气压防抱死制动系统调节器动态特性试验研究

蒋 强 罗 宏 林 桦 孟伟勋

(重庆理工大学汽车学院1，重庆 400054;重庆聚能汽车技术有限公司2，重庆 400043)

0 引言

汽车防抱死制动系统(anti-lock braking system，ABS)在车辆制动系统中已得到广泛应用，它提高了车辆制动时的方向稳定性，也保证了汽车的安全制动[1]。气压ABS作为ABS的子类，其工作可靠性主要取决于制动压力调控的准确性及迅速程度，这对制动系统的关键部件——调节器提出了极高的要求。调节器的性能直接影响气压ABS产品的质量和可靠性。

国外在气压ABS模型设计参数等一系列核心技术方面执行严格的保密制度。而在我国，虽然气压ABS产品已有一定市场，但由于大部分厂家仍处在简单的仿造阶段，其设计水平、制造工艺和检测技术水平的落后，导致产品的可靠性低、故障率高，从而无法进入高端产品市场。究其原因，主要是没有成熟的产品检测与试验方法及设备，不能为气压ABS产品设计制造提供理论基础及试验数据分析方面的支持。本文从气压ABS产品的评价方法入手，建立并对调节器制动气室充放气的微分方程进行了仿真，提出一种新的试验方法，并运用开发的系统检测软件进行试验分析，弥补了路试对调节器检测的不足，为后期ABS控制器单元(electronic control unit，ECU)匹配设计奠定基础[2]。

1 气压ABS性能评价指标

气压ABS动态试验尚没有统一的标准，当前国内外主流评价标准分为基于附着系数利用率和基于抽动距离这两种[2]。气压ABS调节器的工作原理是通过ECU控制膜片式电磁阀的开关动作及时间，控制制动气室的进气与排气，实现其压力的增加、减小和保持。气压ABS动作状态如表1所示。

表1 气压ABS动作状态Tab.1 The action states of pneumatic ABS

对于气压ABS制造商而言，如何评价气压ABS的性能成为保证产品质量的重要措施之一，且气压ABS性能评价指标是保证所提供的产品对整车防抱死制动系统可靠性的一项重要技术指标，也是指导开发调节器动态性能检测系统的重要参考依据[3－5]。

气压ABS性能评价可从ABS调节器的静态特性与动态特性试验出发，对比各项性能参数。通过ABS调节器静态特性的测试，判断ABS调节器的最大压力、升压速率、降压速率、绝缘特性、调节器线圈工作电阻值等参数以及调节器的密封性，从而确认气压ABS的基本性能是否满足相应的设计技术指标。

动态特性能真实反映调节器工作过程中的性能特性，通过测试，可为气压ABS系统的控制器设计奠定基础。气压ABS的压力动态特性主要受膜片式电磁阀和制动气室等主要部件的动态特性的影响[5]。由于充放气的过程极短，假设充放气过程绝热及调节器等效为收缩喷管，根据理想气体状态方程和气体瞬时流量方程，制动气室的压力与流量方程为[6－7]：

式中：p为压力，Pa;Qm为体积流量，m3/s;R0=287.1 J/kg·k，为普适气体常数;T0=313 K，为制动气室内的绝对温度;V为制动气室容积(10－3m3);A为制动气室入口面积(增压)或出口面积(减压);k=1.4，为绝热系数;δ为入口上流压力p1与制动气室压力p2之比(增压)或制动气室压力p2与出口压力p3之比(减压)。由于入口或出口截面需保持临界状态，根据流体动力学原理[6]，将气体的瞬时流量以临界压力比作为分界点，计算气体瞬时流量，所以式(2)可写成：

由理想气体状态方程可得：

对式(4)求导，并结合式(1)和式(3)，可得制动气室充放气动态特性微分方程为：

2 试验方法

以气压ABS性能评价指标作为指导，确定其基本性能指标、静态及动态指标的试验方法。合理的测量方法不仅能保证获取可靠的气压ABS性能试验参数，也可为后期产品ECU开发提供可靠的技术支持。由于试验系统的复杂性，测量方法的研究主要涉及试验系统的测量原理、电气参数特性、数据采集和数据处理等问题。

