宋學(xué)青，隋良紅，張杰

（1.云南省計量測試技術(shù)研究院，云南昆明 650228；2.中國測試技術(shù)研究院，四川成都 610021；3.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065）

氣動ABS壓力調(diào)節(jié)器動態(tài)性能測試系統(tǒng)研究

宋學(xué)青1，隋良紅2，張杰3

（1.云南省計量測試技術(shù)研究院，云南昆明 650228；2.中國測試技術(shù)研究院，四川成都 610021；3.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065）

闡述氣動ABS壓力調(diào)節(jié)器的工作原理及其在汽車氣制動過程中的作用，從而引出氣動ABS壓力調(diào)節(jié)器的參數(shù)測試要求。針對ABS壓力調(diào)節(jié)器的基本參數(shù)要求，提出氣動ABS壓力調(diào)節(jié)器動態(tài)性能測試方法，研究測試系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方案，設(shè)計工控機、電磁閥驅(qū)動電路、傳感器、壓力產(chǎn)生裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等主要單元，在實驗室實現(xiàn)整個系統(tǒng)的組裝并搭建控制和測試平臺。實驗數(shù)據(jù)表明：該系統(tǒng)具有較高的可靠性，在氣壓范圍為0～12MPa的條件下，氣壓測量準(zhǔn)確度，測試精度高，穩(wěn)定性好。

壓力調(diào)節(jié)器；氣制動；動態(tài)性能；測試系統(tǒng)；可靠性

0 引言

ABS是重要的汽車主動安全裝置，目前國外各大汽車生產(chǎn)廠家在出產(chǎn)的汽車中基本上都配備了ABS系統(tǒng)。氣動ABS壓力調(diào)節(jié)器是氣動ABS系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)，氣動ABS制動系統(tǒng)的防抱死調(diào)節(jié)作用由它的高速動作來實現(xiàn)，因此氣動ABS壓力調(diào)節(jié)器動態(tài)性能對整個氣動ABS系統(tǒng)來說至關(guān)重要[1]。

現(xiàn)在，國內(nèi)的檢測設(shè)備多是由國外引進的，在技術(shù)上公開性資料有限，且價格昂貴?；跉鈩覣BS的特性，目前傳統(tǒng)的ABS試驗臺對ABS調(diào)節(jié)器檢測的測試數(shù)據(jù)以及曲線的分析均無法滿足高精度、高穩(wěn)定性、低成本的要求。由于汽車運行環(huán)境惡劣，且調(diào)節(jié)器是頻繁動作的執(zhí)行部件，損壞幾率相對較大，對其進行定期性能檢測診斷十分必要。

因此，進行氣動ABS壓力調(diào)節(jié)器動態(tài)性能檢測研究，開發(fā)一種高效、經(jīng)濟、實用、方便的氣動ABS壓力調(diào)節(jié)器檢測裝置，對于氣動ABS生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品研發(fā)、產(chǎn)品質(zhì)量控制，維修廠家定期開展維修診斷以及質(zhì)量監(jiān)督部門對氣動ABS產(chǎn)品進行監(jiān)督檢測均有著重要的現(xiàn)實意義。

1 氣動ABS壓力調(diào)節(jié)器

在氣壓制動系統(tǒng)工作過程中，ABS壓力調(diào)節(jié)器起到調(diào)節(jié)制動室氣體壓力的作用。在沒有接收到ABS ECU的控制指令時，壓力調(diào)節(jié)器允許壓縮氣體自由通過，此時氣體壓力無衰減。ECU控制壓力調(diào)節(jié)器的動作主要分為改變通往制動室的氣體壓力和保持氣壓管路的現(xiàn)有壓力[2]。

典型的ABS壓力調(diào)節(jié)器總成由兩只調(diào)節(jié)閥與一個中繼閥（relay valve）組成。如果ABS具備牽引力控制功能，ABS壓力調(diào)節(jié)器總成中還將集成一個牽引力控制閥。當(dāng)壓力調(diào)節(jié)器采用獨立結(jié)構(gòu)時，壓力調(diào)節(jié)器應(yīng)布置在氣壓管路中的中繼閥之后，并盡可能接近其對應(yīng)的制動室，以確保最佳的控制效果。

ABS壓力調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性有：響應(yīng)時間，頻率，在高壓力和低壓力負(fù)載情況下的響應(yīng)時間，最小開關(guān)，增壓、減壓最大工作頻率，壓力，高低附著壓力模擬，超載等特性。

動態(tài)特性能真實地反映氣制動ABS的壓力動態(tài)特性主要受膜片式電磁閥和制動氣室等主要部件動態(tài)特性的影響。在實際應(yīng)用中，由于充放氣過程時間極短，假設(shè)充放氣過程絕熱，根據(jù)理想氣體方程和氣體瞬時流量方程[3-4]：

