的變化通過數(shù)據(jù)采集卡采集到PC機上，實現(xiàn)對剎車過程中制動閥壓力變化的數(shù)據(jù)收集，從而實現(xiàn)對制動閥性能的檢測。其中數(shù)據(jù)采集卡使用USB3100數(shù)據(jù)采集卡，該板卡提供8路單端模擬量輸入，12位AIC，4路可編程I/O，1路計數(shù)器[10]。

搭建好的整體硬件平臺如圖3所示。

圖3 硬件平臺

3 軟件設(shè)計

軟件整體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 軟件整體框架

測試過程為：首先進行運動控制卡初始化，初始化后控制電機前進模擬司機踩剎車的三個階段，通過測試數(shù)據(jù)判定是否合格，然后數(shù)據(jù)輸出。

本文在Labview下實現(xiàn)對MPC08運動控制卡庫函數(shù)的調(diào)用。首先通過調(diào)用Int auto_set(void)和int init_board(void)函數(shù)對運動控制卡進行初始化。運動控制卡初始化完成后進行運動控制的設(shè)計，MPC08運動控制卡的控制功能主要取決于運動函數(shù)庫，運動函數(shù)庫為單軸或多軸的步進電機或伺服電機控制提供了許多運動函數(shù)：單軸運動、多軸獨立運動、多軸插補運動等，本文用的是單軸運動控制，根據(jù)運動控制要求使用以常速度移動指定距離運動類型。運動控制程序框圖，如圖5所示。

圖5 運動程序框圖

數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)AI(Analog Input)實時連續(xù)采樣的的程序流程如圖6所示[11]。

圖6 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的過程是：打開數(shù)據(jù)采集卡調(diào)用DEV_Create( )創(chuàng)建設(shè)備句柄，調(diào)用AI_InitParam()初始化AI，設(shè)置參數(shù)nSampleMode=1,參數(shù)hEvent=NULL，然后啟動AI采集，調(diào)用AI_ContReadChannelsV( )讀取AI數(shù)據(jù)段，采集結(jié)束后釋放AI資源(AI_Release())并且釋放設(shè)備句柄(DEV_Release)。數(shù)據(jù)采集程序框圖，如圖7所示。

本系統(tǒng)主要測試的是氣制動閥的靜特性，硬件設(shè)計部分的伺服加載機構(gòu)模擬駕駛員踩剎車的過程，計算機通過運動控制卡根據(jù)設(shè)定的加載速度控制電機，通過傳動機構(gòu)緩慢推動推桿，使桿位移由零逐漸增至最大，記錄力傳感器的值的變化，通過數(shù)據(jù)采集卡將傳感器采集到的模擬信號通過濾波、放大、AD轉(zhuǎn)換等處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，得到輸入力與位移曲線，如圖8所示。

如曲線所示，汽車制動過程可明顯分為三個階段：空行程階段、上腔制動階段和下腔制動階段[12]。

4 結(jié)論

本文將虛擬儀器技術(shù)引入到氣制動閥性能在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計，以軟件為核心，采用標準化的硬件模塊搭建一套檢測系統(tǒng)，不僅降低了開發(fā)難度和設(shè)計成本，提高了測試效率與精度，可進一步推廣至其他制動閥類性能測試系統(tǒng)的研發(fā)，是一種行之有效的方案，通過擴展以后可以應(yīng)用在自動檢測設(shè)備上，具有很好的發(fā)展前景。

圖7 數(shù)據(jù)采集程序框圖

圖8 氣制動閥的靜特性曲線

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