冯雪丽 李柏年
杭州科技职业技术学院
【摘要】 介绍了一种新型盘式制动器性能测试台的研发和应用。测试台采用交流变频电机和行星齿轮减速器实现盘式制动器的连续回转，由电液伺服阀和二级增压缸进行制动压力的伺服控制。测试台可完成汽车盘式制动器的扭转疲劳、扭力破坏及制动钳高压耐久等性能试验。应用结果表明：较传统的制动器扭转疲劳试验台，该测试台更接近盘式制动器实际工况，试验数据为该类产品设计和性能优化提供了有效参考。
关键词：盘式制动器 车辆 试验台
0 引言
制动器是汽车行车安全的重要保障，对车辆行驶安全性具有决定性作用。与鼓式制动器相比，盘式制动器具有制动力矩大、制动平稳可靠、散热性好、尺寸紧凑、转动惯量小等优点。但若盘式制动器设计装配不合格会引发制动抖动和啸叫，严重影响乘坐舒适性，而试验是制动器开发制造的重要环节。因此研究一种模拟性能好、自动化程度高的制动器测试台对于产品性能优化和装配质量保证具有重要意义。笔者介绍了一种汽车盘式制动器性能测试台的研发和应用。与传统制动盘扭转疲劳测试台只能在一定角度内回转相比，该测试台可使制动盘连续回转，更接近试件真实工况。同时测试台除可进行盘式制动器的扭转疲劳外，还可进行制动盘的高频振动、扭力破坏等性能试验，对盘式制动器性能进行综合考核和评价。
1 测试台基本原理与可测性能参数
1.1 测试台的构造
测试台组成框架如图1所示，主要由机械装置、液压伺服装置、测控装置及润滑冷却等辅助装置组成。机械装置包括机械台架、驱动电机、减速箱及试件安装支架等；液压伺服装置包括液压油源、伺服增压缸、电液伺服阀等；测控装置包括扭矩传感器、压力传感器、红外温度传感器、工业控制计算机、数据采集卡、变频器等部件。
1.2 测试台的基本工作原理
测试台测试盘式制动器的性能参数的基本原理是：首先由变频调速电机和行星齿轮减速器驱动盘式制动器连续旋转，旋转速度和方向可通过变频器任意设定；然后由液压油源和二级伺服增压缸提供制动压力源，通过液压伺服放大器和PID控制器实现对制动压力和制动扭矩的双闭环控制。试验台可完成盘式制动器扭转疲劳、扭力破坏试验及制动钳的高压耐久试验。
1.3 测试台的主要性能参数
该测试台的主要性能参数：驱动功率为22 kW；制动盘转速为40 r/min；制动压力为35 MPa；扭矩测量范围为不大于10 000 Nm；温度测量范围为-20～600℃。
2 测试台的研发
2.1 机械及液压装置设计
⑴ 机架刚度和强度
测试台在工作时，电机要进行频繁的启停和换向，制动器要频繁制动和释放，机械台架和试件安装支架受到各种作用力，因此，在设计时一定要保证它们有足够的强度和刚度。为此，设计的测试台主机采用了焊接式框架结构，从而可保证主机整机有足够的强度和刚度。
⑵ 驱动电机及减速器
试验台驱动电机及减速器要求能够持续可靠工作。驱动电机选用交流变频调速电机，转速转向可任意设定，且散热、减震防噪等性能均优于普通电机。另外，考虑到制动盘试验台旋转速度要求不高，而制动扭矩较大，因此选用减速比为72.09的行星齿轮减速器实现减速增扭。
⑶ 液压伺服系统
液压伺服系统是试验台核心之一。试验台配置有专用的液压中心站。考虑到扭力破坏试验时要求系统提供的制动压力较高（35 MPa），且制动压力控制精度要求高，试验台设计开发了专用的两级伺服增压缸。一方面伺服系统保证对制动压力的精确快速控制，另一方面两级增压缸保证实现液压油与制动液的隔离，而制动压力的实时波形加载是通过对伺服阀的控制来实现的。
2.2 测控装置设计
该实验台测控装置主要功能是对实验过程进行自动控制和数据检测采集，并对数据进行分析。也就是通过对测试台的驱动电机和液压装置中伺服增压缸的控制来实现对盘式制动器试验工况的模拟，同时采集试验过程中被试件的制动压力、制动扭矩及制动盘温度等参数，并对采集的参数进行分析，判断制动盘性能的好坏。
