汽车道路试验装置设计正文

摘要悬架是汽车的重要组成部分，它把车体与车轴弹性地连接起来，并承受作用在车轮与车体之间的作用力，缓冲来自不平路面给车体传递的冲击载荷衰减各种动载荷引起的车体振动。悬架对汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性及操纵稳定性等多种使用性能有很大影响。于是，设计一套功能全面的悬架试验台将是有重大意义的任务。本文设计了汽车1/4悬架试验台的路面模拟器，建立了B级路面的时域模型，验证了该地面模拟器的动态特性，由输入与输出结果对比可以看出，该模拟器的输出波形与输入基本一致。功能全面，性能和一般的用偏心轮激振试验台相比有较大的提高。关键词：路面模拟器；悬架；动态特性AbstractThesuspensionisoneofthemostimportantpartsoftheautomobile,whichlinkstheaxlewiththebodyoftheautomobileandbeartheforcebetweenthewheelandtheautomobilebody.Itcanbuffertheshockcausedbytheunevenroad,anditcanalsoreducethevibrationcausedbythechangingload.Thesuspensionplayanimportantroleinbothsmoothnessofmovingandtheridecomfort.Maneuverablestabilityoftheautomobileandotherperformancearealsoimpactedgreatlybythesuspensionsituation.Consequently,itisnecessaryforustodesignaequipmentwhichhascomprehensivefunctionneededtotestthesuspension,anditwillgaingreatinterestinfuture.A1/4suspensiontest-bedforautomobileisdesigned,andavirtualmodelofroadofGradeBisestablishedinthispaper.Comparingtheinputandtheoutput,wecometotheconclusionthatthissimulator'soutputisacceptable.Compare-dbetdo,itostchaeprabtileitsytisimproveddramatically.Keywords：Simulator；suspension；dynamicperformance绪言悬架是汽车的重要组成部分，它把车体与车轴弹性地连接起来，并承受作用在车轮与车体之间的作用力，缓冲来自不平路面给车体传递的冲击载荷，衰减各种动载荷引起的车体振动。悬架对汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性及操纵稳定性等多种使用性能有很大影响。严重的汽车振动还会影响汽车的行驶速度和产生噪音，所以设计一套悬架试验台，将是一项有重大意义的任务。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特性。车辆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。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40%-50%，修理间隔里程缩短35%-40%,燃料消耗增加50%-70%，汽车的运输生产率减少32%-36%，而运输成本则增加50%-70%。现代汽车不管是矿用车还是高级轿车，其发动机功率及单位车重的功率都有比较大的提高，而要提高汽车的平均行驶速度，则常常是受到悬架性能的限制。汽车在一定路面并以一定速度行驶时车身颠簸的大小取决于悬架性能的好坏。汽车在高速行驶时，也常因悬架装置性能较差，颠簸大得不得不降低车速，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。平顺性研究表明，汽车振动会使乘客产生不舒适的感觉，容易疲劳继而使交通事故增多，也可能使货物运输因过度振动而损坏。