|
|
XX-400型悬架装置检测台设计
一、选题背景及意义
悬架是现代汽车的重要总成之一，它是车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性地连接机构的总称。其主要任务是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，缓和路面传给车身的冲击载荷，衰减由此引起的承载检测台的振动，以保证汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。空气悬架，顾名思义，就是以空气弹簧为弹性元件，利用气体的可压缩性起弹性作用的。压缩气体的气压能够随载荷和道路条件变化而进行自动调节，不论满载还是空载，整车高度不会变化，可以大大提高乘坐的舒适性。其总成由两部分组成：第一部分主要为结构件，包括空气弹簧、减振器、横向稳定杆及各种安装支架等；第二部分为气路和控制检测台，包括空气压缩机、储气筒、空气滤清器、干燥器、限压阀、安全阀、高度控制阀组件、管路、密封件等。如图1.1和1.2所示为某客车空气悬架的前悬和后悬。
图1.1前悬 图1.2后悬
空气悬架按具体结构可分为以下三种：全长钢板弹簧并用式空气悬架、钢板弹簧后端式空气悬架、平行杆式空气悬架，分别如图1.3，图1.4、图1.5所示。
图1.3全长钢板弹簧并用式 图1.4钢板弹簧后端式 图1.5平行杆式
空气悬架还可按进气的控制方式分为机械控制式和电子控制式两种。
空气悬架因为空气弹簧具有非线性刚度特性，因此可以得到较低的固有振动频率，保证了汽车良好的行驶平顺性；而且空气悬架质量轻、弹簧刚度低，可以提高轮胎的附着能力，缩短制动距离，提高了整车的操纵稳定性；相对板簧结构而言，空气悬架车体平稳，从空载到满载的整个范围内都能有效隔断路面传递的振动，具有防震、防噪声等功能；但空气弹簧结构复杂，制造成本高；空气弹簧尺寸大，布置困难；密封环节多，密封困难。
改变车辆维修车辆检测台的改革和技术，汽车维修的发展，汽车维修人员培训，以促进教学内容，教学方法，教学设备应该是适当的改革，因为在现代汽车维修，故障检测和首次使用的诊断仪器或进行相应的检查设备，然后根据自己的知识和能力和经验，在相应的诊断综合分析服务技术人员的测试结果，下一个主要的重新做一个独立的人或数人疑难排解指南或小修的任务故障排除时间占据了总维修时间的70％，因此开发人员可以设计出故障模拟和故障分析和诊断测试站及汽车维修培训员工，车辆维修人员，以提高质量，以提高维修效率和质量。
本检测台是为了满足现代社会的需求，帮助广大汽车使用与维修专业教学人员及从事汽车控制检测台的结构的学生和教师，使用等方面的现代汽车电子控制检测台，维护和故障诊断的原则的专业技能，通过设置故障，模拟实际的症状，所以从事汽车维修人员，了解教学汽车汽车悬架装置检测台，各部件故障的状态进行深入研究，条件的工作的学生和教师的结构和工作原理。
检测台选用XX-400车型为基准，此车型在国内保有量大，其先进的悬架技术，许多传感器，执行器，，组成和基本结构原理反映了当今的悬架等检测台的发展水平，非常适用于汽车教学，同时能够配合了各种检测设备。
为了达到最为接近真实的汽车悬架所出现的故障，检测台采用XX-400原车实物进行设计，配合为教学设计的电路故障显示面板，能够最大程度的使检测台在教学中发挥其作用。检测台结构设计合理，并尽可能考虑汽车教学实际的教学要求，与此同时，检测台的设计说明书中提供了各种传感器及测试结果与标准手册示波器波形的测量，以及实质性的车载电脑电路图和各种传感器针脚的描述，让教学中的使用者更加得心应手。
二、国内外研究现状
二十世纪以来，汽车的发明以及汽车的迅猛发展，特别是到了二十世纪末期，它对人的生活方式有了极大的影响，改变了人们的出行方式，，人们对汽车的要求越来越高，要求汽车在方便出行的同时还能做到快捷、舒适、安全、可靠。由于汽车的驾驶稳定性、平顺性，乘坐舒适性越来越受到人们的重视，汽车悬架装置检测台现已成为汽车的基本设备，相关工业的发展为汽车悬架的发展提供了有效的保证，悬架装置检测台正迅速发展和普及。
