本文詳細解讀了國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，探討了機動車制動軟管屈撓疲勞試驗的方式、方法，并提供了試驗方法的實施思路，涉及制動軟管屈撓疲勞試驗設(shè)備的機械部分構(gòu)建方案、測控系統(tǒng)構(gòu)建方案以及相應(yīng)的改進方案。本文建立了制動軟管屈撓疲勞試驗設(shè)備的數(shù)字樣機，并對中汽認證中心實驗室現(xiàn)用設(shè)備的實際效果進行了說明。對作為執(zhí)行機構(gòu)的機械部分，本文也針對同類設(shè)備存在的不足，提出了一類優(yōu)化方案，并就其可行性進行了分析。同時，本文還對設(shè)備測量與控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分和構(gòu)建方式進行了介紹，為行業(yè)內(nèi)同類設(shè)備的研發(fā)提供了參考。

關(guān)鍵詞：制動軟管；屈撓疲勞試驗；制動液；齒輪機構(gòu)

引言

機動車制動軟管俗稱剎車管，廣泛應(yīng)用于機動車制動系統(tǒng)，主要作用是在機動車制動時傳遞制動介質(zhì)，保證制動力傳遞到車輛制動蹄或制動鉗等從而產(chǎn)生制動力，以使制動隨時有效。制動軟管是制動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，其性能直接影響機動車乘員的人身安全。有鑒于此，我國已將機動車制動軟管納入CCC認證產(chǎn)品目錄。中國國家認證認可監(jiān)督管理委員會頒布的現(xiàn)行有效的認證實施規(guī)則[1]為CNCA-C11-06：2014《機動車制動軟管總成產(chǎn)品強制性認證實施規(guī)則》，涉及工廠質(zhì)量保證能力和產(chǎn)品一致性的相關(guān)要求。另外，我國國家標(biāo)準(zhǔn)[2]GB16897-2010《制動軟管的結(jié)構(gòu)、性能要求及試驗方法》對機動車制動軟管的檢驗項目和試驗要求有明確規(guī)定。

機動車制動軟管屈撓疲勞試驗是國家標(biāo)準(zhǔn)針對液壓制動軟管所規(guī)定的一項重要的性能試驗，該試驗對于液壓制動軟管屈撓疲勞性能的判別具有重要意義,有利于提高行車安全性。制動軟管屈撓疲勞試驗設(shè)備是用于軟管屈撓疲勞性能檢測的專用設(shè)備。按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗條件，屈撓疲勞試驗設(shè)備運轉(zhuǎn)速度較快，且可能涉及制動液的壓力加載、輸送、壓力保持等方面，設(shè)備設(shè)計、使用等環(huán)節(jié)如有不慎，極易產(chǎn)生一系列問題。通過走訪國內(nèi)部分行業(yè)實驗室、部分制動軟管生產(chǎn)廠家，發(fā)現(xiàn)此類設(shè)備普遍存在“噪聲大、振動大、隱患大、污染大”等現(xiàn)象。如不加以改進，可能會對操作者、試驗流程和現(xiàn)場環(huán)境等產(chǎn)生不利影響。針對上述情況，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，筆者嘗試建立不同的屈撓疲勞試驗實施和優(yōu)化方案，且已基于三維CAD產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)，建立了該設(shè)備的數(shù)字樣機。設(shè)備實物也已在中汽認證中心實驗室升級完成，已累計完成屈撓疲勞試驗五十余次，目前振動、噪聲均在可接受范圍之內(nèi)。設(shè)備啟動方式設(shè)計為“緩慢加速、兩級啟動”的方式，在設(shè)備達到二級高速運轉(zhuǎn)階段前，要求現(xiàn)場人員撤離。并在PLC程序中設(shè)置了失壓保護功能，樣品失效泄漏時，能夠確保制動液大量泄漏前及時停機，可基本避免對現(xiàn)場環(huán)境的污染現(xiàn)象。

