張 雨 王玉國(guó) 湛時(shí)時(shí) 章展源

南京工程學(xué)院汽車(chē)與軌道交通學(xué)院 江蘇南京 211167

一種用于汽車(chē)懸架隔振性能實(shí)驗(yàn)的教學(xué)儀器

張 雨 王玉國(guó) 湛時(shí)時(shí) 章展源

南京工程學(xué)院汽車(chē)與軌道交通學(xué)院 江蘇南京 211167

基于擬脈沖激勵(lì)原理實(shí)現(xiàn)汽車(chē)懸架隔振性能參數(shù)快速檢測(cè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，提出了需檢測(cè)的汽車(chē)懸架隔振性能參數(shù)，分析了兩類(lèi)懸架效率試驗(yàn)臺(tái)的不足，研制了單輪平板式懸架參數(shù)檢測(cè)教儀。實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生通過(guò)在汽車(chē)保險(xiǎn)杠上人力按壓實(shí)施汽車(chē)懸架擬脈沖激勵(lì)。課程使用結(jié)果表明所研制的教學(xué)儀器有效。

車(chē)輛工程；懸架隔振參數(shù)；教學(xué)儀器；涉汽車(chē)專(zhuān)業(yè)；同質(zhì)化

汽車(chē)懸架是車(chē)架(或車(chē)身)與車(chē)軸(或車(chē)輪)之間彈性聯(lián)結(jié)裝置的統(tǒng)稱(chēng)，由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減振器和橫向穩(wěn)定桿組成。懸架的隔振性能減緩了行駛中車(chē)輛受到的沖擊力，保證了人員舒適和貨物完好。我國(guó)以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1,2]的形式要求獲得新車(chē)懸架或在用車(chē)懸架的隔振性能參數(shù)。國(guó)內(nèi)高校按照所開(kāi)設(shè)的車(chē)輛工程、汽車(chē)服務(wù)工程等專(zhuān)業(yè)的要求及其定位差異，在汽車(chē)?yán)碚?、汽?chē)運(yùn)用工程、汽車(chē)檢測(cè)技術(shù)等課程中設(shè)有檢測(cè)汽車(chē)懸架隔振性能參數(shù)的汽車(chē)懸架性能實(shí)驗(yàn)。

1 汽車(chē)懸架隔振性能參數(shù)

1.1 懸架效率

當(dāng)對(duì)汽車(chē)懸架-車(chē)輪系統(tǒng)進(jìn)行擬脈沖激勵(lì)后，其振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)如圖1所示，這是一種以有阻尼固有頻率進(jìn)行的衰減振動(dòng)，式中f0和ξ分別是汽車(chē)懸架-車(chē)輪系統(tǒng)的一階固有頻率和阻尼比。

圖1 汽車(chē)懸架-車(chē)輪系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)及有關(guān)變量含義

懸架效率的物理意義是在第一個(gè)振動(dòng)周期中懸架阻尼衰減、吸收振動(dòng)能量的程度，它反映了汽車(chē)懸架減振能力。[3]懸架效率η[4]可表示為：

式(1)中：“exp”是e指數(shù)；Mi，Mi+1是汽車(chē)懸架-車(chē)輪系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)在一個(gè)振蕩周期Td=1fd中的2個(gè)超調(diào)量，在圖1中已標(biāo)示；δ為任意2個(gè)超調(diào)量的對(duì)數(shù)比；n為任意2個(gè)超調(diào)量之間的最大整周期個(gè)數(shù)；ξ如前所述是汽車(chē)懸架-車(chē)輪系統(tǒng)的阻尼比。

1.2 懸架吸收率

懸架吸收率的物理意義是車(chē)輪與路面間的動(dòng)態(tài)附著狀況，數(shù)值越大意味著懸架的阻尼特性越好，定義懸架吸收率Ra：

式(2)中，GA，GB分別為前、后輪懸架-車(chē)輪系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)第一個(gè)周期中的第一個(gè)峰值和第二個(gè)峰值，G0為穩(wěn)態(tài)值，如圖2中所示。

