470.单片机在测力式汽车悬架特性检测系统中的应用.doc

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1、编号 本科生毕业设计单片机在测力式汽车悬架特性检测系统中的应用Application of Singlechip in Test-Bed System of Vehicle Suspensions Performance学 生 姓 名专 业电子信息工程学 号指 导 教 师学 院电子信息工程学院2008年 6 月 摘 要现代汽车以高速、舒适、安全被人们推为首选的交通工具。汽车悬架作为将车轮与车身进行弹性联接的装置，其性能好坏直接对汽车行驶平顺性和乘坐舒适性产生影响。因此，在汽车的使用过程中，要在出现问题之前发现问题，所以就必须对汽车进行定期检测，以便及早发现故障隐患。这些安全措施对汽车行驶安全性

2、有着非常重要的意义。本文研究设计了以单片机为核心，利用数据采集，信号处理等方法的汽车悬架检测系统，能够及时准确地检测出汽车悬架的故障，保障汽车安全行驶。关键词：汽车悬架 单片机 数据采集 信号处理ABSTRACTModern automobile is the preferred vehicle of people, for its high speed, comfortable and safety. As the link of wheel and automobile body, the performance of Automobile Suspension affect direct

3、ly run smoothly and comfortable .So , during car using period, find out problem before it happen, so must be check car in time it order to find breakdown early, those make important meaning for safe drive. This paper design a Automobile Suspensions checking system based on MCU use date collect and s

4、ignal process so can check out the fault of Automobile Suspensions exactly opportune ,make sure car work under safe condition.Key Words: Automobile Suspension MCU Date collect Signal process目 录第一章 绪论11.1汽车检测与诊断技术发展概况11.2汽车悬架性能检测的意义21.3目前对现有的汽车悬架特性的检测方法及其局限性31.4本文研究的主要内容5第二章 汽车悬架特性的评价参数及标准62.1汽车悬架性能的

5、评价指标62.2汽车悬架性能检测的评价标准82.3本章小结11第三章 汽车悬架特性检测台建模与分析123.1“车台”振动系统力学模型123.2“车台”系统数学模型的建立133.3 测力式汽车悬架特性检测台的结构15第四章 汽车悬架特性检测台控制系统设计184.1 汽车悬架特性检测台控制系统总体设计184.2放大整形电路的设计194.3 A/D采集电路的设计194.4 通信接口电路的设计224.5悬架性能检测系统软件设计23第五章 结论24参考文献25致 谢26第一章 绪论1.1汽车检测与诊断技术发展概况随着交通运输业和整个国民经济的发展及汽车技术的不断进步，现代汽车以高速、舒适被人们推为首选的

6、交通工具，其保有量剧增。悬架性能随着电子技术、传感器技术、集成电路技术和计算机技术的高速发展，各种现代科学技术已经能够实现现场检测诊断设备和仪器。目前，世界各国正不断致力于汽车检测设备和仪器的开发研制。因此，合理的引进并通过消化、吸收进而自主地开发适合我国国情的汽车检测与诊断设备及仪器就具有重要的意义1。1.1.1汽车诊断技术的基本概念汽车检测与诊断就是在汽车不解体的条件下，应用必要的仪器设备，准确、迅速地确定汽车的技术状况、工作能力和查明故障部位及原因，用以代替多年来依靠检验人员凭经验判断的传统方法。汽车诊断技术，是依靠先进的传感器技术，采集汽车具有某些特征的动态信息，并对这些信息进行分析和

7、处理、区分、识别以确认其异常表现，预测其发展趋势，查明其产生原因，发生部位和严重程度，提出针对性的维修措施和处理方法。1.1.2国内外汽车检测与诊断技术发展概况汽车检测与诊断技术在国外统称为诊断技术。通过对汽车的诊断与检测，可以在不解体的情况下判明汽车、总成的技术状况，以便确定汽车是否可以继续运行或需要送厂维修。汽车检测与诊断技术是从无到有逐渐发展起来的。国外一些发达国家，早在4050年代就发展成以故障诊断和性能调试为主的单项检测技术。进入60年代后获得较大发展、逐渐将单项检测技术联线建站，发展成为既能进行维修检验，又能进行安全与环保检测的综合检测技术。随着电子计算机的发展，60年代末70年代

