试验方法和设备优化研究
魏 哲
（机械科学研究总院中机寰宇认证检验有限公司，北京102609）
摘要：介绍机动车制动软管及其骨架材料屈挠疲劳试验方法和国家标准的相关要求，有针对性地提出试验设备系统构建方案，包括试验设备的机械执行系统、测量与控制系统、机械执行系统方案优化。建立制动软管屈挠疲劳试验设备的三维数字样机，优化后设备具有转动惯量小、对机械加工精度要求低、可以小型化、低振动、低噪声等优点。建议实时跟踪国外机动车制动软管屈挠疲劳试验等标准发展趋势，积极与国际标准接轨。
汽车软管关键词：制动软管；骨架材料；浸胶帘线；屈挠疲劳；齿轮机构
中图分类号：TQ336.3 文章编号：2095-5448（2020）01-0048-05
文献标志码：A DOI：10.12137/j.issn.2095-5448.2020.01.0048
胶管是用于输送气体、液体、浆状或粒状物料的管状橡胶制品，一般由内胶层、外胶层和骨架层构成。其中，骨架层材料多采用棉纤维、合成纤维、碳纤维、石棉和钢丝等。内胶层和外胶层主体材料多采用天然橡胶、丁苯橡胶和顺丁橡胶等。耐油胶管主体材料多采用氯丁橡胶和橡胶，耐酸碱、耐高温胶管主体材料多采用乙丙橡胶、氟橡胶和硅橡胶。
机动车制动软管俗称车用刹车胶管或刹车管，广泛应用于机动车制动系统，主要作用是在机动车制动时传递制动介质，保证制动力传递到车辆制动蹄或制动钳等从而产生制动力，以使制动及时有效。制动软管是制动系统的关键零部件之一，其性能直接影响机动车驾乘人员的安全。鉴于此，我国已将机动车制动软管纳入中国强制认证（CCC认证）目录。中国国家认证认可监督管理委员会颁布的现行有效的认证实施规则CNCA-C11-06：2014《机动车制动软管总成产品强制性认证实施规则》[1]涉及工厂质量保证能力和产品一致性的相关要求，GB 16897—2010《制动软管的结构、性能要求及试验方法》[2]对机动车制动软管的检验项目和试验要求也有明确规定。
机动车制动软管屈挠疲劳试验是国家标准针对液压制动软管所规定的一项重要的性能试验，该试验对于液压制动软管耐屈挠疲劳性能的检测具有重要意义，有利于提高机动车安全性能。浸胶帘线作为制动软管的关键组件之一，其耐屈挠疲劳性能直接影响制动软管总成产品的性能。因此，GB/T 30315—2013《浸胶帘线往复屈挠疲劳试验方法》和GB/T 33100—2016《浸胶帘线带式屈挠疲劳试验方法》对浸胶帘线的屈挠疲劳试验方法作了具体规定，涉及两类不同的屈挠疲劳测试方式。
按照CNCA-C11-06：2014相关规定，屈挠疲劳试验作为制动软管的重要检测项目，需定期进行检测。浸胶帘线的屈挠疲劳试验作为关键组件的定期检测项目，需由制动软管企业定期检测或者委托外部机构检测，也可直接向浸胶帘线供应商索取有效的检验报告。
屈挠疲劳试验设备是耐屈挠疲劳性能检测的专用设备。按照国家标准规定的试验条件，制动软管总成产品的屈挠疲劳试验设备运转速度较快，且可能涉及制动液的输送、压力加载和保持等，设备设计和使用如有不当，极易产生问题。通过走访我国部分制动软管生产企业和行业实验
作者简介：魏哲（1984—），男，山东冠县人，机械科学研究总院中机寰宇认证检验有限公司高级工程师，硕士，主要从事汽车及其零部件产品检测、非标设备研发等工作。
E-mail：wzhk2008@yeah
室，发现此类设备普遍存在噪声大、振动大、隐患大、污染大等问题，如不进行改进，可能会对操作人员、试验流程和现场环境产生不利影响。
针对上述情况，根据国家标准要求，本工作设计不同屈挠疲劳试验实施和优化方案，并基于三维计算机
辅助设计（CAD）技术，建立该设备的数字样机。目前该设备已投入运行，累计完成100余次屈挠疲劳试验，设备振动和噪声均在可接受范围内。该设备采用“缓慢加速、两级启动”方式，在可编程逻辑控制器（PLC）程序中设置了失压保护功能。试样失效时，能够确保制动液大量泄漏前及时停机，可避免对现场环境的污染。浸胶帘线的屈挠疲劳试验设备按照国家标准规定方式构建，其结构相对于制动软管总成产品的检测设备简单且易于实现。
1 制动软管总成产品的屈挠疲劳试验方法
GB 16897—2010对制动软管的试验设备作了明确规定，设备执行机构主要由转动部分和固定