最近几年，中国汽车工业发展迅速，至2014年我国生产的乘用车中，中高端轿车基本上都配置了悬架装置检测台。悬架装置检测台装置在汽车上的装有率日益增多，所以对悬架装置检测台的结构分析和检修是每一位汽车维修人员的必备技能。目前国外生产的悬架装置检测台检测台结构复杂，且价格较高，在国内汽车维修行业中应用较少，应用较多的是国产检测台。为了开发具有自主知识产权,检测设备和电子控制悬架装置检测台适合我国的情况,台架试验和分析各种电子控制悬架装置检测台的基本性质和常见的故障,我们在汽车电子控制悬架装置检测台实验平台的设计和开发,大量的工作要做。
我国早在二十世纪五十年代就对空气弹簧进行了研究，1957年初，长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所合作，进行空气弹簧橡胶气囊的设计与研究，同年底制造出我国第一辆空气悬架货车。1958年，长春汽车研究所在北京、天津、上海等地设计和协助设计了公共汽车、无轨电车以及轨道车辆等多种车辆的空气弹簧悬架。
八十年代初长春汽车研究所再次进行空气弹簧悬架的研究，并为武汉客车制造厂、瓦房店客车厂、四平客车厂等几家工厂设计了空气弹簧悬架，当时车身自振频率可降低到1.1～1.2Hz，平均车速提高了17%。悬架质量也比同车型的钢板弹簧悬架减轻了50～60公斤。这期间国产空气悬架存在的主要问题是橡胶气囊的寿命偏低和高度控制阀泄漏等没有得到很好解决。
上世纪九十年代，国内客车厂纷纷从国外购置空气弹簧悬架及空气弹簧悬架客车底盘，对其产品进行技术改进，以提高其产品的技术含量，抢占国内高档客车市场，如北方车辆制造厂、厦门金龙联合汽车公司、亚星客车集团公司等。同时国内各大汽车厂、研究所、大专院校也对空气悬架进行开发设计和理论研究。如东风汽车工程研究院，中国重型汽车集团公司，上海汇众汽车制造公司，淝河汽车制造厂，交通部重庆公路科学研究所，江苏省交通科学研究院，湖北大学，同济大学，北京理工大学等。在这段时期沈阳飞机制造公司和交通部重庆公路科学研究所起草了GB11612-89《客车空气悬架用高度控制阀》和GB/T13061-1991《汽车悬架用空气弹簧－橡胶弹簧》国家标准，为高度控制阀和橡胶气囊国产化提供了标准。
为了满足空气弹簧悬架维修配件的需要，近年来国内一些企业正在生产空气弹簧悬架零部件，如贵州前进橡胶有限公司、山东莱州市橡胶厂、铁道部四方车辆研究所等厂家，主要生产各种膜式和囊式空气弹簧气囊，应用于汽车、铁路车辆和一些机械设备上。也有些曾经生产过或正在生产高度控制阀的厂家，如铁道部科学研究院机车车辆研究所，华中理工大学，中国电子工程设计院，交通部重庆公路科学研究所，浙江瑞安市东欧汽车零件厂等。
国外的XX-400型悬架装置设计技术发展的相对较为成熟，而在我国，长春汽车研究所早在1957年就开始了XX-400型悬架装置技术的研究，不少高校与研究机构也做过大量工作，并取得了一些研究成果。至于试验台的研究设计目前国内也就只有几所大专院校正在进行，有些还仅限于仿真阶段，基本上没有详细、全面的科研成果。
三、发展趋势
随着我国公路运输业的发展，人们对汽车行驶平顺性和操纵稳定性提出更高的要求。在传统的被动悬架中各参数一经确定就无法改变，从而限制了汽车性能的进一步提高。阻尼或刚度参数可调节的半主动悬架，可以根据汽车的行驶状态和道路激励大小自动调节悬架参数，使其始终保持在最优设定状态，提高了汽车行驶平顺性和操纵稳定性，空气弹簧悬架具有自振频率低、弹簧刚度可调、振动及噪声小、使用寿命长等特点，推广使用空气弹簧悬架可以有效地解决上述问题。
目前，国内外对半主动空气弹簧悬架已经进行了一些研究，尤其是在空气弹簧悬架设计和空气弹簧悬架控制及整车匹配技术方面做了大量开创性的工作。但是，对于空气弹簧悬架的研究必须从实验室开始，实验室研究又必须以检测台为基础。至于检测台的研究设计目前国内也就只有几所大专院校正在进行，有些还仅限于仿真阶段，或者进行某个部件的试验研究，基本上没有详细、全面的科研成果。
