（光学工程专业论文）汽车减振器电液伺服试验台的研制及测控系统开发.pdf

西华大学硕士毕业论文 汽车减振器电液伺服试验台的研制及测控系统开发 车辆工程专业 研究生万杰指导教师陈狮教授 汽车振动是影响汽车性能的重要因素，这种振动会严重影响汽车的平顺性 和操纵稳定性以及汽车零部件的疲劳寿命。车辆减振中，起主要作用的是悬架 系统，而悬架系统中起主要作用的是减振器，为此，研究和提高减振器的性能 具有非常重要的意义，而减振器的性能效果的提高依赖于其测试技术的发展。 目前，国内使用的机械式振动试验台，存在着试验信号单一、误差大、难以达 到多工况快速试验的标准，而电液式振动试验台多依赖于国外进口，价格比较 昂贵，本课题主要开发一个功能比较完善而价格合理汽车悬架减振器电液伺服 试验台。该试验台可以提供简谐波、方波、锯齿波、随机路面谱等信号，并具 有较好的跟随性，可以进行各种减振器特性试验。 本课题采用生产厂家专门提供的s v 0 5 汽车减振器电液伺服试验台系统液 压动力源。通过匹配高速伺服阀来实现试验信号，在液压设备确定之后，依据 减振器的试验行程和设备结构尺寸，设计满足实验强度的、刚性好的试验台台 架和试验夹具，保证结构设计在试验允许误差范围内，并完成相应安装和调试。 利用m a t l a bs i m u l i n k 对该试验台的电液伺服控制进行仿真，通过仿真的 结果表明，试验台的输出对输入具有比较理想的跟随性，可以为试验提供所需 要的激励信号。通过简化汽车模型，建立1 4 车一台振动系统模型，可以进一步 研究悬架阻尼和刚度匹配问题，从而更大限度地模拟汽车减振器的实际使用工 况，并可对平顺性进行分析。然而实际的液压控制系统往往存在一定的延迟， 依据厂家提供的频率与相移误差表，应用s m i t h 相位预估和p i d 控制，对试验 台补偿系统延迟并优化其各项性能。 本项目采用u s b 2 0 8 8 采集卡、p c i 2 3 0 6 一d a 卡及各类所需传感器作为测控 i 西华大学硕士毕业论文 系统的硬件，应用l a b v i e w 软件对信号的发生和采集进行编程，通过测控系统 产生试验信号，经过放大和调节，输出电流信号，使液压缸活塞按要求的方向 和速度运动，并带动减振器运动，位移、速度、力和加速度通过各类传感器获 取，作为试验所需的信号，经过一定调理和分析，得到要求的减振器性能曲线。 试验台采用计算机通过测控系统进行试验过程的自动控制、数据采集，并自动 生成减振器的示功特性和速度特性曲线。能方便的进行数据处理和在线存储和 打印。 关键词：减振器；电液伺服；路面谱；试验台；测控系统 n 西华大学硕士毕业论文 d e v e l o p m e n to fe l e c t r o - - h y d r a u l i cs e r v ot e s tb e n c h f o ra u t o m o t i v e s u s p e n s i o nd a n di t s m e a s u r e o t i v ea m d e ra n di t se a s u r e1 0 7 a n dc o n t r o ls y s t e m v e h i c l ee n g i n e e f i n g p o s t g r a d u a t e ：w a nj i es u p e r v i s o r ：c h e nc h o n g a ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c hi m p a c ta u t o m o b i l ep e r f o r m a n c ei sv i b r a t i o n ，a n d v e h i c l er i d i n ga n dh a n d l i n gs t a b i l i t yp e r f o r m a n c ea n dt h ef a t i g u el i f eo fa u t o m o t i v e c o m p o n e n t si si m p a c t e db a d l yb yt h i sv i b r a t i o n i na u t o m o t i v ev i b r a t i o nr e d u c i n g ， s u s p e n s i o na c t st h em a i np a r t ，a n da sap a r to fs u s p e n s i o n ，d a m p e rp l a y sd o m i c i l i a r y s oi ti sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et os t u d ya n di m p r o v e d a m p e rp e r f o r m a n c e ， a n di td e p e n d so nt h ed e v e l o p m e n to ft e s t i n gt e c h n i q u e n