CN117191421A - 用于制动磨损颗粒物排放测试的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于制动磨损颗粒物排放测试的装置及方法。装置包括销‑盘式摩擦试验机，使销‑盘式摩擦试验机通过摩擦产生的颗粒物包围其中的密闭气室，通过进气管向密闭气室中输入预设温湿度、流量的冷空气的冷却空气调节系统，对密闭气室的出气口连接的排气管内同一取样截面取样以检测摩擦产生的颗粒物排放质量及数量浓度的颗粒物排放测试设备、检测排气管内气体流量的气体流量传感器；销‑盘式摩擦试验机的摩擦销由制动器摩擦片材料制作，摩擦盘材料由制动盘材料制作；进气管与排气管上设空气过滤器；排气管上的排气空气过滤器位于取样截面的下游，气体流量传感器位于排气空气过滤器下游。本发明实现了机动车用盘式制动器的磨损颗粒物排放测试。
Description
技术领域
本发明涉及汽车排放测试技术领域，特别是涉及一种用于制动磨损颗粒物排放测试的装置和方法。
背景技术
随着汽车尾气排放标准的不断加严，汽车尾气排放颗粒物在得到削减的同时也使得非尾气颗粒物的排放问题日益凸显，因此非尾气颗粒物排放已成为国内外下阶段排放标准的监管方向。当前，如欧洲及日本发布的排放测试法规均要求基于制动测功机进行汽车制动磨损颗粒物排放测试，该测试方法虽可模拟测试汽车实际运行条件下的制动磨损颗粒物排放，但测试装置复杂、成本高，且需要采用制动器成品开展测试，这就导致制动器生产厂家开展符合标准要求的低排放制动器摩擦材料研发以及排放监管部门开展制动排放监管工作需要投入更长周期及更多经费。因此开发一种成本低、可靠性好的制动磨损颗粒物排放快速检测方法是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种成本低、可靠性好的基于销-盘式摩擦试验机测试汽车制动磨损颗粒物排放的装置和方法，解决了现有制动磨损颗粒物排放测试方法周期长、成本高的问题。
本发明第一方面，提供一种用于制动磨损颗粒物排放测试的装置，包括销-盘式摩擦试验机，用于将所述销-盘式摩擦试验机的销盘摩擦机构封闭以使销盘摩擦产生的颗粒物包围其中的密闭气室，用于通过连接密闭气室入气口的进气管向所述密闭气室中输入预设温湿度以及流量的冷空气的冷却空气调节系统，与所述密闭气室的出气口连接的排气管，用于对所述排气管内同一取样截面取样以检测所述销-盘式摩擦试验机的摩擦销和摩擦盘摩擦产生的颗粒物排放质量及数量浓度的颗粒物质量排放测试设备与颗粒物数量浓度排放测试设备，以及用于检测所述排气管内的气体流量的气体流量传感器；所述销-盘式摩擦试验机的摩擦销由制动器摩擦片材料制作而成，与所述摩擦销摩擦配合的摩擦盘材料由制动盘材料制作而成；所述进气管上设置有进气空气过滤器；所述排气管上设置排气空气过滤器；所述排气空气过滤器位于取样截面的下游；所述气体流量传感器位于所述排气空气过滤器的下游。
本发明第二方面，提供一种用于制动磨损颗粒物排放测试的方法，基于本发明第一方面所述用于制动磨损颗粒物排放测试的装置的实现，包括步骤：
S1.冷却空气气体参数设置：
所述冷却空气的气体参数包括温度的边界条件为(23±2)℃，相对湿度的边界条件为(50±5)％RH，冷却空气气体流量的边界条件为(8.0±0.2)m3/h；
S2.系统级背景颗粒物浓度测试
使温度、湿度及流量符合气体参数的冷却空气进入所述封闭气室并稳定后，读取颗粒物排放测试设备，将读取的颗粒数量浓度与预设第一阈值比较，若低于预设第一阈值则判定系统级背景颗粒物浓度符合要求，进行步骤S3；否则继续本步骤，直至判定系统级背景颗粒物浓度符合要求；
