IBooster总成三工位耐久测试系统

设计

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苏锦强， 范伟军， 胡晓峰， 陈 涛

(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 310018)

0 引 言

伴随着能源危机，电动汽车有着良好的发展前景[1]。电动汽车取消了传统的燃油发动机，而通过搭载真空泵代替发动机提供真空源的

电子助力器作为汽车制动系统的关键部位，它的性能优劣和工作稳定性直接影响了乘车安全，如何高效准确地检测汽车电子助力器耐久性是一个迫切关注的问

通过分析德国博世公司生产的IBooster电子助力器的物理结构和工作原理，构建IBooster总成三工位耐久测试系统，能够进行ABS工作耐久性试验，其具备高效、自动化、较高经济效益的特点，满足在不同环境温度条件下的测试需求。由于还没有制定电子助力器耐久性能测试的国家标准和企业标准，主要参考真空助力器标准QC/T 311—2018《汽车液压制动主缸性能要求及台架试验方法》、QC/T 307—2016《汽车用真空助力器性能要求及台架试验方法》。

1 测试系统需求分析

1.1 IBooster电子助力器工作原理

IBooster物理结构图如图1所示，主要由电机电控单元、输入推杆、位移差传感器、制动主缸等系统部件组成。当驾驶员踩制动踏板时，踏板行程传感器检测到输入推杆产生的位移，并将位移信号发送至电控单元，电控计算出电机应产生的扭矩，再由传动装置将该扭矩转化为伺服制动力。伺服制动力与踏板输入力一起作用[6]，在制动主缸内产生液压力作用在负载上实现制动。

图1 IBooster物理结构图

1.2 系统需求分析

分析实车制动状况和相关行业标准，耐久测试系统主要包含以下部分：驱动加载机构、高低温试验箱、液压系统、数据采集与控制系统[7]。

驱动加载机构模拟脚踩踏板的过程，需要有实现往复直线运动的直线运动装置、限制直线运动装置运动行程的限位装置。

高低温箱调控环境条件，能够满足电子助力器在常温、高温、低温下的耐久测试需求，实际温度与设定温度误差应小于±2 ℃。

需要液压系统模拟实车制动环境，并且能实现管路注油、排油等功能。为了更符合实车工况，添加ABS控制模块[8]，在非ABS工作模式下和ABS工作模式下分别作耐久性测试。

数据采集与控制系统应满足传感器信号的高速采集及对系统一些硬件模块的控制需求。配合系统软件能够动态显示试验数据和曲线并进行存储，能够根据设定参数进行不同的工况测试。

综合考虑系统各个部分的测试需求， IBooster总成耐久测试的技术参数要求如表1所示(1bar=0. 1 MPa)，系统主要的结构示意图如图2所示。

图2 系统结构示意图

表1 IBooster总成耐久性检测系统技术参数

2 测试系统设计

测试系统设计主要包括：驱动加载系统设计、管路系统设计、数据采集系统设计和测试

2.1 驱动加载系统设计

驱动加载系统主要由伺服电机、气缸、阻挡气缸、IBooser带主缸总成、力传感器、位移传感器等组成，驱动加载机构图如图3所示，系统为三工位。

图3 驱动加载机构图

伺服电机、气缸推杆、IBooser输入推杆等位于同一直线上，当气缸加载时，直线运动装置通过模拟摆臂推动电子助力器输入推杆，实现脚踩踏板的效果。

伺服电机经传动机构带动气缸走设定的位移，可以实现耐久测试的多点位置加载控制。电机丝杠位移设定好的距离后，阻挡气缸推杆伸出，代替伺服电机抵住左侧安装板，可以避免伺服电机丝杠受到ABS模块工作时带来的反冲压影响。气缸速度可调节，通过控制二位五通电磁阀状态，可以实现气缸的反复加载卸载，符合耐久测试需求。

IBooster总成安装于高低温试验箱中。高低温箱实现对环境加热和冷却的PID控制，并可以在温控仪面板上直接显示和设定实验温度。

2.2 管路系统设计

小型汽车是通过液压制动，为模拟实车效果，需要让管路内充满制动液。设计管路系统如图4、图5、图6所示，图4是气体管路

图4 气体管路设计图

图5 真空液压管路设计图

图6 测试管路设计图

如上图所示气体管路通过调压阀或电气比例阀调控气压，为四部分管路供气。第一部分向真空液压管路供气，主要用于管路气洗；第二部分向加载气缸供气，实现气缸加载卸载；第三部分向阻挡气缸供气，抵住左侧安装板；第四部分向气控阀供气，通过二位五通电磁阀调整气控阀状态。

图5是真空液压管路设计图，主要由真空管路、气洗管路、储液管路、测试管路四部分组成[9]。

真空管路是真空注油的关键部分。真空泵提供真空源，负责将管路抽真空。真空注油时，将管路抽真空，利用负压将储液罐中的制动液顺着管路充满测试回路。

气洗管路是回路气洗的关键部分。所用气源来自气体管路，回路气洗时，调整管路中气控阀和电磁阀的工作状态，使得气体顺着管路将管路和制动主缸中的制动液排出至储液罐中。

储液管路是储存和传输制动液的关键部分。利用隔膜泵从油槽中抽油并储存至储液罐中。储液管路和测试管路形成一个回路，通过注油和回路气洗实现储液管路中制动液的运输和储存。

