一種電子油門(mén)踏板耐久性及性能試驗(yàn)裝置的研制

摘要: 針對(duì)國(guó)際同行對(duì)電子油門(mén)試驗(yàn)要求，研制了一種性能穩(wěn)定可靠的電子油門(mén)踏板耐久性及性能試驗(yàn)裝置。此裝置采用單作用氣缸作驅(qū)動(dòng)力，PLC調(diào)整運(yùn)動(dòng)周期進(jìn)行耐久性考核，用非接觸式角度傳感器和高速率數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行性能測(cè)試，滿足了國(guó)內(nèi)外最苛刻通行綜合技術(shù)要求，已通過(guò)試驗(yàn)考核并投入使用。

關(guān)鍵詞: 電子油門(mén)； 耐久性； 性能測(cè)試； 氣動(dòng)控制； 低成本

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.5+23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2011）02-0067-04

An Auto Electronic Accelerator Pedal Test-equipment’s Manufacture

XI He-feng，BAI Song-qi，ZHANG Qi-feng，DING Ji-xian

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL ，Wuhan 430056，China ）

Abstract：According to the test requirement of electronic accelerator pedal from International Industry， it developed a stable and reliable electronic accelerator pedal experimental device. This device is used to test the durability and performance of the electronic accelerator pedal and it used a single acting cylinder for driving force. PLC adjusts the movement cycle to check the durability and the performance is tested by non-contact angle sensor and high speed data acquisition card. The device has met all kinds of common technology demands from home and abroad，and it has passed the assessment test， and then put into use.

Key words：electronic accelerator；durability；performance test；pneumatic control；low cost

隨國(guó)Ⅲ排放全面實(shí)施，電子油門(mén)成為車(chē)輛標(biāo)配，是電噴系統(tǒng)和車(chē)輛安全最重要的部件之一［1］。中國(guó)作為全球最大汽車(chē)市場(chǎng)在電子油門(mén)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)手段上仍處弱勢(shì)。為市場(chǎng)安全需求和產(chǎn)品研發(fā)水平的提高，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)電子油門(mén)踏板測(cè)試系統(tǒng)的研制迫在眉睫。

經(jīng)過(guò)精心策劃建造調(diào)試，我們自主研發(fā)的電子油門(mén)耐久性及性能試驗(yàn)系統(tǒng)建成并通過(guò)考核試驗(yàn)。經(jīng)對(duì)十幾處技術(shù)細(xì)節(jié)巧妙設(shè)計(jì)和精確論證，使其具有易用性、耐用性、低功耗、低噪音等特點(diǎn)，美觀大氣造型新穎，可做到無(wú)人值守。模塊化結(jié)構(gòu)通用性、設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性極強(qiáng)，低運(yùn)行成本和易維護(hù)保養(yǎng)非常適合現(xiàn)代汽車(chē)電氣試驗(yàn)室使用。本試驗(yàn)裝置綜合性能指標(biāo)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，試驗(yàn)運(yùn)行成本國(guó)內(nèi)最低。

1 項(xiàng)目背景及開(kāi)發(fā)目標(biāo)

1.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀描述

汽車(chē)踏板裝置相關(guān)行標(biāo)對(duì)耐久性試驗(yàn)規(guī)定為200萬(wàn)次［2］，但作為應(yīng)與車(chē)輛等壽命的安全件，行業(yè)上開(kāi)發(fā)試驗(yàn)和產(chǎn)品型式試驗(yàn)普遍參考德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和眾多國(guó)際主流電子油門(mén)跨國(guó)生產(chǎn)企業(yè)的廠標(biāo)［3］，將耐久性試驗(yàn)定位于1 000萬(wàn)次。

國(guó)內(nèi)外同行，有采用電液伺服系統(tǒng)配工裝夾具開(kāi)發(fā)踏板耐久性試驗(yàn)設(shè)備；有采用電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力拉索傳動(dòng)方式完成試驗(yàn)；或采用電機(jī)和復(fù)雜同步機(jī)構(gòu)，存在試驗(yàn)費(fèi)用過(guò)高（一輪十幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)支出）、動(dòng)能損耗大、振動(dòng)噪聲大、設(shè)備成本過(guò)高、通用性差等問(wèn)題。行業(yè)內(nèi)缺乏實(shí)用的耐久性及性能試驗(yàn)系統(tǒng)，相關(guān)國(guó)標(biāo)制定缺乏硬件設(shè)備支持。

1.2 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)試驗(yàn)條件及需求，對(duì)新研制試驗(yàn)裝置制定如下技術(shù)要求：

