（机械设计及理论专业论文）汽车悬架复合振动台机理研究与结构设计.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 悬架系统是汽车的一个重要组成部分。汽车悬架性能是影响汽车行驶平顺性、 稳定性和行驶速度的重要因素。汽车悬架复合振动台机理研究与结构设计，就 是研究针对汽车悬架特性进行快速检查的设备。 我国目前在汽车悬架检测方面的技术研究还处于初级阶段。部分汽车综合性 能检测站配备了二吨悬架振动检测台，随着大型客车和运输车辆的不断涌现，对 其进行悬架性能检测也逐渐引起重视。但配备两条汽车悬架检测线给汽车综合性 能检测站造成了不必要的资源浪费。为了满足对悬架系统检测的需要，设想配备 既能检查两吨常规悬架振动系统，又能检测大型汽车悬架系统的复合悬架振动检 测台。基于这种情况，提出了汽车悬架复合振动台的机理研究与结构设计，这对 于提高我国汽车悬架检测技术、节省检测资源具有重要的实际意义。 汽车悬架复合振动台是通过对现有的两吨悬架振动台，和已经设计出来的十 吨悬架振动台的拟合来实现的。因为两吨的振动台相对“单薄”，检测十吨的汽车 时，振动台刚度不够；而在十吨的振动台上检测两吨的汽车，又会出现激振时振 幅过大，检测精度达不到要求的情况。为此复合悬架振动台必须考虑选用合适的 激振弹簧刚度、适度的激振信号和飞轮的大小等方面因素。本课题根据机械振动 学原理以及弹簧的工作要求，通过对其在激励载荷作用下的变形及位移的分析， 应用c 语言、m a t l a b 语言编程辅助设计，经过大量的计算和公式推导，反复的检 验，从理论上得出能够检测下至两吨，上至十吨的汽车悬架复合振动检测台。检 测信号通过承载板下面的传感器，测量汽车的振动参数，将采集的数据通过信号 放大、低通滤波等前期处理后，输入计算机，分析系统在接到采样信号后，对采 样信号进行f f t ( 快速傅立叶) 分析，获得汽车在衰减振动过程中不同频率时的 振幅，以最大振幅的幅值与检测标准的比值作为汽车平顺性的检测结果。 本课题完成的汽车悬架复合振动台，达到了节省检测资源、方便操作的理想 效果，具有很好的实际应用价值。 关键词汽车悬架振动台检测 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e c h a n i s mr e s e a r c ha n ds t r u c t u r ed e s i g no ft h e v e h i c l es u s p e n s i o nc o m p o u n dt e s t - b e d a b s t r a c t t h es u s p e n s i o ni so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r t sa b o u tt h ev e h i c l e t h ev e h i c l e s u s p e n s i o n sc a p a b i l i t yc a n a f f e c ta b s o l u t e l yt h ev e h i c l em a n i p u l a t i o n 、v e h i c l es t a b i l i t y a n dv e h i c l es p e e d m e c h a n i s mr e s e a r c ha n ds t r u c t u r ed e s i g no ft h e v e h i c l e s u s p e n s i o nc o m p o u n dt e s t b e d i st os t u d yt h ee q u i p m e n tw h i c hc a nt e s tv e h i c l e s u s p e n s i o nq u i c k l y t h et e c h n i co nv e h i c l es u s p e n s i o nt e s ti ss t i l li n i t i a ls t a g e si no u rc o u n t r y s o m e c h e c k p o i n t se q u i pt w o t e ns u s p e n s i o nt e s t b e d s ，w i t i lt h el a r g eb u s e sa n dt r a f f i cc o m e f o r t h ，p e o p l e a t t a c h i m p o r t a n c et o t h ev e h i c l e s u s p e n s i o ng r a d u a l l y b u t i t i s u n n e c e s s a r yw a s t et oe q u i pt w os y s t e m si no n ec h e c k l ：) o i n t i no r d e rt om e e tt h et e s t i n g f o rs u s p e n s i o n ，w ec o n c e i v eo fe