離合總泵綜合性能測試系統研制

胡曉峰　陸藝　羅哉　范偉軍　陳俊杰

摘要：針對離合總泵性能測試項目單一，難以復測動態響應特性，引入高精度數據采集、伺服精密控制、氣動比例抓取等技術，研制一套雙工位綜合性能測試系統。工位一用于密封測試，工位二用于動態行程及真空性測試，設計基于伺服線性滑臺和抓取氣缸的拾取機構，實現產品工位間的移動。基于功能模塊化設計理念，系統以工控計算機為載體，數據采集與處理模塊實現傳感器信號的輸入與調理，設計精密伺服加載機構復現實車環境下離合作業狀態，基于LabVIEW開發測試軟件。完成系統的標定與試驗，引入測量系統分析開展重復性分析。結果表明：功能項測量能力指數Cg均≥1.67，量具R&R貢獻率<30%，測試時間小于2min/件，滿足系統在線測試需求。

關鍵詞：離合總泵;密封測試;動態特性測試;測量系統分析

中圖分類號：TP23

文獻標志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）03–0101–07

Development of performance test system for clutch master cylinder

HU Xiaofeng1， LU Yi1， LUO Zai1， FAN Weijun2， CHEN Junjie1

（1. China Jiliang University， Hangzhou 310018，China;

2. Hangzhou Wolei Science &Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310019，China）

Abstract： At current the test items of clutch master cylinder is simple and can't be repeat the dynamic response characteristic. Therefore， it is introduced the high precision data acquisition， servo precision control technology， pneumatic grasp control technology. Based on the above techniques， it is developed a set of double station comprehensive detection system. which realizes the sealing test on test station one and meanwhile dynamic travel and vacuum test on test station two. Designed the picking mechanism based on servo linear slide table and grabbing cylinder， the product can be achieved with moving between the test stations. Based on design concept of function modularization， the test system takes industrial computer as the carrier and the data acquisition and processing module realizes sensor signal input and conditioning. Meanwhile designed the precision servo loading mechanism can be reappeared the clutch response on the real driving condition and developed the teast soft based on LabVIEW. Completed calibration and test of the system， and then adopted the MSA to analyze the repeatability of system.The test result showed that the measurement capability index （Cg） of test item is larger than 1.67， R&R is less than 30%， test time of one product test is less than 2 min， and system meets the online testing requirements.

Keywords： clutch master cylinder; tightness test; dynamic performance test; MSA

0 引言

離合系統作為車輛操控的核心系統，承擔行車過程發動機與變速箱間的離合作業，離合總泵則提供液壓助力減輕駕駛員踩踏力度，確保車輛離合平順性。因而對離合總泵展開測試和評估是確保離合系統正常作業、行車安全的必要措施之一[1]。

國內對離合總泵性能測試和設計已開展了相關研究，但缺乏集成度高、功能全面、適應生產在線測試的裝置。例如孫銳[2]基于PLC和差壓測試法研制離合器主缸檢測臺，對其低壓密封性展開測試;高智[3]利用電機控制技術模擬實車離合過程，研制離合器性能試驗臺，實現靜扭特性、摩擦特性檢測;張羽[4]基于ARM開發離合器性能檢測系統，實現分離特性和負荷特性的測試;李占旗等[5]針對雙離合器硬件在環測試需求，基于Simulink建立雙離合器自動變速器實時仿真模型，開展離合功能故障仿真實驗;以及對新型干、濕離合系統的設計與仿真等研究現狀[6]。總而言之，針對汽車領域離合總泵測試研究相對甚少，測試項目圍繞密封性開展，缺乏對其動態離合特性、真空特性的綜合測試，系統整體信息化程度低，無法融入企業MES系統，易形成“信息孤島”。而國外對離合系統研究伴隨其汽車工業發展，技術成熟，以WABCO、KNORR等業內領先的離合系統生產企業為例，擁有獨立設計能力和成套生產、檢測設備，且研究集中于新型離合系統開發及整體系統集成測試階段，對單一部件性能檢測較少，且檢測設備價格昂貴，售后維護成本高，可擴展性差[7-9]。

針對離合總泵測試存在的不足，研制綜合性能測試系統，實現其密封特性、真空特性及動態行程特性的測試以及信息數據溯源管理。本系統在提高離合總泵制造企業檢測能力、提升產品質量的同時，有助于強化“工業4.0”背景下企業產品制造技術水平，提升信息化管理能力，促進企業智能制造新范式的深度融合。

1 離合總泵工作原理

離合系統，作為車輛傳動中承擔發動機動力傳承的控制機構，確保車輛起步平穩及換擋平順，防止傳動系統過載。圖1為離合系統結構原理圖。離合總泵1作為離合系統的執行單元，響應來自離合踏板2的離合強度，控制并輸出液壓助力至離合器3，實現發動機與變速箱之間的分離和接合，以切斷或傳遞動力的輸出。