o w , i n0 1 1 1 c o u n t r y , t h e m e c h a n i c a lt e s tb e n c hu s e dp r e v a l e n t l yh a ss o m ev i c e s ：o n l yo n et e s tw a v e ，b i gt e s t e r r o r , d i f f i c u l tt oa c h i e v em o r eo p e r a t i n gc o n d i t i o nt e s tt om e e tt h et e s tc r i t e r i o n e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v et e s tb e n c hm o s t l yi m p o r t e df r o ma b r o a d ，c o s th i g h l y t h e a i mo ft h i sp a p e ri st od e v e l o pa ne l e c t r o - h y d r a u l i ct e s tb e n c hf o ra u t o m o t i v e s u s p e n s i o nd a m p e r , w h o s ef u n c t i o ni sp e r f e c ta n dp r i c ei sl o w t h i st e s tb e n c hc a n p r o v i d eav a r i e t yw a v e f o r m si n c l u d i n g ：s i n e ，s q u a r e ，s a w t o o t h ，r a n d o mr o a ds u r f a c e t h es e l v op e r f o r m a n c eo fo u t p u tr e l a t i v et o i n p u ti sb e t t e r , i tc a nd om a n yt y p e t a m p e rp e r f o r m a n c et e s ti nt h i st e s tb e n c h t h i st h e s i sa d o p t st h eh y d r a u l i cd r i v ew h i c hi sd e s i g n e df o rs v - 5a u t o m o t i v e d a m p e re l e c t r o - h y d r a u l i ct e s tb e n c hp r o v i d e db ym a n u f a c t u r e r b ym a t c h i n gt h eh i g l l s p e e ds e r v o - v a l v e ，t or e a l i z et h et e s t i n gs i g n a l s w h i l et h eh y d r a u l i ce q u i p m e n t h a sb e e nf i x e d ，t h et e s tb e n c hf r a m ea n dt e s tc l a m pw h i c hm e e tt h et e s ti n t e n s i t ya n d r i g i d i t ya r ed e s i g n e da c c o r d i n gt od a m p e r st e s t i n gj o u m e ya n dh y d r a u l i ce q u i p m e n t i i i 西华大学硕士毕业论文 s t r u c m r e ，a n da l s oi n s u r et h a tt h ed e s i g nt o l e r a n c eo fs t r u c t u r ei si nt h el i m i to f t e s t i n ga l l o we r r o r s ，a c c o r d i n g l y , a c h i e v et h ei n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n g t h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e mo ft e s tb e n c hi ss i m u l a t e di nm a t l a b s i m u l i n ki nt h i sp a p e r i ti ss h o w nt h a tt h es e r v op e r f o r m a n c eo fo u t p u to ft e s t b e n c hr e l a t i v et oi n p u ti sv e r yp e r f e c t