q u i p p i n go n ec o m p o u n ds y s t e mt h a tn o to n l yc a nt e s t t w o t o ng e n e r a ls u s p e n s i o nb u ta l s ot e s tl a r g et r a f f i c ss u s p e n s i o n b a s e do nt h ef a c t ， w eb r i n gf o r w a r dt h et h e s i s ：m e c h a n i s mr e s e a r c ha n ds t r u c t u r e d e s i g no ft h e v e h i c l es u s p e n s i o nc o m p o u n dt e s t b e d t h i st h e s i sh a st h ei m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o no n i m p r o v i n go u rc o u n t r yv e h i c l es u s p e n s i o nt e s t i n gt e c h n i c 、s a v i n go u rt e s tr e s o u r c e t h ec o m p o u n dv e h i c l es u s p e n s i o nt e s t - b e di sb a s e do nt h ee x i s t i n gt w o t o n s u s p e n s i o nt e s t b e da n dt h ed e s i g n e dt e n - t o ns u s p e n s i o nt e s t b e d b e c a u s et w o - t o n t e s t b e di st o o t h i n ”c o r r e s p o n d i n g l y ，w h e ni tt e s tt h et e n - t o nv e h i c l e ，i th a sn o t e n o u g hi n t e n s i t yw h e nt e s t i n gt w o t o nv e h i c l eo nt h et e n t o nt e s t b e d t h es w i n gw i l l b es ol a r g ew h i l ei t i sv i b r a t e dt h a tt h et e s tp r e c i s i o ni sn o tu pt op a r t od e s i g nt h e c o m p o u n dv e h i c l es u s p e n s i o nt e s t - b e dm u s t t ot h i n ko v e rt h ep r o p e rs p r i n gr a t e 、p o w e r s i g n l ea n dt h ef l y w h e e l ss i z e t h es t u d yi sb a s e do nt h em e c h a n i s mv i b r a t i o nt h e o r y a n dt h es p r i n gw o r kd e m a n d ，b yt h ea n a l y z i n go ft h et r a n s m o g r i f i c a t i o na n dt h e d i s p l a c e m e n tu n d e rt h ep o w e r l o a d ，a p p l y i n gcl a n g u a g e 、m a t l a bl a n g u a g e ，v i aa m a s so fc a l c u l a t i o nf o r m u l ai l l a t i o na n dv e r i f ya g a i na n da g a i n ，a tl a s te d u c et h e t e s t - b e di nt h e o r yw h i c hc a l lt e s td o w nt ot w o - t o nv e h i c l e ，u dt ot e n t o nv e h i c l e t h e v e h i c l ev i b r a t i o np a r a m e t e rt h r o u g ht h es e n s o r ，b yt h em a g n i f y 、l o w p a s s ，t h e nw i l l b ei n p u tt oc o m p u t e na f t e rt h ea n a l y s i ss y s t e r mr e c e i v et h es i g n a l ，i tb e g i nt oc a r r y t h r o u g hf f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma g o r i t a m ) ，s ow ew i l la c h i e v et h ed i f f e r e n t i j i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t f r e q u e n t v i b r a t i o n a m p l i t u d ed u r i n gv e h i c l ea t t e n u a t i o nv i b r a t i o n 。