1961年，D.E.Godman等人在总结前人的基础上，提出人体在承受低频（0~100Hz）低频振动时，可简化为具有刚度、阻尼、质量的集中系统，并指出该模型在3〜6Hz时产生胸腹共鸣，20〜30Hz时产生头一颈一肩共振，60〜90赫兹时产生眼球共振。随着科技进步和人生活水平的提高，人们对车辆的乘坐舒适度要求也越来越高。而悬架直接关系到车辆的行驶平顺性。因此，改进和提高悬架装置结构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。汽车试验按试验方法可分为三类。一类是道路试验，第二类是试验场试验，第三类是室内模拟振动试验。目前，应用得越来越多的是室内模拟试验无论是道路试验，还是验场试验都是在室外进行的。在这种情况下，地面不动，汽车的运动看成汽车相对于地面的水平方向移动和垂直方向振动的合成室内模试验在试验室内进行，汽车不动，试验设备相对于汽车移动或振动同时通过一些技术措施，模拟汽车在实际行驶时的受力、载荷等。并在可能接近于实际行驶条件下，进行各项测量。室内模拟试验能以较高精度测试车辆及其零部件的性能，并能排除不需要研究的某些因素。如环境条件、驾驶员熟练程度等。近十几年来，随着计算机技术、数字术的发展，室内模拟试验进入了新的阶段。室内模拟试验采用随机加，数据自动记录和采集处理系统，模拟车辆使用工况，提高了试验精，缩短了试验周期，加快了新产品开发的步伐。室内模拟试验不仅可以对零部件、总成进行性能、强度和寿命试验，也可以对整车参数进行定，模拟道路行驶的各种试验。室内试验和试验场试验及道路试验相比具有下列特点:可以模拟实际行驶时的各种载荷条件，十分接近道路试验;可以强化载荷，大大缩短试验周期;如某汽车公司的室内1小时强化试验可相当于正常行驶1000公里。试验时的主、客观条件可以控制，可比性、重复性好;经济性好;相对其他两种试验来说，人、财、物的消耗大大减少安全可靠:在目前交通事故率、人员死亡率较高的情况下，室内模拟试验无疑具有较大的安全性。总之，汽车室内模拟试验，作为一种试验方法，在国际汽车市场竞日益加剧、产品更新换代日益频繁的今天，以其较高的试验精度、的经济性和安全性，正越来越受到人们的重视，具有广阔的应用前景。汽车悬架系统的试验室试验汽车悬架系统的试验室试验包括静力试验和动力试验。.静力试验在静力试验时，主要确定悬架和轮胎弹性的静力特性曲线以及表征，但是试验场试验也要花费大量的人力、物力、财力。汽车振动系统性能的参数，如:悬置质量和非悬置质量的大小，悬挂刚度、规定的静力载荷的有效静荷挠度，轮胎刚度，最大动行程、干摩擦大小等。.动力试验实验室动力试验的主要目的是测定对振动系统激励及其响应间联系的悬挂动力特性。动力特性比静力特性更能全面评价在各种工况下的悬架性能。其中包括接近于使用的工况。所以在试验室条件下评价悬架性能时，动力试验居于关键性地位，在悬架调整和完善的过程中，试验室的动力试验具有重要作用。在很多情况下，为了查明悬挂工作产生缺陷的原因，试验室试验比道路试验更有效，因为可以广泛地改变试验工况，同时可保证试验工况的稳定性，测定动态特性和振动系统的参数，可以在各种作用形式和振动过程的情况卞进行，比如悬挂系统在自由振动下的试验、在正弦规律引起强迫振动下的试验、单位阶跃激励引起非稳定作用的试验和在随机振动下的试验等。各国很早就极为重视悬架试验，但是近年来对试验结果所得到的信息数量和质量的要求急剧提高，因而试验方法复杂化。并且进行悬挂试验所需的花费昂贵，所以本课题开发出的这一套悬架试验系统将对降低悬架试验成本提高试验效率具有重要的现实意义。目前，用在室内道路模拟试验中的道路振动模拟试验台有电动式和电液式两种。电动式振动台由于其低频振动频率较高而不能很好地满足汽车悬架性能试验。性能较好的是电子液压伺服试验台，这种试验台系统能够自动模拟非常复杂的载荷谱，使试验结果更接近于实际情况。但这种试验台成本高结构复杂，需要专门制造。目前国内几乎都是引进国外的此类产品。美国MTS公司生产的MTS329道路模拟试验机，是集机械、液压、电子、计算机、信号处理和控制理论等学科为一体的试验台架，在世界汽车制造业中有较广泛的应用。但它价格昂贵，国内也是仅有的一些大型汽车厂和汽车研究所才有这种试验机，这就给各种汽车新产品开发前的试验带来了困难。在汽车的使用过程中，如何确保汽车安全性能的稳定、可靠，并快速检测出故障，是现代汽车检测技术所追求的目标。如德国BEISSBARTH有限公司生产的测力式悬架性能检测试验台是通过测力,然后定义出相对接地性来评价的.结构简图如图1所示.