電子駐車用滾珠絲桿組件耐久效率試驗的研究及應用

趙坤，李影

?

電子駐車用滾珠絲桿組件耐久效率試驗的研究及應用

趙坤，李影

（慈興集團有限公司 技術中心，浙江 寧波 315301）

研制了一種電子駐車（簡稱EPB）用滾珠絲桿組件耐久效率試驗機，可以模擬滾珠絲桿組件的載荷、轉速、油壓及溫度等工況參數，測試了電子駐車系統的滾珠絲桿組件性能，為滾珠絲桿組件性能分析提供準確的試驗數據。該試驗機測試結果與國外研制的同類設備測試結果基本一致，驗證了該試驗機的可靠性。采用該試驗機對新開發的滾珠絲桿組件進行效率與耐久測試，耐久后零件的精度、效率均大于客戶要求，驗證了新開發的滾珠絲桿組件的效率與耐久性能指標，均可滿足實際工作要求。

滾珠絲桿；電子駐車；耐久試驗機；耐久效率

滾珠絲桿具備傳動精度高、傳動效率高、傳動可逆、同步性好、壽命長等特點[1]，逐漸被廣泛應用于新能源汽車電子駐車系統中，滾珠絲桿組件是駐車系統中最關鍵的零部件之一，其壽命與傳動效率十分重要，該組件實際工作于始終充滿剎車液的剎車鉗內部，駐車時承載較大，且要承受環境溫度與油壓的變化，工作條件比較惡劣。目前該滾珠絲桿組件的研究與生產技術幾乎全部掌握在國外，國內還沒有企業有批量生產該產品的能力，同時其性能及耐久壽命測試設備在國內也少有研究及應用。文獻[2]中介紹了滾珠絲桿副的使用壽命檢測與可靠性試驗方法，但該文獻僅是對機床用滾珠絲杠副零件的耐久檢測方法進行了介紹，該檢測方法并不適于駐車用滾珠絲桿組件的耐久測試。

為進入汽車用高精度、小結構滾珠絲桿組件領域，掌握汽車用滾珠絲桿組件的研發與加工技術，目前正在開發并生產電子駐車用滾珠絲桿組件，為了確保對產品研發與批量生產提供優化數據及質量保證，用測試數據和性能對比曲線取信用戶，針對電子駐車用滾珠絲桿組件的實際工況，開發了該產品的耐久效率試驗機來測試滾珠絲桿組件及整套剎車系統的耐久性以及滾珠絲桿組件在工作過程中的傳動效率。

1 電子駐車用滾珠絲桿組件介紹

該滾珠絲桿組件主要零部件如圖1所示。

1.絲母2.絲桿3.支撐墊圈4/5/6.彈簧（零件內部包括三種彈簧：中間彈簧、調節彈簧和預緊彈簧）7.卡簧8.平面軸承9.平面墊片

在駐車過程中該零件的傳動方式為：電機驅動絲桿旋轉，絲母相對絲桿做直線運動，由絲母推動卡鉗內的活塞擠壓剎車片，最終由剎車片將剎車盤鎖死，實現駐車功能。

滾珠絲桿組件耐久性能要求：

（1）產品在運行過程中卡鉗系統的傳動效率始終大于70%；

（2）產品在規定工況條件下反復運行15萬次，各零部件不得有疲勞損傷。

滾珠絲桿組件的傳動效率與各零部件的結構、表面加工精度及之間的配合均有直接聯系，所以傳動效率是滾珠絲桿組件性能的一個關鍵參數，其計算公式為[3]：

式中：η為傳動效率；F為系統輸出載荷，kN，該輸出載荷為每個循環過程中的最大載荷；p為導程，mm；T為最大驅動扭矩，N·m。

2 滾珠絲桿組件耐久效率試驗機

滾珠絲桿耐久效率試驗機技術要求如下：

（1）滾珠絲桿運轉環境溫度在－4～120 ℃可調；

（2）伺服電機正向驅動轉速隨扭矩值實時變化；回退轉速為恒定值50 r/min；

（3）試驗機的最大驅動扭矩為50 N·m；

（4）試驗機的最大軸向工作載荷為60 kN；

（5）試驗機可以對卡鉗系統內部提供真空環境；

（6）卡鉗系統內部剎車液液壓在0～180 bar可調，增壓及泄壓時間小于0.5 s；

（7）試驗數據通過測試系統采集并由工控機輸出，工控機界面顯示所有控制數據及對應實時曲線，實時保存數據并對數據進行后處理，其它測試信號能在相應儀表上顯示；

（8）自動進行多載荷譜的連續測試；

（9）系統穩定性好，重復性好，故障率低。

試驗機的整體布局如圖2、測試原理如圖3所示。試驗機對滾珠絲桿組件的實際工作環境進行模擬，將滾珠絲桿安裝在卡鉗內部，卡鉗系統根據實際情況被固定在固定座上；扭矩傳感器通過聯軸器與伺服電機連接，采集伺服電機的輸出扭矩；3個微型壓力傳感器安裝在特殊的測力裝置內，將該裝置安裝在兩剎車片間來模擬剎車盤，同時精確采集卡鉗系統的制動力。微型壓力傳感器的布局方式如圖4所示，3個壓力傳感器成三角分布，其布局必須保證所有輸出載荷作用在3個傳感器上，確保采集數據的準確性。

