駐車制動自動裝調系統研究

盧 磊 ，桂兵昌，覃光許，庫亞斌，魏樂文，王 萌

(1.武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司 技術中心，廣西 柳州 545007；3.上汽通用汽車有限公司 武漢分公司，湖北 武漢 430200)

駐車制動系統是在汽車停駐時，用于穩定車輛，防止汽車滑行的制動裝置[1]。乘用車及各類小型車輛其駐車制動系統中的制動器大多采用與后輪行車制動器共用的結構，因此駐車制動系統的裝調質量還會直接影響汽車行車制動系統的使用性能，主要是制動效能和制動阻滯力[2]。為此在汽車總裝線進行制動系統裝配的過程中需對駐車制動系統進行精確調整，確保其良好的駐車制動效果和盡可能小的車輪阻滯力[3-4]。

駐車制動系統的裝調有人工和自動兩種不同的裝配工藝[5]。現階段，國內仍有相當數量的車企采用人工裝調工藝，雖然有明確的調整指標和監測標準，但是人工裝調受到很多因素如工人的熟練程度及精神狀態等的影響，裝調質量的一致性較差。由于駐車制動系統自動裝調工藝所用到的設備主要依賴進口，價格較高，因此僅在汽車合資公司得到了較廣泛的應用。為了適應自主品牌汽車產品質量提升的要求，開發了基于LabVIEW與PLC聯合控制的駐車制動自動裝調系統[6-8]。

1 駐車制動裝調要求與工藝

汽車制造企業根據《GB7258-2012機動車運行安全技術條件》中對于駐車制動系統的要求，針對具體車型進行測試，并根據測試結果制定人工裝調工藝要求。車企對于目標車型的人工裝調工藝要求為：拉起駐車制動手柄至第二棘輪齒位置，對調整螺母進行預擰緊；用200 N以上的力拉起駐車制動手柄再放下，重復2～3次；將駐車制動手柄再次拉到第二棘輪齒位置，用定扭矩扳手(扭矩值設定為15 N·m)進行終擰緊；將駐車制動手柄拉起到指定位置，用專用的檢測工具檢測扭矩值是否合格。

2 駐車制動自動裝調系統的設計

2.1 駐車制動自動裝調系統的結構原理

要實現裝調流程的自動化，就需要控制駐車制動手柄和駐車制動調整螺母按照要求運動[9-10]。工業上多采用控制器配合電機來實現相應的功能。

系統的控制思路分為兩部分，第一部分控制裝調的流程；第二部分控制系統的急停和復位操作，二者并行運轉。系統運行時，上位機不斷監控PLC內各個軟元件的狀態，以此來判斷系統的運行狀況。當完成上一步操作之后，方可進行下一步操作，直到裝調流程結束。急停及復位部分的優先級高于系統流程控制部分。一旦系統檢測到急停狀態變化，流程控制循環即刻被終止，系統運行急停復位控制循環。自動裝調系統控制流程如圖1所示，控制系統的急停和復位操作流程如圖2所示。

圖1 自動裝調系統控制流程圖

圖2 控制系統的急停和復位操作流程圖

系統的控制思路確定后，需要對應的硬件設備配合來實現系統功能。系統的硬件根據功能可以分為5個部分，硬件名稱及功能如表1所示。系統的整體架構如圖3所示。

系統安裝就緒后，LabVIEW對PLC發送指令，PLC收到指令后開始工作。按下系統的“啟動”開關，PLC通過將扭矩傳感器反饋的信號與設定值不斷進行比較，以此完成兩個伺服電機的運動控制，將最終的調整結果控制在目標力矩附近較小的范圍內，裝調結果存儲至本地數據庫，同時上傳至生產網絡，便于后期的查驗。

裝調過程的具體步驟如下：

(1)將裝置安裝到位，用掃碼槍掃描車輛的vin碼并錄入系統，按下啟動開關；

(2)駐車制動手柄驅動機構的電機運轉，在輔助裝置的幫助下使制動手柄抬高到第二棘輪齒位置；

表1 系統硬件組成

圖3 駐車制動裝調系統架構圖

(3)調整螺母擰緊機構的電機運轉，在輔助裝置幫助下對調整螺母進行預擰緊；

(4)駐車制動手柄操縱機構的電機運轉，在輔助裝置的幫助下使駐車制動手柄上抬到力矩值達到60 N·m以上再放回原點，重復2～3次；

(5)使駐車制動手柄重新回到第二棘輪齒位置，對調整螺母進行終擰緊操作；

(6)駐車制動手柄下放至原點，再上抬至指定位置進行力矩檢測，檢測結果被存儲并上傳至生產網絡；

(7)駐車制動手柄放回原點，系統停止運作，駐車制動裝調過程完成。

2.2 系統傳動方案設計

系統運動機構分為兩部分，均采用伺服電機與減速機配合來實現相應功能。調整螺母擰緊所需力矩為6 N·m，電機額定扭矩為0.64 N·m，選用的減速機為直線型行星齒輪式，減速機減速比為10:1，能滿足裝調需求。制動手柄驅動所需力矩為60 N·m，預留25%的儲備功率，電機與減速機配合后的輸出扭矩需達到75 N·m 以上，系統采用的電機額定扭矩為1.3 N·m，減速機減速比為60:1，可以達到相應輸出扭矩。但由于輸出的力矩較大，設備所承受的反向力矩M0(其作用效果是使設備發生翻轉，故下文稱為翻轉力矩)也較大，系統采用直角減速機進行傳動來維持設備穩定。

