袁海兵，王自平

（湖北汽車工業(yè)學院 機械工程學院，十堰 442002）

0 引言

汽車懸架主要作用是減小汽車在路面不平整時所引起的震動和沖擊，保證汽車行駛的平順性。目前，汽車行駛速度越來越高，在高速行駛的狀態(tài)下，汽車行駛的安全性、舒適性、操作穩(wěn)定性等，與汽車懸架性能密切相關。

目前汽車懸架性能的檢測方式[1～4]包括跌落式，測力式，諧振式。其中諧振式汽車懸架裝置檢測臺架[5,6]使用比較廣泛，該裝置主要用于檢測站和修理廠，主要原理是通過電機帶動偏心輪，當電機轉速達到一定速度后，斷開電源，通過儲能飛輪來釋放能量，使臺面與車身發(fā)生共振，來檢測懸架性能。李琤等人對于汽車懸架振動試驗臺裝置[7]的研究，主要原理是通過外部電機驅動偏心軸模擬路面激勵，懸架模擬裝置模擬實車懸架，采集懸架振動信號，獲取汽車懸架運行過程中的試驗數(shù)據(jù)。以及張俊停基于LabView懸架性能測控系統(tǒng)[8]的研究，主要是采用Labview軟件平臺搭建懸架性能的仿真調試平臺。以上的幾種試驗臺架，雖然可以很好的檢測汽車懸架的性能，但不能對汽車整車懸架或汽車懸架總成做疲勞壽命試驗。

本設計研究一種基于工業(yè)PC機的汽車懸架疲勞壽命試驗裝置，采用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)試驗裝置的電機驅動系統(tǒng)、液壓舉升系統(tǒng)、負載系統(tǒng)的測量與控制。采用Visual C++2015開發(fā)試驗臺控制軟件，Microsoft Access2016作為后臺數(shù)據(jù)庫，存儲汽車懸架疲勞壽命試驗數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能有效驗證汽車懸架疲勞壽命，成本低，在汽車懸架行業(yè)具有推廣應用價值。

1 技術要求和參數(shù)

1）測控對象：汽車懸架如圖1所示。

圖1 測控對象

2）測量參數(shù)：前懸架左右壓力，后懸架左右壓力。

3）能設定懸架疲勞壽命試驗次數(shù)；

4）自動進行疲勞壽命試驗，軟件顯示試驗過程，后臺數(shù)據(jù)庫記錄每次試驗懸架壓力值；

5）可設置汽車懸架壓力的上限與下限，超出壓力限制自動停止試驗，并發(fā)出報警。

2 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)方案

汽車懸架疲勞壽命試驗臺主要有電機系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集卡，壓力傳感器，工業(yè)PC機等構成。汽車懸架的疲勞壽命試驗臺包括動態(tài)試驗、靜態(tài)試驗。

2.1.1 動態(tài)試驗

圖2 汽車懸架動態(tài)試驗

動態(tài)試驗如圖2所示，由電動機經(jīng)減速器帶動曲柄連桿機構模擬汽車在路面的上下顛簸運動。汽車懸架疲勞壽命試驗時間在20天左右，設計了潤滑系統(tǒng)對曲柄等傳動機構進行潤滑處理，提高試驗裝置的穩(wěn)定性和使用壽命。在動態(tài)試驗過程中，設定試驗次數(shù)、壓力上下限等相關參數(shù)，工業(yè)計算機不斷檢測4路懸架試驗壓力，超出壓力上下限或達到試驗次數(shù)，設備停止運行。

2.1.2 靜態(tài)試驗

靜態(tài)試驗如圖3所示，進行靜態(tài)試驗時將曲柄連桿機構更換為液壓油缸，在靜態(tài)試驗循環(huán)中，模擬車體通過液壓油缸來進行舉升，來模擬汽車的前仰姿態(tài)，舉升到位后，對車體進行回落控制，試驗依次循環(huán)，記錄試驗次數(shù)。試驗裝置實物圖如圖4所示。

圖3 汽車懸架靜態(tài)試驗

圖4 汽車懸架疲勞壽命檢測試驗臺

2.2 傳感器的選擇與布置

圖5 汽車懸架壓力傳感器布置

測控系統(tǒng)采用4個壓力傳感器檢測汽車前、后懸架試驗負載，如圖5所示，其中對于傳感器的布置，采用非標準傳感器用于懸架、模擬車體的連接。根據(jù)設備的要求，該試驗裝置要模擬車體的上限重量為2000kg，所以選擇力傳感器的上限為2500kg。傳感輸出電壓范圍0～10V，工作溫度在-20℃～+80℃。對于力傳感器的布置選擇在模擬車體與懸架連接之間，共有4個力傳感器，分別是前懸架力傳感器1，前懸架力傳感器2，后懸架力傳感器1以及后懸架力傳感器2。

2.3 工業(yè)PC機與數(shù)據(jù)采集卡的選擇

工業(yè)PC機選用研華公司的IPPC-6172A-R2AE，該PC機是工業(yè)級的平板電腦，前端配有USB 接口，方便數(shù)據(jù)讀取，雙通道DDR3內存，容量高達4GB，兩個PCIE擴展插槽。前面板密封設計，方便清潔，同時提高了工控系統(tǒng)的可靠性。另外，該PC機屏幕采用觸摸屏，操作過程中不需要鼠標鍵盤，可以方便工控現(xiàn)場的操作。

