姜文平, 張振東, 王小燕, 胡 波, 石楠楠

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093)

工程車(chē)全液壓制動(dòng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

姜文平, 張振東, 王小燕, 胡 波, 石楠楠

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093)

為了對(duì)全液壓制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及制動(dòng)壓力輸出特性進(jìn)行精確檢測(cè),設(shè)計(jì)了一套由供油、主體、制動(dòng)器及測(cè)控4個(gè)模塊組成的全液壓制動(dòng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái),為滿(mǎn)足充液閥和制動(dòng)閥高低溫試驗(yàn)空間的要求,主體模塊的結(jié)構(gòu)布置力求緊湊.另外,基于LabVIEW平臺(tái)構(gòu)建了制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)與控制模塊,并開(kāi)發(fā)了一套制動(dòng)踏板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其反饋控制算法,實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)過(guò)程的編程控制以及相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集處理等功能.實(shí)驗(yàn)表明,該試驗(yàn)臺(tái)可對(duì)不同溫度和不同工況條件下的制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及制動(dòng)壓力輸出特性等關(guān)鍵性能進(jìn)行自動(dòng)化精確檢測(cè).

工程車(chē);全液壓制動(dòng)系統(tǒng);動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性;壓力輸出特性;試驗(yàn)臺(tái)

全液壓制動(dòng)系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能及較高的可靠性被國(guó)外工程車(chē)輛廣泛采用.與國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的氣液制動(dòng)系統(tǒng)(俗稱(chēng)“氣頂油”)相比較,該系統(tǒng)具有回路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、制動(dòng)迅速及易于維護(hù)等特點(diǎn).因此,為了提高控制系統(tǒng)的性能和控制精度,從“氣頂油”到全液壓制動(dòng),是工程車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[1-3].

當(dāng)前,全液壓制動(dòng)系統(tǒng)的生產(chǎn)、檢測(cè)方面的核心技術(shù)主要由美國(guó)MICO、德國(guó)Rexroth等公司所壟斷[4].為形成自主研發(fā)及配套能力,國(guó)內(nèi)一些高校和相關(guān)企業(yè)對(duì)全液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān).但由于產(chǎn)品性能檢測(cè)手段不健全,評(píng)價(jià)方法不科學(xué),在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢測(cè)等各個(gè)環(huán)節(jié)均缺乏規(guī)范性指導(dǎo),造成產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比尚存在較大差距,主要表現(xiàn)在:壓力控制不精確、動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后、閥件保壓性能差等方面.因此,開(kāi)發(fā)高性能全液壓制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái),實(shí)現(xiàn)制動(dòng)性能的自動(dòng)化檢測(cè)和科學(xué)評(píng)價(jià),對(duì)于推動(dòng)全液壓制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的自主研發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

本文在分析全液壓制動(dòng)系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了一套制動(dòng)系統(tǒng)性能自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了不同工況下制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及制動(dòng)壓力輸出特性等關(guān)鍵性能的精確檢測(cè),可為全液壓制動(dòng)系統(tǒng)及其關(guān)鍵部件性能的試驗(yàn)評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù).

1 全液壓制動(dòng)系統(tǒng)工作原理

如圖1所示[5],全液壓制動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓泵、充液閥、制動(dòng)閥、蓄能器以及油箱、過(guò)濾器、制動(dòng)器等部件組成.

圖1 全液壓制動(dòng)系統(tǒng)布置圖Fig.1 Layout diagram of full hydraulic braking system

液壓泵在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下為系統(tǒng)提供動(dòng)力源,蓄能器用于存儲(chǔ)制動(dòng)能量.充液閥和制動(dòng)閥是制動(dòng)系統(tǒng)中的兩個(gè)核心部件.

充液閥的作用相當(dāng)于一個(gè)壓力開(kāi)關(guān),其動(dòng)作由蓄能器壓力決定.當(dāng)蓄能器壓力低于規(guī)定的壓力下限時(shí),充液閥中的單向閥開(kāi)啟,來(lái)自液壓泵的壓力油經(jīng)充液閥向蓄能器充液;當(dāng)蓄能器壓力達(dá)到規(guī)定的壓力上限時(shí),單向閥關(guān)閉,蓄能器充液過(guò)程停止,在單向閥的作用下,蓄能器壓力維持不變.

制動(dòng)閥相當(dāng)于一個(gè)受踏板行程控制的開(kāi)關(guān)閥,當(dāng)踩下制動(dòng)閥踏板并消除預(yù)行程后,制動(dòng)閥將蓄能器輸出口與前后橋制動(dòng)器壓力輸入口接通,壓力油經(jīng)蓄能器傳輸至前后橋制動(dòng)器,從而實(shí)現(xiàn)工程車(chē)輛的有效制動(dòng).