8、初出现了检测控制自动化、数据处理自动化、检测结果直接打印的现代化的综合检测技术，其检测效率极高。目前在一些先进国家，现代汽车检测技术已基本达到广泛应用阶段，在交通安全、环境保护、节约能源、降低运输成本和提高运力等方面，带来了显著的经济效益和社会效益。我国汽车检测与诊断技术的发展起步较晚。在60年代，虽然也从国外引进过少量检测设备，但由于种种原因，检测技术的发展直比较缓慢。进入80年代以来，随着国民经济的发展，特别是随着汽车制造业和公路交通运输业的发展，我国的机动车保有量迅速增加。车辆增多必然带来交通安全和环境保护等社会问题。如何保证这些车辆安全运行和不造成社会公害，逐渐提到政府有关部门的议事日

9、程上来，因而促进了汽车检测技术的发展，使汽车检测与诊断技术成为国家“六五”期间重点推广的项目，并视为是推进汽车运输现代化管理的一项重要技术措施。交通部门自1980年开始，有计划地在全国公路运输系统筹建汽车综合检测站，取得了很大成绩。到1987年12月为止，全国公路运输部门共建成投产的检测站已达36个，即将建成的有22个、年检能力60万辆次。同时，公安、石油、冶金等系统和部分大专院校，也建成了一定数量的汽车检测站。到1988年6月为止，全国共建成100多个汽车检测站。目前除西藏自治区外，各省、自治区、直辖市均已建站，初步形成了全国性的检测网络。20世纪70年代后期，国内有关企事业单位先后从国外引

10、进部分较先进的检测仪器设备，通过使用以后获得比较好的效果，受到国家有关部门的重视。80年代初，国内一些厂家开始试制生产检测设备，国家在“六五”计划期间将汽车检测技术作为重点推广的新技术。从此，这项技术的理论研究、检测方法以及仪器设备研究开发等方面在我国都获得长足进步。目前，在国内汽车生产企业、交通运输管理部门和公安车辆管理部门都得到普遍推广和应用2。1.2汽车悬架性能检测的意义汽车振动是影响汽车性能的重要因素之一，其不仅对汽车的平顺性和操纵稳定性以及汽车零部件的疲劳寿命均产生影响，严重时还会影响汽车的行驶速度并产生噪音。汽车的减振一般有三个环节，即轮胎、悬架和座椅，起主要作用的是汽车的悬架系统

11、。其阻尼元件减振器位于车桥和车身之间，根本任务是确保车辆具有良好的行驶平顺性和行驶安全性，具体地说就是防止车身过大和过长时间的横向摆动，快速衰减由路面激起的振动，减小车身所受冲击。悬架主要由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成，其主要功能有：1、缓和由于路面不平引起的振动和冲击，以保证汽车有良好的平顺性；2、迅速衰减车身和车桥（或车轮）的振动；3、传递作用在车轮和车身之间的各种力和力矩；4、保证汽车行驶所必要的安全性和操纵稳定性。现代轿车以高速、舒适、安全被人们推为首选的交通工具。随着道路交通条件的不断完善，现代轿车运行速度不断提高。汽车在高速行驶状态下，其行驶安全性就被推到了第一重要的位置。

12、影响安全性的因素很多，但主要是制动性和操纵稳定性，而这两者都与汽车的悬架有着重要关系。在行驶状况下，悬架特性参数（如刚度和阻尼）直接决定着汽车车轮与路面之间的附着状况，而动态附着状况的好坏则直接影响汽车行驶安全性。另一方面，在对汽车行驶平顺性和乘坐舒适性要求越来越高的今天，汽车悬架作为将车轮与车身进行弹性联接的装置，其性能好坏将直接对其产生影响。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他使用性能。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