部分组成，如图1所示。
…
2 3
1—转盘；2—可动水平连杆；3—固定水平连杆。
图1 制动软管屈挠疲劳试验设备执行机构
转动部分由转盘和可动水平连杆构成，可动水平连杆的两端通过轴承垂直安装于转盘上，转盘中心与轴承中心相距101.6 mm。固定部分为可调的固定水平连杆，该连杆平行于可动水平连杆。两个水平连杆上均安装有可平行安装制动软管总成的若干个接头。转盘以（800±10）r·min-1的速率旋转时，固定在可动水平连杆上的制动软管端部也以此速率旋转，形成直径为（203.20±0.25） mm的圆形轨迹，而制动软管的另一端固定不动。可动水平连杆上的接头是封闭的，固定水平连杆上的接头与液压源相通，设备的液压源容积和管路设置不能影响试验结果。试验中当制动软管损坏而压力下降到设定值时，设备可自动停机，同时记录运转时间和停机时管路中的系统压力。
试验准备过程包括软管附件拆除、软管总成自由长度测量、软管总成安装、松弛量调整等。试验时管路系统的静压力为（1.62±0.10） MPa，试验介质为蒸馏水或者HZY3级制动液。试验开始前应从系统管路中排出所有气体。
2 浸胶帘线的屈挠疲劳试验方法
浸胶帘线的屈挠疲劳试验分为往复屈挠疲劳和带式屈挠疲劳两类，二者存在较大差异。其中，往复屈挠疲劳试验机构[3]如图2所示，要求试验装置具备调节运动频率、调节张力、可设定往复屈挠疲劳次数并计数等功能。启动装置后，导辊A和B可同时上下往复运动，帘线受弯曲往复疲劳，记录每
根帘线断裂时的弯曲往复疲劳次数。
5
6
1—上夹持器；2—试样；3—导辊A和B；4—下夹持器；
5—重锤；6—托板。
图2 往复屈挠疲劳试验机构示意
带式屈挠疲劳试验机构[4]如图3所示，要求试验中试样以一定的包角与滑轮接触，试样两端分别用两个连接头部的夹持器夹紧，连杆通过摇臂与驱动轴连接，杠杆和负荷砝码能够通过滑轮对试样施加一定的拉伸张力，计数器能够设定并记录试样屈挠次数。在带式屈挠疲劳试验中，滑轮直径分为12.5，25，32 mm，根据试验要求不同可进行调节。试验时，试样在相同方向上的行程应不小于60 mm，即整个循环行程不小于120 mm。屈
挠运动频率在60～200次·min-1范围内可调，且可对试样施加200～1 000 N的拉伸张力。
3 试验设备系统构建
3.1 机械执行系统
制动软管屈挠疲劳试验的执行机构运动方式简单，但对设备整体要求较高。设备的压力供给系统应产生稳定、可靠的管路静压力，且压力应具有一定的调节范围，以满足试验条件扩展需要。另外，不同试验介质具有不同的物理和化学性能，对试样前期安装、屈挠执行过程、试验后期清理、设备维护等会产生不同的影响。与蒸馏水相比，HZY3级制动液粘温性好，凝固点低，低温流动性较佳；沸点高，在高温下不易产生气阻；在使用过程中品质和蒸馏水一样变化不大，不易导致金属件和橡胶件腐蚀和变质；作
为试验介质与实际使用状态一致，更能体现制动软管的实际性能。压力供给系统的整体原理较简单，类似于液压千斤顶，可通过按压供油手柄向系统管路提供压力。通过压力变送器实现压力采集，信号传递至PLC，经处理转化后在上位机触摸屏上显示。
转动执行机构主要由伺服电机和3台减速机组成，伺服电机传递的运动经由中央减速机减速后，按照1/1转速传递至两侧减速机，两侧减速机的输出轴同向、同步运动，驱动两个转盘，进而带动可动水平连杆完成预期运动轨迹。
松弛量调整机构主要包括丝杠和导轨，通过摇动手轮和转动丝杠改变滑台在导轨上的位置，从而改变制动软管的松弛量。
综合以上设计，并对电机、减速机等元件选型，构建了制动软管屈挠疲劳试验设备的三维数字样机模型[5]（如图4所示）。经零部件设计、加工、采购和整机装配后，设备运转正常，噪声和振动均在可接受范围内，
功能满足国家标准要求。
图4 制动软管屈挠疲劳试验设备的三维数字样机模型浸胶帘线屈挠疲劳试验设备构建简单，通过采用气缸、电动缸、液压缸等方式均可实现往复运动，且容易控制。对于带式屈挠疲劳试验中的摇臂，其驱动部分可采用舵机、步进电机和伺服电机等实现。两种屈挠疲劳试验设备均采用成熟的标准化工业元器件拼装，辅以简单的控制方式即可实现组装。
3.2 测量与控制系统