S3.制动摩擦样品磨合
将摩擦销与摩擦盘安装至销-盘式摩擦试验机，按步骤S1设置冷却空气气体参数，使温度、湿度及流量符合气体参数的冷却空气进入所述封闭气室并稳定后，启动销-盘式摩擦试验机并运行一个预设运行循环周期对制动摩擦样品进行磨合；磨合结束后，继续通冷却空气对装置内部的残留颗粒物吹扫预定时间；
S4.排放级背景颗粒物浓度验证
按步骤S1设置冷却空气气体参数，使温度、湿度及流量符合气体参数的冷却空气进入所述封闭气室并稳定后，读取颗粒物排放测试设备，将读取的颗粒数量浓度与预设第二阈值比较，若低于预设第二阈值则判定排放级背景颗粒物浓度符合要求，进行步骤S5，否则，继续本步骤，直至排放级背景颗粒物浓度符合要求；
S5.制动磨损颗粒物排放测试
按步骤S1设置冷却空气气体参数，使温度、湿度及流量符合气体参数的冷却空气进入所述封闭气室并稳定后，启动销-盘式摩擦试验机运行一个预设运行循环周期；运行结束后进行返回步骤S4,进行测试结束后的排放级背景颗粒物浓度验证，若排放级背景颗粒物浓度低于预设第三阈值，判定测试有效，将颗粒物采样滤纸从颗粒物质量排放测试设备取出后采用天平进行称重，导出颗粒物数量浓度排放数据，进入步骤S6；若测试结束后的排放级背景颗粒物浓度不低于第三阈值则判定本次测试失效，采用所述冷却空气吹扫装置后返回步骤S4；
S6.求取制动磨损颗粒物排放测试前后颗粒物采样滤纸的质量差得到一个测试循环的颗粒物质量排放，通过颗粒物数量浓度排放测试设备记录的颗粒物数量浓度数据计算颗粒物数量排放。
本发明的用于制动磨损颗粒物排放测试装置，通过冷却空气调节系统对冷却空气的温度、湿度和气体流量进行设置和调节，随后冷却空气流经进气空气过滤装置滤除进气中的颗粒物后进入密闭气室后，将摩擦销、摩擦盘通过摩擦产生的磨损颗粒物混合均匀并带离至排气管，颗粒物排放测试设备经排气管的同一取样截面对磨损颗粒物进行取样测试，销-盘式摩擦试验机的摩擦销和摩擦盘摩擦产生的颗粒物排放质量及数量浓度；冷却空气在颗粒物取样截面下游被排气空气过滤器过滤后，由气体流量传感器对气体流量进行测量，从而实现对制动磨损颗粒物排放测试。
本发明的用于制动磨损颗粒物排放测试装置，实现了机动车用盘式制动器的磨损颗粒物排放测试，与基于制动测功机和整车底盘测功机的测试技术相比，该测试装置成本低、周期短，更适用于低排放制动盘研发升级过程中的测试工作，为低排放制动摩擦材料的研发升级及制动磨损颗粒物排放监管工作提供了可靠的快速检测方法，排放监管部门可采用此装置进行制动盘磨损颗粒物排放情况的快速检测。
附图说明
图1是本发明的用于制动磨损颗粒物排放测试装置的结构示意图。
附图标记说明：
1-冷却空气调节系统；2-进气空气过滤器；3-冷却空气流动方向；4-进气管路；5-分度盘；6-丝杆螺母副；7-横梁；8-步进电机；9-摩擦销；10-摩擦盘；11-摩擦盘夹持器；12-主轴；13-轴承；14-联轴器；15-变频电机；16-排气管路；17-颗粒物质量排放测试设备；18-颗粒物数量浓度排放测试设备；19-颗粒物取样截面；20-排气空气过滤器；21-气体流量传感器；22-密闭气室；23-弹簧加载系统。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的用于制动磨损颗粒物排放测试装置，基于销-盘式摩擦试验机构建制动磨损颗粒物排放测试装置，销-盘式摩擦试验机的摩擦销由制动器摩擦片材料制作而成，其摩擦盘材料由制动盘材料制作而成，通过销-盘式摩擦试验机控制摩擦销和摩擦盘摩擦试验的载荷和转速，采用冷却空气调节系统控制管路内冷却空气的温湿度及气体流量，采用颗粒物质量排放测试设备和颗粒物数量浓度排放测试设备测试摩擦销和摩擦盘摩擦产生的颗粒物排放。