13、一定路面并以一定速度行驶时车身颠簸程度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，颠簸大而不得不降低车速，即使汽车装备了大功率的发动机，也不充分利用发动机的功率。因此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及汽车行驶效率都起着关键作用。如何确保汽车悬架性能稳定和可靠工作，对在用汽车悬架特性进行有效检测，及早发现并排出故障隐患是极为重要的环节。该环节对汽车行驶安全性有着非常重要的意义。为此，世界各汽车制造大国都制定了汽车使用过程中对其进行检测的要求和标准，我国现行的相关标准也已要求对在用汽车悬架进行检测，并推荐汽车综合性能检测A级站装备悬架特性检测台。因此，消化

14、吸收国外先进技术，研制生产适合国情的悬架装置检测设备是十分必要的。1.3目前对现有的汽车悬架特性的检测方法及其局限性汽车悬架特性检测台按激振方式的不同可分为以下四种：按压车体式、跌落式、共振式和平板制动式。下面分别对其优缺点进行分析3：1.3.1按压车体式按压车体式悬架特性检测台是在早期的人工按压车体观察法的基础上发展出来的，其检测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峰值的变化，按指数衰减规律求得阻尼值，与厂家或有关标准曲线对照，以此评价悬架装置的性能。这种检测方法比较简单方便，但控制精度和结果可靠性差，且对同一轴左右悬架装置不能

15、独立评价，同轴的一个性能良好的减振器可能会掩盖另一个性能不良的减振器。1.3.2跌落式跌落法按施力方式不同又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。向上起升车体方式又可分为整体式起升和单轴起升两种方式。在测试过程中，用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特性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减振器掩盖性能不良减振器的弊端，且施力方式不适于快速

16、检测的要求。1.3.3共振式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，通过检测共振后振动衰减过程中位移的振动曲线，求出频率和衰减特性，进而判断悬架减振器的性能。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，改变转鼓转速，即可改变激振频率。其优点是结构简单，由于车轮的转动，转鼓表面的不平度对汽车的作用接近实际条件。但也存在严重的缺点：由于转鼓具有曲度，因而轮胎与支撑面的接触性质失真；并且在检测时将汽车固定在转鼓上比较困难，并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

17、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，目前已不再使用。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。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较为广泛应用的一种形式。但其设备均为指针式显示，检测数据无法保存，不利于工人进行维修作业。且其不具备联网检测的能力，不适合大多数检测线的需要4。1.3.4平板制动式平板制动式检测台实际上是一种组合式的检测台。由于采用平板式结构，可以测出汽车制动、轴重、侧滑以及悬架效率等项目。该系统由测试平板、数据采集、处

18、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”测试板有四块，侧滑测试板1块，空板（为前后两块板起过渡作用）1块。每块“制动力悬架效率轴重”测试板下有两个力传感器，分别用来测试轮胎作用在平板上的水平力和垂直力。悬架特性的检测原理是在检测时，车辆以510km/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“制动力悬架效率轴重”测试板上制动，利用“制动点头”现象产生振动，车身加速向下时，车轮处载荷增加；车身加速向上时，车轮处载荷减少。由于车辆的悬架系统能衰减、吸收车身的振动，所以车身的振动经过一段时间后就会消失，制动引起的车身振动被悬架系统逐渐衰减，在此过程中，我们可以测

19、得车身振动曲线的变化，并以此来评价汽车悬架装置的性能。这种测试方法简单、快速，测试过程更接近路试，可以真实地反映车辆悬架的减振性能，并且具有综合性（四合一），比较经济，适合车辆检测和维修单位使用。但是检测中对驾驶员操作技术要求较高，也就是说检测结果受人为因素影响较大。1.4本文研究的主要内容本文对现有悬架特性检测台进行了分析和研究，根据悬架检测台特性设计了以MCS-51单片机为核心的汽车悬架特性检测性能，根据检测结果，对照国标，判断汽车悬架性能。第二章 汽车悬架特性的评价参数及标准2.1汽车悬架性能的评价指标2.1.1车轮接地性指数车轮接地性指数是指汽车在检测台上振动衰减过程中车轮与检测台台面