本检测台检测台方案的设计就是为了能够更好的设计出符合研究和试验使用的检测台而进行的。通过对空气悬架装置检测台的各种元件进行正确的选型和论证，构造出符合研究和试验使用的检测台就是本论文的目的和内容。研究用检测台一旦成功设计制造出来，它将最大可能的模拟车辆悬架装置检测台的真实的工作情况，试验出来的准确数据将是实际车辆悬架装置检测台设计、生产和制造的直接参考依据，试验数据的正确与否将关系到实际车辆悬架装置检测台设计、生产和制造流程的周期与成本。因此，本论文所研究的关于汽车空气悬架试验检测台方案设计整个悬架装置检测台设计、生产和制造流程中最为关键，也最为重要的第一步。
四、汽车悬架装置检测检测台的构成和工作原理
4.1 汽车悬架装置检测检测台的构成
汽车悬架检测台的结构包括台架底座、对称的悬架检测支撑台面和外框架台面，以及压力传感器、信号放大器、继电器和光电开关等电气控制检测台。在台架底座上左右分别安装对称的激振器，激振器由在台架底座中央的电动机、弹性联轴器、对称的两个偏心轮、偏心轮中间的储能飞轮和穿过上述部件的偏心轴所构成，在与各个偏心轮连接的托动横两端，分别安装连接在台架底座和托动横梁间对称弹簧导向机构；在激振器托动横梁上安装检测载荷的压力传感器，在压力传感器上方安装M型结构的振动板，以保证停车位置准确。（见图-1）
悬架装置检测检测台配套的电子电器控制部分由工业控制计算机、LED显示灯屏、压力传感器、A／D 采集板、I/O采集板、模拟信号放大器、电磁继电器、交流接触器及软件控制检测台组成。(见图-2)
4.2 悬架装置检测检测台的工作原理
在检测时，将汽车驶上支承平台，启动检测台控制软件程序，首先由光电开关判断车辆到位，通过台面的压力传感器采集驶上台架后车辆的该轴的左右轮静态轮荷，然后判断该轴的轴重是否超出检测台的额定承载质量，如果超出则测试失败，反之，启动左（右）电动机，由左（右）电动机带动检测台的偏心机构，使检测台的激振器和检测车辆的悬架装置产生振动，直到储能飞轮的角频率达到稳定的强迫振动后，由软件控制继电器，断开左（右）电动机的电源，这时检测台的储能飞轮则以达到稳定后的角频率为的进行阻尼振荡，因为储能飞轮的角频率比检测车辆车轮的固有频率要高，所以在储能飞轮逐渐减速的的阻尼振荡过程中，总能够扫描到车轮的固有频率处，这时检测台的激振器和检测车辆的悬架装置产生共振，使测试车轮在检测台的动态垂直载荷的峰值达到最大。在断开左（右）电机电源的同时，启动软件数据采集模块，采集波形数据直到台面停止振动，然后再进行右车轮的检测，完成后对数据的分析处理，计算悬架效率、谐振频率和测试的结果进行评价。
五、悬架装置检测台的数据分析处理和软件控制流程
5.1 悬架装置检测台的数据分析处理
本文所介绍的谐振式悬架检测台是通过测试车轮作用在激振台板上的垂直载荷的变化来评价悬架特性的。GB18565—2001规定，用悬架检测台检测时，受检车辆在受外界激励振动下测得的吸收率（被测汽车共振时的最小动态车轮垂直载荷与静态车轮垂直载荷的百分比值）不得小于40%，同轴左右吸收率之差不得大于15%。由此可见，我们对采集到的波形进行分析，应该首先找到共振时的车轮最小垂直载荷，然后计算出该车轮悬架的谐振点，才能计算出该车轮的悬架吸收率。计算公式如下：
=X100% （公式-1）
-悬架吸收率 -共振时最小动态车轮垂直载荷 -静态车轮垂直载荷
图-3为测试车辆悬架效率的衰减振动时域曲线，横坐标为时间，纵坐标为动态轮荷。从谐振式悬架检测台的技术参数和检定规程可知，检测台的激振频率>15Hz，因此要确保完整的记录悬架的衰减振动曲线，必须有足够的采样频率，如果采样的频率不够，则无法完整的记录振动曲线的一个周期，造成信号的失真，导致计算悬架吸收率和谐振频率的数据不准确。通过试验和理论计算，我们把采样频率设定为4ms采样一组数据，就能确保振动曲线的周期完整性，信号基本不失真，减小了悬架吸收率和谐振频率计算的误差，提高了检测台的测试精度。
对悬架效率的衰减振动时域曲线的分析处理过程：
对采集记录的波形进行五点三次拟合进行平滑，减少采样过程中的干扰点对信号的影响。
根据测试的车轮的静态轮荷对悬架吸收率的波形进行半波处理，只留下小于静态轮荷的有效采样点，减小计算的工作量。
使用峰值包络线求极值的方法，剔除低频振动干扰点，得到最小动态车轮垂直载荷。并根据（公式-1）计算出车轮的悬架吸收率。
