BMBS真空助力器测试系统研究

0 引 言

BMBS（blow-out monitering and break system）是专门针对车辆在高速行驶中紧急制动的技术方案。BMBS真空助力器是一种新型的主动式真空助力器，可以在紧急制动时触发BMBS工作状态，在≤0.3 s的时间内自动控制输出力达到最大，从而实现快速制动。主动式真空助力器是指具有制动辅助系统的真空助力器，由BOSCH公司于2005年末展示提出。主动式真空助力器根据结构形式可以分为机械式（MBA）和电子式（EBA）两种类型，BMBS真空助力器就是一种典型的电子制动辅助型真空助力器。

国外研究紧急制动辅助装置较为热门，如韩国汉阳大学开发了电子真空助力器[1]；德国博世公司的机械式紧急制动辅助装置[2]。国内对于主动式真空助力器的研究也很多，如芜湖伯特利汽车安全系统有限公司发明的一种具有紧急制动功能的机械式真空助力器[3]，清华大学研究的汽车集成式电子真空助力器[4]。但是国内外针对近年出现的BMBS真空助力器以及其检测设备的研究较少，并且缺乏BMBS真空助力器的技术标准。目前，我国真空助力器执行的标准为1999年制定的真空助力器的汽车行业新标准QC/T 307-1999《真空助力器技术条件》[5]。针对这些检测空白，参照企标Q/JLY J711-2008《BMBS真空助力器技术条件》，设计了一套双工位BMBS真空助力器在线检测系统。

1 BMBS真空助力器工作原理及测试项目

1.1 BMBS真空助力器

真空助力器是汽车制动系统的重要部件，它利用发动机空气进气歧管形成的真空与外部大气压力的压差，借助于膜片式动力活塞将制动踏力放大，推动制动总泵工作[5]。BMBS真空助力器是由真空助力器与电磁阀组成，通过控制电磁阀的工作状态选择真空助力器的工作模式，结构图见图1。紧急制动时通过触动内置电磁阀和进气电磁阀工作从而触发BMBS工作模式，否则为非BMBS工作模式。

图1 BMBS真空助力器结构图

当真空助力器为非BMBS工作模式工作时电磁阀不工作，此时BMBS真空助力器与普通真空助力器工作模式相同。真空阀为开启状态，空气阀为关闭状态，前后腔通道导通，开始工作时，后腔被抽成真空，当制动踏板被踩下，推动阀座向前移动，真空阀关闭，前后腔通道被隔断，空气阀开启，空气进入后腔气室形成压力差产生助力。当达到平衡状态时，真空阀和空气阀都处于关闭状态，后腔气室气压仍小于一个大气压。真空助力器充分工作时，真空阀关闭，空气阀完全打开，此时后腔气室的气压为一个大气压，能提供的助力达到最大。真空助力器回复时，真空阀打开，空气阀关闭，制动解除[6]。

1.2 测试项目要求

目前我国并没有关于BMBS真空助力器的技术标准，系统在测试时以行业标准QC/T 307-1999作为非BMBS工作状态的技术标准，BMBS工作状态下则以企标Q/JLY J711-2008为参考标准。

本设备采用双工位布置，工位一用于非BMBS工作状态下真空助力器的性能检测，工位二用于BMBS工作状态下真空助力器的性能检测。对于密封性的测试均采用直压法。BMBS真空助力器的检测项目如下：

（1）非BMBS工作状态时真空助力器的输入输出特性检测

真空助力器的输入输出特性的定义是：在真空助力器工作时，经过一次完整工作过程时，所表现出来的助力器输入力与相对应的输出力之间的关系[7]。

依据QC/T 307-1999，BMBS真空助力器非BMBS工作状态下的特性曲线应满足下列要求：始动力≤110N；释放力≥30N；跳跃值按图纸要求；输入力分别为最大助力点的30%、80%及最大助力点时，输出力应在理论设计特性曲线的±10%范围之内；助力比应在理论设计值的95%以上。其中助力比是指在助力器特性曲线中，跳跃区以上，最大助力点以下的性能区域内，输出力增量与输入力增量之比。