20、之间在给定频率范围内的最小法向作用力与汽车在检测台上静态时法向静载Pa的比值。用字母A表示，其数学表达式为： （2-1）车轮接地性指数A为一个百分数，从0变化到100%，它反映了悬架在最恶劣条件下保证车轮与路面相接触的最小能力。当A=0时，表明车轮与路面脱离接触；当A=100%时，表示汽车处于静止状态。一般来说，汽车的四个车轮的接地性指数是不同的，这主要是由于各车轮悬架部件的性能不尽相同，每个车轮承受的载荷不等，汽车中心位置相对四个车轮分布不均等所导致的。车轮接地性指数不但定量地表达了车轮的接地状况，而且据此可以诊断悬架各部件的工作状态，以及在有缺陷存在的情况下，判断其出现的原因。例如，可以判

21、断减振器是否受损、轮胎型号或轮胎压力是否合适、车轮轴颈是否出现咬紧现象、弹性部件是否出现断裂或损伤以及悬架各部件是否出现过大的摩擦力等。应该指出的是，在检测台上对整车的悬架性能进行检测时，可以通过测量车轮接地性指数来检测减振器的总体工作状况，要比对一支孤立减振器的性能进行检测更有意义。因为单独检测减振器，无法可靠地判断该减振器对车轮接地性指数的影响程度5。2.1.2汽车悬架性能的评价指标汽车的行驶性能主要受车轮对地面的附着力以及其他一些汽车结构参数的影响。汽车结构参数如：车辆质心位置，汽车的轴距，轮距，转向系，汽车质量分布等等都会对汽车的行驶性能产生影响。而附着力决定了汽车加速、制动、转弯的能

22、力，可见附着力是影响汽车行驶性能最基本、最重要的因素。附着力表述的是一个反作用力，是轮胎对任何通过轮胎与地面相接触的点所传递的水平力的反力。汽车在光滑路面上行驶时，汽车的附着力可以看作一个常数值，并且对于每一个车轮，这个力是车轮所承受的法向反作用力F与附着力系数的乘积： （2-2）附着力随着路面的状况，大气条件（水、冰），轮胎以及轮胎表面的花纹、材料，轮胎的直径和宽度比例，轮胎气压，汽车行驶速度（它会改变汽车的空气动力学状况），以及其他一些突发因素（如油斑等）的变化而变化。表2-1为各种路面上的平均附着系数。表2-1 各种路面上的平均附着系数路 面峰值附着系数滑动附着系数沥青或混凝土（干）0.

23、80.90.75沥青(湿）0.50.70.450.6混凝土（湿）0.80.7砾石0.60.55土路（干）0.680.65土路（湿）0.550.40.5雪（压紧）0.20.15冰0.10.07由表可见附着系数的变化范围非常大。例如：冰路面上的值会比正常干燥路面上的小10倍左右。如果汽车在不光滑、不规则（路面不平坦、颠簸、有波浪纹等）路面上行驶，汽车悬架上的弹性和阻尼元件同时起两个作用：确保驾驶员和乘客的乘坐舒适性以及确保车轮相对地面有足够的附着力。由车轮、悬架、汽车底盘和车身等构成的机械系统处于振动状态，车轮与路面之间的法向作用力将不断地在最小值与最大值之间变化，其平均值等于车轮的法向静载荷。悬

24、架中的弹性元件和阻尼元件这时必须不断地进行“干涉”，以确保一个对汽车安全行驶等至关重要的最小法向作用力。当该系统振动幅度太大，以致车轮与路面失去接触时，车轮与路面的法向作用力降为零，路面已不能提供给车轮任何切向反作用力。即使是没有出现这种车轮脱离路面的危险状况，路面能够对车轮所提供的附着力也可能会下降很多，导致车轮的接地性能处于一种危险的、不稳定状态，使汽车的转向性能和操纵稳定性能降低。因此，无论在何种路面条件和行驶速度下，汽车悬架应该能够确保在车轮与路面之间始终存在有一个足够大的法向作用力。由于汽车的轮胎和行驶路面在一定的情况下是一个固定值，也就是附着系数是常数。因此，汽车在不规则路面上行驶

