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(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)作為保障。因此，制動(dòng)系統(tǒng)作為汽車的重要組成部分，對(duì)汽車制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析與檢測(cè)也就顯得尤為重要了[1-3]。

汽車制動(dòng)系統(tǒng)有液壓制動(dòng)系統(tǒng)和氣壓制動(dòng)系統(tǒng)之分，其中氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的整個(gè)系統(tǒng)全部采用氣壓式操作，對(duì)系統(tǒng)的閥門和管路的氣密性要求很高。汽車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)最初采用單回路設(shè)計(jì)，但是一旦有閥門漏氣或者某一處管路漏氣，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)多使用雙回路設(shè)計(jì)，制動(dòng)系統(tǒng)有兩條獨(dú)立的制動(dòng)回路構(gòu)成，如意外導(dǎo)致其中一條制動(dòng)回路不能正常工作，雙回路設(shè)計(jì)可以保證另外一條回路不受影響繼續(xù)完成制動(dòng)功能[4-5]。

氣制動(dòng)閥是氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的主要設(shè)備，根據(jù)氣制動(dòng)閥的氣閥腔室排列不同，雙腔式氣制動(dòng)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(dòng)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(dòng)閥作為檢測(cè)對(duì)象，按照參數(shù)要求設(shè)計(jì)了一套氣制動(dòng)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(dòng)過程，并同時(shí)以Labview為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集等功能，建立完成了汽車制動(dòng)閥的性能測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)分析

氣制動(dòng)閥作為氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的重要設(shè)備，主要用來在產(chǎn)生制動(dòng)作用，同時(shí)讓駕駛員感受到相應(yīng)的踏板感。在輸入壓力不變的時(shí)候，制動(dòng)閥的輸出壓力與駕駛員對(duì)制動(dòng)施加踏板的壓力和踏板運(yùn)動(dòng)的距離具有遞增的函數(shù)關(guān)系。氣制動(dòng)閥的輸出壓力既可以直接輸入到氣制動(dòng)室給制動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，也可以作為控制信號(hào)去控制其他裝置。雙腔式氣制動(dòng)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(dòng)閥，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

雙腔串聯(lián)式氣制動(dòng)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(jìn)氣口，M3為排氣口，這樣設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)是當(dāng)其中一個(gè)腔體失效不能工作時(shí)，另一個(gè)腔體任然能夠產(chǎn)生正常工作，產(chǎn)生制動(dòng)力[7]。

根據(jù)測(cè)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(dòng)閥結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)總體硬件框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

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

靜態(tài)加載系統(tǒng)是硬件設(shè)計(jì)的核心，用來模擬駕駛員剎車過程中踩制動(dòng)踏板的力的變化，這一部分設(shè)計(jì)主要以交流伺服電機(jī)為核心，運(yùn)動(dòng)控制卡為控制單元，電缸為加載機(jī)構(gòu)模擬實(shí)現(xiàn)剎車過程中制動(dòng)閥的受力變化。整個(gè)加載系統(tǒng)中伺服電機(jī)通過減速器帶動(dòng)滾珠絲桿做水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣制動(dòng)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(jì)。

本系統(tǒng)使用交流伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)整個(gè)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(dòng)器對(duì)編碼器的反饋信號(hào)進(jìn)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(jī)精度。對(duì)交流伺服電機(jī)的選型，首先要確定減速機(jī)的減速比和滾珠絲杠的導(dǎo)程，然后考慮系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及負(fù)載/電機(jī)慣量比的要求。

滾珠絲桿通過螺紋作用將伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)推桿前進(jìn)，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(dòng)效率和動(dòng)態(tài)性能、較小的摩擦力矩、傳動(dòng)可逆性以及運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等特點(diǎn)，被廣泛使用。制動(dòng)閥的靜特性測(cè)試要滿足 (0.4±0.1)mm/s的移動(dòng)速率，所以最小速度Vmin為0.3 mm/s，同時(shí)為了測(cè)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(duì)轉(zhuǎn)速要達(dá)到2 r/s，根據(jù)計(jì)算以及滾珠絲桿的選用標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)算確定系統(tǒng)選用日本富士公司的GSY40105-RC2型伺服電機(jī)及配套的RYH401F5-VV2型伺服放大器[8]。

本文選用的運(yùn)動(dòng)控制卡MPC08實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制。MPC08控制卡對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制是通過PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)控制卡插在PC機(jī)的PCI卡槽中，通過軟件編程設(shè)置運(yùn)動(dòng)方式然后給電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖信號(hào)、方向信號(hào)以及位置信號(hào)等實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制[9]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是硬件設(shè)計(jì)的另一大模塊，它是將靜態(tài)加載機(jī)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(jī)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)剎車過程中制動(dòng)閥壓力變化的數(shù)據(jù)收集，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)閥性能的檢測(cè)。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(jì)數(shù)器[10]。

搭建好的整體硬件平臺(tái)如圖3所示。

圖3 硬件平臺(tái)

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件整體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 軟件整體框架

測(cè)試過程為：首先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制卡初始化，初始化后控制電機(jī)前進(jìn)模擬司機(jī)踩剎車的三個(gè)階段，通過測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)MPC08運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行初始化。運(yùn)動(dòng)控制卡初始化完成后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)，MPC08運(yùn)動(dòng)控制卡的控制功能主要取決于運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫，運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫為單軸或多軸的步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)控制提供了許多運(yùn)動(dòng)函數(shù)：?jiǎn)屋S運(yùn)動(dòng)、多軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)、多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)等，本文用的是單軸運(yùn)動(dòng)控制，根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制要求使用以常速度移動(dòng)指定距離運(yùn)動(dòng)類型。運(yùn)動(dòng)控制程序框圖，如圖5所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)程序框圖

數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)AI(Analog Input)實(shí)時(shí)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(dòng)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(cè)試的是氣制動(dòng)閥的靜特性，硬件設(shè)計(jì)部分的伺服加載機(jī)構(gòu)模擬駕駛員踩剎車的過程，計(jì)算機(jī)通過運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)設(shè)定的加載速度控制電機(jī)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)緩慢推動(dòng)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(hào)通過濾波、放大、AD轉(zhuǎn)換等處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，得到輸入力與位移曲線，如圖8所示。

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

4 結(jié)論

本文將虛擬儀器技術(shù)引入到氣制動(dòng)閥性能在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以軟件為核心，采用標(biāo)準(zhǔn)化的硬件模塊搭建一套檢測(cè)系統(tǒng)，不僅降低了開發(fā)難度和設(shè)計(jì)成本，提高了測(cè)試效率與精度，可進(jìn)一步推廣至其他制動(dòng)閥類性能測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)，是一種行之有效的方案，通過擴(kuò)展以后可以應(yīng)用在自動(dòng)檢測(cè)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(dòng)閥的靜特性曲線

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