1）便于試驗(yàn)時(shí)間參量變更，主控系統(tǒng)為可編程控制器。

2）能調(diào)整踏板驅(qū)動(dòng)力，循環(huán)頻率、氣缸運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)，能達(dá)100次/分。

3）性能測(cè)試直接在電腦上生成樣件特性曲線，可打印、存儲(chǔ)、回放。

4）同時(shí)能進(jìn)行三件樣品的試驗(yàn)［4］，且踏板運(yùn)行能單獨(dú)控制。

5）實(shí)現(xiàn)多種不同安裝方式樣件兼容，換裝夾具或附件快速簡(jiǎn)便。

6）模塊化設(shè)計(jì)，方便進(jìn)行高低溫濕度（三綜合）試驗(yàn)擴(kuò)展。

7）運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)明顯振動(dòng)，噪音小于70 dB。

8）能晝夜連續(xù)可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)低壓保護(hù)、自動(dòng)監(jiān)控，可無(wú)人值守。

9）系統(tǒng)可靠性1000萬(wàn)次以上。

2 裝置總體設(shè)計(jì)

2.1 裝置組成及結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本裝置分為耐久性測(cè)試和性能測(cè)試兩個(gè)部分。

耐久性測(cè)試采用壓縮空氣作動(dòng)力源，巧妙降低能耗成本，且氣壓傳動(dòng)方式解決了其他采用電機(jī)、液壓傳動(dòng)、凸輪等方式可能造成的功耗大、振動(dòng)噪聲大、反應(yīng)慢、難以實(shí)現(xiàn)保護(hù)、工作適應(yīng)性差等弊端。運(yùn)用氣缸活塞桿運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄使擺臂作圓弧往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)適應(yīng)電子油門(mén)腳踏板操作動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)位置調(diào)整簡(jiǎn)單。選用短行程、大截面、單作用氣缸作動(dòng)力及低壓力工作氣源，氣缸采用垂直安裝，使耗氣量及沖擊振動(dòng)減少，氣缸垂直運(yùn)動(dòng)摩擦阻力最低，運(yùn)行安靜，延長(zhǎng)使用壽命，有連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)維護(hù)量小的特點(diǎn)。將試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)力調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)氣壓控制。PLC程序輸出脈沖控制試驗(yàn)頻率，調(diào)整三個(gè)樣件動(dòng)作間歇，減小振動(dòng)延長(zhǎng)臺(tái)架壽命。

性能測(cè)試系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集卡、角度傳感器、電子油門(mén)信號(hào)傳感器進(jìn)行電子油門(mén)踏板輸出電壓、角度參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的檢測(cè)［5］，控制軟件（見(jiàn)圖2）在中文Windows操作系統(tǒng)下用DELPHI開(kāi)發(fā)。只要配有USB接口的工控機(jī)或筆記本，均可作此試驗(yàn)臺(tái)的性能試驗(yàn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。可直接在電腦上生成樣件的特性曲線，可打印、存儲(chǔ)、回放進(jìn)行分析。將電子油門(mén)和輸出電信號(hào)之間的精確關(guān)系直接在電腦上生成實(shí)物樣件的特性曲線，方便觀察和分析行程角和電信號(hào)之間的關(guān)系。將性能測(cè)試和耐久性測(cè)試結(jié)合，優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)備，提高試驗(yàn)效率。

圖2 性能檢測(cè)控制軟件

2.2 耐久性測(cè)試主體單元構(gòu)造

裝置主體正面構(gòu)造如圖3所示。主體架由鋼板制作的底板和12根并列垂直連接的鋁型材組成立面安裝板。三組相同電子油門(mén)踏板（試件）高低錯(cuò)落地固定在立面安裝板上。直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，由轉(zhuǎn)軸頭、轉(zhuǎn)軸座、轉(zhuǎn)軸聯(lián)接桿和擺臂機(jī)構(gòu)組成，并通過(guò)轉(zhuǎn)軸座與立面安裝板固定，由制造保證使其旋轉(zhuǎn)中心與油門(mén)踏板擺動(dòng)軸心在同一平面內(nèi)，這樣完全固定時(shí)，只須調(diào)整其中某一部件的上下位置即可達(dá)到理想同軸。