气控阀19、20、21作为开关，分别与三个工位的测试管路相连。测试管路设计图如图6所示，这里只列举第一个工位。

制动主缸进油口与气控阀19相连，制动液从出油口流入测试管路中。测试时，手动球阀关闭，加载机构经产品助力后推动主缸活塞产生液压，ABS根据设置工况调节液压，作用到液压负载单元上。

液压负载单元采用可更换弹簧模拟负载，通过调节负载弹簧长度，能够保证输入力在90%拐点力时，被测样件的输入位移达到设计最大输入位移的2/3，满足国家标准[10]。

测试时应保证管路密封不泄露，同时管路内制动液无气泡，避免影响实验结果。

2.3 数据采集与控制系统设计

数据采集与控制系统如图7所示，主要由工控机、各类传感器、电磁阀、数据采集卡、用户操作按钮等组成。

图7 数据采集与控制系统框图

工控机作为控制中心，通过PCI总线与研华数据采集卡连接，数据采集卡是数据采集与控制系统的核心部件，起着传感器信号的采集及工控机信号的输出作用[11]。系统通过AI通道获取液压传感器、力传感器、位移传感器等各类传感器数据值；通过AO通道控制电气比例阀开度；通过DO通道控制阀和三色灯的通断状态；通过DI通道控制启动、急停等用户操作按钮。

为获得产品内部信息数据，采用NI公司高速、低容错CAN卡实现产品与设备之间快速稳定的CAN通信，其支持多速率数据通信，最高频率达1MS/s。设备通信支持CCP协议收发操作，可以通过更新DBC文件来实现对IBooster产品电控变量的快速控制及监控。

2.4 测试流程设计

根据相关行业标准，主要将IBooster耐久测试流程分为三个部分，分别是准备阶段、测试阶段和结束阶段。

1）准备阶段

将被测产品在相关夹具上安装固定好，连接测试回路，将制动主缸进油口和出油口分别接入设备管路系统中。

采用泵循环注油、真空注油、正压注油等方式对液压管路进行注油排气，使测试管路中充满制动液，并且管路中无气泡。

2） 测试阶段

根据产品特性及测试需求，设定高低温箱温度、试验运行次数、目标液压、报警参数等工况信息，由伺服电机调节加载气缸位置后，阻挡气缸推杆伸出代替伺服电机受力。

非ABS工作耐久性实验条件下，系统按照“气缸加载-加载保持-气缸卸载”的状态循环进行，绘制并记录试验曲线图。试验压力与动作时间之间的关系如图8所示[12]。

图8 非 ABS 工作耐久性试验压力与动作时间之间的关系

ABS工作耐久性实验条件下，设置升压动作时间、保持时间、降压动作时间等参数，根据设定好的参数进行ABS升降压模拟动作，系统按照“气缸加载-ABS动作-ABS动作保持-加载保持-气缸卸载”的状态循环运行。

测试过程中对系统进行安全监控，当液压值、推杆行程、输入力等超过设定值时，系统自动报警停机。

3） 结束阶段

通过回路气洗的方式将管路中的制动液吹回储液罐中。取下被测产品，整理测试台，结束测试。

3 实验结果分析

选用某厂家生产的IBooster产品作为测试对象，准备阶段结束后，在标准大气压下，根据试验要求分别做非ABS工作耐久性试验和ABS工作耐久性试验。

图9为电机前进液压曲线图，描绘测试前伺服电机走定位的液压曲线。当伺服电机以2 mm/s的速度前进至目标液压位置后，气缸推杆卸载。

图9 电机前进液压曲线图

图10为非ABS工作耐久性部分曲线图。如图所示，液压曲线良好，多次建压泄压符合耐久特点，其满足非ABS工作耐久性试验压力与动作时间之间的关系，能够保证试验频率为1 000±100次/h。

图10 非ABS工作耐久性部分曲线图

图11为ABS工作耐久性部分曲线图，ABS循环试验穿插在非ABS工作耐久性试验中进行。图中有两条曲线，一条为加载机构位移曲线，一条为经ABS调节后的液压曲线。气缸加载建压后启动ABS动作控制策略，ABS进行降压，降压动作时间设为20 ms，随后进行升压，升压动作时间设为5 ms，每个升压动作后保压一定时间，多段升压后停止ABS动作策略，最后气缸回退泄压。实验结果表明，液压曲线符合实车ABS多段调压特点，具有良好的线性，对ABS工作模式下电子助力器耐久性测试有实际的意义。

图11 ABS工作耐久性部分曲线图

4 结束语

本文介绍的IBooster总成三工位耐久测试系统，使用ABS控制模块，更加符合实车制动环境，采用伺服电机走定位，气缸进行快速加载与退回的方式适合不同电子助力器的测试需求，具有较高的经济效益。经过两周的运行测试，该检测系统无运行故障，测量结果较为精准，能够满足各汽车产商对产品的耐久测试需求，现已投入日常研发应用。

-全文完-