行星齒輪傳動時內部結構的受力情況如圖4所示。

圖4 系統傳動方案受力分析

圖4中r1,r2分別為第1,2級周轉輪系太陽輪半徑；r3為周轉輪系齒圈半徑；rH為周轉輪系行星架半徑；r4,r5分別為錐齒輪主從動齒輪半徑；M0為翻轉力矩；M0’為翻轉力矩經過錐齒輪傳遞后的力矩；M1為第1級周轉輪系太陽輪所受力矩；M3為第1級周轉輪系齒圈所受力矩；F0為行星架對行星輪的作用力；F1,F2分別為太陽輪與齒圈對行星輪的切向力；F1′,F2′分別為行星輪對太陽輪與齒圈的切向力。

錐齒輪傳動比為：

nb=r5/r4=2:1

翻轉力矩經過錐齒輪傳遞后作用于行星架上的力矩為：

M′0=M0/2

行星架對行星輪中心的作用力為：

F0=M0′/rH

根據行星輪受力分析，可得

F1+F2=F0，且F1=F2=M0′/(2rH)

由相互作用力的關系有：

F1′=F1，F2′=F2

太陽輪與齒圈上的力矩分別為：

M1=F1′·r1，M3=F3′·r3

太陽輪與齒圈上力矩之和為：

M總=M1+M3=M0′(r1+r3)/(2rH)

由

rH=(r1+r3)/2

故

M總=M0′

故力矩經周轉輪系傳動后，施加在太陽輪和齒圈上的力矩之和保持不變。

M1=r1r1+r3M總

M3=r3r1+r3M總

同理可得，第2級周轉輪系太陽輪所受力矩M2,第2級周轉軸系齒圈所受力矩M′3分別為:

M2=r2r2+r3M1=r1·r2(r1+r3)(r2+r3)M0′

M3′=r3r2+r3M1=r1·r3(r1+r3)(r2+r3)M0′

作用在電機輸出軸上的力矩為：

M軸=r1·r2(r1+r3)(r2+r3)M0′=KM0′

其中

K=r1·r2(r1+r3)(r2+r3)

作用在減速機殼體上的力矩為：

M殼=M3+M3′=M0′-M軸=(1-K)M0′

系數K較小，說明大部分扭矩作用于減速機殼體部分，少部分傳遞到電機的輸出軸上。

制動手柄對設備產生的力矩為M0，經過錐齒輪傳遞后，只有一半作用于周轉輪系部分，周轉輪系將扭矩的大部分傳遞給減速機殼體。剩余的少部分力矩傳遞給伺服電機的輸出軸，通過伺服電機內部轉子與定子之間力的作用，這部分力矩被傳遞到電機殼體部分。電機殼體與減速機殼體采用螺栓連接，故力矩M0′全部作用于設備的殼體部分。因而設備受到的翻轉力矩大小和方向與圖4中M0′一致。

相比于使用直線傳動方案，直角傳動方案可使設備承受的翻轉力矩減小1/2，并將力矩方向改變90°，使設備可以依靠自重及與制動手柄支座之間力的作用抵消翻轉力矩，維持系統穩定。

2.3 駐車制動自動裝調系統的軟件設計

系統的控制部分主要分為LabVIEW與PLC兩大部分，LabVIEW是搭載在工控機上的，作為系統的指令發送端和結果顯示、存儲端；PLC作為一個獨立控制單元，由嵌入其內部存儲中的程序來實現控制功能。

2.3.1 LabVIEW控制部分

將LabVIEW作為系統的核心控制部分，通過上位機與PLC的通信，能很好地實現對PLC的控制；在整個裝調流程結束后，對數據進行分析處理，并分別存儲至本地數據庫和企業生產網絡，方便后期查驗；此外，能方便快捷地進行系統的參數修改以及裝調記錄查詢。

系統運行時，PLC獨立執行其內部嵌入程序，因此可能出現在整個設備尚未準備就緒的情況下，工人誤操作導致設備異常運轉，造成設備損壞甚至引發安全事故。因此，在LabVIEW程序中加入以下程序，即在車輛的vin碼已錄入完畢而且設備已經安裝就緒(手柄抓持器處感應開關電位發生變化)的情況下，向PLC發出一個設備已經準備就緒的指令(讓內部的一個輔助繼電器由0置1)，這樣就確保了系統能安全可靠地運轉。

LabVIEW與PLC之間的正常通信是通過LabVIEW中VISA配置串口函數來實現的，在程序中對通信時的VISA資源名稱、波特率、數據位、奇偶校驗位等進行規定，制定通信協議。