t h er e s u l to f m a x i m u mv i b r a t i o na m p l i t u d ed i v i d et h ea v e r a g ev i b r a t i o na m p l i t u d ei sd e e m e dt o s t a n d a r do f s u s p e n s i o nv i b r a t i o np a r a m e t e r 。 t h ev e h i c l es u s p e n s i o nc o m p o u n dt e s t - b e do ft h et h e s i sa c h i e v eap e r f e c te f f e c t t h a ts a v et h et e s tr e s o u r c e 、e a s yt oo p e r a t ea n dh a v et h ea c t u a lv a l u e o f a p p l i a n c e k e yw o r d sv e h i c l e ，s u s p e n s i o n ，t e s t b e d ，t e s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彳哪面裳 日期：卯e 、弓、j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：册硐裳 签字日期：。加f = ； 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 项目背景 随着我国高速公路的快速发展，汽车行驶速度大大提高，不仅乘用车，包括大 型客车和货车也经常以l o o k m h 以上速度行驶。机动车的安全运行问题就越来越突 出。为保证汽车安全行驶，汽车的操纵稳定性日益受到重视。汽车悬架作为车架( 或 车身) 与车轴( 或车轮) 之间相连接的传力机件，是保证汽车行驶安全的重要部件。 而舒适性也是汽车的重要使用性能之一，汽车行驶舒适性与车身的固有振动特性有 关，车身的固有振动又与汽车悬架特性相关。所以，汽车悬架也是保证乘坐舒适性 的重要部件。严重的汽车振动和动载荷不仅会影响汽车的行驶速度，还会影响零部 件的疲劳寿命并且产生噪声。因此，汽车悬架往往被列为重要部件编入汽车的技术 规格表，作为衡量汽车质量的指标之一。我国目前在汽车悬架检测方面的技术研究 还处于初级阶段，部分汽车综合性能检测站配备了二吨悬架振动检测台，随着大型 客车和运输车辆的不断涌现，对其进行悬架性能检测也逐渐引起重视，但配备两条 汽车悬架检测线给汽车综合性能检测站造成了不必要的资源浪费。海城交通运输管 理处的汽车检测线上所使用的是由德国引进的“二吨汽车悬架振动检测台”。基于 这种情况，提出了“汽车悬架复合振动检测台的机理研究与结构设计”这一课题， 这对于提高我国汽车悬架检测技术具有重要的实际意义。 汽车悬架系统能够缓和并衰减车轮垂直方向的冲击与振动，与之相对应的汽车 性能就称为汽车行驶平顺性。汽车平顺性的检测指标包括上下垂直振动、前后俯仰 运动和左右摇摆振动的抗振能力。汽车悬架振动台主要由机械部分、电控部分、计 算机测试分析部分组成。汽车悬架振动台通过控制部分控制两个电机带动偏心轮转 动，由偏心轮对承载板进行激振，然后通过安装在承载板下面的传感器，测量汽车 的振动参数，并将采集的数据通过信号放大、低通滤波等前期处理后，输入计算机 中进行信号分析处理。分析系统在通道采样信号后，对采样信号进行快速傅立叶分 析，获得汽车在衰减振动过程中不同频率时的振幅，最后以最大振幅的幅值与检测 标准的比值作为汽车平顺性的检测结果1 2 j 【3 1 。 1 2 国内外汽车检测技术研究概况 从1 8 8 6 年汽车诞生至今，已有1 0 0 多年的历史。当前，全世界共有6 亿多辆 汽车在各地行驶，并且还以年产5 0 0 0 万辆车的速度增长，汽车已成为人类最常用 的交通工具。全世界有一半以上的客货运输是由汽车承担的。随着行驶里程的增加 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 和使用时间的延续，汽车技术状况将不断恶化。因此，一方面要不断研制性能优良 的汽车，另一方面要借助汽车的维护和修理，恢复其技术状况。汽车综合性能检测 技术是伴随着汽车技术的发展而发展起来的。在汽车发展的早期，人们主要是通过 有经验的维修人员发现汽车的故障并作有针对性的修理。