如图1所示，本发明实施例第一方面，提供一种用于制动磨损颗粒物排放测试的装置，包括销-盘式摩擦试验机，密闭气室22，用于将所述销-盘式摩擦试验机的销盘摩擦机构封闭以使销盘摩擦摩擦产生的颗粒物包围其中防止扩散，用于通过连接密闭气室入气口的进气管路4向所述密闭气室中输入预设温湿度以及流量的冷空气的冷却空气调节系统1，与所述密闭气室的出气口连接的排气管路16，用于对所述排气管路内同一颗粒取样截面19的位置取样，以检测所述销-盘式摩擦试验机的摩擦销9和摩擦盘10通过摩擦产生的颗粒物排放质量及数量浓度的颗粒物质量测排放试设备17与颗粒物数量浓度排放测试设备18，以及用于检测所述排气管路内的气体流量的气体流量传感器21；所述销-盘式摩擦试验机的摩擦销9由制动器摩擦片材料制作而成，与所述摩擦销摩擦配合的摩擦盘10材料由制动盘材料制作而成；所述进气管路4上设置有进气空气过滤器2；所述排气管路上设置排气空气过滤器20；所述排气空气过滤器20位于颗粒物取样截面19的下游，所述气体流量传感器21位于所述排气空气过滤器20的下游。
本发明实施例中，所述销-盘式摩擦试验机为现有技术设备，由分度盘5、丝杆螺母副6、横梁7、步进电机8、摩擦盘夹持器11、主轴12、轴承13、联轴器14、变频电机15、弹簧加载系统23组成，摩擦盘夹持器11用于夹持摩擦盘10，所述摩擦销9布置于横梁7上，所述摩擦销9的上方设置有弹簧加载系统23，以对摩擦销9在摩擦试验中的载荷提供不同的加载载荷，所述摩擦盘夹持器11的底部与主机箱中的主轴12连接，由主轴12驱动旋转，所述主轴12与轴承13转动连接，并通过联轴器14与由变频电机15连接，步进电机8与丝杆螺母副6连接，驱动所述丝杆螺母副6旋转进行升降，带动横梁升降，控制所述摩擦销9与摩擦盘10接触或不接触，以进行摩擦试验，通过手动旋转手轮和分度盘5旋转带动横梁内的丝杆控制横梁的水平方向的位置以控制摩擦销的水平方向位置。
本发明通过销-盘式摩擦试验机模拟机动车在执行制动操作时制动盘和制动器摩擦片相互摩擦产生磨损颗粒物的情景，通过固定流量的冷却空气将磨损颗粒物混合均匀并排至排气管路，通过颗粒物质量排放测试设备和颗粒物数量浓度排放测试设备对颗粒物排放进行测量，能够得到制动磨损颗粒物排放的质量和数量浓度。
本发明实施例第二方面提供一种用于制动磨损颗粒物排放测试的装置，包括步骤：
第一，冷却空气的气体参数设置。
由于冷却空气条件设置对颗粒物排放测试有显著影响，因此需保持装置的管路内冷却空气状态一致。因此，需要测试过程中，需要通过冷却空气调节系统1将冷却空气温度、湿度和气体流量分别设置为满足边界条件要求的(23±2)℃、(50±5)％RH和(8.0±0.2)m3/h；
第二，系统级背景颗粒物浓度验证。
系统级背景颗粒物浓度验证，是在摩擦销和摩擦盘未安装上销-盘式摩擦试验机前，采用颗粒物数量浓度排放测试设备测试采样通道内的背景颗粒物浓度。系统级背景颗粒物浓度验证时，让符合设置的边界参数条件的冷却空气分别通过进气管路4和排气管路16先后流经进气空气过滤器2、密闭气室22、排气空气过滤器20和气体流量传感器21进行流动，冷却空气状态稳定5分钟后进行系统级背景颗粒物浓度验证测试，读取颗粒物数量浓度排放测试设备18的读数，若背景颗粒物浓度(标准状态下)小于20#/cm3，则判定系统级背景颗粒物浓度满足要求，可以继续执行后续操作，否则重复本步骤，直到合格为止。