1國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗方法及要求

GB16897-2010《制動軟管的結(jié)構(gòu)、性能要求及試驗方法》[2]對液壓制動軟管的試驗設(shè)備作了明確規(guī)定，要求設(shè)備應(yīng)主要由轉(zhuǎn)動部分和固定部分組成，如圖1所示。轉(zhuǎn)動部分由可動水平連桿及轉(zhuǎn)盤構(gòu)成，可動水平連桿的兩端通過軸承垂直安裝于轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤中心與軸承中心相距101.6mm。固定部分為可調(diào)的非動水平連桿，該連桿平行于可動水平連桿。兩個水平連桿上均安裝有可平行安裝制動軟管總成的若干個接頭。轉(zhuǎn)盤以800r/min±10r/min的速率旋轉(zhuǎn)時，固定在可動水平連桿上的制動軟管端部也以此速率旋轉(zhuǎn)，形成203.20mm±0.25mm的圓形軌跡，而制動軟管的另一端則固定不動。可動水平連桿上的接頭是封閉的，非動水平連桿上的接頭與液壓源相通，設(shè)備的液壓源容積以及管路設(shè)置不允許影響試驗結(jié)果。試驗中當(dāng)制動軟管損壞而壓力下降到設(shè)定值時，設(shè)備應(yīng)能自動停機，同時記錄運轉(zhuǎn)時間及停機時管路中的系統(tǒng)壓力。

1-轉(zhuǎn)盤2-可動水平連桿3-固定水平連桿

圖1液壓制動軟管屈撓疲勞試驗設(shè)備執(zhí)行機構(gòu)

試驗準(zhǔn)備過程包括軟管附件拆除、總成自由長度測量、總成安裝、松弛量調(diào)整等環(huán)節(jié)。試驗時管路系統(tǒng)的靜壓力應(yīng)為1.62Mpa±0.10Mpa，試驗介質(zhì)為蒸餾水或者HZY3級制動液。試驗開始前應(yīng)從系統(tǒng)管路中排出所有氣體。

試驗方案構(gòu)建

機械執(zhí)行系統(tǒng)

機動車制動軟管屈撓疲勞試驗中，執(zhí)行機構(gòu)運動方式簡單，但對設(shè)備整體的要求較高。設(shè)備的壓力供給系統(tǒng)應(yīng)能產(chǎn)生穩(wěn)定、可靠的管路靜壓力，且壓力應(yīng)具有一定的調(diào)節(jié)范圍，以滿足試驗條件擴展的需要。另外，不同的試驗介質(zhì)具有不同的化學(xué)、物理特性，對樣品前期安裝、屈撓執(zhí)行過程、試驗后期清理、設(shè)備維護等會產(chǎn)生不同的影響。HZY3級制動液相對于蒸餾水而言，粘溫性好，凝固點低，低溫流動性較佳；沸點高，在高溫下不易產(chǎn)生氣阻；和蒸餾水相近，在使用過程中品質(zhì)變化不大，不易引起金屬件和橡膠件的腐蝕、變質(zhì)。且采用HZY3級制動液作為試驗介質(zhì)與實車狀態(tài)一致，更能體現(xiàn)制動軟管的實際性能。壓力供給系統(tǒng)的整體原理較為簡單，類似于液壓千斤頂，通過按壓供油手柄向系統(tǒng)管路提供壓力。壓力的采集通過壓力變送器實現(xiàn)，信號傳遞至PLC，經(jīng)處理轉(zhuǎn)化后顯示至上位機觸摸屏。

轉(zhuǎn)動執(zhí)行機構(gòu)主要由伺服電機和三臺減速機組成，伺服電機傳遞來的運動經(jīng)由中央減速機減速后，1:1傳遞至兩側(cè)減速機，兩側(cè)減速機的輸出軸同向、同步運動，驅(qū)動兩個轉(zhuǎn)盤，進而帶動可動水平連桿產(chǎn)生預(yù)期的運動軌跡。

松弛量調(diào)整機構(gòu)主要包括絲杠及導(dǎo)軌，通過搖動手輪、轉(zhuǎn)動絲杠改變滑臺在導(dǎo)軌上面的位置實現(xiàn)軟管樣品松弛量的改變。

綜合以上，并對電機、減速機等元件選型以后，建立了制動軟管屈撓疲勞試驗設(shè)備的三維數(shù)字樣機模型[3]，如圖2所示。經(jīng)零部件設(shè)計、加工、采購及整機裝配后，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，噪聲、振動均在可接受范圍之內(nèi)，其功能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2制動軟管屈撓疲勞試驗設(shè)備三維數(shù)字樣機

測量與控制系統(tǒng)

設(shè)備測量與控制系統(tǒng)主要硬件及通訊關(guān)系如圖3所示，上位機為觸摸屏，可以讀出系統(tǒng)壓力、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速以及試驗持續(xù)時間，并可設(shè)定電機啟動、停止、壓力與速度報警及解除等功能。