启动测试后，计算机根据测试界面的参数自动控制伺服电机直线加载机构匀速推动助力器输入推杆加载，位移传感器记录并返回加载量值，实现加载机构的精确控制。同时数据采集卡采集输入输出力传感器的力值传递给计算机，计算机根据采集数据实时绘制图像，完成后自动计算响应特性值。

（2）非BMBS工作状态真空助力器密封性检测

包括非工作密封性测试、最大助力点以下密封性测试和最大助力点以上密封性测试。

最大助力点以下密封性是指输入力为最大助力点50%～70%时的密封性；最大助力点以上密封性是指输入力为最大助力点120%～140%时的密封性。要求测试时间为15s，非工作密封性测试真空度值下降不大于3.3 kPa，最大助力点以下密封性测试真空度值下降不大于6.6 kPa，最大助力点以上密封性测试真空度值下降不大于3.3kPa。

测试时计算机自动控制系统控制各个阀门的开闭，此时真空助力器为非工作状态[8]。非工作密封性测试则直接切断真空源，记录15 s后的真空值并与原值作比较得到测试值。当测试最大助力点以下密封性时，首先伺服直线加载机构控制助力器输入力达到最大助力点的50%后停止，切断真空源，记录15s后的真空值并与原值作比较得到测试值。进行最大助力点以上密封性测试时，则控制伺服直线加载机构对真空助力器加载，使助力器输入力达到最大助力点的130%后停止，切断真空源，记录15 s后的真空值并与原值作比较得到测试值。

图2 系统测试原理图

（3）BMBS工作状态真空助力输入输出力特性检测

企标Q/JLY J711-2008要求BMBS工作状态下的反应时间≤0.3s，释放时间应≤0.45s。反应时间是指助力器行程为全行程75%、电磁阀通电至助力器输出力达到最大输出力的98%所需的时间；释放时间是指助力器行程为全行程75%，电磁阀断电至助力器输出力达到最大输出力的2%所需时间。

启动测试后，计算机通过电磁阀快速响应电路驱动电磁阀工作，使真空助力器处于BMBS工作模式，此时大气进入助力器后腔形成压差，真空助力器迅速产生助力。数据采集卡采集输出力传感器传来的输出力值，绘出输出力-时间特性曲线即BMBS时间响应特性。

（4）BMBS工作状态密封性

启动测试时，计算机通过电磁阀快速响应电路驱动电磁阀工作，使真空助力器工作模式为BMBS工作状态，切断真空源后测试真空助力器内真空下降值。企标Q/JLYJ 711-2008要求测试时间15s，真空度值下降不大于3.3kPa。

2 检测系统设计

依据QC/T 307-1999对真空助力器的试验条件、试验方法及测试装置的具体规定，结合BMBS真空助力器的实际测试要求，设计的检测装置测试原理图如图2所示。系统主要由气动回路、伺服加载机构、装夹机构以及真空传感器、位移传感器、力传感器等构成。装夹气缸和下压气缸固定样件，通过气动回路向样件提供真空，真空传感器用来检测样件的真空值。伺服电机带动滚珠丝杠实现对真空助力器的输入加载，在真空助力器与加载机构之间加入位移传感器以及力传感器，检测输入行程以及输入力大小。真空助力器输出部分接入力传感器用以检测输出力大小。

系统由计算机控制来完成电磁阀驱动、样件的快速装夹、真空助力器推杆的加载、数据采集卡采集处理以及数据显示。系统测试结构框如图3所示。伺服加载机构的控制是由计算机通过运动控制卡控制伺服电机实现的，负责完成真空助力器的精密加载。数据采集模块负责采集由各传感器传来的信号，与计算机进行数据交换，以及向电磁阀输出信号控制电磁阀的工作。

2.1 气动回路

气动回路主要由真空回路、气压回路组成。真空回路用于为测试回路提供真空条件，由真空源、真空罐、真空调压阀以及真空电磁阀等构成。气压回路主要用于气压密封性能测试和夹紧气缸的运动控制。装夹机构由装夹推动气缸和下压气缸组成。

