滚筒反力式制动检验台动、静态检定方式的比较

/宿迁市计量测试所

0 引言

机动车制动性能的好坏关系着车辆行驶的安全，因此，检验机动车制动性能的优劣至关重要，机动车制动性能检测是所有机动车必检项目之一。RB/T 218-2017《检验检测机构资质认定能力评价 机动车检验机构要求》[1]4.4.3a中明确要求：“主要检验项目应采用固定式仪器设备对机动车进行仪器设备检验”。滚筒反力式制动检验台是检验机动车制动性能的计量器具之一，被列入国家强制检定计量器具目录。目前该设备检定工作主要依照2016年6月7日实施的JJG 906-2015《滚筒反力式制动检验台》检定规程[2]进行（主要项目见表1），2015版检定规程比2009版主要增加了动态制动力检定项目等内容。

表1 滚筒反力式制动检验台制动部分检定项目（部分）

1 滚筒反力式制动检验台动、静态检定的比较

1.1 检定原理的比较[3-4]

按照检定方式的不同，滚筒反力式制动检验台（以下简称制动检验台）分为动态检定法和静态检定法。静态检定法由测力杠杆和标准力值传感器（或标准砝码）组成，标准力值传感器（或标准砝码）通过测力杠杆，将力值按照杠杆比例系数放大，压在（或拉伸）制动检验台的被测力值传感器上，被测力值传感器将力值信号转换为电压信号输出，调理放大后输出到制动检验台的显示器上。被测力值传感器的力值大小与制动检验台滚筒表面制动力的关系为式（1）。

为了保证被测力值传感器示值误差检定的准确，被测力值传感器与滚筒的电机下端受力点靠近（无受力时不接触），安装标准力值传感器后，力臂杠杆一端连接标准力值传感器，另一端固定在电机端面爪盘上，当标准力值传感器（或标准砝码）通过杠杆直接或间接的方式将力值加载到滚筒端面上时，其下端被测力值传感器开始受力。

动态检定法如图1所示，检定时将动态力传感器安装在车轴上，制动检验台启动时，动态力传感器随着车轮转动，车轮速度稳定后，将动态力传感器示值置零。当车轮开始制动时，动态力传感器随车轮制动力的大小而变化，动态力传感器输出的电压信号由电路放大滤波后，经A/D转换成数字信号，传至高速微处理器，通过无线网络发送到上位机。上位机根据采集到的动态力传感器信号，绘出制动力曲线并计算出最大制动力。理论上，由于轮胎上的力与滚筒之间的作用力大小相等、方向相反，动态力传感器与制动检验台的被测力值传感器数值应相等，因此，动态检定法不仅可对比结果数据，还可以对比制动力过程曲线，更准确地反应出被检定的制动检验台所测试数据的真实性。

图1 动态制动力检定装置

1.2 检定方法的比较

依据JJG 906-2015，静态检定首先要进行零位示值检测，保证制动检验台空载，将二次仪表调零。启动电动机，当滚筒转速稳定后，记录二次仪表最大零位偏离值。停止电动机转动，依照以上方法再进行第二次零位示值检测，共计进行三次。然后检查制动力零点漂移实验，保持制动检验台空载，二次仪表调零后，相隔10 min记录零位变化值，共计记录三次。规程中要求零位偏离值在30 min内不大于满量程的±0.2%。

制动检验台的制动力是通过杠杆的力臂将标准力值放大后与被测力值传感器示值进行对比，判断出被测力值传感器是否符合规程的要求。静态检定时有两种加载方法，方法一见图2（a）、方法二见图2（b），可任选。