i ti sa l s oi n d i c a t e dt h i st e s tb e n c hc a np r o v i d e av a r i e t yw a v e f o r m st o s a t i s f yd a m p e rp e r f o r m a n c et e s t i n g b ys i m p l i f y i n gt h e a u t o m o b i l em o d e la n db u i l d i n gaq u a r t e rc a rm o d e l - b e n c hv i b r a t i o ns y s t e m ，t h e f u r t h e rr e s e a r c ha b o u tt h em a t c h i n go fs u s p e n s i o nr i g i d i t ya n dd a m pa n da p p r a i s eo f c o n v e n i e n c ec a l lb er e a c h e d ，w h i c ha l s of u r t h e s ts i m u l a t et h ea c t u a lw o r k i n g c o n d i t i o no ft h ed a m p e r h o w e v e r , a c t u a l l y , h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mc o n t a i n st h e c h a r a c t e r i s t i cd e l a y a c c o r d i n gt ot h et a b l eo ff r e q u e n c ya n dp h a s ed i f f e r e n c ew h i c h p r o v i d e db yt h em a n u f a c t u r e r , a p p l yt h em e t h o do fc o m b i n i n gt h es m i t hp h a s e f o r e c a s ta n dp i dc o n t r o l ，c o m p e n s a t et h e d e l a y ，o fs y s t e ma n do p t i m i z et h e p e r f o r m a n c eo fs y s t e m u s b 2 0 8 8d a t ac o l l e c t i o ni n t e r f a c e ，p c i 2 3 0 6 一d aa n dav a r i e t yo fs e n s o rh a v e b e e na d o p t e da st h eh a r d w a r eo fm e a s u r ea n dc o n t r o l s y s t e mi nt h i sp r o j e c t b y p r o g r a m m i n gt os i m u l a t et h et e s ts i g n a la n dc o l l e c td a t ai nl a b v i e ws o f t w a r e w h e nt h ea c t i o ns i g n a li ss e n do u tb yc o m p u t e r , i ti sa m p l i f i e da n dm o d u l a t e d o u t p u ti se l e c t r i cc u r r e n ts i g n a lw h i c hm a k eh y d r a u l i ca c t u a t o rm o v i n ga c c o r d i n gt o r e q u i r e dd i r e c t i o na n dv e l o c i t y , m e a n w h i l et h ed a m p e rm o v ea c c o r d i n gt ot h e a c t u a t o rm o v e m e n t t h ed i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t y , f o r c ea n da c c e l e r a t i o ni sm e a s u r e d b yt h e s e n s o rr e s p e c t i v e l y t h es i g n a l sa r ei n p u tt oa dc o n v e r t e r , r e q u i r e dd a m p e r c h a r a c t e r i s t i cs p o ti sg a i n e db yp r o c e s s i n gt h e s ed a t