25、时，要维持足够的附着力只需要在任意给定的时刻，悬架能够提供一个足够把车轮压在路面上的力。在本文中，我们定义这个力为车轮与路面的法向作用力F。F是通过各个构成悬架元器件所传递的，因此只需要测量这个力的最小值，并且把它与既定的参考标准进行比较，就可以对悬架性能进行一个客观的评估了。实际上，在进行检测时，汽车在试验台上激振过程中达到共振时，车轮与路面法向作用力F最小，此时的频率称为共振频率。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。其有两个共振振型，一个对应于悬架质量的垂直振动，其共振频率约为12Hz；另一个对应于非悬架质量的垂直振动，其共振频率约为818Hz。尤其是在非悬架质

26、量的共振频率（即车轮跳动频率）时，车轮与悬架试验台台面之间产生最大位移，此时相对接地性最小。若车轮跳离台面，则相对接地性为零。综上所述，实际在检测台上所检测的参数正是这个车轮与路面的法向作用力F，而汽车的静载Pa是一个常数值，因此车轮接地性指数反映了最小的车轮与路面的法向作用力F的大小。由此可见，把车轮接地性指数作为评价汽车悬架性能的参数是合理、可行的67。2.2汽车悬架性能检测的评价标准对于汽车悬架性能的评价，一直采用平顺性的评价标准，它是以人体所能承受加速度的均方根值来定义的。但在实际应用中，特别是对于汽车综合性能检测设备来说，这种评价标准就显得过于复杂、费时了，因此平顺性的评价标准并不适

27、用。而且，汽车悬架的性能在很大程度上也影响到汽车的操纵稳定性，并直接影响到行驶的安全性，这一点对于目前日益提高的车辆行驶速度而言尤为重要，然而，平顺性的评价标准并不能够体现这一点。2.2.1 EUSAMA标准EUSAMA是欧洲减振器制造协会（European Association of Shock Absorber Manufacturers）的简称。EUSAMA标准主要侧重点是考虑汽车操纵稳定性及行驶安全性方面。实际应用过程中，对于汽车平顺及主动安全综合性能的检测，采用这一评价指标较简易、快速、有效且实用。为了测量结果有一个较好的可比性，需要一个标准来评价车轮接地性指数与悬架性能之间的关系

28、。EUSAMA给出了明确的评价标准。如表2-2所示。表2-2 EUSAMA评价标准相对接地性评 价60100非常好4560%良好3045足够2030不足20以下非常差EUSAMA标准中还对同一个轴上左右悬架装置车轮接地性指数的差值作出了规定，相差15%应该视作悬架装置故障，应该维修或更换减振器。EUSAMA评价标准不仅考虑了悬架装置对汽车平顺性的影响，更主要的是考虑了对汽车操纵稳定性和行驶安全性的影响。它考察的是汽车在工作条件最差的情况下，即地面激振使车轮达到共振时，车轮与地面的接触状态。这是一个比较直观的评价指标，既能够快速检测，又能够综合评价汽车悬架装置的弹簧与减振器的匹配性能及品质。2.

29、2.2交通部JT/T4482001推荐标准交通部委托交通部公路科学研究所与上海汽车综合性能检测中心编制的交通部行业标准汽车悬架装置检测台于2001年12月1日实行。是我国汽车悬架装置检测台应满足的技术标准。参考EUSAMA推荐标准和进口样机，结合我国国情，该标准提出了适宜在我国使用和开发的汽车悬架性能检测台的类型为谐振式，其原理是用机械扫频激振的原理使被测汽车非悬架质量（车轮）产生谐振，通过测定有关振动参数的变化来评价汽车悬架中减振器的性能。非悬架质量共振时，其振幅随振动系统的阻尼比减少而增加，而动态接地力（汽车悬架性能检测台台面与被测汽车悬架的车轮部分出现共振时，汽车车轮作用在台面上的垂直作