图2 制动检验台两种加载的静态检定方法

法定计量技术机构工作人员依据JJG 906-2015，进行了现场试验，如图3所示，并记录现场原始数据。

图3 静态检定试验现场

动态检定时（如图4），将机动车行驶入制动检验台，制动检验台开机，滚筒带动车轮转动，记录制动检验台左右阻滞力，动态制动力检定装置清零，当制动检验台显示屏显示踩刹车时，操作员在5～8 s内慢踩刹车，要保证轮胎不出现抱死状态。如出现抱死状态，采用增加载重的方式，试验每组操作10次，用动态制动力检定装置上位机软件进行绘制，选取左、右制动力作为数值参数变量，与制动检验台仪表示值进行比较，计算出制动检验台动态制动力的绝对误差，自动生成检测报告。

图4 动态制动力检定试验现场

1.3 检定装置的比较

1）静态检定砝码法的检定装置主要为M2等级的砝码，其中砝码属于实物标准器，可以直接进行测量。静态检定传感器法主要由标准测力传感器和显示装置组成，标准测力传感器的准确度要求为0.3级，输出电压信号一般通过8位ADC转换器，转化成数字信号后由串行的I2C总线与8位单片机进行通信，经单片机处理后导通三极管驱动LED小灯刷新点阵屏或LCD1602/12864液晶屏显示。

2）动态检定装置硬件主要由数据处理单元和信号输出装置构成，数据处理单元由集成仪表和无线通信模块组成，主要特点是信号采集稳定性好、速度快、准确度高，可设定量程上下限、获取峰谷值、零点满量程修复、折线修正及通信协议（Modbus-RTU或TC）等功能。检测过程中仪表通过实时接收变化的无线模块反馈信号，信号经过采集、运放、滤波，最后进入模数转换，最终将测试数据存储上传。信号输出装置采用应变式传感器，它具有高稳定性、良好的温度及蠕变补偿性能，对车轮结构进行设计后与扭矩传感器装配，形成一台动态参考轮。采用的扭矩传感器具有体积小、准确度高、温漂小等特点，参数如表2所示。

表2 两种方法的检定设备参数对比表

1.4 数据计算的比较

1）实施静态检定法时，按照制动检验台额定载荷的20%、40%、60%、80%和100%均匀选取五个测试点，当采用方法一时，按式（2）计算各测试点所需的加载用砝码的质量m，计算该测试点的制动力标称值F见式（3）。

式中：mj′——第j测试点所需的加载用砝码质量的计算值，kg；

D——滚筒直径，mm；

Fj′——第j测试点的制动力预选值，N；

L——加载装置的力臂长，mm；

g——检定地点的重力加速度，m/s2

式中：mj——第j测试点加载用砝码质量的实际值，kg；

Fj——第j测试点制动力的标称值，N

用方法二时，按式（4）计算各测试点所需的加载载荷。

式中：pj——第j测试点所需加载的载荷，N

2）实施动态检定法时，选取左、右制动力作为数值参数变量，与制动检验台仪表示值进行比较，计算出制动检验台动态制动力的绝对误差；左、右制动力减去阻滞力和检测仪示值之差与检测仪示值相对比，得到相对误差，见式（5），并计算10次测量值的平均值。

式中：δi——第i次测量所得动态制动力示值相对误差，（i=1，2，3，…，10），%；

F制动台——第i次测量时，制动检验台显示的制动力，N；

F阻滞力——第i次测量时，制动检验台显示的阻滞力，N；

F标准值——第i次测量时，动态制动力检定装置显示的制动力标准值，N

1.5 示值误差和重复性要求的比较

JJG 906-2015要求，静态制动力检定法示值误差不超过±3%，间差不超过±3%，重复性不超过±2%，即可判定该项合格[5]。

动态制动力检定是将制动检验台设定在“制动”的情况下进行检定，检测车辆真实的制动力，将实际制动力与制动检验台显示值进行对比，计算出示值误差，检定规程要求示值误差不超过±8%，重复性不超过±3%，即可判定该项合格，对测量间差不做要求。

