集成式電液制動耐久測試系統中模擬卡鉗負載的設計與仿真

王炎福,范偉軍,胡曉峰,郭 斌

1.中國計量大學計量測試工程學院;2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司

0 引言

近年來,隨著新能源汽車以及自動駕駛技術的迅速發展,人們對制動系統的需求越來越高,依賴真空源的真空助力器已不再適用,電控制動系統成為了一種更好的選擇[1-2]。目前市場上的電控制動系統分為2種主流方案:一種為“電控制動助力器+ESP(electronic stability program,電子車身穩定系統)”的Two box方案;另一種為集成ESP的One box方案,也被稱為集成式電液制動系統(integrated electro-hydraulic braking,I-EHB)[3]。對比Two box方案來說,集成ESP的I-EHB擁有集成度更高、質量更輕、制動響應快以及制動踏板解耦等優勢,正逐漸成為新能源汽車制動系統的發展方向[4-5]。

I-EHB作為汽車制動系統的核心部件,進入市場前需對其進行嚴格的高低溫耐久性能測試,耐久性能將直接關系到駕駛人的生命安全。由于耐久性能測試臺需要進行大量的耐久測試[6],測試臺中的卡鉗負載在經歷長時間的測試后容易造成損壞,不僅影響測試數據的準確性,還會加大成本,且對于不同型號的I-EHB進行耐久測試時,還需更換相對應輪缸容積的卡鉗負載以便符合排液量需求[7],因此研究可以滿足不同產品排液量需求的模擬卡鉗負載有重要的意義。

在現有研究中,對于可更換容腔體積的模擬卡鉗負載的研究較少。劉興德等設計了一種模擬彈簧負載用于真空助力器主缸總成性能測試和耐久測試[8],該模擬負載內部有兩個液壓缸,通過電機帶動導向機構推動推桿可以改變單作用缸的容積,從而滿足不同類型的真空助力器排液需求,但該模擬負載體積較大,操控較為復雜且進行ABS耐久測試時還需更換專用的ABS模擬負載。為了使其結構簡單且可以滿足不同類型I-EHB耐久測試時的排液量需求,本文從卡鉗負載原理出發,分析其內部結構設計了一款體積小且可以更換容腔體積的模擬卡鉗負載,之后基于AMESim對模擬負載在制動主缸回路中進行仿真實驗[9],分析其液壓-需液量特性,最后在I-EHB耐久測試系統上進行測試,對實驗結果和仿真數據進行對比分析。

1 模擬卡鉗負載的設計

圖1和圖2分別為汽車浮動式卡鉗外部結構及工作原理圖。當駕駛員踩下踏板后,制動系統進行建壓,制動主缸排出的制動液從制動卡鉗的進油口進入卡鉗輪缸,輪缸內部液壓增大推動活塞壓向制動摩擦片,制動摩擦片擠壓制動盤產生制動力矩,從而降低車輪旋轉速度,制動結束時,卡鉗內部腔體液壓減小,活塞通過彈簧復位,制動任務完成[10]。

圖1 卡鉗外部結構圖

圖2 卡鉗工作原理

根據卡鉗的工作原理,本文設計了模擬卡鉗負載代替實車卡鉗負載接入測試管路用于IEHB的耐久測試。該模擬卡鉗負載采用模擬分泵作為試驗負載,在滿足國家標準規定的負載輸入力與被測件輸入位移的比例要求的基礎上[11],與實車卡鉗負載相比誤差很小,但與以往傳統容腔體積固定的負載裝置不同,它實現了可以通過手動調節內部容腔的體積,可滿足不同被測產品檢測時排液量不同的負載要求[12],且容腔體積調節方便,操作簡單。

圖3為模擬卡鉗負載的結構設計圖,主要由缸體、活塞、活塞頂桿、中間擺臂、模具彈簧和彈簧墊塊等部件組成。具體工作原理為:模擬卡鉗負載與被測產品出液口進行連接,當推動被測產品的輸入推桿時,被測件內部進行建壓,排出的制動液通過管路從模擬負載進油口流入活塞腔,活塞設有階梯孔可有效防止制動液滲入到后面腔體,內部設有一端敞開一端封閉的貫穿孔,使得活塞受力推動后面的活塞頂桿,活塞頂桿推動擺臂,帶動擺臂后端推桿壓縮彈簧,擺臂支點可以通過螺桿帶動銷軸進行手動調整,實現了容腔體積可調,從而滿足不同類型的被測產品測試時排液量的負載需求。當模擬負載出液口管路電磁閥打開后,制動液從缸體內部設的徑向盲孔流出至后續管路。

圖3 模擬卡鉗負載內部結構圖

為了使模擬卡鉗負載能準確模擬實車卡鉗在耐久測試過程中的制動效果,通過使用不同勁度系數k的模具彈簧,能夠保證被測產品I-EHB的輸入位移達到設計輸入位移的2/3時,大小模具彈簧受到的壓縮力在拐點力的90%[13]。