進行參數設置時，基于LabVIEW與PLC之間的通信協議，LabVIEW程序可以直接對PLC中各個軟元件的狀態進行讀取，快速地實現相應參數值的修改。程序分為3個部分，即參數名稱的選定，參數的寫入和參數的讀取。程序采用在While循環里面嵌套一個事件結構的方式來實現，事件結構的3個分支分別為參數名稱值改變，寫入值改變及讀取值改變。在參數名稱值改變的分支下將選定參數對應的軟元件編號賦給PLC地址這一中間變量；在寫入和讀取值改變的分支下分別通過LabVIEW與PLC之間的通信協議對所選定的參數進行寫入和讀取操作。

出于生產安全的考慮，在參數設置之前需要添加密碼驗證模塊，只能由特定人員進行參數的設置。密碼驗證程序的設計思路為：將需要設置的密碼寫入一個文本文件中，將文本文件隱藏起來，讀取文本文件中的內容，并與輸入的密碼相比對，密碼正確的情況下才能對參數設置的子VI進行調用，否則提示密碼錯誤。

2.3.2 PLC控制部分

PLC可以直接將編好的控制程序寫入其內部的存儲器，從而執行邏輯運算、順序控制、定時和計數等功能。根據輸入輸出的點數及存儲器容量，系統的PLC選型為三菱FX-2N型PLC。

在接收到由上位機傳來的指令后，PLC開始運行其內部嵌入的程序。在主程序運行的過程中，當系統運行到某一狀態時，便相應地調用對應功能的子程序完成相應的操作，然后再返回主程序繼續運行。按照功能可以將程序分為7個模塊，如表2所示。

表2 PLC程序功能模塊組成

PLC的工作模式為掃描式工作，即不斷地對程序進行掃描，檢測PLC中各個軟元件的狀態，通過邏輯狀態來控制程序各分支的執行與否。

主程序中用到了M8000和M8002兩個特殊繼電器，M8000為運行監控常開觸點，在PLC運行時一直處于ON；M8002為初始化脈沖常開觸點，在PLC運行時處于ON一個掃描周期。M8000用于P1和P6，在每個掃描周期都進行調用，在子程序中添加一個軟元件來控制其是否運行。M8002用于P0的調用，在每次PLC啟動時對指示燈及其他軟元件的狀態進行復位。

系統的急停狀態主要有3種：急停開關被手動按下，副電機旋轉超時和主電機過載。程序主要針對前兩種急停的情況，第三種情況可以通過對電機的伺服驅動器參數進行設置來實現。將急停開關對應的軟元件放在主程序的主干部分，確保急停狀態的優先級為最高。利用PLC內部的計時器對副電機的工作時間進行監控，在發生超時時將系統判定為急停狀態。系統發生急停時，關閉主副電機的使能，熄滅所有指示燈，復位PLC內部的軟元件狀態。

急停狀態下，電機使能關閉，但駐車制動手柄在副電機及減速機的重力作用下不能順利回到原點。復位用于使駐車制動手柄回到原點位置，以方便拆卸設備進行檢查，或重新完成調整過程。復位按鈕按下時，PLC開啟主電機的使能，讓主電機反向旋轉使駐車制動手柄下放至原點處停下，通過傳感器檢測的實時力矩值判斷手柄是否已回到原點。

為了防止某些系統參數在誤操作之后發生改變，特別添加了參數重置模塊。在發生參數混亂的情況下，只需將特定軟元件置1，程序即利用MOV命令給對應的軟元件分別賦值，完成參數重置功能。

3 駐車制動自動裝調系統的試驗驗證

根據系統的組成完成系統硬件部分的連接，完成系統控制模塊程序的編寫，進行系統相關參數的設置后，完成了試驗臺架的搭建，試驗臺架模擬汽車的駐車制動系統，在駐車制動拉鎖的尾部連接一根彈性模量較大的彈簧，模擬汽車駐車制動系統的彈性機構。

重復臺架試驗100次，臺架試驗測試結果如圖5所示。

圖5 臺架試驗測試結果

接著進行實車試驗，分別在100輛實車上進行人工裝調和自動裝調，測試結果如圖6所示。

圖6 實車試驗測試結果

從圖5和圖6中可看出，臺架試驗自動裝調的結果在15±2 N·m的范圍，而實車試驗自動裝調的結果在15±1 N·m的范圍，這是因為臺架試驗的彈性機構與實車駐車制動系統中彈性機構剛度不同，導致檢測力矩的一致性較差。并且看出在實車上進行人工裝調的結果在15±3 N·m的范圍內，自動裝調結果的一致性明顯優于人工裝調結果。

4 結論

(1)對傳統的駐車制動人工裝調工藝進行分析，找出其中不足之處，分析對汽車性能的影響，提出自動裝調系統的設想。

(2)對照駐車制動系統人工裝調流程，設計駐車制動自動裝調系統的整體架構，提出LabVIEW與PLC聯合控制的思路。

(3)完成系統硬件的選型，根據軟件部分的控制思路完成程序的編寫。

(4)為了測試駐車制動自動裝調系統的性能，搭建了駐車制動系統試驗臺架，進行了臺架試驗并對結果進行分析。

(5)進行了實車試驗，與人工裝調的結果進行對比，可靠性和穩定性更高，用時更短，能滿足工業生產需要。