根据得到的最小动态车轮垂直载荷的采样点时刻，分析曲线，计算出峰值点的周期，得到车轮和检测台面的谐振点频率。在数据处理上，为了减小测试的误差，一般采取分析峰值点和相邻两个峰值点的周期，计算3个周期的平均值，然后得到谐振频率。
分别求得左右轮的悬架吸收率后，计算同轴左右轮的悬架吸收率的效率差。
根据GB18565-2001标准，对该轴的悬架吸收率和效率差进行评价。
5.2 软件控制流程
悬架装置检测台检测台软控制软件的功能主要是：（1）通过A/D采集板来采集悬架试验台的高精度压力传感器产生的电压信号，并根据线性标定的方法将其转换为车轮的动态垂直载荷，以用来分析计算悬架吸收率所需的数据。（2）通过读取和写入I/O采集板的数据来控制左右电机的动作和车辆的到位状态。（3）通过RS-232串口与LED灯屏通讯，实现测控检测台与外部设备的状态和最终数据结果的显示。（4）对测控检测台采集的车轮衰减振动曲线进行分析计算处理，得到最终的悬架吸收率、效率差和谐振频率等数据，并对其进行评价。（5）将评价数据和振动曲线的检测结果以报告的形式打印出来。总之，检测台软控制软件是电器部分和机械部分联系的纽带，是整个控制检测台的核心部分。
悬架装置检测台检测台软件采用C++ Builder6开发完成，数据管理检测台采用Access数据库，应用程序通过ADO与数据库连接，为提高编程的效率和数据管理的可靠性提供了有利的保证。检测台具有测试过程信息智能提示、测试流程自动控制、数据管理及可与检测线联网操作的特点。
控制软件的流程框图如下：（图-4）
六、总结
检测台采用先进的共振法测力技术，通过快速扫频、激振原理实现快速不解体地测定汽车悬挂装置的实际状况，进而判定汽车悬挂装置、主要是测试减震器性能及品质忧劣。在电器上采用高精度传感器和信号放大器，且具有很强的抗干扰能力，性能稳定可靠，使用了高速采集的16位A/D采集板，保证了检测台检测数据采集的实时性和高精度。通过硬件和软件的双滤波，有效的控制了外界干扰信号对检测台的影响，使得测试的数据更加稳定、准确可靠。具有界面友好，易于操作，可以提高工作效率。使用结果表明,谐振式悬架装置检测台性能稳定,结合高精度的电器控制检测台和先进的软件算法，能够满足汽车悬架装置性能检测的需要。
参考文献
[1] 江浩斌,张怡,袁云良.汽车悬架特性检测技术和设备的比较及应用研究 [J].汽车技术,2007(3):32～36.
[2] 左曙光,林旿,赵清理,等.新型汽车悬架检测台建模与仿真[J].同济大 学学报,2004,32(3):387～391.
[3] 韩建保,云志刚.汽车悬架动载性能检测与理论分析[J].汽车工程, 2002,24(3):250～262.
[4]EDDYSo,DJOKICB.AComputer2ControlledCurrent2Comparator2Based Four2TerminalResistanceBridgeforPowerFrequencies[J].IEEETransac2tionsonInstrumentationAndMeasurement,2001,50(2):272～274.
[5]WANGChang2ting.AVirtualInstrumentationSystemforIntegratedBearing ConditionMonitoring[J].IEEETransactionsonInstrumentationAndMeas2urement,2000,49(2):325～332.
[6] 王会贤,庞全.采用单臂电桥实现高精度温度检测的软件补偿技术[J]. 仪表技术与传感器,2000(10):28～30
[7]国家质量监督检验检疫总局，GB18565—2001 营运车辆综合性能要求和检验方法[S]。北京：中国标准出版社，2002
[8]国家质量监督检验检疫总局，JJF 1192—2008 汽车悬架装置检测台校准规范[S]。
[9]交通部公路司审定。汽车综合性能检测[M] 。上海：上海科学技术文献出版社，1999
[10]苗泽清，张连合等。 汽车检测人员岗位培训教材[M]。北京：人民交通出版社，2005
[11]石家庄华燕交通科技有限公司。机动车检测培训教材（原理篇）[R]，2009
[12]管致中，夏恭恪。信号与线性系统。高等教育出版社[M]，1992