設定被測產品輸入位移為x,容腔直徑為φ,則可計算出排出制動液的體積為V,模擬卡鉗負載內部容腔直徑已定,設為φ0,可求得模擬卡鉗負載在汽車制動過程內部模具彈簧壓縮的位移x′,即:

(1)

根據被測產品容腔直徑φ和輸出液壓p可計算出被測產品受力面積S以及輸出力F。根據F和x′可得滿足國家標準時模擬卡鉗負載內部匹配的模具彈簧需達到的k值,即:

(2)

式中:

(3)

模具彈簧除了設計彈簧尺寸的數據外,還需計算出彈簧常數k0,即彈簧被壓縮時,每增加1 mm距離的負荷,從而得到最大負荷及變位尺寸的負荷,彈簧常數k0計算公式為:

(4)

(5)

式中:G為線材的剛性模數;d為線徑;D0為外徑;Dm為中徑;N為總圈數;Nc為有效圈數。

由式(4)、式(5)可以看出,選取不同材質、線徑、中徑及有效圈數的模具彈簧,可得到不同的彈性系數k0值,能更好地擬合滿足國家標準時模擬卡鉗負載內部匹配的模具彈簧需達到的k值[14]。

2 模擬卡鉗負載仿真模型的搭建

根據上述模擬卡鉗負載的內部結構及其工作原理,基于AMESim仿真軟件搭建了模擬卡鉗負載在單制動回路中的仿真模型。該仿真模型由單腔室制動主缸、增壓閥和減壓閥組成一個簡單的單制動測試回路,如圖4和圖5所示,通過仿真模型可以驗證結構功能以及分析其液壓-需液量特性,對后續改進完善內部結構起著重要作用。

圖4 仿真模型軟件界面圖

圖5 單制動回路仿真模型

單腔室制動主缸由活塞和質量塊以串聯形式模擬建壓過程,質量塊表征活塞的質量和運動屬性,液壓腔模擬制動主缸的死區容積。通過控制信號源輸出力信號控制制動主缸活塞位移。電磁閥由方波信號源控制,起到增壓和減壓的作用;模擬卡鉗負載通過活塞串聯質量塊表征模擬卡鉗負載活塞的運動,彈簧頂桿和活塞頂桿均由質量塊和彈性阻尼模塊組成,彈性阻尼模塊表征頂桿與中間擺臂接觸時產生的彈性變形力和阻礙振蕩的阻尼作用力,質量塊表征頂桿的質量和運動屬性,中間擺臂采用杠桿模擬,可通過改變支點適應不同型號的被測產品,在模擬卡鉗負載液壓腔處可得到液壓-需液量特性曲線。

根據實車制動主缸和電磁閥等相關數據對仿真模型各個元件進行參數設置,主要參數如表1所示。

表1 仿真模型的主要參數

設置仿真模型運行時長為10 s,控制信號給制動主缸活塞1 mm/s的速度進行位移,杠桿元件總長設為25 mm,調整杠桿元件的長度l1、l2分別為5 mm和20 mm、10 mm和15 mm、20 mm和5 mm,在模擬卡鉗負載液壓腔處可得到液壓-需液量關系曲線,如圖6所示。

圖6 模擬卡鉗負載制動缸液壓與所需液量關系曲線

通過仿真結果可知:圖中3條曲線都出現了拐點,是因為要克服間隙,當改變杠桿元件支點位置時會改變液壓-需液量關系,從而可以匹配不同需液量的集成式電液制動系統產品。

3 實驗平臺搭建

為了驗證模擬卡鉗負載在實際耐久測試中的效果,基于企業需求設計了一套集成式電液制動系統的四工位高低溫耐久測試系統。該測試系統主要由電缸加載機構、管路系統、數據采集與控制系統和上位機軟件等模塊組成,總體框圖如圖7所示。電缸加載機構采用伺服電缸帶動直線加載機構,通過工控機控制以不同速度推動被測產品輸入推桿模擬在不同環境下的踩踏板過程;管路系統通過真空和正壓等多重注油方式可以充分排出管路內部氣泡,確保測試數據的可靠性;數據采集與控制系統基于數據采集卡和工控機設計,可對電磁閥進行控制和監控以及傳感器數據的實時采集,在LabVIEW平臺通過CAN通訊向被測產品電子控制單元(ECU)發送對應的控制報文,可驅動產品進行常規制動和防抱死制動系統(ABS)等工況的耐久測試。負載機構根據測試需求可以通過手動球閥在實車卡鉗負載和模擬卡鉗負載之間切換。