图3 系统测试结构框图

图4 电磁阀快速响应电路

2.2 伺服加载机构

BMBS真空助力器加载装置由伺服电机、精密伺服减速器、滚珠丝杠构成。通过计算机对运动控制卡的控制实现控制伺服电机的速度与位移，继而用伺服电机带动滚珠丝杆实现可调速的均匀慢速加载，以及加载过程中力与位移的精确控制[9]。

2.3 数据采集及接口电路

系统采用多功能PCI总线数据采集卡，具有12位A/D转换器，采样速率可达100kHz，16路单端模拟量输入，满足了系统高速实时、高精度采样的要求。并且通过数据采集卡实现了对电磁阀等元件的控制。

BMBS状态要求电磁阀快速响应，通常采用继电器控制电磁阀的开闭，由于继电器响应时间长（一般在10ms左右），会对电磁阀响应速度造成很大误差。为此在控制电磁阀动作电路中加入了一个由TLE6228搭建的快速响应电路，如图4所示。该电路输出开启时间为 3～50μs[10]。

2.4 系统软件设计

系统采用Visual C++6.0为开发环境设计了测试软件，完成检测过程中各控制参数的设置、信号采集分析和数据处理以及测试曲线的绘制。

软件部分采用中断方式进行高速采集，设计了2个线程并行工作，以完成采集任务和用户界面任务，为保证线程的同步性，系统中采用临界区技术，即1次只允许1个线程存取资源和代码区。为消除外界对测试过程的干扰，提高测试精度，采集到测试数据后，使用中位值平均滤波法可有效消除偶然出现的脉冲干扰。软件测试流程图见图5。

3 测试结果及分析

3.1 非BMBS状态下测试结果

启动测试程序对非BMBS工作状态下的真空助力器进行检测，得到输入输出特性曲线如图6所示。

根据测试数据得到响应特性的值，并与技术要求比较见表1。由图6和表1可知，检测设备对于非BMBS状态下的输入输出特性的检测满足技术要求。

图5 软件测试流程图

图6 非BMBS状态真空助力器特性曲线

表1 非BMBS状态真空助力器输入输出测试数据

以QC/T 307-1999为标准进行真空助力器的密封性测试，得到静密封性测量结果为0.20，0.17，0.09kPa，符合规定值不大于3.3 kPa；最大助力点以下密封性测量结果为0.07，0.04，0.09kPa，符合规定值不大于6.6kPa；最大助力点以上密封性测量结果为0.09，0.12，0.14kPa，符合规定值不大于3.3kPa。非BMBS状态下真空助力器密封性检测满足检测要求。

3.2 BMBS状态下测试结果

启动测试后系统自动给电磁阀通电，测试BMBS工作状态下真空助力器的响应特性，得到时间-输出力特性曲线如图7所示。

系统根据测试数据计算自动得到响应时间和释放时间，测得反应时间数据分别为0.30，0.26，0.28s。释放时间为0.41，0.38，0.41s。满足企标Q/JLYJ 711-2008规定要求的反应时间≤0.3s，释放时间≤0.45s。

进行BMBS工作状态下密封性测试后，得到测量值 0.17，0.18，0.20kPa，满足企标 Q/JLYJ 711-2008规定要求的不大于3.3kPa。BMBS状态下真空助力器的检测满足检测要求。

4 结束语

图7 BMBS状态真空助力器特性曲线

本文设计了一套双工位BMBS真空助力器在线检测系统，工位一用于非BMBS工作状态的性能检测，工位二用于BMBS工作状态的性能检测，实现了BMBS真空助力器非BMBS与BMBS状态下的综合检测。系统引入伺服加载机构，实现在线检测中速度和力的精确加载，提高了检测效率。试验表明该检测系统运行稳定，具有快速装卡效率高、运动加载稳定高效、实时性强等优点，检测数据可靠有效，可以直接应用于工厂生产。