屈挠疲劳试验设备测量与控制系统主要硬件通讯关系如图5所示，上位机为触摸屏，可以读出系统压力、转盘转速和试验持续时间，并可设定电机启动、停止、压力与速度报警和解除等功能。
图5 测量与控制系统主要硬件通讯关系
由于无实时性的要求，且对速度和位置均严格控制，伺服系统可采用位置控制模式。在位置控制模式下，
采用的伺服电机缓慢启动无法由驱动器设定，由于转动速度快、转动惯量大，如不能使其缓慢启动和停止，对屈挠疲劳试验设备的整体冲击较大，极易导致部件、轴承磨损，产生安全隐患。而在速度控制模式和扭矩控制模式下，如需精确定位，外部接线比位置控制模式略复杂，故编写特定的缓慢启动、缓慢停止抗冲击程序，通过设定目标速度，并在程序执行过程中逐渐增大脉
1
2 3
4
5
6
7
8
1—滑轮；2—试样；3—夹持器；4—连杆；5—摇臂；6—计数器；
7—杠杆；8—负荷砝码。
图3 带式屈挠疲劳试验机构示意
冲频率至目标速度对应的目标频率，可使伺服电机缓慢启动，直至达到目标速度。设备停止时，为使冲击降到最低，设定了惯性停止的方式，依靠设备和试样自身的阻力缓慢停止，从而在启动和停止过程中均达到缓慢无冲击的理想状态。
系统供油压力的测量采用压力变送器，压力信号变化直接转变为电流变化，具体接线方式如图6所示。加压过程中的供油压力可实时在触摸屏上显示。通过编写泄露保护程序，确保试样失效或机体损坏而导致压力骤降时可以及时停机，以避免制动液过量泄漏造成环境污染。试验持续时间也可由触摸屏实时记录，实现过程采用CP1H 型PLC 的可逆计数器指令（
CNTR ）和0.1 s 脉冲指令组合计时器实现计时。
图6 压力变送器接线方式示意
设备的主要逻辑功能通过PLC 编程实现，PLC 程序流程如图7所示。制动软管屈挠疲劳试验设备控制方案中的PLC 方式也可用于浸胶帘线屈挠疲劳试验设备的控制方案，且更易实现。3.3 机械执行系统方案优化
现制动软管屈挠疲劳试验设备如图8所示，该设备为双曲柄机构，曲柄部分转动惯量较大，转动速度相对较快，对加工和装配精度要求较高，极易加重铰链部分轴承所承受载荷，导致快速磨损。
若采取其他能够躲避“死点”[6
]
的措施，如采用冗余
约束，或在作为曲柄的飞轮上转动一定角度、平行于现有连杆再安装一个连杆，无疑会提高整体转动惯量、增大振动和噪声，加工和装配精度过低也会导致局部应力过大。
为避免现有设备的缺陷，可采用齿轮机构[6]
代替双曲柄机构，优化后制动软管屈挠疲劳试验设备如图9所示。优化后设备更便于调节配重、优化动平衡、减小振动，且只要齿轮装配无误，对加工精度的要求低于现有设备。
齿轮机构中输出端实现的运动轨迹和双曲柄机构中水平连杆的运动轨迹完全相同，二者执行部分中可动水平连杆的振幅与时间的关系完全一致，即两种方案运动轨迹等效。中心距的数值可
图7 PLC 程序流程
图8 现制动软管屈挠疲劳试验设备示意
Й
Ѣ
图9 优化后制动软管屈挠疲劳试验设备示意
以通过齿轮变位调节，且由于输出端只有一个输出点，不会因为加工和装配精度问题导致可动水平连杆承受额外载荷，故而可将该方案中的可动水平连杆设计为铝合金材质，并尽可能减小质量，在满足功能的前提下，实现减振、降噪效果。
4 结语
分析国家标准对机动车制动软管及其骨架材料屈挠疲劳试验的具体要求，并针对相关规定提出了屈挠疲劳试验和设备构建方案，包括机械执行机构和测控系统的实现方式，并提出了屈挠疲劳试验设备机械执行机构的优化方法，该方法灵活性强，齿轮转速比可自行调整和搭配，只要输出部分满足预期轨迹即可。该制动软管屈挠疲劳试验设备具有转动惯量小、对机械加工精度要求低、可以小型化、低振动、低噪声等优点，建议适当考虑对该设备采用齿轮机构润滑[7]设计。
制动软管屈挠疲劳试验设备测控系统采用PLC作为下位机，触摸屏作为上位机进行人机交互，压力变送
器和编码器分别作为压力和转速的测量和反馈装置，整体实现较为简单，但仍有优化空间。如采用三相异步电机搭配变频器作为动力部分，与PLC进行通讯，除能满足国家标准的相关要求外，还可以节省成本。如对位置精度和速度精度要求较高，建议仍采用伺服电机搭配编码器的方式。制动软管屈挠疲劳试验设备上位机、下位机控制方案也可用于浸胶帘线的屈挠疲劳试验方案，用于对气缸、电动缸、液压缸、电机等执行元件的控制。
