本文詳細(xì)解讀了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，探討了機(jī)動(dòng)車制動(dòng)軟管屈撓疲勞試驗(yàn)的方式、方法，并提供了試驗(yàn)方法的實(shí)施思路，涉及制動(dòng)軟管屈撓疲勞試驗(yàn)設(shè)備的機(jī)械部分構(gòu)建方案、測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)建方案以及相應(yīng)的改進(jìn)方案。本文建立了制動(dòng)軟管屈撓疲勞試驗(yàn)設(shè)備的數(shù)字樣機(jī)，并對(duì)中汽認(rèn)證中心實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)用設(shè)備的實(shí)際效果進(jìn)行了說明。對(duì)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分，本文也針對(duì)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(jìn)行了分析。同時(shí)，本文還對(duì)設(shè)備測(cè)量與控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分和構(gòu)建方式進(jìn)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(dòng)軟管；屈撓疲勞試驗(yàn)；制動(dòng)液；齒輪機(jī)構(gòu)

引言

機(jī)動(dòng)車制動(dòng)軟管俗稱剎車管，廣泛應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車制動(dòng)系統(tǒng)，主要作用是在機(jī)動(dòng)車制動(dòng)時(shí)傳遞制動(dòng)介質(zhì)，保證制動(dòng)力傳遞到車輛制動(dòng)蹄或制動(dòng)鉗等從而產(chǎn)生制動(dòng)力，以使制動(dòng)隨時(shí)有效。制動(dòng)軟管是制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，其性能直接影響機(jī)動(dòng)車乘員的人身安全。有鑒于此，我國(guó)已將機(jī)動(dòng)車制動(dòng)軟管納入CCC認(rèn)證產(chǎn)品目錄。中國(guó)國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)頒布的現(xiàn)行有效的認(rèn)證實(shí)施規(guī)則[1]為CNCA-C11-06：2014《機(jī)動(dòng)車制動(dòng)軟管總成產(chǎn)品強(qiáng)制性認(rèn)證實(shí)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2]GB16897-2010《制動(dòng)軟管的結(jié)構(gòu)、性能要求及試驗(yàn)方法》對(duì)機(jī)動(dòng)車制動(dòng)軟管的檢驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)要求有明確規(guī)定。

機(jī)動(dòng)車制動(dòng)軟管屈撓疲勞試驗(yàn)是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)液壓制動(dòng)軟管所規(guī)定的一項(xiàng)重要的性能試驗(yàn)，該試驗(yàn)對(duì)于液壓制動(dòng)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(dòng)軟管屈撓疲勞試驗(yàn)設(shè)備是用于軟管屈撓疲勞性能檢測(cè)的專用設(shè)備。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)條件，屈撓疲勞試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度較快，且可能涉及制動(dòng)液的壓力加載、輸送、壓力保持等方面，設(shè)備設(shè)計(jì)、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(guó)內(nèi)部分行業(yè)實(shí)驗(yàn)室、部分制動(dòng)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(dòng)大、隱患大、污染大”等現(xiàn)象。如不加以改進(jìn)，可能會(huì)對(duì)操作者、試驗(yàn)流程和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等產(chǎn)生不利影響。針對(duì)上述情況，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，筆者嘗試建立不同的屈撓疲勞試驗(yàn)實(shí)施和優(yōu)化方案，且已基于三維CAD產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)，建立了該設(shè)備的數(shù)字樣機(jī)。設(shè)備實(shí)物也已在中汽認(rèn)證中心實(shí)驗(yàn)室升級(jí)完成，已累計(jì)完成屈撓疲勞試驗(yàn)五十余次，目前振動(dòng)、噪聲均在可接受范圍之內(nèi)。設(shè)備啟動(dòng)方式設(shè)計(jì)為“緩慢加速、兩級(jí)啟動(dòng)”的方式，在設(shè)備達(dá)到二級(jí)高速運(yùn)轉(zhuǎn)階段前，要求現(xiàn)場(chǎng)人員撤離。并在PLC程序中設(shè)置了失壓保護(hù)功能，樣品失效泄漏時(shí)，能夠確保制動(dòng)液大量泄漏前及時(shí)停機(jī)，可基本避免對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的污染現(xiàn)象。

