电子驻车用滚珠丝杆组件耐久效率试验的研究及应用

赵坤，李影



电子驻车用滚珠丝杆组件耐久效率试验的研究及应用

赵坤，李影

（慈兴集团有限公司 技术中心，浙江 宁波 315301）

研制了一种电子驻车（简称EPB）用滚珠丝杆组件耐久效率试验机，可以模拟滚珠丝杆组件的载荷、转速、油压及温度等工况参数，测试了电子驻车系统的滚珠丝杆组件性能，为滚珠丝杆组件性能分析提供准确的试验数据。该试验机测试结果与国外研制的同类设备测试结果基本一致，验证了该试验机的可靠性。采用该试验机对新开发的滚珠丝杆组件进行效率与耐久测试，耐久后零件的精度、效率均大于客户要求，验证了新开发的滚珠丝杆组件的效率与耐久性能指标，均可满足实际工作要求。

滚珠丝杆；电子驻车；耐久试验机；耐久效率

滚珠丝杆具备传动精度高、传动效率高、传动可逆、同步性好、寿命长等特点[1]，逐渐被广泛应用于新能源汽车电子驻车系统中，滚珠丝杆组件是驻车系统中最关键的零部件之一，其寿命与传动效率十分重要，该组件实际工作于始终充满刹车液的刹车钳内部，驻车时承载较大，且要承受环境温度与油压的变化，工作条件比较恶劣。目前该滚珠丝杆组件的研究与生产技术几乎全部掌握在国外，国内还没有企业有批量生产该产品的能力，同时其性能及耐久寿命测试设备在国内也少有研究及应用。文献[2]中介绍了滚珠丝杆副的使用寿命检测与可靠性试验方法，但该文献仅是对机床用滚珠丝杠副零件的耐久检测方法进行了介绍，该检测方法并不适于驻车用滚珠丝杆组件的耐久测试。

为进入汽车用高精度、小结构滚珠丝杆组件领域，掌握汽车用滚珠丝杆组件的研发与加工技术，目前正在开发并生产电子驻车用滚珠丝杆组件，为了确保对产品研发与批量生产提供优化数据及质量保证，用测试数据和性能对比曲线取信用户，针对电子驻车用滚珠丝杆组件的实际工况，开发了该产品的耐久效率试验机来测试滚珠丝杆组件及整套刹车系统的耐久性以及滚珠丝杆组件在工作过程中的传动效率。

1 电子驻车用滚珠丝杆组件介绍

该滚珠丝杆组件主要零部件如图1所示。

1.丝母2.丝杆3.支撑垫圈4/5/6.弹簧（零件内部包括三种弹簧：中间弹簧、调节弹簧和预紧弹簧）7.卡簧8.平面轴承9.平面垫片

在驻车过程中该零件的传动方式为：电机驱动丝杆旋转，丝母相对丝杆做直线运动，由丝母推动卡钳内的活塞挤压刹车片，最终由刹车片将刹车盘锁死，实现驻车功能。

滚珠丝杆组件耐久性能要求：

（1）产品在运行过程中卡钳系统的传动效率始终大于70%；

（2）产品在规定工况条件下反复运行15万次，各零部件不得有疲劳损伤。

滚珠丝杆组件的传动效率与各零部件的结构、表面加工精度及之间的配合均有直接联系，所以传动效率是滚珠丝杆组件性能的一个关键参数，其计算公式为[3]：

式中：η为传动效率；F为系统输出载荷，kN，该输出载荷为每个循环过程中的最大载荷；p为导程，mm；T为最大驱动扭矩，N·m。

2 滚珠丝杆组件耐久效率试验机

滚珠丝杆耐久效率试验机技术要求如下：

（1）滚珠丝杆运转环境温度在－4～120 ℃可调；

（2）伺服电机正向驱动转速随扭矩值实时变化；回退转速为恒定值50 r/min；

（3）试验机的最大驱动扭矩为50 N·m；

（4）试验机的最大轴向工作载荷为60 kN；

（5）试验机可以对卡钳系统内部提供真空环境；

（6）卡钳系统内部刹车液液压在0～180 bar可调，增压及泄压时间小于0.5 s；

（7）试验数据通过测试系统采集并由工控机输出，工控机界面显示所有控制数据及对应实时曲线，实时保存数据并对数据进行后处理，其它测试信号能在相应仪表上显示；

（8）自动进行多载荷谱的连续测试；

（9）系统稳定性好，重复性好，故障率低。

试验机的整体布局如图2、测试原理如图3所示。试验机对滚珠丝杆组件的实际工作环境进行模拟，将滚珠丝杆安装在卡钳内部，卡钳系统根据实际情况被固定在固定座上；扭矩传感器通过联轴器与伺服电机连接，采集伺服电机的输出扭矩；3个微型压力传感器安装在特殊的测力装置内，将该装置安装在两刹车片间来模拟刹车盘，同时精确采集卡钳系统的制动力。微型压力传感器的布局方式如图4所示，3个压力传感器成三角分布，其布局必须保证所有输出载荷作用在3个传感器上，确保采集数据的准确性。