圖2為離合總泵內部結構圖。離合作業時，離合踏板作為輸入端連接推桿6，液壓油由進液口4在活塞8的作用下建壓并經出液口10輸出。

2 測試方案與評定方法

2.1 系統測試方案設計

根據QC/T1011-2015《離合器液壓氣助力系統總泵技術要求和臺架試驗方法》標準與企業測試指導需求，制定離合總泵性能測試方法，確定測試系統軟硬件技術方案與設計實現。

性能測試項目：密封性，包括總成氣壓密封性（p1）、動態離合密封性（p2）;真空特性，即單位測試時間內總成真空壓降（p3）;動態行程-力特性，即初始行程至特征位C1處（活塞位置36～36.5mm）活塞力（F1）、由特征位C1處回退至特征行程位C2處（活塞位置2.0～2.2mm）活塞力（F2）、由特征位C2處移動至特征行程位C3處（活塞位置31.0～31.5mm）活塞力（F3）、繼續推動活塞前移再退回C3處活塞力（F4），計算動態行程活塞力差值（△F=|F3-F4|）。

表1為離合總泵性能測試參數。

性能測試方法：總成氣壓密封性，即非工作狀態密封性，采用差壓測試方法，由進液口輸入額定工作氣壓，待穩壓若干時間后，實時采集離合總泵與標準腔的壓降值p1，差壓測量范圍為–1～5kPa[10];動態離合密封性，即工作狀態密封性，采用直壓測試方法，由進液口輸入額定工作氣壓，推動活塞至離合總泵腔室內部壓力達到額定壓力，待穩壓若干時間后，實時采集壓降值p2，壓力測量范圍為0～1MPa;總成真空特性，封堵離合總泵進液口，推動活塞由初始靜止狀態位置行進至補償口位置且封堵補償口，通過真空泵對腔室內抽真空小于300Pa，穩定若干時間后記錄初始真空值p初，經平衡階段后記錄真空值p末，獲取真空壓降值p3=|p初-p末|，壓降合格范圍0～200Pa;動態行程特性，即特征位活塞力測量，輸入額定工作液壓，推動活塞以5mm/s加載速率行進至特征位置（C1、C2、前進至C3、回退至C3），采集特征位置處活塞反饋力（F1、F2、F3、F4），活塞力測量范圍為0～200N，制動位移測量范圍為0～100mm。

根據離合總泵工作原理和性能測試需求分析，滿足企業生產在線節拍（2min/件）及工作穩定性要求，采用雙工位布局方式研制了離合總泵綜合性能測試系統，可同時開展密封特性檢測和動態行程檢測。整體系統由功能硬件模塊、測試軟件、機械平臺、氣壓回路、上位機控制系統等模塊構成。

2.2 系統硬件模塊設計

系統硬件基于模塊化設計思路，以工控計算機為載體，按功能定義劃分為數據采集與信號處理、運動控制與反饋、數字信號輸入與輸出電路、物理信息通信、裝夾氣路與輔助回路及系統機械臺架等單元模塊[11]。圖3為系統硬件功能模塊結構圖。

數據采集與信號處理模塊：以PCI-1716高精度數據采集卡為核心，以中斷方式采集模式獲取位移、壓力、力、差壓、真空傳感器信號及控制按鈕、合格指示燈、安全光柵、運行狀態故障等數字量信號的輸入與輸出。針對測試項目、測試量程、精度指標等要求，選擇各路傳感器。采用差分式模擬量輸入接線方式，有效減少耦合到信號中的噪聲。

數字信號輸入與輸出電路：傳感器輸出信號幅值較小，響應速率快，而車間電信號環境復雜，為提升采樣信號信噪比，設計了基于RC網絡和集成運放的有源濾波電路，采用隔離變壓器將數據采集與運動控制高頻信號源隔離，減少采樣信號中的高頻雜波信號，提高微弱感應信號的信噪比[12]。

運動控制與反饋模塊：針對離合作業動態行程響應測試需求，設計基于伺服運動控制的精密加載機構。以運動控制卡和伺服加載系統為控制核心，輔以滾珠絲桿、精密伺服減速器、聯軸器、推桿等構成，實現線性可控加載，復現實車工作狀態下離合踏板作業，加載過程中實時采集力、位移等傳感器。圖4為精密伺服加載機構設計圖。

機械平臺：基于雙工位獨立設計，平臺由測試工位、伺服加載機構、裝夾工裝及操作系統構成。平臺如圖5所示，左側為裝夾和測試工位，工位一用于密封測試，工位二用于動態行程及真空性測試，通過伺服抓取機構實現產品工位間的移動，右側為計算機及操作工位，平臺下方為測試氣路。