1國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法及要求

GB16897-2010《制動(dòng)軟管的結(jié)構(gòu)、性能要求及試驗(yàn)方法》[2]對(duì)液壓制動(dòng)軟管的試驗(yàn)設(shè)備作了明確規(guī)定，要求設(shè)備應(yīng)主要由轉(zhuǎn)動(dòng)部分和固定部分組成，如圖1所示。轉(zhuǎn)動(dòng)部分由可動(dòng)水平連桿及轉(zhuǎn)盤構(gòu)成，可動(dòng)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(dòng)水平連桿，該連桿平行于可動(dòng)水平連桿。兩個(gè)水平連桿上均安裝有可平行安裝制動(dòng)軟管總成的若干個(gè)接頭。轉(zhuǎn)盤以800r/min±10r/min的速率旋轉(zhuǎn)時(shí)，固定在可動(dòng)水平連桿上的制動(dòng)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(dòng)軟管的另一端則固定不動(dòng)?？蓜?dòng)水平連桿上的接頭是封閉的，非動(dòng)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(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中當(dāng)制動(dòng)軟管損壞而壓力下降到設(shè)定值時(shí)，設(shè)備應(yīng)能自動(dòng)停機(jī)，同時(shí)記錄運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間及停機(jī)時(shí)管路中的系統(tǒng)壓力。

1-轉(zhuǎn)盤2-可動(dòng)水平連桿3-固定水平連桿

圖1液壓制動(dòng)軟管屈撓疲勞試驗(yàn)設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)

試驗(yàn)準(zhǔn)備過程包括軟管附件拆除、總成自由長(zhǎng)度測(cè)量、總成安裝、松弛量調(diào)整等環(huán)節(jié)。試驗(yàn)時(shí)管路系統(tǒng)的靜壓力應(yīng)為1.62Mpa±0.10Mpa，試驗(yàn)介質(zhì)為蒸餾水或者HZY3級(jí)制動(dòng)液。試驗(yàn)開始前應(yīng)從系統(tǒng)管路中排出所有氣體。

試驗(yàn)方案構(gòu)建

機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)

機(jī)動(dòng)車制動(dòng)軟管屈撓疲勞試驗(yàn)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式簡(jiǎn)單，但對(duì)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(yàn)條件擴(kuò)展的需要。另外，不同的試驗(yàn)介質(zhì)具有不同的化學(xué)、物理特性，對(duì)樣品前期安裝、屈撓執(zhí)行過程、試驗(yàn)后期清理、設(shè)備維護(hù)等會(huì)產(chǎn)生不同的影響。HZY3級(jí)制動(dòng)液相對(duì)于蒸餾水而言，粘溫性好，凝固點(diǎn)低，低溫流動(dòng)性較佳；沸點(diǎn)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(jí)制動(dòng)液作為試驗(yàn)介質(zhì)與實(shí)車狀態(tài)一致，更能體現(xiàn)制動(dòng)軟管的實(shí)際性能。壓力供給系統(tǒng)的整體原理較為簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)，信號(hào)傳遞至PLC，經(jīng)處理轉(zhuǎn)化后顯示至上位機(jī)觸摸屏。

轉(zhuǎn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)和三臺(tái)減速機(jī)組成，伺服電機(jī)傳遞來的運(yùn)動(dòng)經(jīng)由中央減速機(jī)減速后，1:1傳遞至兩側(cè)減速機(jī)，兩側(cè)減速機(jī)的輸出軸同向、同步運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)盤，進(jìn)而帶動(dòng)可動(dòng)水平連桿產(chǎn)生預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡。

松弛量調(diào)整機(jī)構(gòu)主要包括絲杠及導(dǎo)軌，通過搖動(dòng)手輪、轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠改變滑臺(tái)在導(dǎo)軌上面的位置實(shí)現(xiàn)軟管樣品松弛量的改變。

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

圖2制動(dòng)軟管屈撓疲勞試驗(yàn)設(shè)備三維數(shù)字樣機(jī)

測(cè)量與控制系統(tǒng)

設(shè)備測(cè)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(jī)為觸摸屏，可以讀出系統(tǒng)壓力、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速以及試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，并可設(shè)定電機(jī)啟動(dòng)、停止、壓力與速度報(bào)警及解除等功能。

由于無實(shí)時(shí)性的要求，且對(duì)速度和位置均適宜加以嚴(yán)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(jī)緩啟動(dòng)無法由驅(qū)動(dòng)器設(shè)定，轉(zhuǎn)動(dòng)部分速度快、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，如不能使其緩慢啟動(dòng)和停止，對(duì)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(duì)應(yīng)的目標(biāo)頻率，使伺服電機(jī)緩慢啟動(dòng)，直至達(dá)到目標(biāo)速度。設(shè)備停止時(shí)，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(dòng)、停止過程均實(shí)現(xiàn)了緩慢無沖擊的理想狀態(tài)。