2 全液壓制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)方案

試驗(yàn)臺(tái)主要設(shè)計(jì)要求:a.實(shí)現(xiàn)充液及制動(dòng)過(guò)程動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、壓力輸出特性等的自動(dòng)測(cè)試;b.實(shí)現(xiàn)踏板力、踏板轉(zhuǎn)角、不同測(cè)點(diǎn)壓力及溫度的精確檢測(cè)以及制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)程序控制;c.采用模塊化設(shè)計(jì),主體模塊各部件布置緊湊,滿(mǎn)足-40～80℃高低溫實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合測(cè)試要求;d.測(cè)試界面美觀,具有良好的人機(jī)交互功能.

依據(jù)上述要求并參考GB 12676-1999《汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和實(shí)驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn),制定試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)方案如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of test bench

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由供油模塊、主體模塊、制動(dòng)器模塊及測(cè)控模塊4個(gè)部分組成.其中,供油模塊包括油箱、液壓泵、電機(jī)、溢流閥以及濾清器等部件,為系統(tǒng)提供具有一定壓力的清潔液壓油;主體模塊包括充液閥、蓄能器、制動(dòng)閥等部件,集成在同一個(gè)平板支架上,以減小體積并適應(yīng)高低溫試驗(yàn)箱有限容積的需要;制動(dòng)器模塊包括前后橋4個(gè)制動(dòng)器,用于模擬剎車(chē)輪轂;測(cè)控模塊由各種傳感器、踏板驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)及測(cè)控界面所組成,工控機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡檢測(cè)各傳感器信號(hào),按預(yù)定要求對(duì)踏板動(dòng)作進(jìn)行控制,控制界面對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、顯示、存儲(chǔ)或輸出等操作.

3 制動(dòng)踏板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

在全液壓制動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程中,車(chē)輛的制動(dòng)過(guò)程由司機(jī)腳踩制動(dòng)踏板完成.由于踏板的實(shí)際操作過(guò)程存在多樣性的特點(diǎn),而且需要適應(yīng)高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)特定場(chǎng)合試驗(yàn)操作的需要,因此,常規(guī)的腳踩踏板動(dòng)作方式已不能滿(mǎn)足多樣性的試驗(yàn)要求,需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)踏板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)踏板運(yùn)動(dòng)過(guò)程的靈活控制.

基于以上要求和考慮,本系統(tǒng)中的制動(dòng)踏板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了由大扭力舵機(jī)帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式,整個(gè)機(jī)構(gòu)由舵機(jī)、搖臂、兩根連桿、壓桿、踏板力傳感器等部件組成.舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)搖臂旋轉(zhuǎn),連桿的兩端分別與搖臂和壓桿鉸接,壓桿與固定在踏板上的踏板力傳感器貼靠在一起,隨著搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng),壓桿通過(guò)踏板力傳感器帶動(dòng)踏板轉(zhuǎn)動(dòng).另外,在踏板轉(zhuǎn)軸上安裝了一個(gè)轉(zhuǎn)角傳感器,以實(shí)現(xiàn)踏板轉(zhuǎn)角的檢測(cè).踏板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理圖和實(shí)物如圖3所示.

圖3 制動(dòng)踏板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.3 Pedal driving mechanism

舵機(jī)選用了180 kg/cm耐高低溫、大扭力舵機(jī),其最大轉(zhuǎn)速可達(dá)到120(°)/s(24 V),通過(guò)上位機(jī)向舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào),可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)速以及踏板轉(zhuǎn)角的精確控制,角度控制精度可達(dá)到0.32°,完全滿(mǎn)足0.5°的角度控制誤差要求.

4 測(cè)控模塊設(shè)計(jì)

4.1 硬件結(jié)構(gòu)

硬件部分由各種傳感器及信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、輸出驅(qū)動(dòng)電路以及工控機(jī)5部分組成,硬件電路結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the hardware circuit

在系統(tǒng)中布置了4組溫度和壓力傳感器,用于檢測(cè)4個(gè)不同關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的溫度及壓力變化情況,在踏板制動(dòng)閥上還安裝了踏板力傳感器和踏板角度傳感器.角度傳感器是踏板控制的重要元件,選用了WDD35D4型角位移傳感器,精度達(dá)到0.25%FS;壓力及溫度檢測(cè)分別選用了南京高華MB300型壓力變送器及GW200溫度變送器,其精度均達(dá)到0.5% FS;踏板力傳感器選擇博通TH4805型踏板力傳感器,精度為0.2%FS.由于該傳感器的輸出電壓幅值較小,為了實(shí)現(xiàn)傳感器輸出與數(shù)據(jù)采集卡的匹配,系統(tǒng)中配置了一個(gè)力敏放大器.上述傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波等處理后轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采集卡.

