一种用于汽车悬架隔振性能实验的教学仪器

张 雨 王玉国 湛时时 章展源

南京工程学院汽车与轨道交通学院 江苏南京 211167

一种用于汽车悬架隔振性能实验的教学仪器

张 雨 王玉国 湛时时 章展源

南京工程学院汽车与轨道交通学院 江苏南京 211167

基于拟脉冲激励原理实现汽车悬架隔振性能参数快速检测教学实验，提出了需检测的汽车悬架隔振性能参数，分析了两类悬架效率试验台的不足，研制了单轮平板式悬架参数检测教仪。实验时学生通过在汽车保险杠上人力按压实施汽车悬架拟脉冲激励。课程使用结果表明所研制的教学仪器有效。

车辆工程；悬架隔振参数；教学仪器；涉汽车专业；同质化

汽车悬架是车架(或车身)与车轴(或车轮)之间弹性联结装置的统称，由弹性元件、导向机构、减振器和横向稳定杆组成。悬架的隔振性能减缓了行驶中车辆受到的冲击力，保证了人员舒适和货物完好。我国以国家标准[1,2]的形式要求获得新车悬架或在用车悬架的隔振性能参数。国内高校按照所开设的车辆工程、汽车服务工程等专业的要求及其定位差异，在汽车理论、汽车运用工程、汽车检测技术等课程中设有检测汽车悬架隔振性能参数的汽车悬架性能实验。

1 汽车悬架隔振性能参数

1.1 悬架效率

当对汽车悬架-车轮系统进行拟脉冲激励后，其振动响应信号如图1所示，这是一种以有阻尼固有频率进行的衰减振动，式中f0和ξ分别是汽车悬架-车轮系统的一阶固有频率和阻尼比。

图1 汽车悬架-车轮系统振动信号及有关变量含义

悬架效率的物理意义是在第一个振动周期中悬架阻尼衰减、吸收振动能量的程度，它反映了汽车悬架减振能力。[3]悬架效率η[4]可表示为：

式(1)中：“exp”是e指数；Mi，Mi+1是汽车悬架-车轮系统振动信号在一个振荡周期Td=1fd中的2个超调量，在图1中已标示；δ为任意2个超调量的对数比；n为任意2个超调量之间的最大整周期个数；ξ如前所述是汽车悬架-车轮系统的阻尼比。

1.2 悬架吸收率

悬架吸收率的物理意义是车轮与路面间的动态附着状况，数值越大意味着悬架的阻尼特性越好，定义悬架吸收率Ra：

式(2)中，GA，GB分别为前、后轮悬架-车轮系统振动信号第一个周期中的第一个峰值和第二个峰值，G0为稳态值，如图2中所示。

图2 关于悬架吸收率的变量说明

1.3 悬架隔振起始频率

根据汽车平顺性理论，人体对于4 Hz～8 Hz的振动最敏感，对大于8 Hz或低于4 Hz的振动其敏感程度急剧下降[5]，人体不敏感的低频振动频率范围是1 Hz～1.6 Hz。为了提高乘员所能承受的暴露界限，需要降低汽车悬架在人体敏感的4 Hz～8 Hz频率范围内的振动传递率。故应将汽车悬架一阶固有频率f0调整至人体不敏感的1 Hz～1.6 Hz内，一般取f0=Hz。则当汽车悬架隔振起始频率为时，2 Hz～8 Hz就成为考察汽车悬架是否具有隔振性能的频率范围。

2 教学要求

检测汽车悬架隔振性能参数的实验，在实验室内采用的实验设备依据其工作原理有两类：一是利用拟脉冲激励在频域中的有限带宽性质[6]，用足够大的能量激励于悬架-车轮系统，检测拟脉冲激励过程中该系统的振动响应信号，如图3所示的某型制动-悬架效率试验台。二是利用储能飞轮降速扫频激励试验台台面-车轮-悬架三者组成的系统，检测扫频激励过程中该系统的振动响应信号，如图4所示的某型扫频-悬架效率试验台。这两类悬架效率试验台专为工程性实验所设计，价格畸高，试验准备和检测过程复杂，仅提供最终的汽车悬架隔振性能参数，不能提供汽车悬架-车轮系统在时域和频域的振动信号图像，教学实验的效果有待改善。

图3 某型制动-悬架效率试验台

图4 某型扫频-悬架效率试验台

3 研制汽车悬架隔振性能参数快速检测教学仪器

对于学生课程实验的基本要求是：实验准备及过程简单，实验参数可调整，能给出较为完整且可视化的实验结果，包括可储存和调取的数据及图像，能够自动生成实验报告，所需仪器设备不昂贵。由于汽车悬架性能实验直接使用工程性悬架效率试验台其效果差强人意，笔者尝试基于拟脉冲激励原理，研制满足有关行业标准[7]的单轮平板式悬架参数检测教学仪器。[8]