2.2.1 测控装置硬件的设计
测控装置硬件是指安装在工业控制计算机内的各类板卡，通过测控装置软件系统可对其进行控制，从而实现对输入输出信号的转换，主要包括数据采集板卡、波形发生卡、IO控制板卡及计数模块等。其中工控机与外部电路的硬件进行隔离，在抑制传输噪声的同时可提高系统的安全性，这是由计数信号、数字量信号通过光电隔离技术实现的。
（1） 高速数据采集卡
制动压力和制动扭矩信号是试验过程中要采集记录的主要数据，由于每个制动周期持续时间短，信号变化速度快，要记录制动盘拖滞过程中的完整数据，需要数据采集卡具有较高的采样频率。试验台系统选用台湾研华公司PCI1711数据采集卡，其采样频率最高可达100kHz，数据转换精度为12位，并有容量为4kB的采样FIFO缓冲区，可保证试验数据波形的高速采集和实时显示。
（2） 波形发生卡
根据用户相关试验标准，试验过程中要求制动器的制动压力可按设定的波形变化，因此选用了一只专用高速任意波形发生卡。波形发生卡采用大容量FPGA，具有精度高、频率分辨率高、可靠性好、软件支持丰富等优点。波形发生卡可生成正弦波、方波、三角波、锯齿、TTL、白噪声、高斯噪声、直流、梯形、指数等常规波形及自定义波形输出。
（3） 其他硬件设计
测控装置的硬件除上述之外，还包括工业控制计算机、信号处理板卡、扭矩传感器、压力传感器、位置开关及变频器串口通讯卡等。
2.2.2 测控系统软件设计
测控系统软件负责对整个试验台的控制和管理，包括试验流程控制、信号采集处理、试验机状态监控及故障自诊断、试验数据显示、报表生成及数据追溯等功能。系统软件采用模块化方法，其主要模块之间的关系如图2所示。
（1） 系统管理模块
为保证系统使用安全性，用户需经身份认证后才能登录软件系统。同时软件具有用户权限分级功能，即不同等级的用户具有不同的软件使用权限。使用者分“管理员”用户和“普通”用户两种，“普通”用户只能进行日常的检测工作，而“管理员”用户除具有普通用户权限外，还具有用户增删、试验参数修改设置和试验台调试维护等权限。
（2）性能试验模块
性能试验模块是整个软件系统的核心模块。该模块主要完成对盘式制动器各类性能的自动试验。用户在软件交互界面设置试验参数，如制动盘回转速度、制动压力、制动频率、循环次数等，即可开始试验。模块按照预置的流程自动试验，直到达到预设的循环次数或磨损条件。试验过程自动绘制表征性能的各种曲线，并根据用户的设定自动生成Office文档格式的试验报表，该模块的程序运行界面如图3所示。
（3） 状态监测模块
状态监测模块主要完成试验台自身状态监测和系统运行报警及保护。该模块可对试验系统工作状态进行监控和保护，包括系统开机诊断、扭矩超标、制动压力超标等系统异常时的多级报警机制。同时模块具有分步调试功能，可对任意通道的模拟量、数字量信号单独调试和诊断，是系统故障诊断和排除的辅助工具。
（4） 数据管理模块
数据管理模块主要功能是对试验数据的存储、检索及试验报表的生成和打印。该模块可将各试件试验的数据自动存盘，并可根据用户的选择将试验结果按模板格式打印生成试验报告。同时用户还可通过多种方式检索存盘的试验数据，实现对以往试验数据的追溯和管理。
3 应用实例
运用该试验台对某型号盘式制动器进行了试验。图4所示为盘式制动器扭转疲劳试验时制动扭矩曲线和制动钳高频振动试验过程中制动压力变化曲线。由图可看出，试验台可详尽记录每个制动周期内制动扭矩、制动压力的参数变化情况。
4 结论
介绍了一种汽车盘式制动器扭转及高频振动等性能试验系统的设计开发及应用情况。系统采用驱动电机使试件进行连续旋转，采用液压伺服阀和二级增压缸实现制动扭矩的波形加载，更接近试件的真实工况。试验台设计结构简单，自动化程度高，能完成盘式制动器的扭转疲劳试验、高频振动试验和扭力破坏试验，试验台交付用户使用后取得了良好的效果。