气压ABS调节器相当于一个复杂的非线性系统，它主要包括电磁系统、机械系统和气压系统等。当调节器工作时，各系统参数不断发生变化，输入的能量以不同形式变化传递。因此，确定合理可靠的参数检测方法有助于判断产品是否合格，性能指标是否满足要求[7]。

基本性能指标的测试方法是在调节器的入口与出口设置测试点，检测静态增压与静态减压条件下压力的大小;调节器的绝缘电阻、控制线圈电阻和最大电流等参数的测试则采用专用测试仪器——绝缘电阻测试仪及精密万用表。密闭性的检测方法有干式和湿式两种检测方法。由于湿式检测方法受人为因素影响，所以本文采用检测方便、效率高的干式检测法来实现调节器的气密性检测。气密性分为增压密闭性、保压密闭性和减压密闭性。在额定压力下，保压5 s，按调节器的三种工作状态分别测试10 s，当压力变化＜50 Pa/s时，表示调节器气密性合格。

调节器内的气体流动具有非定特性，动态测试能够准确及时地确定制动气室内压力的瞬时值及其随时间而变化的量值。为获得制动气室压力变化的准确性，以便为ECU设计提供依据，试验中采用频谱分析和波形分析进行动态数据处理，两者之间可通过傅里叶变换相互转换。根据《机动车和挂车防抱制动性能和试验方法》和《机动车运行安全技术条件》等技术标准[8]，动态特性试验分为增压动态特性试验、减压动态特性试验和PWM循环动态特性试验[9－12]。

3 试验结果与分析

试验对象为聚能气压ABS调节器，型号为JN144FB，调节器工作时的额定压力为0.7 MPa，额定电压为24 VDC，并采用相应的测试软件和测试仪器(如万用表、绝缘电阻测量仪、压力调节器专用检测试验台)完成气压ABS调节器的静动态试验。

3.1 静态特性试验

通过对气压ABS调节器静态参数的测试，获得调节器承受的最大压力为1.3 MPa，电磁线圈电阻平均值为14.8 Ω。当调节绝缘电阻仪的测试电压值大于500 V时，线圈电流小于5 mA;排气降压后，排气口的压力p≤0.01 MPa。制动气室增减压的静态特性曲线如图1所示。

图1 静态特性曲线Fig.1 Curves of static characteristics

气压ABS调节器的密封性用干式法检测。结果表明，在常温下，调节器气压达标后，当未进行制动时，压降≤10 kPa;当制动板被踏到底且稳定以后，压降≤20 kPa。

3.2 动态特性试验

本文将气压ABS调节器的动态特性试验分为增压特性试验、减压特性试验和动态循环试验三类。气压ABS系统动态响应特性直接影响制动系统的控制品质，而调节器的动态特性试验是一种真实反映实际工作状态的试验方法。

气压ABS调节器增减压的动态特性曲线如图2所示。

图2 动态特性曲线Fig.2 Curves of dynamic characteristics

动态循环试验的参数设置如下：卸压次数为8次，卸压时间为40 ms，卸压保持时间为80 ms，长卸压时间为400 ms;加压次数为13次，加压时间为40 ms，加压保持时间为80 ms;循环周期为120 ms。动态循环试验曲线如图3所示。

图3 动态循环试验曲线Fig.3 The dynamic circulated experiment curve

试验结果表明，动态循环增减压过程与动态特性仿真过程趋势基本一致。根据气压ABS调节器的工作原理及特性要求，测试以下参数来判断产品是否合格。由试验仿真可知，最大压力为0.91 MPa，最小压力为0.02 MPa;第 4 次加压压差为 0.05 MPa，加压延时为13 ms，第4次卸压压差为0.08 MPa，卸压延时为24 ms，第8次卸压压力为0.26 MPa，第13次加压压力为0.69 MPa均分布在规定区间，产品合格。

4 结束语

本文根据气压ABS调节器(JN144FB型号)的性能评价方法及工作原理，建立了调节器制动气室充放气动态特性微分方程。以性能评价参数为指导，分别提出了性能指标参数和动态特性参数的试验测试方法，并进行仿真与试验分析。试验结果表明，所获得的数据能作为准确评价气压ABS调节器的性能的依据，为ECU设计提供参考，并验证了此试验方法的可行性，该方法在ABS性能试验中有一定的推广价值。

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