第三，制动摩擦样品磨合。
为保证在执行正式颗粒物排放测试前制动磨损颗粒物排放状态的稳定性，需要对制动摩擦样品进行磨合。在进行磨合时，将摩擦销9、摩擦盘10安装至销-盘式摩擦试验机，按前述的边界条件设置冷却空气至满足边界条件要求通入封闭气室中，随后启动销-盘式摩擦试验机并运行1个如表1所示的运行循环对制动摩擦样品进行磨合。磨合结束后，继续通冷却空气对测试装置内的残留颗粒物进行3分钟的吹扫。
表1销-盘式摩擦试验机运行工况
第四，排放级背景颗粒物浓度验证。
在磨合结束后，再次设置冷却空气至满足边界条件要求，至少稳定5分钟后进行排放测试前的背景颗粒物浓度验证测试，读取颗粒物数量浓度排放测试设备18的读数，若背景颗粒物浓度(标准状态下)小于20#/cm3，则判定排放测试前的背景颗粒物浓度满足要求，可执行后续的排放测试操作。
第五，制动磨损颗粒物排放测试。
将用于颗粒物采样的空白滤纸称重后放置至颗粒物质量排放测试设备17，随后设置冷却空气至满足边界条件要求，启动销-盘式摩擦试验机运行1个如表1所示的运行循环对制动摩擦样品进行颗粒物排放测试。测试完成后立即开展排放测试后的背景颗粒物浓度验证，若背景颗粒物浓度(标准状态下)小于20#/cm3则判定本次排放测试数据有效，否则需重新吹扫排放测试装置后，重新开始正式制动磨损颗粒物排放测试。如测试有效，则将颗粒物采样滤纸从颗粒物质量排放测试设备17取出后采用天平进行称重，并导出颗粒物数量浓度排放数据。
第六，排放数据处理。
通过求取排放测试前后颗粒物采样滤纸的质量差得到一个测试循环的颗粒物质量排放，通过颗粒物数量浓度排放测试设备18记录的颗粒物数量浓度数据计算颗粒物数量排放。
本发明在测试中，通过保证冷却空气温湿度及流量控制的稳定性，确保背景颗粒物浓度足够低以致不影响最终的试验结果，从而实现了基于销-盘式摩擦试验机的制动磨损颗粒物排放测试。
本发明具有检测周期短、成本低、重复性好等特点，依据本发明设计的装置和方法，可拓展用于铁路机车、非道路移动机械等的制动盘磨损颗粒物排放测试，因此本发明能够在制动磨损颗粒物排放测试领域得到广泛的应用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.用于制动磨损颗粒物排放测试的装置，其特征在于，包括销-盘式摩擦试验机，用于将所述销-盘式摩擦试验机的销盘摩擦机构封闭以使销盘摩擦产生的颗粒物包围其中的密闭气室，用于通过连接密闭气室入气口的进气管向所述密闭气室中输入预设温湿度以及流量的冷空气的冷却空气调节系统，与所述密闭气室的出气口连接的排气管，用于对所述排气管内同一取样截面取样以检测所述销-盘式摩擦试验机的摩擦销和摩擦盘摩擦产生的颗粒物排放质量及数量浓度的颗粒物质量排放测试设备与颗粒物数量浓度排放测试设备，以及用于检测所述排气管内的气体流量的气体流量传感器；所述销-盘式摩擦试验机的摩擦销由制动器摩擦片材料制作而成，与所述摩擦销摩擦配合的摩擦盘材料由制动盘材料制作而成；所述进气管上设置有进气空气过滤器；所述排气管上设置排气空气过滤器；所述排气空气过滤器位于取样截面的下游；所述气体流量传感器位于所述排气空气过滤器的下游。
2.用于制动磨损颗粒物排放测试的方法，其特征在于，基于权利要求1任一项所述用于制动磨损颗粒物排放测试的装置的实现，包括步骤：
S1.冷却空气气体参数设置：
所述冷却空气的气体参数包括温度的边界条件为(23±2)℃，相对湿度的边界条件为(50±5)％RH，冷却空气气体流量的边界条件为(8.0±0.2)m3/h；
