公交客车气制动继动阀性能测试系统研究

易北华，杨春生，陈正龙

(1.中国测试技术研究院，成都 610021;2.四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065)

公交客车作为城市交通运输的主要工具，其行驶安全性能关乎人们的生命及财产安全［1］。目前，大中型商用客车其制动系统多采用气压制动系统，其制动性能的好坏决定着车辆行驶安全性的高低。气制动系统是由许多阀类组成，每种阀的性能好坏将直接影响制动系统的整个制动性能。城市大中型公交客车制动管路相对较长，气压制动反应时间受到管路长度的影响。继动阀安装于长管路的末端，用来缩短操作气路中制动反应时间和解除制动时加速放气，起快速动作的作用。继动阀的动态响应性能将直接影响紧急制动时汽车制动反应时间及制动距离［2］。

文献［3］研究了气制动阀类综合性能检测系统，但其目的主要是完成制动阀性能测试;文献［4］制动性能测试方法主要针对整车的制动性能测试方法的分析与研究;文献［5］完成了气制动阀类综合性能检测系统的设计，其只是对系统进行总体介绍，没有详细对继动阀的测试方法进行阐述;文献［6］设计了气压制动系统的检测试验台，其主要是模拟真实汽车制动过程，从而检测整个制动性能，因此其中某个阀的性能特点将给其他阀检测带来一定影响，特别是其中一个阀类泄露而导致其他阀的气压供应不足，不能满足标准测试条件，影响对特定阀的性能分析;文献［7］与文献［8］分别对防抱死系统性能与各阀门的排气性能进行研究，而对于其中特定继动阀的动静态性能没有做过多的分析研究。

针对上述对继动阀性能测试系统的不足，为获取汽车气制动继动阀性能特性，分析其测试方法，开发一种高精度、高可靠性以及高自动化的汽车气制动继动阀的性能测试系统十分重要，对汽车行驶安全和继动阀生产厂家、维修厂家以及质量监督部门具有实际意义。

1 继动阀结构及工作原理

继动阀安装于长管路的末端，用于缩短汽车气压制动系统在制动施加和放松过程中充气和排气时间，从而减少制动反应时间。继动阀控制气腔A 和进出气腔B 之间气压差控制继动阀的工作状态及气压回路，其结构原理图1 所示。图中，4 口接气制动阀，1 口接储气筒，2 口接制动气室，3 口通大气。

图1 继动阀结构原理图

继动阀工作原理:正常行驶时，储气筒的压缩空气从1 口进入，进气阀门b 关闭，排气阀门c 开启，与制动气室相连的2 口通过3 口与大气相通。

汽车制动时，制动阀上腔来的压缩空气经4 口进入，A 腔气压大于B 腔，气压通过A 腔推动活塞a向下移动，关闭排气阀门c，打开进气阀门b，使储气筒压缩空气经1 口、进气阀门b 进入B 腔，通过2 口进入制动气室，产生制动。

解除制动时，A 腔压缩空气从制动阀排气口排出，A 腔气压迅速降低，B 腔压缩空气推动活塞a 上移，关闭进气阀门b，打开排气阀门c，制动气室压缩空气经过2 口、排气阀门c 从3 口排出，制动解除。

当踏下制动踏板气制动开始制动时，制动阀控制进气阀门b 开启，储气筒压缩空气不通过制动阀而是直接通过进气阀门b 进入制动气室。汽车解除制动时，排气阀门c 开启，制动气室直接与排气口相连，气压快速放入大气。大中型汽车长管路中，继动阀缩短制动气室的充放气管路，加速充排气过程，缩短气制动回路制动反应时间。

2 继动阀测试系统设计

2.1 测试原理

根据汽车制动系统试验方法的国家标准以及国家相关汽车行业标准［9-10］，测试系统中包括三条气路:①由气压系统、储气筒、电气比例阀、气压传感器、被测继动阀控制口4 构成测试控制气路;②由气压系统、储气筒、气压传感器、被测继动阀进气口1构成充气气路;③被测继动阀出气口2、气压传感器、固定容腔、排气阀构成模拟制动气路。

测试启动后，工控机向控制电路发出指令，控制电气比例阀的大小，实现气压不同进气、排气速率，完成继动阀多种性能的测试试验。数据采集系统实时采集继动阀各口气压传感器的气压值，并传输至工控机，由工控机储存的软件进行数据处理、计算、显示，完成继动阀出气口2 与控制气口4 气压曲线图以及各口气压与时间曲线图，并生成报告。

2.2 总体架构

该系统主要包括工控机、数据采集系统、气源系统、排气系统、传感器、控制电路，如图2 所示为系统总体架构图。图中，工控机与数据采集卡通过PCI 总线连接，进行数据传输。控制电路通过串口与工控机通信。气动系统包括空压机、空气干燥阀，单向阀，储气筒，电气比例阀。排气系统有固定容腔，排气阀。控制电路通过I/O 口输出控制信号控制电气比例阀大小，气动系统按照设定参数提供气压大小。气压传感器分别与被测继动阀控制气口，进气口和出气口相连。

