汽车制动钳滑移阻力检测系统研制

洪黎明，王学影，胡晓峰，范伟军

(1.中国计量大学，浙江 杭州 310018; 2.杭州沃镭智能科技股份有限公司，浙江 杭州 310019)

0 引 言

制动钳作为汽车制动器的重要构件，在汽车驾驶制动中起着十分重要的作用。国外对汽车制动部件性能测试相对较早，现在已经慢慢地标准化、智能化、自动化[1]。比如，美国LINK公司的LINK1620型压缩性能试验机，主要是用来检测制动器摩擦部件的热膨胀、热传导和压缩性[2]，LINK3900型汽车制动器惯量试验台，是专门用来检测汽车制动过程中噪声、振动和摩擦性能[3-4]。国内科研机构对卡钳滑动阻力检测方法的研究较少，长春理工大学孙宇提出制动钳活塞与缸体滑动阻力检测系统的总体方案，对试验台进行了机械结构设计，对制动钳活塞与缸体滑动阻力进行检测[5]。北京工业大学仲光宇等研制了一台EPB制动钳综合性能试验设备，实现了对检测装置动作过程的控制、数据采集与处理的目的。

而且目前国内大多数公司是采用指针仪表来显示，传感器精度较低，仪器设备半自动化或者操作起来较为复杂，导致产生过多的人为误差。所以本文通过对制动钳滑移阻力检测的研究，实现企业能够具有高检测效率和高检测精度的制动钳滑动阻力自动化检测设备的需求[6-10]。

1 制动钳滑动阻力分析模型

1.1 制动钳工作原理

制动钳结构如图1所示，主要由活塞、制动盘、钳体等零件组成。制动时，驾驶人员踩下刹车板推动制动液进入制动钳油缸，并在油缸内形成液压，压力推动活塞2向靠近制动盘7的方向移动，直至内制动块8压到制动盘7上。在此制动过程中，当活塞发生移动时，会产生滑动阻力，进而影响了制动效果，由于此时制动钳油缸内的压力还在不断上升，通过作用力与反作用力，使得钳体3沿导杆1向靠近制动盘7方向移动，直至制动钳的外制动块9也压到制动盘7上，车辆实现制动[11]。解除制动时，驾驶人员释放刹车踏板，制动液流出制动钳油缸，油缸内压力消失，此时在密封圈4恢复原状的弹性形变力的作用下，制动钳活塞回位，制动结束，如果此时活塞滑动阻力过大，使得活塞不能有效回位，这将影响汽车制动效果从而引发安全事故。

图1 制动钳结构示意图

1.2 滑动阻力分析

根据制动过程中制动钳工作原理分析，如图1所示的矩形密封圈4和活塞2表面会因摩擦作用而产生摩擦力，而且密封圈与活塞表面的摩擦力能带动活塞做复位运动。

图2表示矩形密封圈的截面尺寸和密封圈形变对活塞的压应力。在开始制动阶段，在制动液内压力p0的作用下，矩形密封圈变形后对活塞的压力呈矩形wxyz均匀分布的。在顺压力方向，压力会由p0降至p0′=0，油压分布用三角形 x'y'z'表示[12]。因此制动钳活塞与缸体之间的滑动阻力主要由密封圈的摩擦力产生。

图2 密封圈受力示意图

2 测试方案与评定方法

2.1 系统测试方案设计

在分析制动钳工作原理及滑动阻力形成缘由的基础上，以行业标准QC/T 592—2013《液压制动钳总成性能要求及台架试验方法》为依据，制定滑移阻力特性测试项目与测试方法。

性能测试项目分为密封性及活塞滑动阻力测试。为了检测密封圈整体密封效果，需在真空及高液压环境下对其内腔密封性进行检测，测试性能包括真空气压密封性、高液压密封性。表1为制动钳性能测试参数。

表1 性能测试参数

性能测试方法：

真空密封性，先将制动钳固定在夹具上，然后将真空源连接至制动钳，使系统达到绝对压力（250±50） Pa后，切断真空源，记录 20 s内压力升高值，测试合格范围为0～200 Pa。

高液压密封性，将制动钳安装到台架上，再把制动钳进液口连接至加压管路，对系统施加16 MPa的液压力并保持平衡，加压允许偏差为1 MPa，切断液压源，保持5 s，记录此后30 s内的压力，测试合格范围为 0～0.2 MPa 。

活塞滑动阻力，对制动钳施加0.3 MPa气压，推动活塞外移5 mm，泄压后通过电机加载模块将活塞推回原位，反复进行3次后对制动钳施加气压，推动活塞外移5 mm左右，泄压后通过推杆以不大于0.5 mm/s速度匀速将活塞回推4 mm，此过程中压力传感器和位移传感器实时采集信号。计算此过程中的最大推力，即活塞滑动阻力，测试合格范围为 30～700 N。

根据制动钳工作原理和性能测试需求分析，采用单工位布局方式研制了卡钳综合性能测试系统，整体系统由测量装置、上位机、气液管路、测试软件等模块构成。

2.2 测试系统设计

系统硬件可以划分为滑动阻力测量装置、测控管路、数据采集与控制系统模块。

2.2.1 滑动阻力测量装置设计

针对滑动阻力测试需求，设计基于伺服运动控制的精密加载机构的测量装置，如图3所示为检测系统的测量装置示意图。该测量装置是由滚珠丝杆、减速器、伺服电机、位移传感器、力传感器、模拟扇形盘等构成。可实现线性可控加载，加载过程中实时采集力、位移传感器数据。

图3 测量装置结构图

2.2.2 测控管路系统设计

测试系统气液管路如图4所示(1 bar=0.1 MPa)，真空注油系统是由真空泵用来对系统抽真空；电磁阀控制系统管路的开关；真空传感器监控系统的真空度，储气罐用于缓冲气路。