S2.系统级背景颗粒物浓度测试
使温度、湿度及流量符合气体参数的冷却空气进入所述封闭气室并稳定后，读取颗粒物排放测试设备，将读取的颗粒数量浓度与预设第一阈值比较，若低于预设第一阈值则判定系统级背景颗粒物浓度符合要求，进行步骤S3；否则继续本步骤，直至判定系统级背景颗粒物浓度符合要求；
S3.制动摩擦样品磨合
将摩擦销与摩擦盘安装至销-盘式摩擦试验机，按步骤S1设置冷却空气气体参数，使温度、湿度及流量符合气体参数的冷却空气进入所述封闭气室并稳定后，启动销-盘式摩擦试验机并运行一个预设运行循环周期对制动摩擦样品进行磨合；磨合结束后，继续通冷却空气对装置内部的残留颗粒物吹扫预定时间；
S4.排放级背景颗粒物浓度验证
按步骤S1设置冷却空气气体参数，使温度、湿度及流量符合气体参数的冷却空气进入所述封闭气室并稳定后，读取颗粒物排放测试设备，将读取的颗粒数量浓度与预设第二阈值比较，若低于预设第二阈值则判定排放级背景颗粒物浓度符合要求，进行步骤S5，否则，继续本步骤，直至排放级背景颗粒物浓度符合要求；
S5.制动磨损颗粒物排放测试
按步骤S1设置冷却空气气体参数，使温度、湿度及流量符合气体参数的冷却空气进入所述封闭气室并稳定后，启动销-盘式摩擦试验机运行一个预设运行循环周期；运行结束后进行返回步骤S4,进行测试结束后的排放级背景颗粒物浓度验证，若排放级背景颗粒物浓度低于预设第三阈值，判定测试有效，将颗粒物采样滤纸从颗粒物质量排放测试设备取出后采用天平进行称重，导出颗粒物数量浓度排放数据，进入步骤S6；若测试结束后的排放级背景颗粒物浓度不低于第三阈值则判定本次测试失效，采用所述冷却空气吹扫装置后返回步骤S4；
S6.求取制动磨损颗粒物排放测试前后颗粒物采样滤纸的质量差得到一个测试循环的颗粒物质量排放，通过颗粒物数量浓度排放测试设备记录的颗粒物数量浓度数据计算颗粒物数量排放。
3.根据权利要求2所述用于制动磨损颗粒物排放测试的方法，其特征在于，所述预设第二阈值、预设第三阈值与预设第一阈值相同，为标准状态下的颗粒物数量浓度20#/cm3。
4.根据权利要求2所述用于制动磨损颗粒物排放测试的方法，其特征在于，所述预设运行循环周期包括连续运行的多个阶段，每个阶段由预定的销-盘式摩擦试验机的摩擦盘转速、摩擦销载荷以及摩擦运行时间限定。
5.根据权利要求4所述用于制动磨损颗粒物排放测试的方法，其特征在于，前四个连续编号的阶段中，销-盘式摩擦试验机的摩擦盘转速由低到高递增式配置，摩擦销载荷由低到高递增式配置；后四个连续编号的阶段中，销-盘式摩擦试验机的摩擦盘转速由高到低递减式配置，摩擦销载荷由低到高递增式配置，且与前四个连续编号的阶段中的摩擦销载荷数值相同；八个阶段中，编号为奇数的阶段的摩擦运行时间相同，编号为为偶数的阶段的摩擦运行时间相同，且编号为奇数的阶段的摩擦运行时间低于编号为为偶数的阶段的摩擦运行时间。
6.根据权利要求5所述用于制动磨损颗粒物排放测试的方法，其特征在于，前四个连续编号的阶段中，销-盘式摩擦试验机的摩擦盘转速依次为300r/min、700r/min、1100r/min以及1300r/min，后四个连续编号的阶段中，销-盘式摩擦试验机的摩擦盘转速依次为1300r/min、1100r/min、700r/min、300r/min.编号为奇数、偶数的阶段的摩擦运行时间分别为200s、250s；前四个及后四个连续编号的阶段中的摩擦销载荷配置各自为50N、100N、150N、200N。
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