圖7 集成式電液制動耐久測試系統總體框圖

該測試系統主要參數表如表2所示。

表2 集成式電液制動系統耐久測試系統主要技術參數表

3.1 管路系統設計

為了更好地模擬實車制動環境,集成式電液制動系統耐久測試系統內部的管路設計主要由真空管路、儲液管路、氣洗管路和測試管路組成,如圖8所示。

1—真空泵;2、7—三通電磁閥;3—真空傳感器;4—油杯;5、19—兩通球閥;6—制動液罐;8—氣控閥;9—三通球閥;10—隔膜泵;11—氣源接口;12—調壓閥;13—氣壓傳感器;14—油杯;15—油霧分離器;16—液壓傳感器;17—模擬卡鉗負載;18—卡鉗負載;20—氣動隔膜閥;21—觀察窗。

真空管路由真空泵對管路抽真空,真空傳感器對壓力值進行監測,根據相關標準和廠商要求,真空度達到-100 kPa后[15],調整氣控閥狀態,由于壓差儲液罐中的制動液會充滿測試管路,儲液罐可以防止過多的制動液倒吸進入真空泵造成損壞,定期打開球閥可以釋放儲液罐中多余的制動液[16]。

儲液管路主要利用隔膜泵將油杯中的制動液抽到儲液罐中,之后通過氣洗和注油回路使得制動液在管路中循環利用。

氣洗管路主要用于測試結束時的回路氣洗,當測試結束時,增大氣壓,通過調整管路中相關氣控閥的狀態,使得回路中的制動液沿著管路流回到儲液罐中,實現制動液的回收和二次利用。

測試管路由4個氣控閥進行控制,由于本文設計的測試系統為四工位,測試管路相同,在此只列舉工位一為例,氣控閥控制的工位一供油管路接入集成式電液制動系統產品的制動液壺,當工位一開始測試時,電缸加載機構推動產品輸入推桿,產品根據設備設置的工況輸出液壓,關閉手動球閥,使液壓作用到模擬卡鉗負載或者預留的實車卡鉗,之后打開手動球閥制動液流入儲液管路進行循環利用。

模擬卡鉗負載實物圖如圖9、圖10所示,以工位二為例,4個模擬卡鉗負載分別用于被測產品4個出液口FR、RL、RR和FL的耐久測試。

圖9 模擬卡鉗負載正面圖

圖10 模擬卡鉗負載反面圖

3.2 軟件模塊設計

測試系統軟件采用LabVIEW程序編寫,圖11為測試系統軟件架構圖,可分為測試參數配置模塊、通訊模塊、耐久測試模塊、數據采集與控制模塊和數據處理模塊。

圖11 測試系統軟件架構圖

為滿足集成式電液制動系統產品耐久測試的實際需求,測試參數配置模塊采用開放式設計,根據具體的工況需求調整測試動作。整個參數管理采用3級數據管理模式,分別為工況譜配置管理、事件參數配置管理和段程序配置管理。其中工況譜管理為總成試驗總動作序列管理,由不同事件組成;事件管理用于管理段程序;段程序為工況動作最小動作單元,可在段程序界面自行配置動作命令,包括HCU(液壓調節單元)電磁閥動作、輸入口液壓壓力、傳感器監控、報文驅動命令(由ECU單元驅動工況啟用)與內部變量信息監控等。

4 實驗驗證及數據分析

由于集成式電液制動系統耐久測試系統所測項目較多,本文只列舉測試次數較多的常規制動測試和ABS工況測試對模擬卡鉗負載的功能進行驗證以及與卡鉗負載進行對比。圖12為常規制動耐久性部分液壓曲線圖,加載電缸以5 mm/s速度推動輸入推桿達到50 MPa,保持1 s,控制電缸按照起始速度退回初始位置,圖中2條曲線分別為模擬卡鉗負載和卡鉗負載的建壓曲線,可以看出兩條建壓曲線差別很小且曲線建壓泄壓良好,模擬卡鉗負載可以代替卡鉗完成相應測試,符合廠商耐久測試需求。

圖12 常規制動部分耐久測試曲線

圖13為ABS工況部分耐久測試曲線圖,控制加載電缸按照8 mm/s的速度推動產品推桿加載至16 MPa時,設備控制產品啟動ABS工況,實時發送控制命令,控制ECU完成ABS動作。圖13中2條液壓曲線按照設定的時序表進行升壓降壓且經過多次測試差別較小,模擬卡鉗負載可以滿足ABS工況耐久測試的需求。

圖13 ABS工況部分耐久測試曲線

5 結束語

本文從卡鉗原理分析設計了一種可調節容腔體積的模擬卡鉗負載裝置?；贏MESim對其在單制動回路中進行仿真分析,設計的集成式電液制動系統耐久測試系統通過CAN通訊與產品進行信息傳輸,控制被測產品進行不同工況的耐久測試,產生的液壓通過管路系統輸出到模擬卡鉗負載或者實車卡鉗負載,通過測得的耐久測試曲線分析得:該模擬卡鉗負載可以按照設定的時序表進行相應的升壓和降壓等動作,且與卡鉗負載對比相差很小,符合廠商的耐久測試需求。