表3 检定规程中静态误差和动态误差

1.6 不确定度来源及减小方法

静态检定法采用标准测力传感器（或标准砝码），利用杠杆原理对制动检验台进行检定，其不确定度主要来源于三大因素。（1）制动检验台的不确定度，包括仪表数显分辨力和测量重复性；（2）标准装置的不确定度，包括标准测力传感器或标准砝码的不确定度；（3）杠杆传力比不确定度，包括杠杆传力比允许误差、杠杆安装误差和杠杆与制动检验台夹紧误差。从相关的不确定度文献中可以看出[6]，三大不确定度来源所占的百分比如图5所示，其中，杠杆传力比不确定度占据主要的不确定度来源。

图5 静态制动力检定法不确定来源占据的百分比

为了减小杠杆传力比引入的不确定度，除了保持力臂水平、减小杠杆的安装误差和夹紧误差外，建议采取加载后清零的方法来减小误差。具体操作如下：

杠杆安装完毕后，逐渐加载至满量程的 50%，用水平尺调整专用测力杠杆处于水平状态，卸载至满量程的 2%～5%。

标准测力传感器与制动检验台仪表同时调零，按规定测试点对制动检验台逐级加载，读取各测试点所对应的左（右）制动检验台示值fil(R)，重复测量三次。按式（6）计算示值误差，按式（7）计算三次测量示值误差的平均值。

式中：fil(R)——第i次测量时制动检验台仪表显示值，N；

η——杠杆传力比；

Fi——第i次测量时，左（右）制动检验台所对应标准测力传感器的力值，N；

δiL(R)——第i测量时，左（右）制动检验台的示值误差，%；

各检定点示值误差均应满足JJG 906-2015的要求。如果检定过程中杠杆明显倾斜，则需要对杠杆传力比进行数据修正。

动态制动力检定法影响因素较多，主要有装置误差、人为测量误差等。影响最大的因素是人为误差，由于引车员每次测量不能保持相同力值踩刹车制动，因此，人为因素影响较大，重复性较差。建议引车员规范操作，同时使用踏板力计作为辅助工具，来保持力值的一致性，减少人为测量误差。

2 结论

静态制动力示值误差检定是对均匀分散的六个测试点进行检定，计算测试点是否符合检定规程。使用该方法后显示值稳定、操作便捷，能够准确地对不合格测试点进行重新检定。动态制动力检定法可以拟合出实际检测曲线或分段，使直线或直线分段上各点更加靠近真实值（如图6所示），可以描述出动态制动力实际检测过程。

图6 动态制动力检定法软件检测计算

动态制动力检定能够描述制动力检测曲线不断变化的动态过程。制动力检验台生产厂家一般将检定系统和制动测试系统设置为两种状态，检定系统状态为了数据显示稳定，对数据采样值进行了硬件滤波和软件平滑处理，使制动力峰值受到损失，而真实的制动力检测由于受到外界电磁干扰，数值起伏大非常不稳定。因此，检定的系统与真实的制动测试系统制动力峰值有很大差别，一些系统中，检定的峰值损耗有时可达到30%以上。另外，由于引车员踩制动力踏板过程有快慢，因此，0.3～1.0 s的一段曲线缓慢上升，动态制动力检定能够判断引车员是否有提前踩制动力踏板的行为，让采样值更加贴近实际，真实可信。但是由于车辆制动过程较为复杂，影响因素很多，因此，动态制动力检定的稳定性和重复性都不高（如图7所示）。同时，动态制动力检定是个变化过程，数值不能固定，动态检定装置最终溯源到静态砝码标定法，所以不适用于设备的现场标定工作，不具备标定意义[7-8]。可以作为实际检定工作的一部分，是对静态制动力检定工作的重要补充。

图7 动态制动力检定法左、右轮制动力与检测仪示值对比

3 结语

本文主要分析了滚筒反力式制动检验台静态和动态检定法在检定原理、方法、装置、数据计算、示值误差、不确定度来源六个方面的不同。最终得出结论：动态制动力检定法作为首次检定方法是滚筒反力式制动检验台检定工作的重要组成部分，是对静态制动力检定工作的重要补充。