总的来看，我国机动车制动软管屈挠疲劳试验的国家标准与欧洲、美国、日本等地区和国家的相关标准对比仍存在一定差异[8-10]，建议实时跟踪国外机动车制动软管标准发展趋势，适时更新，并积极推进国家标准与国际标准接轨，响应“一带一路”倡议，加快“走出去”步伐，增强国际话语权。
参考文献：
[1]中国国家认证认可监督管理委员会.机动车制动软管总成产品强
制性认证实施规则[Z].2015-10-10.
[2]G B 16897—2010，制动软管的结构、性能要求及试验方法[S].
[3]G B/T 30315—2013，浸胶帘线往复屈挠疲劳试验方法[S].
[4]G B/T 33100—2016，浸胶帘线带式屈挠疲劳试验方法[S].
[5]魏哲，李春清，贾京生.一种机动车制动软管屈挠疲劳试验机[P].
中国：CN 203658184U，2014-06-18.
[6]孙桓，陈作模.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.
[7]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2013.
[8]王维相.国内外橡胶软管工业现状和发展趋势[J].橡胶工业，
2000，57（2）：117-121.
[9]曾宪奎，刘威，吕冲，等.动车组制动系统用橡胶密封垫使用寿命预
测[J].橡胶工业，2016，63（11）：693-695.
[10]孙克俭.汽车用胶管的发展[J].橡胶科技，2014，12（1）：5-8.
收稿日期：2019-08-29
Flex Fatigue Test Method of Brake Hose for Motor Vehicles and
Its Skeleton Material and Optimization of Test Equipment
WEI Zhe
（Zhongji Huanyu Certification and Inspection Co.，Ltd，China Academy of Machinery Science and Technology，Beijing 102609，China）Abstract：The test method of flex fatigue property of brake hose for motor vehicles and its skeleton material，and the relevant requirements of national standards were introduced．The construction ideas of the test system were put forward，including the scheme optimization of mechanical execution system，and measurement and control system．The three-dimensional digital prototype of brake hose flex fatigue test equipment was established．The optimized equipment had the advantages of small inertia moment，low requirement for machining accuracy，small size，low vibration and low noise．It was suggested that the standards of brake hose for motor vehicles should be promptly amended in line with international standards．Key words：brake hose；skeleton material；dipped cord；flex fatigue；gear mechanism
发布评论