即过去人们常讲的“望” ( 眼看) 、“闻”( 耳听) 、“切”( 手摸) 方式。随着现代科学技术的进步，特别是计 算机技术的进步，汽车综合性能检测技术也飞速发展。目前人们依靠各种先进的仪 器设备，已经能够对汽车进行不解体检测，而且安全、迅速、准确。 汽车综合性能检测就是在车辆不解体的条件下，使用检测设备和仪器，对汽车 的技术性能进行评价的一种方法。汽车综合性能检测的主要内容包括：车辆的安全 性( 制动、侧滑、转向、前照灯等) ：动力性( 车速、加速性能、底盘输出功率、 发动机功率、扭矩和供给系、点火状况等) ；经济性( 燃油消耗) 、可靠性( 异响、 磨损、变形、裂纹等) 及噪声和废气排放状况等。能承担车辆综合性能检测的检测 站，即为汽车综合性能检测站。 1 2 1 国外汽车综合检测技术的发展 概括地讲，工业发达国家的汽车检测在管理上已经实现了“制度化”；在检测 技术方面已实现了“标准化”：在检测技术上向“智能化、自动化检测”方向发展。 ( 1 ) 制度化 在德国，汽车的检测工作由交通部门统一领导，在全国各地建有由交通部门认 证的汽车检测场( 站) ，负责新车的登记和在用车的安全检测，修理厂维修过的汽 车也要经过汽车检测场的检测，以确定其安全性能和排放是否符合国家标准。在日 本，汽车的检测工作由运输省( 相当于交通部) 统一领导。运输省在全国设有“国 家检测场”和经过批准的“民间检测场”，代替政府执行车检工作。 其中“国家检测场”主要负责新车登记和在用车安全检测；“民间检测场”通 常设在汽车维修厂内，经政府批准并受政府委托对汽车进行安全检测。 ( 2 ) 标准化 工业发达国家的汽车检测有一套完整的标准。判断受检汽车技术状况是否良 好，是以标准中规定的数据为准则，检查结果是以数字显示，有量化指标，以避免 主观上的误差。国外比较重视安全性能和排放性能的检测，如美国规定，修理过的 汽车必须经过严格的排放检测方能出厂。除对检测结果有严格完整的标准以外，国 外对检测设备的标准也有规定，如检测设备的检测性能、具体结构、检测精度等都 有相应标准。对检测设备的使用周期、技术更新等也有具体要求。由于检测制度、 2 东北大学珏士学位论盂第一章绪论 和使用时间的延续，汽车技术状况将不断恶化。因此，一方面要不断研制性能优良 的汽车，另一方面要借助汽车的维护和修理，恢复其技术状况。汽车综合性能检涌 技术是伴随着汽车技术的发展而发展起来的。在汽车发展的早期，人们主要是通过 有经验的维修人员发现汽车的故障并作有针对性的修理。即过去人们常讲的“望” ( 眼看) 、“闻”( 耳听) 、“切”( 手摸) 方式。随着现代科学技术的进步特别是计 算机技术的进步，汽车综合性能检澳4 技术也飞速发展。目前人们依靠各种先进的仪 器设备，已经能够对汽车进行不解体检测，而且安全、迅速、准确。 汽车综合性能检测就是在车辆不解体的条件下，使用检测设备和仪器，对汽车 的技术性能进行评价的一种方法。汽车综合性能检测的主要内容包括：车辆的安全 性( 制动、侧滑、转向、前照灯等) ：动力性( 车速、加速性能、底盘输出功率、 发动机功率、扭矩和供给系、点火状况等) ；经济性( 燃油消耗) 、可靠性( 异响、 磨损、变形、裂纹等) 及噪声和废气排放状况等。能承担车辆综合性能检测的检测 站，即为汽车综合性能检测站。 1 2 1 国外汽率综合检涮技术的发展 概括地讲，工业发达国家的汽车检测在管理上已经实现了“制度化”：在检测 技术方面已实现了“标准化”：在检测技术上向“智能化、自动化检测”方向发展。 ( 1 ) 制度化 在德国，汽车的检测工作由交通部门统一领导，在全国各地建有由交通部门认 证的汽车检测场( 站) ，负责新车的登记和在用车的安全检测，修理厂维修过的汽 车也要经过汽车检测场的检测，以确定其安全性能和排放是否符合国家标准。在日 本，汽车的检测工作由运输省( 相当于交通部) 统一领导。运输省在全国设有“国 家检测场”和经过批准的“民间检测场”代替政府执行车检_ 作。 其中“国家检测场”主要负责新车登记和在用车安全检测；“民阳j 检测场”通 常设在汽车维修厂内，经政府批准并受政府委托对汽车进行安全检测。 ( 2 ) 标准化 工业发达国家的汽车检测雨一套完整的标准。判断受检汽车技术状况是否良 好，是以标准中规定的数据为准则，检查结果是以数字显示，有量化指标，以避免 主观上的误差。国外b b 较重视安全性能和排放性能的检测，如美国规定，修理过的 汽车必须经过严格的排放检测方能出厂。除对检测结果有严格完整的标准以外，国 外对检测设备的标准也有规定，如检测设备的检测性能、具体结构、检测精度等都 有相应标准。对检测设备的使用周期、技术更新等也有具体要求。由于检测制度、 有相应标准。对检测设备的使用周期、技术更新等也有具体要求。由于检测制度、 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 技术的标准化，不仅提高了检测效率，也保证了检测质量。 ( 3 ) 智能化、自动化检测 随着科学技术的进步，国外汽车检测设备在智能化、自动化、精密化、综合化 方面都有新的发展，应用新技术开拓新的检测领域，研制新的检测设备。随着电子 计算机技术的发展，出现了汽车检测诊断、控制自动化、数据采集自动化和检测结 果直接打印等功能的现代综合性能检测技术和设备。