30、用力）与振幅有关8。阻尼比 (2-3)式中：非悬架质量；、分别为轮胎的刚度系数、悬架系统弹性元件；悬架系统的阻尼系数，主要取决于减振器的阻尼系数；非悬架质量动态接地力（或振幅）与振动系统的阻尼比有关。一般来说，在正常行驶过程中，悬架系统各部件中性能变化较明显的则是减振器的阻尼系数和轮胎刚度，若在轮胎气压与磨损均属正常范围，而出现动态接地力明显变化时，则可认为主要是由于减振器性能变化所引起。因此，用这种方法可以独立的测定汽车每一车轮的悬架装置的性能。2.2.2.1 JT/T4482001推荐的评价参数该评价标准提出吸收率的概念，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

31、之比的百分数（动态车轮垂直接地力：汽车悬架性能检测台台面与被测汽车悬架的车轮部分出现共振时，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：汽车悬架性能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）。此概念与车轮接地性指数概念完全相同。在一定的道路附着系数的情况下，附着力正比于车轮的接地力。因为各种车辆的附着条件随着设计要求而各有不同。无法直接用动态垂直接地力值的大小作为评价参数，而采用了吸收率作为评价参数。2.2.2.2 JT/T4482001推荐标准提出的误差要求汽车悬架性能检测台的测量精度所受的影响因素较一般的轴（轮）重仪要复杂，对传感器性能的要求也

32、高得多，特别是动态响应与重复性的要求。除要求必须达到一般共同性的技术条件外，还特别提出了三个特殊要求：吸收率重复性误差，吸收率偏置误差，起始激振频率。车轮位于承载面对称中心时的吸收率重复性误差定义为 （2-4）式中：为车轮偏置于承载台面对称中心线100mm时的吸收率的第i次测量的值。其平均值为，=。车轮偏置于承载面对称中心100mm时的吸收率重复性误差定义为。= （2-5）式中：为车轮偏置于承载台面对称中心线100mm时的吸收率的第i次测量的值。其平均值为,=吸收率偏置误差= （2-6）式中参数定义同上。吸收率方面误差要求主要参考EUSAMA提出的行业技术条件，并考虑了国内的材料、生产工艺等技

33、术水平，适当放宽了限制标准。吸收率重复性误差规定为2%，吸收率偏置误差规定为3%。承载载荷示值误差定义为3%5%。 = （2-7）式中：第i测试点的示值误差； 第i测试点的重复三次示值算术平均值； （2-8） 第i测试点的第j次示值；第i测试点的检定载荷。2.2.3两标准的比较EUSAMA标准与JT/T4482001推荐标准都是从考虑汽车操纵稳定性及行驶安全性方面出发来对悬架性能进行评价的一种方法。EUSAMA标准用相对接地性指数作为评价参数，JT/T4482001推荐标准用吸收率作为评价参数，两者内涵完全相同，都是用一个相对比值作为评价标准，去除了各种车辆附着系数设计不同的影响，使各种车辆的

34、评价标准有可比性。2.3本章小结本章介绍了车轮接地性指数的概念，并且论证了车轮接地性指数作为评价悬架性能参数的合理性，介绍了其评价参考标准欧洲悬架制造商协会EUSAMA标准。并对EUSAMA标准和交通部JT/T4482001推荐标准进行了比较。第三章 汽车悬架特性检测台建模与分析3.1“车台”振动系统力学模型汽车在悬架特性检测台上检测时，每一侧的激振台面都由两个相同的偏心轮驱动，它们与一个较大惯量的储能飞轮相连，组成一个对汽车悬架的激振系统。在激振台面与偏心轮之间装有力传感器。“车台”系统在非悬架质量固有频率附近发生共振时，主要是检测台激振台面与非悬架质量的振动，为了分析问题的方便，在保证检测

35、可靠的前提下，检测时，可以只考虑正在进行检测的那一侧检测台。本文研究所采用的汽车振动模型为两自由度模型。“车台”振动系统可简化为如图3.1所示的四自由度振动系统9。图3.1 “车台”振动系统的力学模型其中：悬架质量非悬架质量悬架刚度轮胎刚度激振台弹簧刚度减振器阻尼系数轮胎阻尼系数激振台导向柱阻尼系数激振台面垂直位移悬架质量垂直位移非悬架质量垂直位移激振台面绕x轴转角惯性飞轮的转角弹簧和导向柱与激振台面x轴距离弹簧和导向柱与激振台面y轴距离偏心轮与激振台面y轴距离激振系统的转动惯量偏心轮的偏心距M（t）电动机转矩3.2“车台”系统数学模型的建立目前，汽车悬架特性检测已进入了利用计算机进行控制分析