a c o m p u t e ra n dm e a s u r e & c o n t r o ls y s t e mi su s e di nt e s tb e n c ht oa u t o m a t i cc o n t r o lt e s tp r o c e s s i n g ，a n da c q u i r e t e s td a t a , a n dm a k ef o r c e ，d i s p l a c e m e n ta n df o r c e v e l o c i t yp l o to fd a m p e r t h ed a t a a n dp l o ti ss a v e da n dp r i n t e dc o n v e n i e n t l y k e y w o r d s ：d a m p e r , e l e c t r o - h y d r a u l i cs e l - v o ，r o a ds u r f a c es p e c t r u m ，t e s tb e n c h ， m e a s u r e c o n t r o ls y s t e m i v 西华大学硕士毕业论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学位 论文或证书所使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明1 9 1 月多日 莎月乡日 西华大学硕士毕业论文 1 引言 1 1 研究目的和意义 汽车振动是影响汽车性能的重要因素，这种振动会严重地影响汽车的平顺 性和操纵稳定性以及汽车零部件的疲劳寿命。另外，严重的汽车振动还会影响 汽车的行驶车速和产生噪声。所以研究汽车振动，并将它控制到最低水平，将 是一项有重大意义的工作。减少汽车振动有两个途径：一方面要改善路面，减 少振动来源，另一方面要求车辆对路面不平度有良好的隔振性能。汽车的减振 一般有三个环节：即轮胎、悬架和座椅。其中起主要作用的是悬架系统f l 】。 汽车悬架性能的好坏，对汽车的使用性能影响很大。研究结果表明，汽车 在不平的道路行驶时，所产生的振动不仅严重影响了汽车行驶平顺性，而且还 影响汽车的其它使用性能。例如，在不平的道路上使用的载重汽车，其平均行 驶速度降低4 0 5 0 ，修理间隔里程缩短3 5 , - 4 0 ，燃料消耗增加5 0 7 0 ， 汽车的运输生产率降低3 2 - 3 6 ，而运输成本则增加5 0 7 0 t 2 1 。现代汽车 不管是矿用车还是高级轿车，其发动机功率及汽车的比功率( 即单位汽车总质 量具有的发动机功率) 都有比较大的提高，而要提高汽车的平均行驶速度，则 常常受到悬架性能的限制。汽车在高速行驶时，也常因悬架性能较差，颠簸太 大而不得不降低车速，即使汽车装备了大功率的发动机，也不能充分利用发动 机的功率。汽车悬架系统对于汽车行驶过程中的舒适性和操纵稳定性都起着关 键作用，而在悬架系统中，主要起减振作用的就是减振器，因此，改进和提高 减振器的性能对提高汽车的行驶性能和提高汽车产品质量具有非常重要的意义 口】 0 减振器的设计理论很多是建立在简化了的数学模型基础上的，与实际情况 有一定差别。因此在实际设计中，必须利用试验手段来验证设计结果和实际使 用效果，减振器设计技术的发展可以说是依赖于其测试和试验技术的发展。目 前，我国汽车减振器的试验设备和实验手段比较落后，试验规程和实验方法也 存在一定问题，这些严重地制约了我国减振器行业的发展。我国减振器行业正 处于一种低级模仿阶段，还不能进行自主设计和开发减振器，对于研制一些性 能要求高的轿车减振器只能望尘莫及了，为了推动我国减振器行业发展，必须 西华大学硕士毕业论文 先大力发展减振器的测试和试验技术，研制具有优良性能的汽车减振器电 液伺服试验设备，以提高我国的减振器试验手段1 4 1 。 1 2 汽车减振器台架试验方法 对于减振器的性能检测规范，各国均有自己的标准。由于中国的道路条件 与国外还有一定差距，下面简要介绍一下我国的汽车筒式减振器的台架试验方 法【15 1 。 1 2 1 示功特性试验方法 减振器的示功特性是指减振器往复运动过程中阻尼力与减振器活塞位移之 间的关系。减振器的示功特性试验方法参考q c t 5 4 5 1 9 9 9 汽车筒式减振器 台架试验方法，有关内容如下： ( 1 ) 试件温度r ：2 0 2 ： ( 2 ) 试件试验行程s ：1 0 0 _ + 1 ( n u n ) ； ( 3 ) 试件动作频率力：1 0 0 + 2 ( c p m ) ； ( 4 ) 速度v ( 毗) ：根据( 2 ) 和( 3 ) ，并由下式决定减振器活塞速度： 1 ，：尘罢1 0 4 o52(m=tl m s 一)( 1 1 ) 1 ，= 一1 ( 1 1 ) o 当减振器的使用行程较小，不宜选用l o o m m 的试验行程测试时，可由制造 厂与用户商定测试行程并确定试验速度值； ( 5 ) 试验方向：铅垂方向； ( 6 ) 试验位置：大致在减 振器行程的中间位置； ( 7 ) 定期检查测试系统的 零漂和温漂，并及时进行调整； ( 8 ) 进入测试系统状态后 先预热3 0 分钟，使系统处于稳定 的工作状态： 2 厂、- 【7 l诗 f i g 1 - 1f o r c ev sd i s p l a c e m e n tp l o t 图1 - 1 某减振器的示功图 西华大学硕士毕业论文 ( 9 ) 安装试件，试件与试验台夹具间的间隙不大于o 1 m m ； ( 1 0 ) 按规定激振要求，在试件往复3 5 次内进行测试，并记录示功图； ( 1 1 ) 计算阻尼力，如图1 1 所示。 