基于IPC的汽车悬架疲劳寿命试验台设计

袁海兵，王自平

（湖北汽车工业学院 机械工程学院，十堰 442002）

0 引言

汽车悬架主要作用是减小汽车在路面不平整时所引起的震动和冲击，保证汽车行驶的平顺性。目前，汽车行驶速度越来越高，在高速行驶的状态下，汽车行驶的安全性、舒适性、操作稳定性等，与汽车悬架性能密切相关。

目前汽车悬架性能的检测方式[1～4]包括跌落式，测力式，谐振式。其中谐振式汽车悬架装置检测台架[5,6]使用比较广泛，该装置主要用于检测站和修理厂，主要原理是通过电机带动偏心轮，当电机转速达到一定速度后，断开电源，通过储能飞轮来释放能量，使台面与车身发生共振，来检测悬架性能。李琤等人对于汽车悬架振动试验台装置[7]的研究，主要原理是通过外部电机驱动偏心轴模拟路面激励，悬架模拟装置模拟实车悬架，采集悬架振动信号，获取汽车悬架运行过程中的试验数据。以及张俊停基于LabView悬架性能测控系统[8]的研究，主要是采用Labview软件平台搭建悬架性能的仿真调试平台。以上的几种试验台架，虽然可以很好的检测汽车悬架的性能，但不能对汽车整车悬架或汽车悬架总成做疲劳寿命试验。

本设计研究一种基于工业PC机的汽车悬架疲劳寿命试验装置，采用数据采集卡实现试验装置的电机驱动系统、液压举升系统、负载系统的测量与控制。采用Visual C++2015开发试验台控制软件，Microsoft Access2016作为后台数据库，存储汽车悬架疲劳寿命试验数据。该系统能有效验证汽车悬架疲劳寿命，成本低，在汽车悬架行业具有推广应用价值。

1 技术要求和参数

1）测控对象：汽车悬架如图1所示。

图1 测控对象

2）测量参数：前悬架左右压力，后悬架左右压力。

3）能设定悬架疲劳寿命试验次数；

4）自动进行疲劳寿命试验，软件显示试验过程，后台数据库记录每次试验悬架压力值；

5）可设置汽车悬架压力的上限与下限，超出压力限制自动停止试验，并发出报警。

2 系统硬件设计与实现

2.1 系统方案

汽车悬架疲劳寿命试验台主要有电机系统，液压系统，数据采集卡，压力传感器，工业PC机等构成。汽车悬架的疲劳寿命试验台包括动态试验、静态试验。

2.1.1 动态试验

图2 汽车悬架动态试验

动态试验如图2所示，由电动机经减速器带动曲柄连杆机构模拟汽车在路面的上下颠簸运动。汽车悬架疲劳寿命试验时间在20天左右，设计了润滑系统对曲柄等传动机构进行润滑处理，提高试验装置的稳定性和使用寿命。在动态试验过程中，设定试验次数、压力上下限等相关参数，工业计算机不断检测4路悬架试验压力，超出压力上下限或达到试验次数，设备停止运行。

2.1.2 静态试验

静态试验如图3所示，进行静态试验时将曲柄连杆机构更换为液压油缸，在静态试验循环中，模拟车体通过液压油缸来进行举升，来模拟汽车的前仰姿态，举升到位后，对车体进行回落控制，试验依次循环，记录试验次数。试验装置实物图如图4所示。

图3 汽车悬架静态试验

图4 汽车悬架疲劳寿命检测试验台

2.2 传感器的选择与布置

图5 汽车悬架压力传感器布置

测控系统采用4个压力传感器检测汽车前、后悬架试验负载，如图5所示，其中对于传感器的布置，采用非标准传感器用于悬架、模拟车体的连接。根据设备的要求，该试验装置要模拟车体的上限重量为2000kg，所以选择力传感器的上限为2500kg。传感输出电压范围0～10V，工作温度在-20℃～+80℃。对于力传感器的布置选择在模拟车体与悬架连接之间，共有4个力传感器，分别是前悬架力传感器1，前悬架力传感器2，后悬架力传感器1以及后悬架力传感器2。

2.3 工业PC机与数据采集卡的选择

工业PC机选用研华公司的IPPC-6172A-R2AE，该PC机是工业级的平板电脑，前端配有USB 接口，方便数据读取，双通道DDR3内存，容量高达4GB，两个PCIE扩展插槽。前面板密封设计，方便清洁，同时提高了工控系统的可靠性。另外，该PC机屏幕采用触摸屏，操作过程中不需要鼠标键盘，可以方便工控现场的操作。

汽车悬架疲劳试验过程中，采用0.1kS/s的采样频率，根据系统的通道要求、采样频率、计数通道等要求，选用研华公司的PCIE总线的数据采集卡PCIE-1812，该采集卡具有8路的模拟量输入，2路的模拟量输出，32路共享的数字量输入输出，4个通道的定时/计数器，采样频率在250kS/s。系统热启动后，可以保持I/O口的设置和数字量输出值 。