式中：p——壓強，Pa；

Qm——體積流量，m3/s；

R0——普適氣體常數(shù)，R0=287.1 J/（kg·K）；

T1——氣體溫度；

T0——制動氣室內(nèi)的絕對溫度，T0=313K；

ν——制動氣室容積，10-3m3；

A——制動氣室入口面積（增壓）或出口面積（減壓）；

k——絕熱系數(shù)，k=1.4；

δ——入口上流壓強p1與制動氣室壓強p2之比（增壓）或制動氣室壓力p2與出口壓力p3之比（減壓）。因此，調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性參數(shù)主要指在某一控制信號下單位時間內(nèi)的壓力變化值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

本測試系統(tǒng)主要由工控機、電磁閥驅(qū)動電路、傳感器、壓力產(chǎn)生裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等單元組成。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1中，工控機與數(shù)據(jù)采集卡通過PCI總線連接，數(shù)據(jù)采集卡外擴有I/O端子板、傳感器與I/O端子板連接;電磁閥與I/O端子板外擴的功率放大板連接。采用工控機作為控制核心，配合數(shù)據(jù)采集卡、傳感器以及自行設(shè)計的基于單片機的ABS電磁閥控制器，使得測試系統(tǒng)的成本降低，并大大提高了檢測裝置的自動化水平，提高了檢測的精度與穩(wěn)定性[5]。

2.2 接口硬件設(shè)計

ABS ECU模擬測試系統(tǒng)的輸入值為ECU發(fā)出的ABS壓力調(diào)節(jié)器的電磁閥控制信號。每個壓力調(diào)節(jié)器由一個進氣閥（常閉）、一個排氣閥（常開）構(gòu)成，這樣壓力調(diào)節(jié)器有3種工作狀態(tài)，即增壓、減壓和保壓。當(dāng)進、排氣電磁閥線圈不通電時（閥控信號狀態(tài)為11），為增壓；當(dāng)進、排氣電磁閥線圈都通電時（閥控信號狀態(tài)為00），為減壓狀態(tài)；當(dāng)進氣閥線圈通電，排氣閥線圈不通電時（閥控信號狀態(tài)為01），為保壓狀態(tài)。因此每個調(diào)節(jié)器有兩路信號需要系統(tǒng)采集。采用如圖2所示的由TLP521光電耦合器和AT89S51構(gòu)成的閥控信號采集系統(tǒng)[6]。單片機構(gòu)成閥控信號采集系統(tǒng)。當(dāng)某路電磁閥線圈通電時，單片機的P1口相應(yīng)位就為低電平（信號狀態(tài)為0），不通電時為高電平（信號狀態(tài)為1），這樣通過比較同一壓力調(diào)節(jié)器兩路電磁閥信號就可知道壓力調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)。把采集到的信號狀態(tài)通過串行通信模塊發(fā)給微機，就實現(xiàn)了對ABS的閥控信號采集系統(tǒng)[7]。

圖1 氣動ABS壓力調(diào)節(jié)器動態(tài)性能測試系統(tǒng)硬件總圖

圖2 串行通信模塊

2.3 串行通信模塊設(shè)計

I/O接口硬件與微機通信采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)的串行通信，通過外設(shè)與AT89S51相連接。

ABS性能測試軟件產(chǎn)生的車輪速度值，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)脈沖頻率所需的TL0和TH0值，發(fā)送給單片機[8]。在測試軟件中將信號采集模塊采集到的閥控制信號值發(fā)送給微機。單片機串口初始化選用串口工作方式1，允許接收，程序設(shè)置如下：

圖3 數(shù)據(jù)交互模塊收發(fā)軟件流程圖

3 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

氣制動ABS壓力調(diào)節(jié)器測試系統(tǒng)主要由壓力調(diào)節(jié)器ECU、數(shù)據(jù)交互模塊和產(chǎn)品判斷子模塊等單元組成。ECU對傳感器輸出的數(shù)據(jù)進行采集、處理和分析，寫入串口緩存器；接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)指令，發(fā)出控制信號，驅(qū)動執(zhí)行電路完成調(diào)節(jié)器調(diào)整。數(shù)據(jù)交互模塊用于測試平臺與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信[9-10]。

3.1 數(shù)據(jù)交互模塊

通過主機與從機之間的串口通信協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，其數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送具體流程如圖3所示。

3.2 合格判定子模塊

合格判定子模塊主要是實現(xiàn)測試平臺初始參數(shù)的設(shè)置，包括：時間、名稱、人員、測試ABS壓力調(diào)節(jié)器的型號、測試次數(shù)、增壓時間和次數(shù)、保壓時間和次數(shù)、降壓時間和次數(shù)、測試參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置。通過測試結(jié)果與數(shù)據(jù)處理結(jié)果比較，來判斷產(chǎn)品是否合格，流程圖如圖4所示[11]。