傳感器實時采集測試過程中的扭矩與載荷值，經過工控機存儲并處理，根據滾珠絲桿組件的效率計算公式，計算并顯示滾珠絲桿每個測試循環的效率值。

該試驗機為了模擬滾珠絲桿組件在實際工作中的不同油壓環境，設計了特殊的增壓裝置，該裝置調節范圍廣且可以快速自動調節油壓。

1.真空泵2.增壓裝置3.電控柜4.保溫箱5.主體測試裝置6.工控機7.溫控箱

1.電機2.減速機3.扭矩傳感器4.彈性聯軸器5.復位彈簧6.滾珠花鍵7.導向套8.連接花鍵軸9.測試滾珠絲桿組件10.剎車片11.卡鉗殼體12.測力裝置13.固定支座14.液壓裝置15.真空裝置16.溫控箱

圖4 微型壓力傳感器分布示意圖

滾珠絲桿組件耐久效率試驗機分為工況模擬和數據測量兩個部分：

（1）工況模擬部分：包括機械主體、電動機驅動裝置、加熱冷卻裝置及溫控儀、液壓系統等；

（2）試驗測量部分：由力/扭矩傳感器、信號放大器、計算機數據采集和處理系統組成。

試驗機測量和控制原理如圖5所示。

圖5 測試和控制原理框圖

由于該滾珠絲桿組件耐久測試過程卡鉗運動較為復雜，零件處于卡鉗內部無法直接觀察滾珠絲桿在測試過程中的狀態，為保證測試數據的準確性，以及對測試零件進行失效保護，該試驗機通過數據采集控制系統實現了對所有監控參數的實時采集及顯示，并設置了多種停機保護與報警信息提示，試驗機能夠自動識別測試狀態，并顯示可能出現的具體原因。便于操作人員第一時間發現并解決問題，同時可第一時間對失效零件進行保護，便于后期技術人員對零件真正失效的原因做出正確判斷。

3 試驗結果及分析

滾珠絲桿組件的效率測試按照客戶測試標準，每個循環的最大輸入扭矩值為20 N·m，取最大扭矩對應的效率作為滾珠絲桿組件的傳動效率。首先對客戶提供的滾珠絲桿標準件進行試驗機的驗證測試，其中液壓與驅動扭矩及輸出載荷的關系如圖6所示。

3.1 試驗機測試結果可靠性驗證

整個耐久測試在不同階段的油壓、溫度不同，絲母相對絲桿的位置也會變化。表1是在各油壓下測試同一標準件，本試驗機與國外技術成熟的試驗機測試數據的對比結果，兩者基本一致，最大誤差約為3%，在客戶認可的誤差范圍內，可以用于產品驗證中的測試。

表1 不同油壓下兩種試驗機輸出載荷對比

圖6 油壓、載荷和扭矩曲線

3.2 滾珠絲桿不同測試階段的效率變化

（1）滾珠絲桿組件初始效率

在常溫、零油壓條件下，采用該試驗機測試50套滾珠絲桿組件在卡鉗內的效率，取前20個循環的效率均值作為滾珠絲桿組件的初始效率，測試結果如圖7所示。測試結果表明，滾珠絲桿組件的初始效率值為73%～77%，所有測試零件的初始效率均大于客戶要求的70%。

圖7 滾珠絲桿組件初始效率

（2）耐久試驗前后滾珠絲桿組件的效率。

選取初始效率不同的6套滾珠絲桿組件，采用該耐久效率試驗機按照測試規范進行耐久測試，測試后在常溫下再次測量零件的效率，耐久前后滾珠絲桿組件的效率如圖8所示。

從試驗結果看出，試驗后滾珠絲桿組件的效率均有增加，增加范圍在3%～6%。如圖9所示，通過對比滾珠絲桿組件測試前后溝道的粗糙度可知，測試后絲桿溝道的粗糙度小于測試前，說明滾珠絲桿經過長時間往復旋轉，溝道粗糙度有所改善，從而使鋼球與溝道的摩擦減小、傳動效率提高。

圖8 滾珠絲桿組件耐久前后效率值

圖9 耐久前后絲桿溝道粗糙度值對比

4 結束語

對電子駐車用滾珠絲桿組件的耐久效率試驗機進行了開發與應用，設計了能夠模擬滾珠絲桿組件實際工況、同時可檢測傳動效率的試驗機。通過與國外同類試驗機測試結果的對比，證明了該試驗機測試結果的準確性與可靠性。

利用該試驗機對新開發的滾珠絲桿組件進行了多輪耐久效率測試，結果表明所開發的滾珠絲桿組件的效率及耐久性能夠滿足客戶要求。

[1]屈岳陵. 高效的HIWIN SUPER-高速滾珠絲桿[J]. 制造技術與機床，2006（6）：28-29.

[2]馮虎田，等. 滾珠絲杠副綜合性能測量方法與技術[M]. 北京：機械工業出版社，2011.

[3]馮虎田，等. 滾珠絲杠副動力學與設計基礎[M]. 北京：機械工業出版社，2014.

The Research and Application for Ball Screw Endurance and Efficiency Test of Electrical Parking Brake

ZHAO Kun，LI Ying

( Technology Center, Cixing Group Co., Ltd., Ningbo 315301, China )

A new type ball screw efficiency and durability equipment is designed and developed ,the operating conditions of load, rotating speed, hydraulic pressure and temperature of ball screw are simulated, the performance of ball screw is tested, the accurate experimental data are provided for performance analysis of ball screws. the test result of this durability equipments basic unanimously with the result of foreign EPB endurance testing machine. The efficiency and endurance of new development ball screw assembly is tested on this test bench. precision and efficiency of ball screw after durability test were greater than the customer's requirements, verified efficiency and durability of these new parts can meet the requirements of actual work.

ball screw；electrical parking brake；durability test bench；efficiency and durability

TH133.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.018

1006－0316 (2018) 02－0071－05

2017－06－14

趙坤（1979－），男，四川閬中人，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為軸承設計與制造工藝。