例如：国外生产的汽车制动检 测仪、全自动前照灯检测仪、发动机分析仪、发动机诊断仪、计算机四轮定位仪等 检测设备，都具有较先进的全自动功能。进入8 0 年代后，计算机技术在汽车检测 技术领域的应用进一步向深度和广度发展，已出现集检测工艺、操作、数据采集和 打印、存储、显示等功能于一体的系统软件，使汽车检测线实现了全自动化，这样 不仅可避免人为的判断错误，提高检测准确性，而且可以把受检汽车的技术状况储 存在计算机中，既可作为下次检测参考，还可供处理交通事故参考【4 】【5 l 【6 l 。 1 2 2 我国汽车综合性能检测技术的发展方向 我国汽车综合性能检测经历了从无到有、从小到大；从引进技术、引进检测设 备、到自主研究开发并推广应用；从单一性能检测到综合性能检测，取得了很大的 进步。尤其是检测设备的研制生产得到了快速发展，大大缩小了与先进国家的差距。 如今汽车检测中通用的制动试验台、侧滑试验台、底盘测功机等，国内已经自给自 足，而且结构形式多样。我们虽然已经取得了很大的进步，但与世界先进水平相比， 还有一定距离。我国汽车检测技术要赶超世界先进水平，应该对汽车检测技术基础、 汽车检测设备智能化和汽车检测管理网络化等方面进行研究和发展。 ( 1 ) 汽车检测技术基础规范化 我国在检测技术发展过程中，普遍重视硬件技术，忽略或是轻视了难度大、投 入多、社会效益明显的检测方法、限值标准等基础性技术的研究。随着检测手段的 完善，与硬件相配套的检测技术软件将进一步完善。 今后我国应重点开展下述汽车检测技术基础研究： ( a ) 制定和完善汽车检测项目的检测方法和限制标准，如驱动轮输出功率、 底盘传动系的功率损耗、滑行距离、加速时间和距离、发动机燃料消耗率、悬架性 能、可靠性等； ( b ) 制定营运汽车技术状况检测评定细则，统一规范全国各地的检测要求和 操作技术； ( c ) 制定用于综合性能检测站的大型检测设备的形式认证规则，以保证综合 3 ， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 性能检测站履行其职责。 ( 2 ) 汽车检测设备智能化 目前国外的汽车检测设备已大量应用光、机、电一体化技术，并采用计算机测 控，有些检测设备具有专家系统和智能化功能，能对汽车技术状况进行检测，并能 诊断出汽车故障发生的部位和原因，引导维修人员迅速排除故障。我国目前的汽车 检测设备在采用专家系统和智能化诊断方面与国外相比还存在较大差距。如四轮定 位检测系统，电喷发动机综合检测仪等，还主要依靠进1 2 1 。今后我们要在汽车检测 设备智能化方面加快发展速度。 ( 3 ) 汽车检测管理网络化 目前我国的汽车综合性能检测站部分已实现了计算机管理系统检测，虽然计算 机管理系统采用了计算机测控，但各个站的计算机测控方式还千差万别。即使采用 计算机网络系统技术的，也仅仅是一个站内部实现了网络化。随着技术和管理的进 步，今后汽车检测将实现真正的网络化( 局域网) ，从而作到信息资源共享、硬件 资源共享、软件资源共享。在此基础上，利用信息高速公路将全国的汽车综合性能 检测站联成一个广域网，使上级交通管理部门可以即时了解各地区车辆状况【7 】【8 1 。 1 2 3 国外汽车悬架振动台研究概况 随着汽车工业的发展，汽车保有量的增加，汽车检测技术也从无到有逐步发展 起来，现在对汽车检测行业已经提出了越来越细的检测要求。i n # l - 5 0 年代发展了 对汽车进行故障诊断和调试的单项技术，6 0 年代组建了汽车综合性能检测站，对汽 车的制动，照明、噪声、转向等多项性能进行检测。6 0 年代后期，国外汽车检测诊 断技术发展很快，并且大量应用电子、光学、理化与机械相结合的光机电、理化机 电一体化检测技术。在此基础上，为了加强汽车管理，各工业发达国家相继建立汽 车检测站和检测线，使汽车检测制度化。在2 0 世纪8 0 年代后期至9 0 年代初期各 检测站相继装备了汽车悬架装置检测设备，对悬架阻尼进行不解体快速检测和诊 断，到现在己发展成为汽车综合性能检测和诊断技术的一个分支1 0 i 1 。 目前，汽车悬架振动检测台最具有代表性的是德国m a h a ( 马哈) 公司的测位 移式和b e i s s b a r t h ( 百斯巴特) 公司的测力式悬架检测试验台。 ( 1 ) 德国m a h a ( 马哈) 公司 德国马哈机器制造有限公司是世界最有名望的汽车检测设备制造商，创建于 1 9 6 9 年，位于风景秀丽的巴伐利亚州，阿尔卑斯山脚下。主要产品有汽车检测线， 悬架振动台，制动试验台，速度试验台，侧滑试验台，底盘测功机，废气分析仪， 一4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 透光烟度计，大灯测试仪，及各种汽车举升设备等等，普遍被欧美各大汽车研究机 构，检测机构，汽车制造厂，修理厂等所采用。被奔驰，宝马，大众，奥迪，通用， 保时捷，曼，依维柯等公司指定为设备提供商。产品畅销世界五大洲，在各主要国 家均设有分支机构，并在英国和美国设有分厂。雇员有1 0 0 0 多人i 。德国马 哈公司进入中国市场已有2 0 年历史，由于其产品优异，质量上乘，深得广大用户 的喜爱，广泛应用于公安部门的汽车安全性能检测站，交通部门的汽车综合性能检 测站，汽车制造厂的终检线，汽车修理厂等，产品遍布全国，为市场占有率最大的 国际品牌。 ( 2 ) 德国b e i s s b a r t h ( 百斯巴特) 公司 德国百斯巴特有限公司成立于1 8 9 9 年，总部设在慕尼黑，是一家生产汽车检 测维修设备的专业厂家。作为全球第一设计制造带计算机显示器的车轮定位系统的 厂家，百斯巴特公司最先将“m i c r o l i n e4 0 0 0 ”型电脑化车轮定位仪推向了市场。随 即该系统得到包括大众奥迪、奔驰、宝马等在内的多家汽车制造厂家的推荐使用， 是迄今取得最多汽车制造厂家认定的设备制造商。除车轮定位系统之外，百斯巴特 公司还针对汽车悬架检测系统、底盘服务行业设计、制造了汽车制动检测系统、车 轮动平衡机及拆装设备、汽车举升设备等。经过多年的精心设计和不断努力，百斯 巴特有限公司现已成为全球范围内汽车保修设备行业的重要生产厂家。德国百斯巴 特有限公司生产的s t l 7 0 0 0 型滚筒式检测线采用计算机控制，将汽车的制动、轴重、 侧滑及悬架测量这四种功能集中在一起，检测过程为全自动方式，结果通过计算机 方便地显示并打印出来。通过s t l 7 0 0 0 型检测线的测量，能充分的保证车辆的安全 性及舒适性，是汽车修理厂在质量保证方面不可缺少的设备。s t l 7 0 0 0 型滚筒式汽 车检测线采用紧凑型设计，设备总长度仅两米。制动测量采用粘砂滚筒的方式，滚 筒的附着系数大于o 8 ，更接近于路面实际情况。利用筒式制动台，不仅可检测制 动力总体效果，左右制动力的差异，并以曲线的方式直观生动地显示出来，而且还 可测量刹车盘鼓的不平衡度，对制动力不合格的车辆提供更有力的分析。悬架测量 作为该系统的一大特色，受到使用者的普遍欢迎。通过悬架测量平台对车轮施加固 定频率的振动，能准确的反映出车辆悬架的振动频率曲线，对车辆减震系统的好坏 提供分析依据。整厂系统具备完善的自检功能，能逐次记录并打印车辆的检测结果。 所有操作界面均已中文汉化，使用方便。 美国、意大利等国家也有相应的汽车悬架检测设备，日本也已经将汽车悬架检 测试验台列为检测线上的必备设备。由此可见，国际汽车界对汽车悬架性能检测的 重视程度il s i 6 儿”】。 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 4 国内汽车悬架振动台研究概况 我国从2 0 世纪6 0 年代开始研究汽车检测技术。7 0 年代，我国开始大力发展汽 车综合性能检测技术，汽车不解体检测技术及设备被列为国家科委的开发应用项 目。进入8 0 年代，随着国民经济的发展，科学技术的各个领域都有了较快的发展。 对汽车悬架进行的检测技术也在逐渐成熟 ( 1 ) 汽车悬架振动台检测系统分析 图1 1 检测系统基本流程 f i g 1 1 t h eb a s ef l o wc h a r to f d e t e c ts y s t e m 激振台通常是由带有旋转惯量的电机带动产生振动的机构构成。电机启动稳态 后断电，激振台的振动机构在旋转惯量的带动下产生一个由高频到低频( 4 0 h z 5 h z ) 的频率扫描过程。在这个频率扫描过程中，当激振频率与悬架固有频率重合 时，便会发生共振，从而通过位移或力信号测出共振频率，并得出位移或力的大小 变化情况，进而断定悬架性能的好坏。力传感器一般是电阻应变式或压电式传感器， 位移传感器一般是电涡流式传感器。计算机是悬架试验台的中心，它完成试验数据 的采集、处理、储存、试验结果分析和对悬架试验台检测过程的控制，并以几种不 同的结果输出形式输出悬架检测结果。 ( 2 ) 汽车悬架振动检测标准 汽车悬架减振器的寿命与很多影响因素有关，不能简单地根据使用时间或行驶 里程来判断其损坏程度。对在用汽车悬架减振器进行不解体检测的标准，目前国内 还未颁布，只是在汽车综合性能检测站技术条件中涉及n t 悬架性能不解体检测的 检测指标。检测指标是悬架的振幅、频率和衰减特性。汽车悬架性能检测标准在世 界上具有代表性的是欧洲减振器制造协会标准。它主要检测悬架的固有频率和车轮 与路面的相对接地性。其实质还是检测悬架的刚度和阻尼的情况，它与国内检测站 技术条件下的标准没有实质的区别。 相对接地性的定义为：汽车在检测台上振动衰减过程中的最小车轮重量与汽车 在检测台上静态时的重量的比值。它直接反映了车轮与路面的附着情况，其值越大， 说明行驶时附着情况越好，进而行车安全性越好：同时也间接反映了悬架系统的传 递特性，因而也就反映了阻尼元件的阻尼特性。具体评价方法见表1 1 。 一6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 表i i 评价指标 t a b l e l 1t h ee v a l u a t i n gt a r g e t 共振频率是汽车在试验台上激振过程中达到共振时的频率，其数值的大小直接 反映悬架刚度的大小，也间接反映了悬架的隔振特性。一般地，频率为( 1 2 1 4 ) h z 的是低刚度悬架，( 1 5 1 7 ) h z 的是中等刚度悬架，( 1 8 1 9 ) h z 的为高刚度悬 架。欧洲标准中对共振频率具体值并没有限制，只对左右车轮的共振频率差别给出 示值。 欧洲标准中还对左右车轮的接地性差别作出了规定，相差2 0 时应检查或检修 悬架1 1 8 1 1 1 9 】 2 0 1 。 ( 3 ) 汽车悬架振动检测台的分类 在没有出现快速检测设备以前，对悬架装置性能一般是靠人工进行外观检查： 观察弹簧是否有裂纹、断片、缺片等情况，减振器是否有漏油、损坏等失效现象和 预兆，这种方法缺乏对内部性能状况的定性与定量分析，主观因素大，可靠性差， 并且效率低；另一种是按压车体，然后突然释放，观察车体的上下运动情况，来 评价减振器的技术情况，这种方法也是完全依靠人的经验，主观性强，很难给出确 切定量的结论。 汽车悬架减振器性能检测设备按激振方式的不同，分为按压车体法、跌落法、 共振法和制动法四种。 ( a ) 按压车体法 按压车体法是在早期的人工按压车体观察法的基础上发展出来的，其基本原理 是通过检测装置将车体压缩到一定位置时突然松开，车体回弹做衰减振动，通过光 脉冲测量装置记录振动的峰值的变化( 衰减) 规律，然后按相应的数学模型可计算 出汽车减振装置的阻尼值，也可与厂家的有关标准曲线对照，从而对减振器的阻尼 状况作出评价。这种方法比较简单方便，但控制精度和结果可靠性差，并且这种方 法不能给出单个减振器的检测结果，同轴的一个性能良好的检测器可以掩盖另一个 性能不良的减振器。 ( b ) 跌落法 跌落法按施力方式不同可以分为向上起升车体方式、向下拉紧车体方式和跌落 车体方式三种。 向上起升车体方式可分为整体式起升和单轴起升两种方式。在测试过程中，用 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 机械装置将汽车升到一定高度，突然释放使之做自由落体运动。通过分析车体的响 应曲线来评价减振器的阻尼状态。 跌落法是用力传感器测量车轮施加在台面上的压力，然后对离散的压力进行波 形分析，将结果与汽车的理想减振性能曲线比较，从而作出评价结论。 跌落法对减振器的评价方法与按压车体法所求的评价标准相同。这种方法也存 在性能良好的减振器掩盖性能不良减振器的弊端，并且旋力方式不适于快速检测的 要求。 ( c ) 共振法 共振法是目前应用较多的一种形式，通过垂直方向的激振，迫使汽车悬架装置 产生强迫振动，使汽车发生共振现象，通过检测在共振后的振动衰减过程中力或位 移的振动曲线，求出频率和衰减特性，进而判断悬架减振器的性能。由于这种检测 方法检测性能稳定、数据可靠，评价方法合理，操作方便，因而备受国内外汽车检 测行业的青睐。 按激振方式的不同，检测台可以分为转鼓式和平台式两种。 转鼓式检测台是将转鼓的表面做成正弦状的不平度，当改变转鼓转速，即改变 激振频率。这种检测台的优点是结构简单，由于车轮的转动，转鼓表面的不平度对 汽车的作用接近于实际条件。但也存在严重缺点：由于转鼓具有曲度，因而轮胎与 支撑面的接触性质容易失真：并且在检测时将汽车固定在转鼓上比较困难，而且固 定的好坏对检测结果影响较大；由于轮胎半径的不均匀，可以带来一定程度的随机 振动，可能产生操纵轮的振动；另外，这种方法需要使用调速电机，检测周期较长， 价格比较昂贵，目前已不使用。 平台式检测台是将车轮置于根据正弦规律做往复运动的平台上，通过改变调速 电机的转速达到改变激振频率的目的。一般多采用偏心结构产生正弦激振信号，这 种方法容易调整激振的振幅。平台式检测台是目前应用较为广泛的一种形式。现在， 为了降低检测台的造价，趋向于增加惯性飞轮，将调速电机改为普通电机，同时可 以缩短检测时间，使其更适合不解体快速检测的要求。根据测量参数的不同，即应 用传感器的不同，平台式检测台又可以分为测振幅式和测力式两种。 交通部行业标准j t t 4 4 8 2 0 0 1 汽车悬架装置检测台从考虑汽车操纵稳定性 及行驶安全性的方面出发来对悬架性能评价提出吸收率的概念，即共振时车轮作用 于检测台的最小动态车轮垂直接地力与静态车轮垂直接地力之比的百分数( 动态 车轮垂直接地力g 。：汽车悬架装置检测台台面与被测汽车悬架装置的车轮部分出 8 东北大学硕士学位论文第一章绪论 现共振时，汽车车轮作用在台面上的垂直作用力；静态车轮垂直接地力g 。：汽车 悬架装置检测台台面与被测汽车悬架装置处于静止状态时，汽车车轮作用在台面上 的垂直作用力) 2 1 1 1 22 1 。 ( d ) 制动法 v a m a g 平板式车辆检测系统是意大利v a m a g 公司近年来推出的一种新型车 辆检测设备，它集制动、轴重、悬架效率、制动侧滑等4 项测试功能于一体( “四 合一”式) ，采用平板式结构，检测过程更接近于路试，能够真实地反映出车辆制 动过程中的制动力和轴重的变化、悬架减振、制动侧滑等性能状况。该系统由测试 平板、数据采集、处理分析等单元组成。测试平板共6 块，其中“制动力悬架效率 轴重”测试平板共有4 块，侧滑测试板1 块，空板( 为前后两块板，起过渡作用) 1 块。每块“制动力悬架效率轴熏”测试板下的两个力传感器，分别用来测试轮胎 作用于平板的水平力和垂直力。检测时，当车辆以5 1 0 k m h 的速度驶上平板后， 驾驶员迅速踩下制动踏板，使各车轮分别在4 块“制动力悬架轴重”测试板制动住， 依靠汽车“制动点头”现象产生振动激励，车身加速向下时，车轮处负重增加状态： 车身加速向上时，车轮处负重减少状态。由于车辆的悬架系统能够衰减、吸收车身 的振动，所以车身的振动经过一段时间后就会逐渐消失。