弓= a ， ( 1 - 2 ) 0 = 6 ， ( 1 3 ) 式中：p ，复原阻力，n ： 只，压缩阻力，n ； 口示功图复原部分与基准线的最大距离，n l n l ； b 示功图压缩部分与基准线的最大距离，n l l t l ； ，试验台测力元件的标定常数，n m m 。 1 2 2 速度特性试验方法 减振器的速度特性是指减振器往复运动过程中阻尼力与相对速度之间的关 系。汽车减振器的速度特性试验的方法，参考q c f r 5 4 5 1 9 9 9 中汽车筒式减 振器台架试验方法，标准的有关内容如下： ( 1 ) 试件温度f ：2 0 + 2 ( ) ； ( 2 ) 试件行程s - 2 0 , - - 1 0 0 ( n u n ) ； ( 3 ) 速度1 ，( m s ) 可以根据下式决定： ，：! ：兰：! 1 0 一4( 1 4 )，= l u ki q j 6 式中：甩为( c p m ) ，最高速度须高于1 5 m s ： ( 4 ) 方向：铅垂方向； ( 5 ) 位置：大致在减振器行程的中间部分。 减振器速度特性的测量方法有两种：一种是直接记录法，另一种是多工况 合成法。利用速度特性试验台通过电测量装置，利用传感元件取得减振器活塞 的速度和相应的阻力信号：将该两信号同时输入记录装置而直接获得减振器的 速度特性的方法称为直接记录法。该方法操作简单、测量准确、误差小、效率 高，目前大都采用该方法进行减振器的速度特性检测。通过变化测试行程( s ) 或测试频率( 刀) ，而取得变化的速度值( v ) ，及相应工况下的阻力( p ) 形成速 3 呈燮堡主望些笙塞 度特性的若干点，最终光滑连接构成速度特性尸- v 的试验曲线，这种测量方法 被称为多工况合成法。多工况合成法根据改变的参数不同又分为如下两种形式： i ) 固定行程，变化频率时： 利用多功能示功试验台振动频率无级可调的特点，测量出减振器在同一行 程下不同振动频率( 速度) 时的示功曲线，根据式( 1 4 ) 计算出各工况下的速 度极限值( 1 ，) ，利用示功曲线图可以作出减振器的速度特性曲线图，如图1 2 所示。 2 ) ，固定频率，改变行程时： 这种方式只有在试验台的行程能够实现无级调节时才可以检测，使振动保 持一定的频率( 一般取1 0 0 次分钟) ，从小到大或从大到小逐渐改变测试行程， 并测出不同行程下的示功曲线图，根据式( 1 4 ) 计算出各个工况下的速度极限 值( v ) ，利用示功曲线图中的阻尼力极限簟( 尸) 可得到减振器的速度特性曲线 图，如图1 - 3 所示。 多工况合成法工作量较大，时间较长，尤其是固定频率而改变行程时，通 常行程的调节比较麻烦，而且容易产生测量误差和系统误差，适合于试验研究 和分析时采用，由于多工况合成法测量点数有限，曲线不连续，局部的缺陷有 时不能反映出来，而且存在着一定的测量和计算误差，因此给研究工作也带来 一定障碍。但是，采用电液伺服试验台，利用软件控制试验的频率和行程，就 ，a 噜 厂 、 i 一 彦慧 l 卅ij 纩n 。 。1lli 蕙豸| 骷比 o 唧qh h m sj f i g 1 - 2f o r c ev sv e l o c i t yp l o tb y c h a n g i n gf r e q u e n c y 图1 - 2 固定行程变化频率时的速度特性曲线 4 西华大学硕士毕业论文 f i g 1 3f o r c e v sv e l o c i t yp l o tb yc h a n g i n ga m p l i t u d e 图1 3 固定频率变化行程时的速度特性曲线 1 2 3 温度特性试验方法 温度特性是减振器的又一主要特性，减振器在工作过程中产生大量的热， 在高温情况下，由于油液粘度变稀，减振器的阻尼力会减小，因此在不同温度 下进行示功试验，检查并考核其温度特性，常以1 0 0 时阻尼力衰减率为指标。 温度特性试验方法参考q c f r 5 4 5 1 9 9 9 汽车筒式减振器台架试验方法， 有关内容如下： 1 ) 试验目的：测定温度特性p f 曲线及计算热衰减率。 2 ) 试件温度：3 0 ，一2 0 ，1 0 ，o ，2 0 ，4 0 ，8 0 ，l o o ，测温允差3 。 在达到所规定温度后，保温1 5 小时。 3 ) 试验行程：l o on l n l 或根据要求规定。 4 ) 速度：0 5 2 m s ，或根据要求规定。 5 ) 方向：铅垂方向。 6 ) 位置：大致在减振器行程的中间部分。 7 ) 按2 ) 中规定温度分别作示功试验。 8 ) 根据试验结果画出试件的温度特性p f 曲线。 