圖2 關(guān)于懸架吸收率的變量說(shuō)明

1.3 懸架隔振起始頻率

根據(jù)汽車(chē)平順性理論，人體對(duì)于4 Hz～8 Hz的振動(dòng)最敏感，對(duì)大于8 Hz或低于4 Hz的振動(dòng)其敏感程度急劇下降[5]，人體不敏感的低頻振動(dòng)頻率范圍是1 Hz～1.6 Hz。為了提高乘員所能承受的暴露界限，需要降低汽車(chē)懸架在人體敏感的4 Hz～8 Hz頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)傳遞率。故應(yīng)將汽車(chē)懸架一階固有頻率f0調(diào)整至人體不敏感的1 Hz～1.6 Hz內(nèi)，一般取f0=Hz。則當(dāng)汽車(chē)懸架隔振起始頻率為時(shí)，2 Hz～8 Hz就成為考察汽車(chē)懸架是否具有隔振性能的頻率范圍。

2 教學(xué)要求

檢測(cè)汽車(chē)懸架隔振性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備依據(jù)其工作原理有兩類(lèi)：一是利用擬脈沖激勵(lì)在頻域中的有限帶寬性質(zhì)[6]，用足夠大的能量激勵(lì)于懸架-車(chē)輪系統(tǒng)，檢測(cè)擬脈沖激勵(lì)過(guò)程中該系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，如圖3所示的某型制動(dòng)-懸架效率試驗(yàn)臺(tái)。二是利用儲(chǔ)能飛輪降速掃頻激勵(lì)試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面-車(chē)輪-懸架三者組成的系統(tǒng)，檢測(cè)掃頻激勵(lì)過(guò)程中該系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，如圖4所示的某型掃頻-懸架效率試驗(yàn)臺(tái)。這兩類(lèi)懸架效率試驗(yàn)臺(tái)專(zhuān)為工程性實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)，價(jià)格畸高，試驗(yàn)準(zhǔn)備和檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜，僅提供最終的汽車(chē)懸架隔振性能參數(shù)，不能提供汽車(chē)懸架-車(chē)輪系統(tǒng)在時(shí)域和頻域的振動(dòng)信號(hào)圖像，教學(xué)實(shí)驗(yàn)的效果有待改善。

圖3 某型制動(dòng)-懸架效率試驗(yàn)臺(tái)

圖4 某型掃頻-懸架效率試驗(yàn)臺(tái)

3 研制汽車(chē)懸架隔振性能參數(shù)快速檢測(cè)教學(xué)儀器

對(duì)于學(xué)生課程實(shí)驗(yàn)的基本要求是：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及過(guò)程簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)參數(shù)可調(diào)整，能給出較為完整且可視化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括可儲(chǔ)存和調(diào)取的數(shù)據(jù)及圖像，能夠自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，所需儀器設(shè)備不昂貴。由于汽車(chē)懸架性能實(shí)驗(yàn)直接使用工程性懸架效率試驗(yàn)臺(tái)其效果差強(qiáng)人意，筆者嘗試基于擬脈沖激勵(lì)原理，研制滿(mǎn)足有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7]的單輪平板式懸架參數(shù)檢測(cè)教學(xué)儀器。[8]

3.1 擬脈沖激勵(lì)的機(jī)理分析

脈沖激勵(lì)是指在無(wú)限小的時(shí)間內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)施加作用力使其產(chǎn)生振動(dòng)的激振方式。從理論上分析，脈沖函數(shù)為理想δ函數(shù)，其頻譜具有無(wú)限平直性，在所有頻段上具有等強(qiáng)度的白噪聲。事實(shí)上，幅值無(wú)窮大而持續(xù)時(shí)間無(wú)限小的脈沖激勵(lì)在物理上是不可實(shí)現(xiàn)的。[9]擬脈沖激勵(lì)域在時(shí)域中近似于半正弦波，在頻域中為有限帶寬不均勻強(qiáng)度的寬譜，其頻譜值在一定頻率范圍內(nèi)近乎平直(如圖5所示)。

圖5 擬脈沖激勵(lì)及其頻譜

在能量足夠大的擬脈沖信號(hào)激勵(lì)下，如果其頻譜覆蓋了包含懸架-車(chē)輪系統(tǒng)隔振起始頻率的2 Hz～8 Hz汽車(chē)懸架隔振性能頻率范圍，就可通過(guò)計(jì)算得到汽車(chē)懸架隔振性能參數(shù)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)可讓學(xué)生在汽車(chē)前保險(xiǎn)杠上人力按壓施力，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)懸架的簡(jiǎn)易擬脈沖激勵(lì)(如圖6所示)。

圖6 簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn)擬脈沖激勵(lì)——按壓激勵(lì)