所以v a m a g 系统在显示 悬架测试结果时所给出的车轮负重的变化曲线，反映了制动引起的车身振动被悬架 系统逐步衰减的过程【2 3 l 。 现在我国使用悬架性能检测振动台对在用车辆进行悬架性能不解体检测已越 来越被人们重视。国内许多汽车维修企业和汽车安全性能检测站均已购置了国外生 产的汽车悬架性能检测试验台，并参考国际上的标准对悬架性能进行定性检测，为 汽车故障诊断提供依据。这对提高汽车检测水平、确保汽车行驶安全性，特别是对 现代轿车和大型客车行车安全性是十分有益和必要的。 1 3 本课题的主要任务及研究方法 1 3 1 主要任务 悬架振动台主要通过测量汽车垂直振动和前后俯仰合成振动在共振频率处的 最大幅值来获得汽车减振性能的评价结果，汽车实际是多自由度系统，而在测量每 一个轮子时，又将汽车假定为单自由度系统。由于汽车的轮胎存在弹性，因此在测 量每一个轮子时，会有两个固有频率较低，而轮胎弹性引起的固有频率较高，因此 采用的激振频率应较低( 5 4 0 h z ) ，激振幅值为5 m m 1 0 m m 。 9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 本课题研究的悬架振动检测台，通过传感器、前置放大器、a d 转换器，对测 量信号也就是汽车轮胎对承载板的相对位移采样，通过低通滤波、f f t 分析，获得 汽车在已知激振幅值的激振力作用下，在激振频率与汽车振动频率相同时，汽车轮 胎对承载板的压力、汽车振动的衰减过程，对汽车悬架的减振能力进行评价。国内 普遍使用的是2 吨的悬架振动台，本课题是在0 1 级同学设计的1 0 吨悬架振动台的 基础上，将2 吨与1 0 吨振动台相结合，以达到在一个检测台上可以检测下至2 吨， 上至1 0 吨汽车的悬架特性。 1 3 2 研究内容 本课题研究的内容包括以下几部分： ( 1 ) 振动机构，这部分主要是选择激振弹簧( 弹簧参数) 。 ( 2 ) 电动机部分，这部分主要是根据振动系统的振幅和悬架振动检测台的检 测需求选择合适的电动机转动角速度。 ( 3 ) 传感器部分，这部分主要是根据振动系统的频率选择一个合适的传感器， 如电感式传感器、压电式传感器及电涡流式传感器等。 ( 4 ) 控制系统，这部分主要由单片机控制实现的，它包括传感器采样单元， 单片机存储数据后传到上位机对数据进行分析处理，达到对汽车悬架性能量化的目 的，即用数值来描述汽车悬架是否合格。 ( 5 ) 辅助设施，这部分主要是以上三部分的附属设施。 注：根据国家标准营运车辆综合性能要求和检测标准，用悬架振动台方法 检测时，受检车辆的车轮制动时测得的悬架吸收率( 被测车辆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) 应在4 0 与8 0 之间，同轴左右轮吸收 率之差不得大于1 5 。 1 3 3 技术路线 ( 1 ) 建立车台系统的力学模型对其进行动态及静态模拟分析，包括悬架 振动台的整体模型、悬架振动台上摆臂力学模型和悬架振动台中摆臂力学模型。 ( 2 ) 对建立的力学模型进行分析，得出复合悬架振动台的振动规律。 ( 3 ) 选择激励电机和传感器。 ( 4 ) 设计信号采集与分析的流程图。 1 0 东北大学硕士学位论文第二章汽车悬架振动台系统力学模型 第二章汽车悬架振动台系统力学模型 机械系统的振动量( 位移、速度和加速度的幅值) 、频率( 或周期) 、相位和频 谱等，常称为该系统振动的基本参数。影响这些基本参数的主要因素是：( 1 ) 系统 本身结构的动态特性质量或转动惯量、刚度和阻尼；( 2 ) 系统的工作条件和外 部激励的情况。 通过测量( 检测或监测) 、计算或模拟试验求得机械系统振动的主要参数及本 身结构的动态特性，是研究各种振动问题的主要内容。分析、计算振动特性的一般 步骤应是：将实际机械系统简化为动力学模型；计算或测定系统的动态特性参数： 根据力学模型查表，或者建立并解出系统振动的运动方程，从而求得所需要的振动 特性及有关参数。 从振动分析的观点看，即使是一台很简单的机器，其系统也是很复杂的，完全 按照实际情况进行振动计算是不可能的。因此，对实际系统进行振动计算时，必须 抓住主要矛盾，略去次要因素，对其进行简化，把所研究的对象以及外界对它的作 用简化为一个力学模型。这个力学模型不仅要简单，而且在动态特性方面要与原来 研究的对象等效。 一部机器或一个结构之所以会产生振动是因为它本身具有质量和弹性，而阻尼 会使振动受到抑制。另外，从能量的角度分析，当外界对系统做功时，系统的质量 因获得动能而具有运动速度，弹簧因储存变形能而具有使质量恢复原来状态的能 力。这样，能量不断地交换才使系统的质量反复运动。如果没有外界能量的输入， 那么由于阻尼的消耗，振动将逐渐地停息。由此可见，质量、弹性( 刚度) 和阻尼 是振动系统力学模型的三要素。 实际机器或结构元件的质量是连续分布的，弹簧也是如此，即所谓的连续系统。 这里，所研究的是将连续系统进一步简化而得到的离散系统的问题：把弹性较小、 质量较大的构件简化为不计弹性的集中质量；把质量较小、弹性较大的构件简化为 不计质量的弹性元件：也可以把构件中阻尼特性较大的部分简化为不计质量和弹性 的阻尼元件。这些集中和简化了的元件就构成了力学的计算模型。 质量、弹性( 刚度) 、阻尼等