9 ) 按o 5 2 m s 或规定速度的试验结果计算热衰减率。 复原( 压缩) 热衰减率： = l 等鱼j 1 0 0 ( 1 5 ) 西华大学硕士毕业论文 式中，只o ，只分别表示试件在2 0 。c ，1 0 0 c 时的阻力，下标 y 了分别表示 复原、压缩工况。 1 3 汽车减振器外特性试验设备介绍【4 】 汽车减振器的外特性是指减振器的示功特性、速度特性和温度特性，减振 器的外特性直接决定了减振器的使用性能，其外特性的好坏需要专门的试验设 备来检测。随着试验设备的发展和试验规范的不断完善，对减振器的试验要求 也不断提高，使得减振器的性能测试结果越来越准确。到目前为止，汽车减振 器试验设备的发展主要经历了机械式、示波器式、电测式、电液伺服式等几个 阶段。 1 3 1 机械式示功试验台 机械式示功试验台是最早采用的减振器示功特性试验台。该试验台的特点 是结构简单、性能稳定、可靠，测量结果不易受到外界的干扰，因而在一定范 围和时期内曾得到应用。缺点是精度较差，无法避免机械误差、系统误差和测 量误差。另外，高低频试验受到限制，不能绘制速度特性曲线图。由于扭力杆 本身具有滞后性，反映到示功图上也有滞后，示功图在理论上只能作参考，更 主要的是生产和试验效率低，每一只试件测完后还需要测量和换算检测结果， 这是该设备不能适应高效生产的主要原因，目前机械式示功试验台已逐步被淘 汰。 1 3 2 示波器式示功试验台 随着电子技术的发展，各种电子元件开始在试验设备中广泛应用，给设备 的检测和控制带来方便，电子行业出现了各种精度较高的传感器，该试验台系 统的激振部分与机械式示功试验台相同，从测试精度上评定示波器式试验台要 比机械式高很多，操作更加简单，测试效率明显提高，减少了很大一部分系统 误差和测量误差。但是该系统仍然存在无法避免的缺陷，就是测试结果很难保 存下来，不能形成文件，而且图像滞留时间非常短，给分析和研究带来很大困 6 西华大学硕士毕业论文 难，因此该系统只适应生产过程中的检测。目前这种试验台很少被采用，属于 过渡性的一种减振器试验设备。 1 3 3 电测式减振器性能试验台 电测式减振器性能试验台( 以下简称电测式试验台) 被称为计算机控制式 性能试验台或计算机控制式示功、速度特性试验台，该试验台可以完成各种减 振器的示功特性、速度特性及温度特性的检测。 微机测控系统可以把工业现场的模拟量、开关量及脉冲量由放大电路和模 数转换电路送给微型计算机，由微型计算机进行数据的采集、处理和分析，并 显示测量结果。计算机根据要求输出的各种数字信号经过数模转换电路、放大 电路及相应控制系统可以实现对设备的自动控制，从而实现理想的闭环控制系 统。电测式试验台就是利用这个原理开发的试验设备。 ( 1 ) 电测式试验台的硬件系统 电测式试验台主要由典型的激振系统、力传感器、位移传感器、a d 转换 器、d a 转换器、微型计算机及其外设等组成。图1 4 为电测式试验台的原理 图，激振系统带动减振器作规定要求的正弦激振。阻尼力的变化量通过拉压力 传感器转化为电压信号，电压信号经过前置放大器将信号进行放大和滤波后传 给a d 转换器。减振器的振动位移量同样经过放大、滤波和转换后送给计算机 进行数据处理和分析。分析结果可以在显示器上显示出来或者送往打印机进行 数据输出。这就是计算机的数据采集过程。利用计算机可以实现对激振系统的 自动控制，计算机通过软件输出相应的数字信号送给d a 转换器。由于输出的 模拟信号有时还不足以进行对其它装置的控制，因此还需要对信号进行功率放 大，放大后的信号通过模拟控制系统可以实现对激振系统的自动控制，如振动 速度的快慢和停开机等。这样整个系统就形成了一个闭环操作系统，减少了大 量人为的工作过程测量精度有很大的提高。另外，电测式试验台通过加装速 度传感器和完善的测试软件可以完成减振器的速度特性检测，如果配以理想的 温度控制系统还可以进行减振器温度特性的检测。 电测式试验台由于其激振系统的不同分为两种型式，一种是固定行程、固 定频率激振系统的试验台；另一种是可变行程、可变频率激振系统的试验台。 7 西华大学硕士毕业论文 根据生产线的在线检测特点，使用普通电机作动力，通过减速系统带动曲 柄连杆机构，实现固定频率和固定行程的正弦激振。这种结构的试验台性能比 较稳定，测量准确度较高，电测系统的干扰容易控制，而且对于阻尼力较大的 试件，其测试过程中的波动也非常小。目前这种设备在大多减振器生产厂家的 生产线上起着控制产品性能和质量的作用，有些生产线上几乎每支产品都要通 过其检测合格，其检测过程中一般不需要复杂的调整，检测效率非常高。 俣 一力传感器卜叫信号放大器卜 数 一键盘 转 _ l 激 一速度传感器h 信号变送器卜 换 微 振 器 型 系 酉 计 一显示器j 统 模 算 机 叫模拟控制器卜+ 一功率放大器卜 转 一 一打印机 换 器 f i g 1 - 4t h ep r i n c i p l eo fe l e c t r i c i t ym e a s u r e m e n td a m p e rt e s tb e n c h 图1 4 电测式试验台原理图 由于这种试验设备的测试范围小，不能够较全面地反映减振器的特性，如 低速时摩擦阻力的检测、高频特性的检测等，给减振器的试验研究和分析带来 困难，企业在进行产品开发时也受到一定的限制。 