图1试验台架结构简图试验工作原理为电动机通电旋转，带动偏心凸轮转动，使激振台振动电动机达到额定转速后断电，此时激振台在旋转惯量的带动下产生一个从高频到低频的扫频振动过程（23-30HZ）。在这个扫频振动过程中测出力的变化曲线，并与静态时轮胎对地面的力进行比较。进而判断悬架性能的好坏，当激振频率与悬架固有频率重合时便会发生共振，从而通过力的信号可测出共振频率，并得出力的衰减情况。但是由于此试验台采用的是感应式电动机，转速不可改变，所以试验台的振动频率是不可以改变的的。又由于凸轮偏心距不可改变。所以试验台的振幅也是不可以改变的。这样的试验台的功能较单一，只能分别对左、右车轮进行由高频到低频的扫频振动。且扫频时间不能控制。为了能对振动频率和振动幅值进行控制，国内的设计人员在原试验台增加了调节装置，新系统不仅保留原系统所有功能，还可对左、右轮的振动频率和振动幅值进行控制，通过对左、右轮振动的不同组合来模拟实际的路面输入，从而使新系统满足汽车悬架装置特性检测的要求。其改进方法就是电机的电源输入增加一个变频器，在振动台与振源之间加入一个丝杠，通过步进电机带动沿导轨运动其作用原理就是杠杆，用于调节振幅。它的原理如图2所示：图2改进后的试验台振幅控制系统结构示意图图3改进后的试验台输出波形经过改进后，虽然可以调节振幅，但是它的波形由图可以看出，这个振动仍然是有规律的，如图3所示。它是电机的转动转换成有规律的垂直振动加上一个随机的振动这个随机振动主要来自于该机构由于个件之间的接触刚度过低，在外力的作用下产生的振动，这样的试验台刚度过低，当负载变化时波形会产生不规则变化，而且用该装置组成1/4或整车悬架试验台时，难以实现两个试验台的同步动作。所以这种装置不能真正模拟路面的实际情况。而且增加了更多的零件后，振动在传递过程中，由于零件接触刚度过低，容易产生噪音。并且机械体积大，搬运不方便，由于不能模拟真实的路面起伏状况，所以不能用于道路模拟试验，只能用于运输振动试验，应用范围较小。1本课题设计的内容1.1设计参数本课题的任务是结合汽车悬架试验台设计一套路况模拟试验台，即悬架试验台的垂直震动部分，1/4车辆悬架试验（如图4所示）以及整车的室内路面模拟试验（如图5）。主要性能如下：表1地面模拟试验台主要性能指指标载荷：±20KN位移传感器范围±100mm工作频率0〜50Hz振幅±3mm图41/4悬架试验台图5整车悬架试验台1.2方案确定在电液伺服系统中用于位置控制的系统是最常见的。其中电液位置伺服系统，由于能充分发挥电子于液压两方面的优点，即能控制很重的惯量和产生很大的力或力矩，又具有高精度和快速响应能力，并有很好的灵活性和适应能力，因而得到广泛的应用。如飞机与船舶舵机控制系统、雷达与火炮跟踪系统，机床工作台的位置控制，轧机板厚控制和带材跑偏控制。图6路面模拟试验台原理框图以及飞行模拟转台、振动试验台等。不仅直接用于位置控制，在控制其他物理量的控制系统中，如压力、流量、金属液面、温度等控制系统中也常有位置控制小回路作为大回路的一个环节。由于位置伺服系统的诸多优点，因此，该试验台采用电液位置伺服系统。原理框图如图7。

MnVpwPsPCTW-TMS320F28¥2^^电控器DSP控制器MnVpwPsPCTW-TMS320F28¥2^^电控器DSP控制器图7电液位置伺服系统充ISP15812器件选择2.1液压缸的选择考虑车辆行驶过程中车轮与地面之间的动应力，为了留足够的余量，如在车轮不离地的情况下最高动应力为最大压力的两倍，所以取F=40KN，初选工作压力16MPa；液压缸内径

［4Fi'4x40KN “，d= = 二56.4mm兀P\314x16Mpa选取海特公司伺服液压缸，D=63mm,d=36mm,型号为DSL25WF63/36200MII该型号的具体意义为：D：等速缸SL：伺服缸，LVDT传感器25：额定工作压力25MPaWF：安装形式尾部法兰式63/36:液压缸内径60mm，活塞杆直径36mm200：行程200mmM：M-ISO公制螺纹II：杆端形式DIN短形螺纹2.2顶部轴承的选择由于顶部的轴承只为了使上转盘固定在导向盘上，在工作时需要的力很小，并且转动角度很小，所以根据结构、尺寸要求选择圆锥滚子轴承即可。该轴承型号为：302082.3管道及伺阀的选择液压缸的有效面积兀D兀D2 兀x0.0632S= =—=0.00312m2当频率为50Hz时达到最高流量，伺阀的空载流量兀D2 兀D2q=、：3v=\2 2Af0 4m 4=爲x冒0.0632X2X0.03X50=0.00162m3-s-i=97.186L-min-1实际供油压力P=sS=4F兀D24x40x103兀x0.0632=12.83MPa根据求得的流量和压力，根据压降-负载流量曲线，选择伺服阀MOOG35它的实际空载流量比计算出来的大大约15%〜30%，符合要求，可以采用。