3.2 汽車(chē)懸架隔振性能參數(shù)快速檢測(cè)方案

圖7 汽車(chē)懸架隔振性能參數(shù)擬脈沖激勵(lì)快速檢測(cè)方案

圖7是汽車(chē)懸架隔振性能參數(shù)快速檢測(cè)方案。在車(chē)輪左、右懸架上方的發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋上布置2只壓電型振動(dòng)加速度傳感器，在左輪下安放內(nèi)置壓電型力傳感器的單輪平板。加速度傳感器和力傳感器組合選配，形成一次獲得兩路懸架振動(dòng)信號(hào)的模式，檢測(cè)按壓后的兩路懸架振動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)SSPD-1單輪平板式懸架參數(shù)檢測(cè)教學(xué)儀器處理，自動(dòng)生成：2個(gè)通道懸架振動(dòng)(力)的時(shí)域信號(hào)曲線及其頻譜，懸架一階固有頻率，分別用線性隔振系統(tǒng)方法和經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算的懸架效率，懸架平均效率，懸架效率評(píng)判結(jié)論。圖8是檢測(cè)結(jié)果截屏。

圖8 汽車(chē)懸架擬脈沖激勵(lì)檢測(cè)結(jié)果截屏

SSPD-1單輪平板式懸架參數(shù)檢測(cè)教學(xué)儀器的批量制造成本為1萬(wàn)元，沒(méi)有復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)潔，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化、可儲(chǔ)存、可調(diào)取，可自動(dòng)生成Word實(shí)驗(yàn)報(bào)告。該教學(xué)儀器已用于本校車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)4個(gè)年級(jí)汽車(chē)?yán)碚撜n程中的汽車(chē)懸架性能實(shí)驗(yàn)和多屆畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。[10-13]

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)研制的SSPD-1單輪平板式懸架參數(shù)檢測(cè)教學(xué)儀器，批量制造成本為1萬(wàn)元。

(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)汽車(chē)懸架的擬脈沖激勵(lì)可通過(guò)在汽車(chē)保險(xiǎn)杠上人力按壓施力的方式實(shí)現(xiàn)。

(3)研制的教學(xué)儀器能夠獲得懸架-車(chē)輪系統(tǒng)的以下信息：兩個(gè)通道懸架振動(dòng)(力)的時(shí)域信號(hào)曲線及其頻譜，懸架一階固有頻率，分別用線性隔振系統(tǒng)方法和經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算的懸架效率、懸架平均效率、懸架效率評(píng)判結(jié)論。

(4)單輪平板式懸架參數(shù)檢測(cè)教儀已用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在當(dāng)前國(guó)內(nèi)涉汽車(chē)本科專(zhuān)業(yè)教學(xué)中同質(zhì)化傾向不容忽視的情形下，筆者研制的教學(xué)儀器對(duì)推進(jìn)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)條件特色化建設(shè)具有借鑒意義。

[1] GB/T 4970-2009.汽車(chē)平順性試驗(yàn)方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010.

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[11] 章展源. 汽車(chē)懸架效率檢測(cè)教儀設(shè)計(jì)[D]. 南京: 南京工程學(xué)院汽車(chē)與軌道交通學(xué)院,2013.

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[13] 路引. 基于C語(yǔ)言的單輪平板式懸架參數(shù)檢測(cè)儀控制軟件設(shè)計(jì)[D]. 南京: 南京工程學(xué)院車(chē)輛工程系,2010.

A Kind of Teaching Instrument for Experiment of Anti-vibration Performance of

Automobile Suspension

Zhang Yu， Wang Yuguo， Zhan Shishi， Zhang Zhanyuan
Nanjing Institute of Technology， Nanjing， 211167， China

A teaching experimental of fast detection on parameters of anti-vibration performance of automobile suspension is realized based on the principle of quasi-impulse exciting. The parameters of anti-vibration performance of automobile suspension are offered which are needed to detected. The insuffcient about two kinds of suspension effciency test rig is analyzed. A single-wheel fatbed suspension parameter detector is developed. A quasi-impulse exciting to automobile suspension is carried out by human press on the bumper while testing. The result of course using shows that the educational instrument developed is with feasibility.

vehicle engineering； parameters of anti-vibration of suspension； educational instrument； specialty involving automotive；homogenization

2014-11-18

張雨，博士，教授。

江蘇省高校科研成果產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)工程項(xiàng)目(編號(hào)：JHZD2012-6)；南京工程學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)專(zhuān)業(yè)基金課題(編號(hào)：241341125301301)；南京工程學(xué)院高等教育研究課題(編號(hào)：GY201314)。