3.1 拟脉冲激励的机理分析

脉冲激励是指在无限小的时间内对实验施加作用力使其产生振动的激振方式。从理论上分析，脉冲函数为理想δ函数，其频谱具有无限平直性，在所有频段上具有等强度的白噪声。事实上，幅值无穷大而持续时间无限小的脉冲激励在物理上是不可实现的。[9]拟脉冲激励域在时域中近似于半正弦波，在频域中为有限带宽不均匀强度的宽谱，其频谱值在一定频率范围内近乎平直(如图5所示)。

图5 拟脉冲激励及其频谱

在能量足够大的拟脉冲信号激励下，如果其频谱覆盖了包含悬架-车轮系统隔振起始频率的2 Hz～8 Hz汽车悬架隔振性能频率范围，就可通过计算得到汽车悬架隔振性能参数。教学实验时可让学生在汽车前保险杠上人力按压施力，实现对汽车悬架的简易拟脉冲激励(如图6所示)。

图6 简易实现拟脉冲激励——按压激励

3.2 汽车悬架隔振性能参数快速检测方案

图7 汽车悬架隔振性能参数拟脉冲激励快速检测方案

图7是汽车悬架隔振性能参数快速检测方案。在车轮左、右悬架上方的发动机舱盖上布置2只压电型振动加速度传感器，在左轮下安放内置压电型力传感器的单轮平板。加速度传感器和力传感器组合选配，形成一次获得两路悬架振动信号的模式，检测按压后的两路悬架振动信号，并通过SSPD-1单轮平板式悬架参数检测教学仪器处理，自动生成：2个通道悬架振动(力)的时域信号曲线及其频谱，悬架一阶固有频率，分别用线性隔振系统方法和经验方法计算的悬架效率，悬架平均效率，悬架效率评判结论。图8是检测结果截屏。

图8 汽车悬架拟脉冲激励检测结果截屏

SSPD-1单轮平板式悬架参数检测教学仪器的批量制造成本为1万元，没有复杂的实验准备阶段，实验过程简洁，实验数据可视化、可储存、可调取，可自动生成Word实验报告。该教学仪器已用于本校车辆工程专业4个年级汽车理论课程中的汽车悬架性能实验和多届毕业设计工作。[10-13]

4 结束语

(1)研制的SSPD-1单轮平板式悬架参数检测教学仪器，批量制造成本为1万元。

(2)实验时对汽车悬架的拟脉冲激励可通过在汽车保险杠上人力按压施力的方式实现。

(3)研制的教学仪器能够获得悬架-车轮系统的以下信息：两个通道悬架振动(力)的时域信号曲线及其频谱，悬架一阶固有频率，分别用线性隔振系统方法和经验方法计算的悬架效率、悬架平均效率、悬架效率评判结论。

(4)单轮平板式悬架参数检测教仪已用于本科实验教学。在当前国内涉汽车本科专业教学中同质化倾向不容忽视的情形下，笔者研制的教学仪器对推进专业实践教学条件特色化建设具有借鉴意义。

[1] GB/T 4970-2009.汽车平顺性试验方法[S].北京:中国标准出版社,2010.

[2] GB 18565-2001.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.

[3] 刘宪生.乘用车悬架特性检测方法应用分析[J].交通标准化,2005(6):95-98.

[4] 李杰敏.汽车拖拉机试验学[M].第二版.北京:北京机械工业出版社,1998:26-27.

[5] 刘军.车辆悬架系统试验评价技术[J].农业机械学报,2000,31(5):62-66.

[6] 汪洋,杨云志,张弛. 拟脉冲激励及其共振响应的车辆工程运用[J]. 公路与汽运,2008,(3):18-21.

[7] JT/T 488-2001. 汽车悬架装置检测台技术条件[S]. 北京:人民交通出版社, 2001.

[8] 张雨,王玉国,湛时时. 单轮平板式悬架参数检测仪: 中国, 200920048866.4[P]. 2011.

[9] 钱济国. 频响函数的脉冲激励方法[J]. 振动、测试与诊断,1994,14(2):32-39.

[10] 许华栋. 单轮平板式悬架参数检测仪的实验教学方案研究[D].南京: 南京工程学院汽车与轨道交通学院,2014.

[11] 章展源. 汽车悬架效率检测教仪设计[D]. 南京: 南京工程学院汽车与轨道交通学院,2013.

[12] 王海洋. 教学型按压式悬架参数检测仪设计[D]. 南京: 南京工程学院车辆工程系,2012.

[13] 路引. 基于C语言的单轮平板式悬架参数检测仪控制软件设计[D]. 南京: 南京工程学院车辆工程系,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

张雨，博士，教授。

江苏省高校科研成果产业化推进工程项目(编号：JHZD2012-6)；南京工程学院重点建设专业基金课题(编号：241341125301301)；南京工程学院高等教育研究课题(编号：GY201314)。