圖3 主體單元的構(gòu)造

氣缸下端與氣缸固定座相連，氣缸固定座固定在立面安裝板上，氣缸上端活塞桿與桿端軸承連接并用螺母鎖定，防止間距變化。

當(dāng)軟管輸入壓縮空氣時(shí)，經(jīng)過(guò)雙向速度閥的控制輸送到單作用氣缸下端氣口，活塞桿工作時(shí)，轉(zhuǎn)軸頭被桿端軸承推動(dòng)作繞踏板中心的轉(zhuǎn)動(dòng)，與轉(zhuǎn)軸頭相連的擺臂作弧形擺動(dòng)。

擺臂端部在作用點(diǎn)安裝了擺動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)，由螺桿式鉸鏈頭、L形座和鉸鏈?zhǔn)綀A盤(pán)頭組成。鉸鏈?zhǔn)綀A盤(pán)頭的活動(dòng)鉸接作用，使其圓盤(pán)平面始終能隨從踏板面相貼合，模擬出人工腳踏操作狀態(tài)。

中間試驗(yàn)工位有踏板擺角與電信號(hào)關(guān)系的性能測(cè)試功能，其角度傳感器通過(guò)安裝座可在位置調(diào)整桿上滑動(dòng)并定位，可隨耐久試驗(yàn)需求進(jìn)行性能測(cè)試。位置調(diào)整桿固定在轉(zhuǎn)軸座側(cè)面，角度傳感器始終與轉(zhuǎn)軸聯(lián)接桿保持精確同軸，用波紋管軟傳動(dòng)軸進(jìn)行傳動(dòng)連接。

2.3 氣動(dòng)原理

圖4為氣動(dòng)控制原理部分簡(jiǎn)圖。打開(kāi)電源和氣源，壓縮氣體進(jìn)入三聯(lián)件，經(jīng)空氣過(guò)濾器、減壓閥調(diào)制到系統(tǒng)需求輸入壓力范圍，經(jīng)油霧器（因氣缸允許無(wú)潤(rùn)滑油運(yùn)行，為保持工作環(huán)境空氣潔凈，可以不加注潤(rùn)滑油）后分兩路：一路氣體進(jìn)入小型壓力開(kāi)關(guān)（圖4“3”），小型壓力開(kāi)關(guān)被設(shè)定在保護(hù)壓力值上，根據(jù)輸入氣壓大小決定PLC是否運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)氣壓過(guò)低保護(hù)；另一路經(jīng)減壓閥（圖4“1”）第二次降壓到氣缸正常工作壓力范圍，進(jìn)入集裝板輸入口。

在集裝板內(nèi)氣體分為四路，其中三路分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的三個(gè)受控電磁閥輸入口，第四路經(jīng)管接件后再分為三路，各輸送到六個(gè)手動(dòng)按鈕閥輸入口（圖4“7”）。三個(gè)方向電磁閥受PLC控制，氣體通路按PLC循環(huán)程序分時(shí)段，交叉換向改變氣缸進(jìn)氣或排氣，完成試驗(yàn)循環(huán)程序。對(duì)應(yīng)本裝置氣動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載率，試驗(yàn)所需驅(qū)動(dòng)力乘以比例系數(shù)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)氣壓的調(diào)節(jié)來(lái)控制。

圖4 氣動(dòng)控制原理部分簡(jiǎn)圖

耐久性試驗(yàn)時(shí)二位手動(dòng)旋鈕閥默認(rèn)置于自動(dòng)狀態(tài)，從電磁閥送出受控氣體經(jīng)雙向速度閥（圖4“6”）到對(duì)應(yīng)氣缸（圖4“5”），氣缸按調(diào)定速度作自動(dòng)進(jìn)退運(yùn)行。當(dāng)氣缸行程需要與踏板位置作間隔調(diào)整或要觀察慢速動(dòng)作時(shí)，可運(yùn)用點(diǎn)動(dòng)方式控制氣缸進(jìn)退，此時(shí)將需調(diào)整工位的二位手動(dòng)旋鈕閥置于手動(dòng)狀態(tài)，二位手動(dòng)旋鈕閥切斷主路氣口，將氣缸通路切換給控制點(diǎn)動(dòng)的按鈕閥。這時(shí)按鈕閥與集裝板分支末端另一按鈕閥相結(jié)合，共同控制該氣缸點(diǎn)動(dòng)慢進(jìn)退運(yùn)動(dòng)。

2.4 耐久測(cè)試控制原理

圖5為耐久測(cè)試電氣控制原理部分簡(jiǎn)圖。當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)接通氣源，打開(kāi)帶指示燈的電源總開(kāi)關(guān)，控制系統(tǒng)上電初始化后處于待機(jī)狀態(tài)。開(kāi)關(guān)電源所有輸出均為獨(dú)立通道，同時(shí)為PLC和性能測(cè)試角度傳感器供電。