图2 系统总体结构图

系统气动元件以及气动制动器采用SMC 公司生产的电气比例阀以及标准气缸CJ2 型，夹紧气缸和快速接头等，其符合零泄漏标准，并且产品间兼容与衔接性好。数据采集卡与工业控制计算机采用研华公司生产的最新产品，数据采集卡集成A/D、D/A、Timer/Counter 等功能，工控机具有很强的防尘、防震等能力，其简化了通信接口设计。传感器与数据采集卡通过光电耦合器进行数据传输，降低干扰。试验台采用分体组合形式，分别将主控系统和制动控制系统安装于标准设计的机柜中，保证系统的防电磁干扰以及防尘，同时各机柜具有减震措施。从硬件设计中提高系统可靠性。

2.3 软件设计

软件功能如图2 所示，主要包括初始化模块，数据采集模块，数据处理模块，数据分析模块、曲线实时显示模块等。初始化模块完成测试系统各个参数的选择与设定，数据采集模块完成各种传感器信号的采集，数据处理模块实现采集信号的滤波、处理以及控制信号的输出等，数据分析模块实现制动系统响应性能与关键性能数据的计算［11］、判定，实时显示模块完成测试曲线的绘制以及评判结论的显示。

图3 软件系统结构框图

系统软件设计基于VC6.0 ++，根据系统高速数据采集、实时图形显示的要求，采用中断触发数据采集技术和多线程技术相结合设计［12］，采集线程进行中断方式进行数据采集与控制，主线程进行用户界面管理和绘图操作，数据采集线程实时采集气压传感器气压值，数据处理线程处理和保存数据，数据分析线程进行数据的计算和判定，监控线程等待用户输入和检测工况信号，有效地提高系统实时性能和多任务处理能力。数据采集程序流程图如图4，线程间通信过程如图5。

图5 线程通信过程

在系统软件设计中，采用面向对象思想，同时采用规范化、标准化编程，程序设计采用模块化编程，各模块间独立完成相应功能。控制方面采用时间片与循环控制相结合，保证系统的可靠性。

3 测试试验

3.1 静态特性测试

(1)测试内容:出气口2 与控制口4 气压曲线，各口密封性。

(2)测试方法:在标准试验条件下，通过测试系统软件初始化程序预先设定好各个测试参数，调节电气比例阀的大小，使储气筒气压按照一定速率向被测继动阀控制口4 通入气压，直到达到额定工作气压0.8MPa。关闭电气比例阀，使继动阀各个气压口保压30s，气压传感器实时采集数据记录各口泄露气压大小。开启电气比例阀设定气压减小速率，直到气压降为标准大气压。在启动软件，设定测试参数后，开启数据采集、曲线显示、数据分析线程，使整个测试过程中程序控制、数据采集、曲线显示同时进行，实现实时性。由安装于控制口4 和出气口2 的气压传感器采集各口的气压值，通过数据采集卡实时采集并上传至工控机，实现测试数据的实时曲线图显示。

通过数据处理分析，在控制口升压阶段可以计算出继动阀最小启动气压;在气压保持阶段，可以通过传感器气压变化值判断继动阀各个口的密封性;在控制口降压阶段，可计算出继动阀开始排气的最大气压值。

(3)测试结果:如图6 所示，根据试验测试参数设置值所测得继动阀静态特性的出气口2 与控制口4 的气压曲线，如图7 所示。

3.2 动态特性测试

(1)测试内容:进气口1、控制口4 和出气口2 的气压与时间曲线图。

图6 测试参数设置

图7 静态曲线图

(2)测试方法:在标准试验条件下，通过软件初始化程序设定好各个测试参数，使程序按照汽车制动时各个储气筒气压提供方式，以及气压大小，开启电气比例阀，使储气筒气压按照额定气压向控制气口4 和进气口1 充压。继动阀各口气压传感器实时记录气压值大小，由数据采集卡采集各气压值大小，并通过PCI 总线传输至工控机，由工控机存储的软件绘图显示各口气压值与时间曲线，如图6 所示。通过数据处理分析，计算各个口在紧急制动时达到工作气压所需要时间，并对此作出评价。

(3)测试结果:紧急制动时各口气压建立时间曲线如图8 所示。

图8 各口气压建立曲线图

3.3 测试结果分析

通过对继动阀静动态性能的在线测试，结果可知:在标准测试条件下，系统对继动阀静动态性能测试方法的可行性以及该系统能够满足企业对性能测试的要求。为验证系统的可靠性，多次测量不同型号继动阀，对测试结果进行分析比较，系统运行良好，同时使系统长时间连续工作8 小时，系统检测结果不受影响。

4 结论

对公交客车气制动系统中继动阀的作用及工作原理进行了分析研究，提出并设计了公交客车气制动继动阀的性能测试方法以及测试系统。当系统气压调节范围为0.05 ～1.5MPa，气压测量范围为0 ～1.2MPa 时，系统气压测量精度能够达到0.25%，满足系统设计要求。

系统硬件采用SMC 公司的气动元件，符合零泄漏标准，使各气动元件配合度高;数据采集卡与工控机采用台湾研华公司产品，使得串口通信设计简化。多次长时间工作，保证系统可靠性。

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