传感器实时采集测试过程中的扭矩与载荷值，经过工控机存储并处理，根据滚珠丝杆组件的效率计算公式，计算并显示滚珠丝杆每个测试循环的效率值。

该试验机为了模拟滚珠丝杆组件在实际工作中的不同油压环境，设计了特殊的增压装置，该装置调节范围广且可以快速自动调节油压。

1.真空泵2.增压装置3.电控柜4.保温箱5.主体测试装置6.工控机7.温控箱

1.电机2.减速机3.扭矩传感器4.弹性联轴器5.复位弹簧6.滚珠花键7.导向套8.连接花键轴9.测试滚珠丝杆组件10.刹车片11.卡钳壳体12.测力装置13.固定支座14.液压装置15.真空装置16.温控箱

图4 微型压力传感器分布示意图

滚珠丝杆组件耐久效率试验机分为工况模拟和数据测量两个部分：

（1）工况模拟部分：包括机械主体、电动机驱动装置、加热冷却装置及温控仪、液压系统等；

（2）试验测量部分：由力/扭矩传感器、信号放大器、计算机数据采集和处理系统组成。

试验机测量和控制原理如图5所示。

图5 测试和控制原理框图

由于该滚珠丝杆组件耐久测试过程卡钳运动较为复杂，零件处于卡钳内部无法直接观察滚珠丝杆在测试过程中的状态，为保证测试数据的准确性，以及对测试零件进行失效保护，该试验机通过数据采集控制系统实现了对所有监控参数的实时采集及显示，并设置了多种停机保护与报警信息提示，试验机能够自动识别测试状态，并显示可能出现的具体原因。便于操作人员第一时间发现并解决问题，同时可第一时间对失效零件进行保护，便于后期技术人员对零件真正失效的原因做出正确判断。

3 试验结果及分析

滚珠丝杆组件的效率测试按照客户测试标准，每个循环的最大输入扭矩值为20 N·m，取最大扭矩对应的效率作为滚珠丝杆组件的传动效率。首先对客户提供的滚珠丝杆标准件进行试验机的验证测试，其中液压与驱动扭矩及输出载荷的关系如图6所示。

3.1 试验机测试结果可靠性验证

整个耐久测试在不同阶段的油压、温度不同，丝母相对丝杆的位置也会变化。表1是在各油压下测试同一标准件，本试验机与国外技术成熟的试验机测试数据的对比结果，两者基本一致，最大误差约为3%，在客户认可的误差范围内，可以用于产品验证中的测试。

表1 不同油压下两种试验机输出载荷对比

图6 油压、载荷和扭矩曲线

3.2 滚珠丝杆不同测试阶段的效率变化

（1）滚珠丝杆组件初始效率

在常温、零油压条件下，采用该试验机测试50套滚珠丝杆组件在卡钳内的效率，取前20个循环的效率均值作为滚珠丝杆组件的初始效率，测试结果如图7所示。测试结果表明，滚珠丝杆组件的初始效率值为73%～77%，所有测试零件的初始效率均大于客户要求的70%。

图7 滚珠丝杆组件初始效率

（2）耐久试验前后滚珠丝杆组件的效率。

选取初始效率不同的6套滚珠丝杆组件，采用该耐久效率试验机按照测试规范进行耐久测试，测试后在常温下再次测量零件的效率，耐久前后滚珠丝杆组件的效率如图8所示。

从试验结果看出，试验后滚珠丝杆组件的效率均有增加，增加范围在3%～6%。如图9所示，通过对比滚珠丝杆组件测试前后沟道的粗糙度可知，测试后丝杆沟道的粗糙度小于测试前，说明滚珠丝杆经过长时间往复旋转，沟道粗糙度有所改善，从而使钢球与沟道的摩擦减小、传动效率提高。

图8 滚珠丝杆组件耐久前后效率值

图9 耐久前后丝杆沟道粗糙度值对比

4 结束语

对电子驻车用滚珠丝杆组件的耐久效率试验机进行了开发与应用，设计了能够模拟滚珠丝杆组件实际工况、同时可检测传动效率的试验机。通过与国外同类试验机测试结果的对比，证明了该试验机测试结果的准确性与可靠性。

利用该试验机对新开发的滚珠丝杆组件进行了多轮耐久效率测试，结果表明所开发的滚珠丝杆组件的效率及耐久性能够满足客户要求。

[1]屈岳陵. 高效的HIWIN SUPER-高速滚珠丝杆[J]. 制造技术与机床，2006（6）：28-29.

[2]冯虎田，等. 滚珠丝杠副综合性能测量方法与技术[M]. 北京：机械工业出版社，2011.

[3]冯虎田，等. 滚珠丝杠副动力学与设计基础[M]. 北京：机械工业出版社，2014.

The Research and Application for Ball Screw Endurance and Efficiency Test of Electrical Parking Brake

ZHAO Kun，LI Ying

( Technology Center, Cixing Group Co., Ltd., Ningbo 315301, China )

A new type ball screw efficiency and durability equipment is designed and developed ,the operating conditions of load, rotating speed, hydraulic pressure and temperature of ball screw are simulated, the performance of ball screw is tested, the accurate experimental data are provided for performance analysis of ball screws. the test result of this durability equipments basic unanimously with the result of foreign EPB endurance testing machine. The efficiency and endurance of new development ball screw assembly is tested on this test bench. precision and efficiency of ball screw after durability test were greater than the customer's requirements, verified efficiency and durability of these new parts can meet the requirements of actual work.

ball screw；electrical parking brake；durability test bench；efficiency and durability

TH133.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.018

1006－0316 (2018) 02－0071－05

2017－06－14

赵坤（1979－），男，四川阆中人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为轴承设计与制造工艺。