表1 开关量输入DI

表2 开关量输出DO

汽车悬架四路压力传感器，与PCIE-1812采集卡的4路模拟量输入通道AI0、AI1、AI2、AI3相连，输入量程选择0～10V，系统设计时，数据采集卡输入电压与压力传感器输出电压都为0～10V，数据采集卡与压力传感器通过接线端子可以直接相连，不需要其他转换模块，同时，测控现场力传感器与数据采集卡的距离在2至3米，选择单端输入模式 。

数据采集卡的主要IO引脚分配如图6所示，4路压力传感器电压输入信号占用AI通道AI0、AI1、AI2、AI3；数字量输入（DI）共有14个，如表1所示；数字量输出（DO）共有10个，如表2所示；以及2个计数通道的使用（CNT0，CNT1）。

图6 数据采集卡IO分配图

由于接近开关、电磁阀等的控制信号为24V，而数据采集卡的数字量输入输出电压信号为5V，驱动电流较弱，须进行信号转换。如果采用非标件调理板进行信号转换，出现故障时维修周期长，维修难度大，因此，系统中采用欧姆龙固态继电器（SSR）完成数字量信号的转换，可缩短出现故障时的维修时间，接口电路如图7所示。

图7 数字量输入输出接口电路

3 系统控制软件设计

采用Visual C++2015设计汽车悬架疲劳寿命试验台控制软件，可以设定试验次数，试验压力上下限，当试验达到设定次数，或超出设定压力上下限时，自动停止试验，并发出报警。检测过程中，数据采集卡完成对4路压力传感器的AD转换，利用数据采集卡记数通道记录试验次数，控制软件将试验过程数据保存至Microsoft Access2016数据库。

3.1 数据采集

汽车悬架疲劳寿命试验台采用研华公司的PCIE-1812数据采集卡，研华公司对数据采集卡提供了驱动文件，在工业PC机上安装研华公司提供的DAQNavi_SDK驱动程序，可以在VC++中直接调用相应函数完成对数据采集卡的操作，降低了编程难度，提高了程序的可靠性，系统测控软件主要调用了模拟量输入函数InstantAiCtrl.ReadAny ()、数字量输出函数InstantDoCtrl.Write()、数字量输入函数InstantDiCtrl.Read()以及计数通道读取函数EventCounterCtrl.Read()。

部分代码如下：

3.2 数据滤波

疲劳试验过程中，为了提高4路压力传感器AD转换数据的可靠性与稳定性，减少压力传感器模拟电压信号在传输过程中的干扰，对每路压力传感器AD转移数据进行滤波处理，其过程如下：

1）疲劳试验过程中，测控软件采样频率为0.1kS/s，采样样本每10个一组；

2）对10个样本进行大小排序；

3）去除10个样本中的最大值和最小值；

4）对剩下8个样本求平均值，作为一个有效样本；

在0.1kS/s的采样频率下，通过上述的滤波方法，每秒可以得到10个有效样本。这种滤波方法可以有效的过滤由于偶然因素所引起的干扰，现场试验证明具有很好的滤波效果。

3.3 数据实现与存储

汽车悬架疲劳寿命试验台采用研华工业PC机IPPC-6172A作为核心控制机，工业PC机具有强大的数据处理与数据存储能力，控制软件将试验数据保存到后台数据库Microsoft Access2016中。

汽车悬架疲劳试验过程中，控制软件通过调用研华公司提供的相应驱动函数，进行数据采集以及控制电磁阀、变频器等试验装置，监测4路压力传感器的数据变化和试验次数，将试验次数和4路压力传感器的压力数据存储到Microsoft Access2016数据库中，通过后台数据，可分析疲劳试验过程中悬架弹簧失效的变化趋势，为产品的改进提供数据支持。汽车悬架疲劳试验台的动态试验软件界面如图8所示、静态试验软件界面如图9所示。

在Microsoft Access2016数据库中采用SQL技术进行报表处理，可查询和打印试验数据，动态试验的实验数据报表如表3所示。

图8 动态试验界面

图9 静态试验界面

表3 汽车悬架动态试验数据Access报表

4 结语

本文设计了以研华工业PC机为核心控制计算机的汽车悬架疲劳寿命试验台，能够分别对整车悬架进行动态试验与静态试验，该试验台能自动进行悬架疲劳试验，具有自动报警和数据存储功能，显示界面友好，能查询和打印试验数据，在东风汽车悬架弹簧公司运行一年来，该试验台运行稳定，检测数据可靠，能够有效完成汽车悬架的疲劳寿命试验，在国内汽车悬架疲劳寿命检测领域具有推广应用价值。