它的主要参数为I=0.03A o=1200rads匚=0.5R c ' v位移传感器为伺服油缸内置，由于增益可调，所以设计中取Kf=1V/cm2.4转台部分元件的选择仍然按照最大压力F=40KN设计转台处钢珠的滚动摩擦系数f=0.2所以，液压缸的缸径=0.028m=28mmi4Ff ,'4x40=0.028m=28mmD2、兀P 3.14x12.83x106由于液压缸最小内径为①40mm，故选用内径为①40mm的DG型车辆用液压缸，行程80mm,型号为DG-JB40C-EL22伺服阀采用M00G32伺服阀，管道直径①=10mm。3系统参数的计算先求出系统各环节的传递函数

3.1系统配重：4KS2o=hVm't_[4X700X106X0.0031220.00312x0.2x300=381rads一般液压阻尼比较低’取'h_0.2由此得0.03210.0321s2S 13812兰s+13813.2电液伺服阀伺服阀增益q 97.186L-min-1K_o_ _3239L-min-1-A-1svI 0.03AR_53992cm3s-1A-1由此得G(s)_Ildfc120021200可以看出，该系统的可近似看作一阶系统，所以取G(s)_53992v3.3位移传感器G(s)_1V/cm3.4伺服放大器由系统的开环增益中推算出，总增益Kv二KKKK二1733.3Kasvhf a系统稳定工作的开环增益限值为K<2©®二152.4rad/svhh故有K= v—=0.087a1733.3为了保证有足够的稳定裕量，取K二0.045a3.5根据以上结果，画出系统框图如图7：图7系统框图3.6系统稳定性校核根据计算结果，系统的开环传递函数G(s)为:77.94's2 0.4 1s+s+1(3812 381系统的闭环传递函数①(S)为0⑶_1+G(s)H(S)略去系数较小的项，闭环传递函数可化简为

0.082s2+78.16s0.0021s3+1.082s2+78.16s画出开环传递函数和闭环传递函数的Bode图如下：.图8系统开环传递函数和闭环传递函数图8系统开环传递函数和闭环传递函数Bode图〔Hz电启UBmw〔Blllp〕OJwlriLId由图中可以看出，系统的稳定裕量 L=5.31dB,Y=85。。系统的频宽g120① =120rad/s,即f =Hz=19.1Hz-3dB -3dB水平转动部分

图9水平转台转角范围示意图水平转台用于模拟当车轮行驶过程中，当车轮遇到转弯、斜坡、凹凸不平路面等情况下车轮获得的绕垂直轴的转动趋势。液压缸行程为80mm,用作图法求出该试验台转台的转角为28.5°。4液压缸各部分结构形式及其校核图10液压缸结构简图4.1液压缸的基本类型和特点（1）按运动方式分：直线运动（活塞式、柱塞式）摆动（摆动液压缸）（2）按作用方式分：单作用液压缸：活塞单向作用，由弹簧使活塞复位柱塞单向作用，由外力使柱塞返回双作用液压缸：活塞双作用，左右移动速度不等；双柱塞双作用。（3）按结构形式分：活塞式

柱塞式摆动式说明活庭单衙愕用.由处■使龄集夏位将垂赵问作用，左、右蓉动速度平聯*新剳達播时■可促冉运动連庫祜壇左、右聲腐理度孙算娃富单向怖刖■由扑力便柱蠢返回lr电f£雋駅向作用TTT辎出转抽HAE柞小于罪3的崔功料出转抽只帽忡小于科b的也功图11常用活塞类型4.2活塞式液压缸力F和移动速度V的计算图12活塞式液压缸简图兀F=A（p一p）= （D、2-d2）（p一p）12412A-液压缸的有效面积;单出杆液压缸力F与移动速度V图13无杆腔进油兀F=pA一PA=—[D2P一(D2一d2)p]21a图13中A2 —^2A /7 1rMr■IX11i\<2图14有杆腔进油兀图14中F=pA一PA21221=[(D2一d2图14中F=pA一PA21221412v= 4Q2兀(D2—d2)dL1H_illi/图15中图图15中4Qnd2F=p(A—A)= [D2—(D2—d4Qnd2311241冗Q+—(D2—d2)v4 3兀D244而在实际工作中常用：图13作工进；用图14作快退；用图15作快进。为使快进和工进速度相等，即：v=v32则有」=竺=iQ则A厂2A3兀(D2-d2)nd2nd2 d二J2d4.3液压缸密封装置液压缸中的密封主要指活塞和缸体之间，活塞杆和端盖之间的密封，用于防止内、外泄漏。