選用研華公司PCI1710U型數(shù)據(jù)采集卡對(duì)12路傳感器信號(hào)進(jìn)行采集,最高采樣頻率為100 kS/s,可完全滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集需要.控制界面對(duì)檢測(cè)的傳感器信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理后,完成數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及油門(mén)踏板的控制操作.

4.2 測(cè)控軟件

測(cè)控軟件基于LabVIEW軟件環(huán)境開(kāi)發(fā)[6],主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)后臺(tái)處理與存儲(chǔ)、前面板顯示以及控制信號(hào)輸出等功能.

軟件依據(jù)設(shè)定的踏板角度、速度和踩踏次數(shù)向踏板驅(qū)動(dòng)器輸出相應(yīng)的控制信號(hào),使踏板到達(dá)指定的下壓角度和完成預(yù)定的踩踏次數(shù).測(cè)試開(kāi)始前需對(duì)角度傳感器進(jìn)行初始化標(biāo)定,以消除傳感器零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的測(cè)量誤差.踏板角度控制通過(guò)角度傳感器信號(hào)的反饋控制實(shí)現(xiàn),并采用PID算法提高踏板角度的控制精度,測(cè)控軟件流程圖如圖5所示.

圖5 LabVIEW測(cè)控軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the Lab VIEW program

整個(gè)軟件可分為動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試和制動(dòng)性能測(cè)試兩部分.動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試界面(圖6(a))借助DAQNavi模塊顯示傳感器數(shù)據(jù),對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并用于測(cè)試系統(tǒng)充液特性及單次充液后安全制動(dòng)次數(shù);制動(dòng)性能測(cè)試界面(圖6(b))測(cè)試踏板力、踏板角度與制動(dòng)壓力關(guān)系.

圖6 測(cè)控軟件前面板Fig.6 Interface of the software

5 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

為了對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證,本文選用與10 T裝載機(jī)配套的某型全液壓制動(dòng)系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,液壓制動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示.

系統(tǒng)中配置的液壓泵額定供油壓力為20 MPa,流量為32 mL/r;配套電機(jī)功率為7.5 kW,額定轉(zhuǎn)速為1 470 r/min;蓄能器容積1.6 L,充液壓力為17.5 MPa;選用了壓力可調(diào)式溢流閥維持油泵出口油壓一定,最大溢流壓力為20 MPa.

5.1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

系統(tǒng)中蓄能器壓力范圍由充液閥控制.充液閥工作過(guò)程分為充液和保壓兩個(gè)階段,由閥體中的控制閥控制其充液上下限.系統(tǒng)充液時(shí)間、一次充液后安全制動(dòng)次數(shù)以及蓄能器壓力控制范圍是評(píng)價(jià)液壓制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)[7-8].

實(shí)驗(yàn)在常溫(20℃)下進(jìn)行,分別進(jìn)行多次充液過(guò)程和制動(dòng)過(guò)程實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試結(jié)果如圖7所示.充液過(guò)程中,蓄能器壓力p由低于11.4 MPa上升至13.8 MPa后充液停止,充液時(shí)間為7 s.此時(shí),踏板驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始以勻速反復(fù)進(jìn)行完全制動(dòng),制動(dòng)過(guò)程中蓄能器壓力p由13.8 MPa開(kāi)始呈階梯型下降至11.4 MPa.制動(dòng)過(guò)程中曲線(xiàn)的每個(gè)階梯表示踏板完成一次完全制動(dòng),可見(jiàn)每個(gè)制動(dòng)過(guò)程完成的完全制動(dòng)次數(shù)均為11次.3項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均與系統(tǒng)中該充液閥標(biāo)定范圍一致,表明測(cè)試系統(tǒng)能夠真實(shí)再現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程.

圖7 充液閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)(20℃)Fig.7 Dynamic response curves of the charging valve(20℃)

5.2 制動(dòng)壓力輸出過(guò)程

制動(dòng)閥的工作過(guò)程分為空行程、制動(dòng)和閥芯復(fù)位3個(gè)階段[9].踏板角度α與制動(dòng)壓力的關(guān)系是評(píng)價(jià)系統(tǒng)制動(dòng)壓力輸出性能的關(guān)鍵指標(biāo).