为了实现高标准检测，采用普通的试验设备已不能满足需要，目前国内许 多减振器厂家和科研单位已经开始采用调速电机带动曲柄( 曲柄长度无级可调) 连杆机构，实现变频率、变行程的激振系统。 ( 2 ) 电测式试验台的软件系统 电测式试验台主要由功能齐全的软件系统来控制，通过人机对话的方式实 现操作的有序控制。测试软件兼顾产品装配的在线检测和试验研究的使用，在 保证测试精度的前提下，测试时间越短越好，尽可能缩短程序的执行时间。根 据试验的特点，软件通常采用模块化方式，主要有测试主程序、标定系统子程 序、示功特性( 速度特性) 子程序、数据显示输出子程序、数据存储和调用子 程序、激振系统控制子程序等。有的还有信号滤波、系统帮助和诊断等子程序。 测试软件可以实现开机后自动引导进入工作状态，能够自动控制电机的启 8 西华大学硕士毕业论文 动、停止和速度变化，根据节拍自动检测示功特性( 速度特性) 并绘制特性曲 线图，可以输入到打印机或者存入磁盘，随时调用。能够根据输入的技术参数 要求自动判断试件是否合格及故障点，并显示明显的标识或发出声音提示。可 以自动校正传感器的零漂和温漂，随时转换测试量程的增益，并能对硬件系统 进行监测和诊断。 1 3 4 电液伺服式性能试验台 随着减振器试验手段的逐步提高，电子技术和计算机应用领域的扩展，电 液控制技术已经开始成熟应用于减振器的试验设备。综合减振器的外特性，人 们研制出能够在一台设备上分别完成减振器的示功、速度、温度特性试验，因 此，电液伺服式减振器性能试验台又称为减振器多功能综合性能试验台。 目前减振器的性能试验台的激振系统受到结构限制，在高速工况下，惯性 力将增加很大，噪声和磨损将加剧，致使激振频率不能提高，同时影响测量精 度。为此国外研究并生产了电液伺服式减振器性能试台，我国也己经引进并生 产了具有相当功能的试验设备。 其中，最具代表性的就是美国m t s 公司生产的减振器性能试验台，其数字 控制系统包括计算机系统、功能齐全的软件系统、用于模拟变换器调节和阀驱 动的功能模拟底板、用于液压动力源的控制系统组成。计算机和软件系统能够 产生各种数字量的信号，如正弦波、斜波、正弦叠加波及其形式的信号，还可 以产生手工控制的信号。信号经过转换能够控制伺服阀产生预期的动作，动力 源由液压动力供应，传感器的信号经过调节器、通信器送给微机系统进行数据 处理，形成报告形式，便于进行各种分析、研究。 电液伺服控制系统功能齐全，自动化程度高，而且精度高，从根本上消除 了机械式示功试验台的机械激振机构和测量机构的系统误差，试验效率明显提 高。适合于生产检测和试验研究。该系统的激振波形可以变化，以适应不同类 型需要；激振行程和频率可以任意调节，能实现全速度特性试验；能够控制激 振次数，进行特殊项目的检测，还可以在极低振动频率下进行摩擦力试验、气 压试验、弹簧特性试验等。整个系统由计算机控制并采集信号和处理数据，精 度高、效率高，计算机的操作系统平台在w i n d o w s 系统平台上开发和应用，其 9 西华大学硕士毕业论文 可视化程度提高了一大步，并且可以和其它接口相连。 国内使用的电液伺服试验台多从国外引进，价格比较昂贵，因此限制了在 国内的使用。 1 4 电液伺服控制技术的发展与应用 1 4 1 液压伺服控制的发展及应用 液压伺服控制是一门新兴的科学技术。它不但是液压技术的一个重要分支， 而且也是控制技术领域中的一个重要组成部分。 早在第一次世界大战前夕，液压伺服控制已开始应用于海军舰艇中，作为 操舵装置。到第二次世界大战期间及以后，液压伺服控制因响应快，精度高和 功率重量比大等特点而受到特别的重视。特别是近几十年，由于整个工业技术 的发展，尤其是军事和航空航天技术的发展，促使液压伺服控制得到迅速发展。 机械液压伺服控制出现较早，4 0 年代，首先在飞机上出现了电液伺服系统。 但该系统中的滑阀由伺服电动机驱动，作为电液转换器。随着超音速飞机的发 展，要求伺服系统反应速度越来越高，特别是像导弹控制，这就促进了快速电 液伺服控制系统的产生与发展。由于电液伺服阀和电子技术的发展，使电液伺 服系统得到迅速的发展。目前，液压伺服系统特别是电液伺服系统已成为武器 自动化和工业自动化的一个重要方面【5 】【6 】。 1 4 2 电液伺服技术在试验机上的应用 国外试验机同行在电液伺服技术的应用和研制起步较早，自二十世纪5 0 年代中期以来就先后生产了各种使用电液伺服系统的试验机，如美国m t s 、英 国i n s t r o n 、瑞士a m s l e r 、德国s e h e n c h 和日本岛津等公司都先后研制成功各 种电液伺服试验机。当时我国在这个应用领域还是空白，使用的电液伺服试验 机都是从这些国家进口的。 我国试验机厂家是在上世纪7 0 年代初才开始研制电液伺服试验机，在国家 财力的支持下，先后都成功地开发出电液伺服动静试验机，并开始在国内应用。 正是通过当时这段时间的成功实践，培养锻炼出一批技术人员，创建了我国今 后电液伺服技术发展的平台，奠定了国内在该技术领域的基础。 