由于無實時性的要求，且對速度和位置均適宜加以嚴格控制，故伺服系統(tǒng)采用位置控制模式。在位置控制模式下，所采用的安川伺服電機緩啟動無法由驅(qū)動器設(shè)定，轉(zhuǎn)動部分速度快、轉(zhuǎn)動慣量大，如不能使其緩慢啟動和停止，對設(shè)備整體的沖擊較大，極易導(dǎo)致部件、軸承磨損，產(chǎn)生安全隱患。而在速度控制模式和扭矩控制模式下，如需精確定位，外部接線比位置控制模式略復(fù)雜，故編寫特定的緩啟緩?fù)？箾_擊程序，通過設(shè)定目標(biāo)速度，并在程序執(zhí)行過程中，逐漸增加脈沖頻率至目標(biāo)速度對應(yīng)的目標(biāo)頻率，使伺服電機緩慢啟動，直至達到目標(biāo)速度。設(shè)備停止時，為使沖擊降到最小，設(shè)定了慣性停止的方式，依靠設(shè)備和樣品自身的阻力緩慢停止。從而在啟動、停止過程均實現(xiàn)了緩慢無沖擊的理想狀態(tài)。

圖3測量與控制系統(tǒng)主要硬件通訊關(guān)系圖        圖4壓力變送器接線圖

系統(tǒng)供油壓力的測量采用壓力變送器，壓力信號的變化被直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓?，具體接線方式如圖4所示。加壓過程中的供油壓力可實時由觸摸屏顯示。并通過編寫泄露保護程序，確保因樣品失效或機體損壞而導(dǎo)致壓力驟降時，可以及時停機，以避免制動液過量外泄造成環(huán)境污染。試驗持續(xù)時間也可由觸摸屏實時記錄，實現(xiàn)過程采用CP1H型PLC的CNTR和0.1S脈沖指令組合成計時器實現(xiàn)計時。

設(shè)備的主要邏輯功能主要通過PLC編程實現(xiàn)，PLC程序流程如圖5所示。

試驗方案優(yōu)化與分析

3.1機械執(zhí)行系統(tǒng)方案優(yōu)化

鑒于筆者所述設(shè)備為利用中汽認證中心實驗室現(xiàn)有資源升級、改造的設(shè)備方案，雖滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求和使用要求，但受客觀條件制約，部分環(huán)節(jié)雖已進行優(yōu)化，仍非最優(yōu)。后期如摒棄現(xiàn)有思路重新研發(fā)，下述方案應(yīng)能優(yōu)于現(xiàn)有方案。詳述如下，以期拋磚引玉，為業(yè)內(nèi)實驗室或者軟管生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備研發(fā)提供參考。

現(xiàn)有設(shè)備原理如圖6所示，為雙曲柄機構(gòu)，曲柄部分轉(zhuǎn)動慣量較大，速度相對較快，對加工、裝配精度要求較高，否則極易加重鉸鏈部分的軸承所承受的載荷，導(dǎo)致快速磨損。如采取其他能夠躲避“死點”[4]的措施，如采用冗余約束，或者在飛輪上轉(zhuǎn)動一角度且平行于現(xiàn)有連桿再安裝一連桿，無疑會加大整體的轉(zhuǎn)動慣量、增加振動和噪聲，或者因加工、裝配精度不高而導(dǎo)致個別部位應(yīng)力過大。為避免現(xiàn)有方案的不利因素，筆者認為可使用齒輪機構(gòu)[4]來代替現(xiàn)有的雙曲柄機構(gòu)，如圖7所示，為其中一種可行的替代方案。該方案更便于調(diào)節(jié)配重、優(yōu)化動平衡、減小振動。按照1:1的尺寸比例建立兩類方案輸出端的對照圖，詳見圖8、圖9所示，顯而易見后者轉(zhuǎn)動慣量小，且只要齒輪組裝配無誤，對加工精度的要求低于前者。