圖3測(cè)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(cè)量采用壓力變送器，壓力信號(hào)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(shí)時(shí)由觸摸屏顯示。并通過編寫泄露保護(hù)程序，確保因樣品失效或機(jī)體損壞而導(dǎo)致壓力驟降時(shí)，可以及時(shí)停機(jī)，以避免制動(dòng)液過量外泄造成環(huán)境污染。試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間也可由觸摸屏實(shí)時(shí)記錄，實(shí)現(xiàn)過程采用CP1H型PLC的CNTR和0.1S脈沖指令組合成計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)。

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

試驗(yàn)方案優(yōu)化與分析

3.1機(jī)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(rèn)證中心實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源升級(jí)、改造的設(shè)備方案，雖滿足國(guó)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)，曲柄部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，速度相對(duì)較快，對(duì)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(diǎn)”[4]的措施，如采用冗余約束，或者在飛輪上轉(zhuǎn)動(dòng)一角度且平行于現(xiàn)有連桿再安裝一連桿，無疑會(huì)加大整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、增加振動(dòng)和噪聲，或者因加工、裝配精度不高而導(dǎo)致個(gè)別部位應(yīng)力過大。為避免現(xiàn)有方案的不利因素，筆者認(rèn)為可使用齒輪機(jī)構(gòu)[4]來代替現(xiàn)有的雙曲柄機(jī)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(dòng)平衡、減小振動(dòng)。按照1:1的尺寸比例建立兩類方案輸出端的對(duì)照?qǐng)D，詳見圖8、圖9所示，顯而易見后者轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，且只要齒輪組裝配無誤，對(duì)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(jī)構(gòu)型輸出端1:1尺寸示意圖

利用UG軟件對(duì)兩類方案輸出端進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真[5]，齒輪機(jī)構(gòu)型輸出端實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡和雙曲柄機(jī)構(gòu)中連桿的運(yùn)動(dòng)軌跡完全相同，二者執(zhí)行部分中可動(dòng)連桿的振幅與時(shí)間的關(guān)系如圖10、圖11所示，可見兩種關(guān)系圖中簡(jiǎn)諧波的振幅和周期完全相同，即兩種方案運(yùn)動(dòng)軌跡等效。中心距的數(shù)值可以通過齒輪變位實(shí)現(xiàn)，且輸出端因?yàn)橹挥幸粋€(gè)輸出點(diǎn)，不會(huì)因?yàn)榧庸ず脱b配精度問題而導(dǎo)致可動(dòng)水平連桿承受額外載荷，故而可將該方案中的可動(dòng)水平連桿部分設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)最好的減振去噪效果。

圖10雙曲柄型輸出端可動(dòng)連桿振幅與時(shí)間關(guān)系圖

圖11齒輪機(jī)構(gòu)型輸出端可動(dòng)連桿振幅與時(shí)間關(guān)系圖

壓力供給部分如只考慮滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，也可再度適當(dāng)簡(jiǎn)化，圖2所示設(shè)備樣機(jī)臺(tái)面以下的液壓部分可以完全不予采用，只需在臺(tái)面以上部分增加一個(gè)介質(zhì)引流口和加壓裝置，其中加壓裝置實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，方法很多，如可采用小容量手動(dòng)液壓缸進(jìn)行加壓，加壓至設(shè)定值后隔斷液壓缸與樣品油路部分。簡(jiǎn)化后的機(jī)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(shí)介質(zhì)大量泄漏造成污染等問題。

測(cè)控系統(tǒng)分析

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

結(jié)論

本文詳細(xì)解讀了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)動(dòng)車制動(dòng)軟管屈撓疲勞試驗(yàn)的具體要求，并針對(duì)相關(guān)規(guī)定：

（1）給出了一種屈撓疲勞試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)建方案，包括機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和測(cè)控系統(tǒng)的具體方案。目前設(shè)備連續(xù)運(yùn)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(yàn)設(shè)備機(jī)械執(zhí)行機(jī)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(dòng)慣量小、對(duì)機(jī)械加工精度要求低、可以小型化、低振動(dòng)、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但建議適當(dāng)考慮對(duì)該方案中齒輪機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑[6]的設(shè)計(jì)。

制動(dòng)軟管屈撓疲勞試驗(yàn)充分考驗(yàn)了軟管樣品的屈撓疲勞性能，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)轉(zhuǎn)速的要求目前定為800轉(zhuǎn)/分，需連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)35小時(shí)，樣品屈撓疲勞總轉(zhuǎn)數(shù)即168萬轉(zhuǎn)。如確?？傓D(zhuǎn)數(shù)，而適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速、降低運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間（有利于加快試驗(yàn)進(jìn)程），或者適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速、增加運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間（有利于降低設(shè)備振動(dòng)、噪聲和安全風(fēng)險(xiǎn)），對(duì)樣品屈撓疲勞性能的考驗(yàn)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(yàn)等類似情形，建議有條件的實(shí)驗(yàn)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。

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