l o 西华大学硕士毕业论文 随着电液伺服技术的成熟，国内试验机厂家利用电液伺服技术开始从单纯 的材料试验向更广泛的多应用试验领域方向发展。如长春试验机研究所面向新 材料研究领域开发的国内首台“电液伺服双轴四缸试验机”和“电液伺服显微 观察试验机”；面向汽车零部件试验领域开发的“电液伺服减振器性能和疲劳 试验台 、“电液伺服方向盘性能及疲劳试验台”、“电液伺服扭转疲劳试验 机”和“x - - y 电液伺服双轴向振动台”等【7 】【8 1 。 1 4 3 电液伺服试验机的发展趋势 我国的电液伺服发展水平目前还处在一个发展阶段，虽然在常规电液伺服 标准材料试验机技术方面，有了一定的发展。但在电液伺服高端产品及应用技 术方面，我们距离国外发达国家的技术水平还有着很大的差距。电液伺服技术 是集机械、液压和自动控制于一体的综合性技术，要发展国内的电液伺服技术 必须要从机械、液压、自动控制和计算机等各技术领域同步推进。 随着数字控制理论的成熟以及高速d s p 技术的发展。全数字化测控系统已 经成为今后测量控制系统发展的方向。动态电液伺服全数字测量控制系统，它 不仅要求硬件运算速度快、运算精度高，同时还要求在软件和数字控制理论方 面要有新的突破。这样才能满足电液伺服控制系统响应快速、控制精确、稳定 可靠的要求。国内目前技术成熟的全数字动态控制器还没有进入产业化阶段， 还需要有一个发展研究的过程。 国内液压件的整体水平目前还比较落后，主要采用橡胶密封结构方式，易 老化泄漏、体积笨重、集成度低。随着机械精密加工技术的成熟，在国外目前 密封大都采用球面和锥面配合密封方式，结构简单，密封性能可靠。 计算机技术的发展和应用，促进了电液伺服技术的提高。正是利用计算机 技术才使电液伺服在动态仿真模拟试验等领域得到广泛的应用。计算机多自由 度协调控制、计算机仿真解耦技术等技术的应用和发展，使多通道协调加载系 统、道路模拟试验系统的性能得到进一步提高，促进了电液伺服系统的广泛应 用，可以说电液伺服技术的发展与计算机技术的发展是密切联系在一起的，相 互促进相互提高【8 1 1 9 1 。 西华大学硕士毕业论文 1 5 本课题研究的内容 通过以上资料表明，国内普遍使用的机械式振动试验台由于多种原因存在 着试验波形单一、试验位移与速度误差大、试验速度范围小、试验结果可比性 差、难于实现多工况快速试验等缺陷。虽然国内一些单位研制的电液伺服试验 台性能比机械式试验台有所提高，但也仅能满足减振器的一般性能试验，试验 频率也不是很高，不能满足减振器的动态特性试验，而由国外进口的电液式试 验台，功能虽比较完善，但价格昂到1 0 】【l l 】【1 2 】 本课题来源于四川省汽车工程重点学科建设项目，项目编号为：s z d 0 4 1 0 。 本课题主要目的是开发一个功能比较完善而价格便宜的汽车悬架减振器电液伺 服试验台。该试验台可为减振器试验提供简谐波、方波、锯齿波、随机路面谱 等多种激振波形，并使输出对于输入有较好的随动性，在此试验台上不仅可以 做单个减振器的示功特性和速度特性试验，同时也可以对两个减振器进行示功 特性试验，还可以对简化了的汽车模型进行试验。本课题利用现有的试验条件， 重点从以下几个方面展开论文工作： ( 1 ) 根据所选择的电液伺服阀、液压缸和液压泵站，传感器、伺服控制器 和蓄能器等硬件设施，并依据减振器的行程和液压缸的尺寸，设计试验台台架， 并保证一定的强度和刚度。 ( 2 ) 根据不同的减振器结构，设计满足试验强度的、抗弯曲、刚性好的试 验夹具，分别连接激振头和传感器，并进行加工、安装和调试，直到达到理想的 工作要求。 ( 3 ) 建立系统模型，由液压系统的传递特性得出系统运动状态方程，从而 得出液压动力元件的传递函数，之后，通过确定其他各个环节的传递函数，即 从计算机输入经由电液伺服阀到液压缸活塞的传递函数，并依据硬件参数确定 各个环节传递特性，然后利用m a t l a b 软件对试验台的电液伺服控制系统进行 仿真，通过仿真了解试验台预期的效果。 ( 4 ) 对汽车振动系统的模型进行简化，并建立1 4 车一台振动模型，通过 1 4 车一台振动的模型建立系统运动方程，从而得到其传递函数，并通过模拟路 面信号输入，以更加准确的分析减振器的性能乃至悬挂参数的优越性，同时对 1 2 西华大学硕士毕业论文 平顺性进行相应的分析。 ( 5 ) 通过厂家提供的频率相位误差表，预知试验台系统本身存在的响应滞 后，通过分析计算得到该相位滞后环节的模型，并加入此环节，进一步真实的 去仿真该系统，并通过采用s m i t h 相位预估和p i d 调节来优化和提高系统的各 项性能。 ( 6 ) 利用阿尔泰公司提供的p c i 2 3 0 1 - d a 输出卡和u s b 2 0 8 8 采集卡，应 用n i 公司提供的l a b v i e w 软件调试整个测控系统的硬件，并完成试验所需要 的信号发生系统及信号采集系统的设计，同时完成试验后数据回放处理和相关 的性能评价，以达到测试系统基本具备的功能。 ( 7 ) 根据国家减振器试验标准和试验台本身的性能参数，设计满足要求的 试验方案，并按照试验的注意事项和操作手册指导试验，将采集后的信号通过 滤波得到真实试验信号，并经过相应的处理，评价减振器的性能。 1 3 西华大学硕士毕业论文 2 电液伺服试验台系统