36、的时代。运用较优的控制方法，得到较精确的悬架特性，是汽车悬架特性检测主要的发展方向。将各种控制理论应用于悬架特性检测时，需要知道悬架特性检测系统的数学模型。数学模型能够简明而精确地描述物理系统的主要特性；通过数学模型能够很容易地看出系统的功能特点；便于研究系统的运动规律和进行特性分析；便于研究其设计方法和改善其特性。由图3.1可知整个振动系统是一个多自由度、复杂的系统，若直接利用牛顿矢量力学建立系统运动的微分方程，必然涉及到许多未知的约束力，会使问题变得繁琐、难解，而应用拉格朗日方程建立运动微分方程则能够较为简单的解决问题10。3.2.1数学模型的推导考虑阻尼系统，其拉格朗日方程形式为:-+=

37、 (3-5)式中：,为系统的广义坐标和广义速度；T为系统的动能，它是广义速度的二次型；V为系统的势能，它是广义坐标的二次型；D为系统的耗散能，它是广义速度的二次型； 为对应广义坐标的广义力；n为系统的自由度。对图3.1所示的“车台”系统进行整体分析后，列出系统的动能、势能和耗散能表达式如下：1、系统的动能 + （3-6） 2、系统的势能 （3-7）3、系统的耗散能D=+ （3-8）分别对四自由度列拉格朗日方程，得到以下运动微分方程（式3-9式3-12）： （3-9） （3-10） （3-11） （3-12）考虑到台面在振动过程中不会脱离偏心轮，因此偏心轮与激振台面之间运动学关系一致，它们的运动

38、位置示意图如图3.2所示。图3.2 偏心轮和激振台面运动位置示意图其中：虚线所示部分为偏心轮静止时，偏心轮和激振台面的位置；实线所示部分为偏心轮转动角度时，偏心轮和激振台面的位置；e为激振偏心轮偏心距。得到下式： （3-13）对式（3-13）的两边求导，得到： （3-14）将式（3-13）、（3-14）、代入到（3-10）、（3-11）中得到以下四式 （3-15）(3-16)式（3-9）、（3-12）、（3-15）、（3-16）共四个等式组成运动微分方程组。系统数学模型的建立，为测力式悬架特性检测台的开发研究及仿真分析做好了充分的数学准备。3.3.2车轮接地性指数的计算公式由图3.1可知，车轮

39、在测力式悬架特性检测台检测过程中与激振台面之间的动态法向作用力为： (3-17)将式（3-13）、（3-14）代入到上式中得到下式： (3-18)车轮在悬架特性检测台上静止时与激振台面之间的法向静载为： (3-19)动态法向作用力与法向静载比值为：= (3-20)由第二章中的式（2-1）可知车轮接地性指数为：= (3-21)3.3 测力式汽车悬架特性检测台的结构汽车悬架特性检测台通过测试车轮与地面接触力的变化情况来对汽车的悬架性能进行检测评价11。其总体结构示意图如图3.3所示图3.3 测力式汽车悬架特性检测台的总体结构图该检测台主要由台架检测部分、计算机检测控制系统、计算机数据采集处理系统组

40、成。其中检测设备主体的结构如图3.4所示（图中所示为汽车悬架特性检测台的一侧，另一侧与之对称分布），台架检测部分是由支撑装置、激振系统和力传感器三部分组成。其中支撑装置主要由激振台面1、激振台弹簧及导向柱2组成；激振系统主要由储能飞轮8、驱动电机7、联轴器6、轴承及轴承座4、主轴5及偏心轮3构成。测力式悬架特性检测台通过激振系统，使汽车的悬架系统产生振动12。1、激振台面2、激振弹簧及导向柱3、偏心轮4、轴承及轴承座 5、主轴6、联轴器7、驱动电机8、储能飞轮9、测力传感器 10、振动架11、车轮图3.4 测力式汽车悬架特性检测台结构图测力式悬架特性检测台的基本检测过程是：在进行检测前，汽车驶