閉合運(yùn)行開(kāi)關(guān)，控制系統(tǒng)通過(guò)壓力開(kāi)關(guān)檢測(cè)氣壓，如氣壓不足，警示燈長(zhǎng)亮，繼電器常閉端斷開(kāi)，PLC中斷程序指令，系統(tǒng)待機(jī)；如氣壓滿足要求，警示燈閃爍，繼電器常閉端閉合，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)突然斷電或用急停開(kāi)關(guān)停止試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)掉電停止工作，所有電磁閥復(fù)位，電源總開(kāi)關(guān)上指示燈指示此時(shí)試驗(yàn)臺(tái)電源是否正常。

采用急停開(kāi)關(guān)停車(chē)后再次運(yùn)行前，先斷開(kāi)運(yùn)行開(kāi)關(guān)，然后閉合急停開(kāi)關(guān)及運(yùn)行開(kāi)關(guān)，PLC會(huì)立刻初始化轉(zhuǎn)入正常循環(huán)運(yùn)行，計(jì)數(shù)器繼續(xù)累計(jì)計(jì)數(shù)。停電引起停車(chē)后電源重新上電時(shí)，控制系統(tǒng)可安全恢復(fù)到停電前狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，避免供電停電而造成試驗(yàn)重復(fù)計(jì)數(shù)。

為氣動(dòng)平穩(wěn)、低噪音運(yùn)行，三組工位受PLC不同控制單元指令交替循環(huán)運(yùn)行。PLC脈沖占空比、周期依據(jù)試驗(yàn)頻率需求而定，以此控制踏板運(yùn)行速度。同時(shí)PLC判斷是否達(dá)到設(shè)定試驗(yàn)次數(shù)，次數(shù)滿足設(shè)備停止運(yùn)行。

3 成本及推廣價(jià)值

本裝置耐久性測(cè)試部分成本總計(jì)4萬(wàn)元以?xún)?nèi)。性能測(cè)試部分成本6千元以?xún)?nèi)（電腦除外）。常溫下每分100次循環(huán)，三樣件同時(shí)運(yùn)行，總累計(jì)1 000萬(wàn)次的耐久性試驗(yàn)，一輪耐久性試驗(yàn)周期包括準(zhǔn)備、試驗(yàn)、結(jié)果報(bào)告總耗時(shí)90天為一個(gè)計(jì)算單位。其過(guò)程發(fā)生的主要成本：踏板夾具制作、試驗(yàn)設(shè)備用電、試驗(yàn)耗氣、試驗(yàn)臺(tái)折舊費(fèi)、人工費(fèi)、管理費(fèi)總成本在5萬(wàn)元以?xún)?nèi)（1000萬(wàn)次）。行業(yè)中因?yàn)橛烷T(mén)踏板耐久性試驗(yàn)特殊性和困難性，200萬(wàn)次耐久性試驗(yàn)成本在12萬(wàn)元~40萬(wàn)元不等。

若僅用本試驗(yàn)臺(tái)來(lái)完成200萬(wàn)次試驗(yàn)只有當(dāng)前行業(yè)成本的1/10左右，且存在材料成本、人工費(fèi)大幅降低的可能，可產(chǎn)生積極可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)汽車(chē)踏板裝置耐久性試驗(yàn)的規(guī)定，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用和考核測(cè)試現(xiàn)狀相比過(guò)低，相關(guān)國(guó)標(biāo)缺失。當(dāng)前現(xiàn)狀與試驗(yàn)特殊性和困難性、成本代價(jià)極大、試驗(yàn)周期極長(zhǎng)有關(guān)。

本系統(tǒng)避免了同行繁雜的設(shè)計(jì)思路和高昂的試驗(yàn)費(fèi)用，以簡(jiǎn)潔巧妙的方法解決了行業(yè)的難題，嚴(yán)謹(jǐn)實(shí)用，成本極低，能很好的滿足電子油門(mén)生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)驗(yàn)證需求和主機(jī)廠對(duì)電子油門(mén)的質(zhì)量檢驗(yàn)要求，耐久性綜合性能指標(biāo)突破1 000萬(wàn)次，可完全替代進(jìn)口設(shè)備，極具行業(yè)推廣價(jià)值。可將設(shè)計(jì)思想用于多種電子傳感器耐久及性能試驗(yàn)裝置的開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)潔高效實(shí)用的設(shè)計(jì)思路具有行業(yè)借鑒意義。

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