圖4 合格判定子模塊軟件流程圖

4 試驗測試

4.1 測試方法

測試具體操作過程如下，首先將被測氣動ABS調(diào)節(jié)器夾具管路連接好，兩路傳感器布置在被測氣動ABS調(diào)節(jié)器輸入管路上，四路傳感器布置在被測ABS調(diào)節(jié)器的輸出管路上。啟動軟件，計算機發(fā)出控制命令使氣增壓缸電磁閥上電，氣增壓缸工作供給氣壓，氣壓開關(guān)電磁閥、零泄漏電磁閥打開，氣壓流體進入ABS調(diào)節(jié)器，計算機通過串口通信控制ABS電磁閥控制器，使ABS電磁閥控制器給出調(diào)節(jié)器階梯升壓、降壓信號，控制四路氣壓通道階梯升壓與降壓，模擬ABS的“抱死一松開一抱死一松開”的循環(huán)工作過程；與此同時，數(shù)據(jù)采集卡實時采集兩路輸入、四路輸出氣壓傳感器信號，計算機對這些信號進行處理，在液晶顯示屏計算機軟件界面上實時監(jiān)控并繪制、顯示氣壓——時間曲線，檢測過程自動進行；檢測完成后，檢測的數(shù)據(jù)、曲線可以通過軟件進行保存、打印、查詢，在軟件上也可自行捕捉需要的特征點進行數(shù)據(jù)和曲線的分析。

試驗檢測結(jié)束后，人機界面可以根據(jù)儲存的數(shù)據(jù)計算出該選定試驗所需要的被測氣動ABS壓力調(diào)節(jié)器總成的參數(shù)值。人機界面具備重現(xiàn)試驗曲線的功能，可以將工控機內(nèi)存儲的任一原始數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)曲線，并實現(xiàn)鼠標(biāo)圈圖縮放、坐標(biāo)實時顯示、多次曲線對比等功能。

4.2 測試結(jié)果

（1）響應(yīng)時間特性測試。響應(yīng)時間測試是測試ABS壓力調(diào)節(jié)器，當(dāng)計算機發(fā)出增壓（或減壓）指令時，調(diào)節(jié)器電磁閥響應(yīng)的時間。試驗壓力10MPa，溫度20℃。得到如圖5的響應(yīng)時間測試曲線。

圖5 響應(yīng)時間測試曲線

（2）頻率特性測試。頻率測試主要測試ABS壓力調(diào)節(jié)器的開關(guān)特性。頻率特性試驗即PWM試驗，是將保壓過程加進來，進行小步長的增壓和降壓，相當(dāng)于數(shù)字信號的脈寬調(diào)制。測試曲線如圖6所示。

圖6 頻率特性測試曲線

（3）最小開關(guān)特性測試。最小開關(guān)特性測試是測試ABS壓力調(diào)節(jié)器增壓閥最短增壓時間和減壓閥最短減壓時間。測試曲線如圖7所示。

（4）壓力特性。壓力特性試驗是測試ABS壓力調(diào)節(jié)器在增壓和減壓過程中的壓力變化情況。測試時分別依次開、閉、增、減壓閥進行測試，得到如圖8所示特性曲線。

圖7 最小開關(guān)特性曲線

圖8 壓力特性測試曲線

通過對ABS壓力調(diào)節(jié)器各種特性的測試，可以看出，該測試系統(tǒng)具有較高的可靠性、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，測試結(jié)果顯示方便直觀。

5 結(jié)束語

實際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對氣制動ABS壓力調(diào)節(jié)器動態(tài)特性的準(zhǔn)確測量，具有較高的測試可靠性和穩(wěn)定性。同時，采用工控機和數(shù)據(jù)采集卡減少了數(shù)據(jù)沖突和丟失，提供了數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性和靈活性，實用性強?？傮w而言，該項研究具有較好的工程測試背景和實用參考價值。

[1]韓銳，趙中煌，關(guān)強.氣制動閥類綜合性能檢測系統(tǒng)的研制開發(fā)[J].林業(yè)機械與木工設(shè)計，2002（6）：10-13.

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Research of dynam ic performance testing system for pneumatic ABS pressure regulators

SONG Xue-qing1，SUI Liang-hong2，ZHANG Jie3
（1.Yunnan Institute of Metrology and Testing Technology，Kunming 650228，China；
2.National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China；
3.School of Manufacturing Science&Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Working principle of the pneumatic ABS pressure regulators and the role it plays in the car air braking process were described in this paper，so as to elicit the requirements of the parameters in the test of the pneumatic ABS pressure regulators.For the basic parameters，the test method of the dynamic performance was put forward for the pneumatic ABS pressure regulators，and the specific implementation of the testing system was also researched.The authors mainly designed the industrial computer，the drive circuit of the electromagnetic valve，sensors，pressure generation device，data acquisition system，braking system and exhaust system and other units.The whole system was assembled in the laboratory，and the control and test platform were established for it.The experimental results showed that this system has high reliability，accuracy，good stability and low cost.And the precision of measurable pressure was high in the range of 0-12MPa.

pressure regulator；air brake；dynamic performance；test system；reliability

U46；U461.91；U464.336；U467.5+25

A

1674-5124（2013）03-0117-04

2012-11-14；

：2013-01-09

宋學(xué)青（1963-），女，貴州黃平縣人，高級工程師，主要從事機動車檢測設(shè)備計量檢測、自動化儀表與標(biāo)準(zhǔn)研究。