圖5PLC程序流程圖

圖6現(xiàn)有設(shè)備原理示意圖     圖7優(yōu)化后設(shè)備原理示意圖

圖8雙曲柄型輸出端1:1尺寸示意圖   圖9齒輪機構(gòu)型輸出端1:1尺寸示意圖

利用UG軟件對兩類方案輸出端進行運動仿真[5]，齒輪機構(gòu)型輸出端實現(xiàn)的運動軌跡和雙曲柄機構(gòu)中連桿的運動軌跡完全相同，二者執(zhí)行部分中可動連桿的振幅與時間的關(guān)系如圖10、圖11所示，可見兩種關(guān)系圖中簡諧波的振幅和周期完全相同，即兩種方案運動軌跡等效。中心距的數(shù)值可以通過齒輪變位實現(xiàn)，且輸出端因為只有一個輸出點，不會因為加工和裝配精度問題而導(dǎo)致可動水平連桿承受額外載荷，故而可將該方案中的可動水平連桿部分設(shè)計為鋁合金材質(zhì)，并盡可能減輕重量，在滿足功用的前提下，實現(xiàn)最好的減振去噪效果。

圖10雙曲柄型輸出端可動連桿振幅與時間關(guān)系圖

圖11齒輪機構(gòu)型輸出端可動連桿振幅與時間關(guān)系圖

壓力供給部分如只考慮滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，也可再度適當(dāng)簡化，圖2所示設(shè)備樣機臺面以下的液壓部分可以完全不予采用，只需在臺面以上部分增加一個介質(zhì)引流口和加壓裝置，其中加壓裝置實現(xiàn)方式簡單，方法很多，如可采用小容量手動液壓缸進行加壓，加壓至設(shè)定值后隔斷液壓缸與樣品油路部分。簡化后的機械結(jié)構(gòu)將可大幅降低設(shè)備的復(fù)雜程度，有利于設(shè)備的小型化，也可避免介質(zhì)加注過多、消耗過快、樣品損壞時介質(zhì)大量泄漏造成污染等問題。

測控系統(tǒng)分析

本文論述的設(shè)備測控系統(tǒng)采用PLC作為下位機，觸摸屏作為上位機進行人機交互，壓力變送器和編碼器分別作為壓力和轉(zhuǎn)速的測量和反饋裝置，整體實現(xiàn)較為簡單，但仍有優(yōu)化余地。如采用三相異步電機搭配變頻器作為動力部分，與PLC進行通訊，對于該設(shè)備而言，仍能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，且可節(jié)省成本。如對位置精度、速度精度要求較高，則建議仍采用伺服電機搭配編碼器的方式。

結(jié)論

本文詳細解讀了國家標(biāo)準(zhǔn)對機動車制動軟管屈撓疲勞試驗的具體要求，并針對相關(guān)規(guī)定：

（1）給出了一種屈撓疲勞試驗設(shè)備構(gòu)建方案，包括機械執(zhí)行機構(gòu)和測控系統(tǒng)的具體方案。目前設(shè)備連續(xù)運轉(zhuǎn)正常，充分證明了設(shè)備方案的可行性。

（2）提出了屈撓疲勞試驗設(shè)備機械執(zhí)行機構(gòu)的優(yōu)化方案，該方案屬于一類方案，齒輪轉(zhuǎn)速比可以自行調(diào)整、搭配，只要輸出部分滿足預(yù)期軌跡即可。較上述方案存在轉(zhuǎn)動慣量小、對機械加工精度要求低、可以小型化、低振動、低噪聲等優(yōu)點，但建議適當(dāng)考慮對該方案中齒輪機構(gòu)潤滑[6]的設(shè)計。

制動軟管屈撓疲勞試驗充分考驗了軟管樣品的屈撓疲勞性能，國家標(biāo)準(zhǔn)對轉(zhuǎn)速的要求目前定為800轉(zhuǎn)/分，需連續(xù)運轉(zhuǎn)35小時，樣品屈撓疲勞總轉(zhuǎn)數(shù)即168萬轉(zhuǎn)。如確保總轉(zhuǎn)數(shù)，而適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速、降低運轉(zhuǎn)時間（有利于加快試驗進程），或者適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速、增加運轉(zhuǎn)時間（有利于降低設(shè)備振動、噪聲和安全風(fēng)險），對樣品屈撓疲勞性能的考驗等效能力如何，諸如此類，也是值得業(yè)內(nèi)人士商榷的問題。除軟管外，其他汽車零部件產(chǎn)品也存在耐久性試驗等類似情形，建議有條件的實驗室、軟管生產(chǎn)廠商和業(yè)內(nèi)技術(shù)專家適當(dāng)考慮這一方面的研究及討論，也益于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂、修訂和完善。

[參考文獻]

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