41、上激振台面并到达指定的位置，将车轮停在检测台的台面上，驾驶员离车。此过程由光电开关判断车辆的行驶状态和到位状态并通过点阵屏对驾驶员进行引导，如果车辆已经到位停好，则发送信号通知计算机；启动测试程序，计算机通过程序启动驱动电机，电动机通过传动系统带动偏心轮和储能飞轮转动；使与偏心轮接触的振动架产生对激振台面的正弦激励。在驱动电机激振数秒钟后，根据测速传感器判断电动机转速是否达到设定的转速，若达到了设定的转速（此时整个系统进行角频率为的稳态激振）时，关闭电动机，这时与电机轴相连的储能飞轮将以角频率（从逐渐减小到零）对整个“车台”系统进行扫频激振（24Hz-0Hz）。在这个频率扫描过程中，两块刚性板

42、之间的力传感器感应轮胎作用于板上的动态法向作用力。启动采样测试系统，将测量到的力信号存入存储器，绘出力的变化曲线。当激振频率与非悬架固有频率重合时，便会发生共振，从而可以通过对力信号进行相应的数据处理，识别出在给定的频率范围内车轮与悬架特性检测台激振台面之间的最小法向作用力，计算并根据需要可打印输出所检测车轮的接地性指数，进而判断悬架的性能状况。第四章 汽车悬架特性检测台控制系统设计4.1 汽车悬架特性检测台控制系统总体设计汽车悬架特性检测台控制系统的主要任务就是采集、处理并存储传感器所测得的数据，此为依据控制设备的运转状态，而且还要与上位机实现通讯。基于MCS-51单片机数据采集技术，再加上

43、适当的软件，可以构成低廉、灵活性较好的自动测控系统。硬件平台主要包括：激振系统（即汽车悬架特性检测台的台架部分）、力传感信号调理电路、数据采集电路和单片机资源（处理器、存储器、显示器等）13。悬架特性检测台的计算机测控系统构成如图4.1所示。图4.1 汽车悬架特性检测台的计算机测控系统构成图测控系统工作时，先把由传感器变换得来的电信号，输入仪器的信号调理电路，经调理电路进行放大、滤波、整形，然后再经数据采集电路存入存储器，最后对采集到的数据进行分析和处理，整个过程都是由软件控制的。图4.2为汽车悬架性能检测台计算机测控系统的总体框图。系统包括硬件电路部分和软件部分。其中硬件部分主要包括传感器、

44、应变仪、控制信号产生电路、A/D转换电路，计算机接口电路，显示屏。 图4.2 汽车悬架性能检测台计算机测控系统的总体框图4.2放大整形电路的设计传感器输出的信号通常只有几毫伏-几十毫伏，所以必须进行放大，以便进行A/D转换，图4.3为放电路大电路。图4.3 前置放大电路压力传感器输出的信号是差分电压信号，经AD620放大后，变为但电压信号，再经过放大器OP07放大，电位器VR2是调零电位器。OP07输出的电压信号通过LM358跟随器后，进入A/D转换器进行AD转换14。4.3 A/D采集电路的设计4.3.1 A/D转换芯片AD574介绍AD574是一种快速的12位逐次比较式A/D转换芯片，片内

45、有两片双极型电路组成的28脚双插直列式芯片，无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能。内部设有三态数据输出锁存器。一次转换时间为25s。AD574的引脚如图4.4所示图4.4 AD574引脚图1、AD574的引脚定义如下：(1)REFout：内部参考电源输出(+10 V)；(2)REF-IN：参考电压输入；(3)BPLRof：偏置电压输入； (4)10Vspn：5 V或010 V模拟输入；(5)20Vspn：10 V或020 V模拟输入；(6)DB0DB11数字量输出，高半字节为DB8DB11，低字节为DB0DB7；(7):片选信号。(8)CE:片启动信号。当=0、CE=1同时满足时，AD574才能处于工作状态。(9)R/：数据读出和数据转换启动控制；(10)A0：字节地址控制。它有两个作用