實(shí)驗(yàn)在高低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行,在-40℃下制動(dòng)壓力p1輸出過(guò)程如圖8所示.踏板在0～13.5°為空行程,此階段制動(dòng)壓力輸出較小,無(wú)制動(dòng)效果.踏板到達(dá)13.5°后,制動(dòng)壓力p1隨踏板角度α增大而呈線(xiàn)性上升.對(duì)制動(dòng)行程階段數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法曲線(xiàn)擬合,得到擬合函數(shù)如圖8所示.在踏板到達(dá)行程終點(diǎn)時(shí),制動(dòng)壓力p1達(dá)到最高5 MPa.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與產(chǎn)品標(biāo)定值一致,且制動(dòng)壓力輸出表現(xiàn)平穩(wěn),表明系統(tǒng)踏板角度與制動(dòng)壓力具有良好的輸出關(guān)系.

5.3 踏板力與制動(dòng)壓力的關(guān)系

制動(dòng)閥制動(dòng)踏板不僅是制動(dòng)閥的控制開(kāi)關(guān),同時(shí)也需要其將制動(dòng)力反饋給駕駛員,便于駕駛員對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行控制.因此,踏板力F必須與制動(dòng)壓力p1具有良好的線(xiàn)性關(guān)系[10-11].本實(shí)驗(yàn)以測(cè)試踏板

力F與制動(dòng)壓力p1的關(guān)系為測(cè)試目標(biāo),由制動(dòng)性能測(cè)試程序完成測(cè)試.

80℃環(huán)境下踏板力與制動(dòng)壓力關(guān)系曲線(xiàn)如圖9所示.在踏板空行程階段,踏板力F增大,制動(dòng)壓力p1基本不變;踏板越過(guò)空行程后,踏板力F繼續(xù)增大,制動(dòng)壓力p1隨之增大.從曲線(xiàn)中看出踏板力F與制動(dòng)壓力p1具有良好的線(xiàn)性關(guān)系,表明該制動(dòng)閥制動(dòng)壓力反饋性能良好.

圖8 踏板角度與制動(dòng)壓力關(guān)系曲線(xiàn)(-40℃)Fig.8 Relation curve of the pedal angle and braking pressure(-40℃)

圖9 踏板力與制動(dòng)壓力關(guān)系曲線(xiàn)(80℃)Fig.9 Relation curve of the pressure and brake pedal force(80℃)

6 結(jié) 論

a.基于模塊化設(shè)計(jì)理念開(kāi)發(fā)了一套全液壓制動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái).試驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及制動(dòng)壓力輸出特性的測(cè)試功能.

b.基于LabVIEW軟件環(huán)境開(kāi)發(fā)了一套可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控軟件.軟件實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程的高度自動(dòng)化和規(guī)范化,提高了檢測(cè)準(zhǔn)確度.

c.通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)臺(tái)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試達(dá)到了預(yù)期要求.該試驗(yàn)臺(tái)的建立實(shí)現(xiàn)了全液壓制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件性能的精確檢測(cè)和科學(xué)評(píng)價(jià),對(duì)于推動(dòng)全液壓制動(dòng)系統(tǒng)的自主研發(fā)具有指導(dǎo)意義.

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(編輯:丁紅藝)

Test Bench Design for Full Hydraulic Braking System of Construction Vehicle

JIANGWenping, ZHANGZhendong, WANGXiaoyan, HUBo, SHINannan
(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

In order to measure the dynamic response characteristics and braking pressure output characteristics of a full hydraulic braking system accurately under different working conditions,a test bench was designed using the modular design method.The test bench was consisted of four modules,namely the oil supply module,the main module,the brake module and the measurement and control module.The main module was arranged compactly to meet the requirements of high and low temperature tests.A pedal driving mechanism was designed to drive and control the motion of brake-pedal.The measurement and control module was developed based on LabVIEW,in which a feedback control was used to improve the precision of the pedal driver and realize the automatic data acquisition and management.The results show that the pedal driving mechanism can work normally at different temperature and the measurement and control system has an efficient and automatic test performance to analyze accurately the dynamic characteristics and braking pressure output characteristics of full hydraulic braking systems under different working conditions.

construction vehicle;full hydraulic braking system;dynamic response characteristic; braking pressure output characteristic;test bench

TH 137.7

A

1007-6735(2015)05-0467-06

10.13255/j.cnki.jusst.2015.05.010

2014-06-03

上海市科技興農(nóng)重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目[滬農(nóng)科攻字(2012)第5-4號(hào)]

姜文平(1988-),男,碩士研究生.研究方向:汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電控.E-mail:jiangwenping1988@gmail.com

張振東(1968-),男,教授.研究方向:汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電控.E-mail:usstzzd@126.com