图4 测试系统气液管路图

系统测控管路采用气液增压器作为本系统的液压源，压缩空气是气液增压器的动力源。

2.2.3 数据采集与控制系统模块

系统以工控机为处理和控制核心，利用数据采集卡PCI-1716处理系统的模拟量和数字量信号，利用MPC08运动控制卡输出对应的控制信号，如图5所示。

图5 数据采集与控制系统图

位移传感器、液压传感器和真空传感器的输出信号为模拟量，由AI通道来采集；控制电磁阀的信号为数字量，由DO信号输出，可实现注油、加压、排油等操作。控制电气比例阀的信号为模拟量，由AO信号输出。

2.3 测试软件功能设计

以LabVIEW为开发平台，将程序分为测试流模块和功能测试模块。图6为软件测试流程图。

图6 软件测试流程图

在开始测试前，首先用户需要根据自己产品的检测需求对其测试参数进行配置；然后再安装制动钳并对其进行注油，进行制动钳高液压密封性测试，若测试不合格，故障报警线程监测到不合格信号，设备报警并对产品进行排油后停止系统运行；高液压密封性测试合格后，对系统进行气洗排油，启动滑移阻力测试。滑移阻力测试结束后，对测试结果进行判断并保存，结束整个测试过程。

3 测试结果及数据分析

3.1 系统标定

为了保证测试数据的准确性，对系统传感器用高等级量具进行了标定，测试被标定传感器相应的输出量，并与输入量比较，作出标定图表，采用最小二乘法得到模型方程。

以真空传感器为例，选用标准真空传感器为评定工具，根据真空范围设置标定范围为0～200 Pa，间隔为5 Pa，测量准确度为0.01 Pa，得到模型方程为y=25.06-24.98x。同理可得到液压传感器的拟合曲线表达式为y=6.26x-6.23，力传感器的拟合曲线表达式为y=249.98(x-0.998)，位移传感器的拟合曲线表达式为y=9.97x+0.05。

3.2 性能测试实验

性能测试前，设置各项测试参数，如表2所示。

表2 制动钳性能测试条件

完成测试条件设置，将待测产品放入安放工位，进行密封特性和滑移阻力特性检测，真空密封性测试曲线如图7所示，高液压密封性测试曲线如图8所示，活塞滑动阻力测试曲线如图9所示。

图7 真空密封性测试曲线图

图8 高液压密封性测试曲线图

图9 活塞滑动阻力测试曲线图

由图所示得出，测试数据及结果评估如表3所示。

表3 制动钳性能测试结果

如表3所示，此次检测的制动钳样品活塞滑动阻力值为55.2 N，符合厂家要求。制动钳活塞在移动初期阻力上升变化较快，当达到最大阻力值位置后随着移动的增加阻力值呈逐步下降的趋势，直至达到设定位置。

为了使活塞滑动阻力测试结果更加可靠，对制动钳进行了20次活塞滑动阻力测试，并记录测试值，探究检测结果的重复性。表4为活塞滑动阻力测试数据。

表4 活塞滑动阻力测试数据 N

根据表4所示的数据，制动钳活塞滑动阻力平均值为55.26 N，标准差为0.069 N。根据企业产品测试标准，要求活塞滑动阻力不大于700 N，所以满足测试要求，因此活塞滑动阻力合格。

3.3 系统不确定度分析

本检测系统的误差由硬件固有误差和测量重复性组成。测量重复性则由测试数据计算得到，采用A类评定方法评定；硬件部分误差主要是各传感器的采集精度误差，采用B类评定方法评定[13]。

根据A类评定方法，对卡钳活塞滑移阻力的测试值进行标准不确定度分析。根据以上活塞滑动阻力的测试数据可知定，活塞滑移阻力测量的不确定度分量为0.069 N。

传感器的不确定度使用B 类方法评定，检测系统中的传感器误差为力传感器。采用德国HBM公司U9 C型小量程测力传感器，量程范围为0～1 000 N，传感器精度为±0.1%FS，其示值误差为1 000 N×0.1%=1 N，因此力传感器的半区间为1 N，误差服从均匀分布，则由式（1）可知力传感器的不确定分量为0.58 N。

根据上述分析，对系统各误差引起的不确定度进行合成。根据以上数据，制动钳滑动阻力检测的合成标准不确定度为0.58 N，满足检测系统设计要求。因此，对于制动钳滑移阻力的检测结果应表示为（55.26±0.58） N。

3.4 检测设备评定

根据标准《专用检测设备评定方法指南》，采用评定方法I对本系统进行评定，计算重复性指标Cg的值，在重复性指标Cg大于2时判定为检测系统合格。

本文对滑动阻力进行了20次测量，根据测量值计算出滑动阻力的平均值，标准偏差Sg。

其中，T为测量公差。

本文对活塞滑动阻力重复进行了20次测试，其中测量公差T为5 N，根据计算公式（2）可算出活塞滑动阻力的能力指数Cg为3.6，因为活塞滑动阻力检测系统属于专用设备，测量能力指标应满足Cg≥2.0，由计算结果可知，测试结果符合要求，该检测系统准确可靠，可投入实际生产检测。

4 结束语

全文对制动钳工作原理和滑动阻力产生原因进行了探究，依据测试方法和测试需求，参照国家行业标准，设计了一套滑移阻力检测系统，对汽车制动钳进行了密封性、真空度、滑动阻力等性能测试。该检测系统改变了以往人工操作的局限性，减少人为误差，提高了自动化程度。对测试数据分析，进行系统不确定度评定，计算得到滑动阻力的不确定度为0.58 N，满足系统控制精度要求。试验结果表明，该检测系统运行稳定，检测数据可靠有效，可工业化使用。