圖6為測試系統氣路圖。氣路設計分為密封測試回路、行程特征及真空測試回路、輔助裝夾回路3路獨立氣路，設置單向閥降低工作壓降擾動。

物理信息通信模塊：設計基于ARM的通信控制終端系統，集成USB、串口、TCP/IP、I/O等數據接口，圖7為終端架構體系。

通過物理信息通信模塊，實現對測試任務傳輸、下達及信息采集、存儲，確保數據真實性，消除非標測試設備“信息孤島”，更好融入MES系統。

2.3 測試軟件功能設計

以LabVIEW為開發平臺，基于柔性化設計思路，將程序分為測試流模塊和功能測試模塊。根據功能定義，將數據采集處理、行程動態加載、產品拾取安放、數據溯源、參數管理等分裝成獨立VI，通過方法節點和狀態機根據測試流程動態載入功能模塊，實現性能測試[13]。圖8為軟件測試流程圖。

系統初始化自檢，檢測產品到位信號后，拾取機構抓取被測產品，置于工位一，讀取測試參數進行密封測試。密封測試合格，由拾取氣爪抓取并將其置于工位二，讀取測試參數，進入動態行程、真空度項測試。單功能測試完畢，若測試不合格，則將其置于待返工工裝位，報警提示。所有項測試合格，打印產品信息二維碼，上傳測試數據，抓取并將其置于合格產品傳輸帶，輸出測試報告。

3 測試結果及數據分析

3.1 系統標定

為確保測試數據準確性，對系統傳感器進行標定。已知傳感器輸入輸出特性，采用高等級量具對傳感器進行標定，獲取其靜態曲線，采用最小二乘法計算得到更精確的數學模型，模型表達式為：

y=c+kx

式中：x——輸入量;

y——輸出量;

c——零位輸出;

k——傳感器靈敏度。

以位移傳感器標定為例，選用平頭千分尺作為評定工具，根據制動行程設置標定范圍為0～40mm，間隔為2mm，測量精度為0.001mm，得到模型方程為y=19.96x+0.018，將計算得到的靈敏度k、零位值c保存至系統傳感器參數。

3.2 性能測試實驗

性能測試前，各項測試參數如表2、表3所示。

完成測試條件設置，將待測產品放入安放工位，由伺服氣爪拾取依次放入密封檢測工位、行程特性檢測進入測試，測試數據及結果評估如表4。

結果表明：系統功能完善，產品測試數據合格。

3.3 測量系統分析

依據標準JBT10633-2006《專用檢測設備評定方法指南》，采用MSA的測量能力指標和交叉量具R&R研究方法對重復性進行評價[14-15]。選擇25件合格樣品，由同一測試人員在相同測試條件下，對每個產品重復測試2遍，共計50組數據。

測量能力指標計算公式：

式中：Xi——單次測得數據;

n——測量次數;

Sg——標準偏差;

T——合格公差;

Cg——測量能力指數。

表5為系統各功能項重復性測試數據。

表6為系統重復性評定數據。依據評定方法指南：對于新系統驗收，要求各測試項測量能力指數C≥1.67[16]。

結果表明：各項測量能力指標Cg均大于1.67，驗證了測試數據的有效性。

采用MSA中的交叉量具R&R研究方法對系統重復性&再現性展開評價，針對25個部件分別在兩個工位由不同的操作人員獨立測試25遍，利用Minitab軟件對測試數據進行分析。對部件測試數據采用極差控制圖表示測量結果的波動性，樣本極差計算公式為R=Xgmax-Xgmin，其中Xgmax、Xgmin分別為單件部件測量值中的最大值與最小值，UCL、LCL分別為極差控制上限、下限。

量具R&R貢獻率是指測量系統R&R標準差在總觀測過程標準差中所占的百分比，其數學公式為

式中：σMS——系統波動標準差;

σRPD——再現性方差;

σRPT——重復性方差;

σTotal——系統與過程整體標準差;

σp——過程波動標準差;

R&R=6σMS，即對應于99.73%的置信度。

圖9為以C1項為例的統計結果，圖9（a）為極差控制圖，均值為0.396，上限為1.294，下限為0，單位為N，所有樣本點數據均位于極差控制公差限內，表明系統重復性誤差較小;圖9（b）為誤差波動源分量，依據表7測量系統貢獻率判斷標準，圖中量具R&R貢獻率為18.23%<30%，表明測試系統重復性和再現性水平較好。

4 結束語

基于離合總泵結構特征和工作原理，制定性能測試方案，設計精密伺服加載機構，研制了雙工位離合總泵綜合性能測試系統，實現其密封性、動態行程、真空度等性能測試。經重復性評定，系統各項性能評價指標均符合《專用檢測設備評定方法指南》中對新設備的驗收要求，現投入重慶卡福離合總泵類產品的出廠質量檢測。

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（編輯：劉楊）