在一定工作压力下，具有良好的密封性能。相对运动表面之间的摩擦力要小，且稳定。要耐磨，工作寿命长，或磨损后能自动补偿。使用维护简单，制造容易，成本低。其密封形式：间隙密封：三角形环形槽(平衡槽)活塞环密封(开口金属环)：适用于高压、高速或密封性能要求较高的场合。密封圈密封：而密封圈密封最为常用优点：结构简单，制造方便，成本低；能自动补偿磨损；密封性能可随压力加大而提高，密封可靠；被密封的部位，表面不直接接触，所以加工精度可以放低既可用于固定件，也可用于运动件。对材料要求：密封圈的材料应具有较好的弹性，适当的机械强度，耐热耐磨性能好，摩擦系数小，与金属接触不互相粘着和腐蚀，与液压油有很好的“相容性”材料：耐油橡胶；尼龙；聚氨脂密封圈形状：“0”形;“Y”形;“V”形。压环密封环支華环图压环密封环支華环图16密封圈形状4.4缓冲装置1型式：间隙缓冲装置如图17(a)可调节流缓冲装置如图17(b可变节流缓冲装置如图17(c)图17液压缸的缓冲装置2缓冲原理：当活塞接近端盖时，增大液压缸回油阻力，使缓冲油腔内产生足够的缓冲压力，使活塞减速，从而防止活塞撞击端盖4.5本设计中液压缸选型应注意的问题在保证满足设计要求的前提下，尽量使液压缸的结构简单紧凑，尺寸小，尽量采用标准形式和标准件，使设计、制造容易，装配、调整、维护方便。应尽量使活塞扦在受拉力的情况下工作，以免产生纵向弯曲当确定液压缸在机床上酌固定形式时，必须考虑缸体受热后的伸长问题。当液压缸很长时，应防止活塞扦由于自重产生过大的下垂而使局部磨损加剧。应尽量避免用软管连接。液压缸结构设计完后，应对液压缸的强度、稳定性进行验算。有关验算校核的方法详见材料力学的有关公式。对液压缸，特别是对三种不同联接方式的单杆液压缸的压力p(pl,p2)、推力F、速度V、流量Q及负载FL等量进行计算4.6被选液压缸要考虑到的问题保证液压缸往复运动的速度、行程需要的牵引力。要尽量缩小液压缸的外形尺寸，使结构紧凑。(3)活塞杆最好受拉不受压，以免产生弯曲变形。(4)保证每个零件有足够的强度、刚度和耐久性。(5)尽量避免液压缸受侧向载荷。(6)长行程液压缸活塞杆伸出时，应尽量避免下垂。能消除活塞、活塞杆和导轨之间的偏斜。根据液压缸的工作条件和具体情况，考虑缓冲、排气和防尘措施。(9)要有可能的密封，防止泄漏。液压缸不能因温度变化时，受限制而产生挠曲。特别是长液压缸更应注意。液压缸的结构要素应采用标准系列尺寸，尽量选择经常使用的标准件。(12)尽量做到成本低，制造容易，维修方便。本次设计对缸筒和缸头要求4.7.1对液压缸缸筒的技术要求(1)有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态实验压力而不致产生永久性变形；(2)有足够的刚度，能承受活塞阀向力和安装的反作用力而不致于产生弯曲；内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而磨损少，有高的几何精度，足以保证活塞密封件的密封性；有几种结构的钢筒还要求有良好的可焊性，以便在焊上法兰或管接头后不致于产生裂纹或过大的变形。常用的缸筒连接结构有8类，分别为拉杆连接，焊接，内螺纹连接，外螺纹连接，外卡环连接，半环连接，法兰连接和挡圈连接。通常根据缸筒与钢盖的连接形式选用其结构，而连接形式又取决于额定工作压力、用途、使用环境等因素。此处选用的连接结构为半环连接。4.7.2对缸头结构要求缸底用45号钢锻件。采用半环连接，其特点是加工容易，成本低，拆卸方便，但也有其缺点：外形尺寸较大，较笨重。装配时对拉杆要有足够的预拧紧，否则工作中拉杆伸长变形会产生不良影响。而缸头与缸体的连接方式的选择焊接：结构简单，尺寸小，质量小，使用广泛。对本次设计选配的液压缸型号为：DSL25WF63/36200MII对所选液压缸进行校核非等截面法液压缸压受压稳定性校核实心活塞杆的转动惯量J=土=3.14X364=82477mm41 64 64空心刚体的转动惯量兀(DLD4)=3」4%(754-634)p79883mm46464形状系数_JJ82477八“u

a一1—i= =0.105J779883'20=l1二竺二0.342l662查得k=0.13液压缸的临界载荷=0.13X3.142x2.1x1011x82477x10-120.6622一50.708KN所以，该液压缸满足稳定性要求。结论本文对汽