本文詳細解讀了國家標準的相關(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，我國國家標準[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準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。按照國家標準規(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)國家標準要求，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國家標準規(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?？蓜铀竭B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)，其功能滿足國家標準要求。

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)定目標速度，并在程序執(zhí)行過程中，逐漸增加脈沖頻率至目標速度對應(yīng)的目標頻率，使伺服電機緩慢啟動，直至達到目標速度。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唧w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，雖滿足國家標準要求和使用要求，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準要求，也可再度適當簡化，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，仍能滿足國家標準的相關(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準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，國家標準對轉(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?？傓D(zhuǎn)數(shù)，而適當提高轉(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)專家適當考慮這一方面的研究及討論，也益于技術(shù)標準的制訂、修訂和完善。

[參考文獻]

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[2]中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，GB16897-2010.制動軟管的結(jié)構(gòu)、性能要求及試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2011.

[3]北京中汽寰宇機動車檢驗中心有限公司.一種機動車制動軟管屈撓疲勞試驗機[P].中華人民共和國CN203658184U，2014-06-18.

[4]孫桓等.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]詹友剛.UGNX8.0實例寶典[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[6]濮良貴等.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2013.