汽車懸架疲勞試驗過程中，采用0.1kS/s的采樣頻率，根據(jù)系統(tǒng)的通道要求、采樣頻率、計數(shù)通道等要求，選用研華公司的PCIE總線的數(shù)據(jù)采集卡PCIE-1812，該采集卡具有8路的模擬量輸入，2路的模擬量輸出，32路共享的數(shù)字量輸入輸出，4個通道的定時/計數(shù)器，采樣頻率在250kS/s。系統(tǒng)熱啟動后，可以保持I/O口的設置和數(shù)字量輸出值 。

表1 開關量輸入DI

表2 開關量輸出DO

汽車懸架四路壓力傳感器，與PCIE-1812采集卡的4路模擬量輸入通道AI0、AI1、AI2、AI3相連，輸入量程選擇0～10V，系統(tǒng)設計時，數(shù)據(jù)采集卡輸入電壓與壓力傳感器輸出電壓都為0～10V，數(shù)據(jù)采集卡與壓力傳感器通過接線端子可以直接相連，不需要其他轉換模塊，同時，測控現(xiàn)場力傳感器與數(shù)據(jù)采集卡的距離在2至3米，選擇單端輸入模式 。

數(shù)據(jù)采集卡的主要IO引腳分配如圖6所示，4路壓力傳感器電壓輸入信號占用AI通道AI0、AI1、AI2、AI3；數(shù)字量輸入（DI）共有14個，如表1所示；數(shù)字量輸出（DO）共有10個，如表2所示；以及2個計數(shù)通道的使用（CNT0，CNT1）。

圖6 數(shù)據(jù)采集卡IO分配圖

由于接近開關、電磁閥等的控制信號為24V，而數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸入輸出電壓信號為5V，驅動電流較弱，須進行信號轉換。如果采用非標件調理板進行信號轉換，出現(xiàn)故障時維修周期長，維修難度大，因此，系統(tǒng)中采用歐姆龍固態(tài)繼電器（SSR）完成數(shù)字量信號的轉換，可縮短出現(xiàn)故障時的維修時間，接口電路如圖7所示。

圖7 數(shù)字量輸入輸出接口電路

3 系統(tǒng)控制軟件設計

采用Visual C++2015設計汽車懸架疲勞壽命試驗臺控制軟件，可以設定試驗次數(shù)，試驗壓力上下限，當試驗達到設定次數(shù)，或超出設定壓力上下限時，自動停止試驗，并發(fā)出報警。檢測過程中，數(shù)據(jù)采集卡完成對4路壓力傳感器的AD轉換，利用數(shù)據(jù)采集卡記數(shù)通道記錄試驗次數(shù)，控制軟件將試驗過程數(shù)據(jù)保存至Microsoft Access2016數(shù)據(jù)庫。

3.1 數(shù)據(jù)采集

汽車懸架疲勞壽命試驗臺采用研華公司的PCIE-1812數(shù)據(jù)采集卡，研華公司對數(shù)據(jù)采集卡提供了驅動文件，在工業(yè)PC機上安裝研華公司提供的DAQNavi_SDK驅動程序，可以在VC++中直接調用相應函數(shù)完成對數(shù)據(jù)采集卡的操作，降低了編程難度，提高了程序的可靠性，系統(tǒng)測控軟件主要調用了模擬量輸入函數(shù)InstantAiCtrl.ReadAny ()、數(shù)字量輸出函數(shù)InstantDoCtrl.Write()、數(shù)字量輸入函數(shù)InstantDiCtrl.Read()以及計數(shù)通道讀取函數(shù)EventCounterCtrl.Read()。

部分代碼如下：

3.2 數(shù)據(jù)濾波

疲勞試驗過程中，為了提高4路壓力傳感器AD轉換數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性，減少壓力傳感器模擬電壓信號在傳輸過程中的干擾，對每路壓力傳感器AD轉移數(shù)據(jù)進行濾波處理，其過程如下：

1）疲勞試驗過程中，測控軟件采樣頻率為0.1kS/s，采樣樣本每10個一組；

2）對10個樣本進行大小排序；

3）去除10個樣本中的最大值和最小值；

4）對剩下8個樣本求平均值，作為一個有效樣本；

在0.1kS/s的采樣頻率下，通過上述的濾波方法，每秒可以得到10個有效樣本。這種濾波方法可以有效的過濾由于偶然因素所引起的干擾，現(xiàn)場試驗證明具有很好的濾波效果。

3.3 數(shù)據(jù)實現(xiàn)與存儲

汽車懸架疲勞壽命試驗臺采用研華工業(yè)PC機IPPC-6172A作為核心控制機，工業(yè)PC機具有強大的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲能力，控制軟件將試驗數(shù)據(jù)保存到后臺數(shù)據(jù)庫Microsoft Access2016中。

汽車懸架疲勞試驗過程中，控制軟件通過調用研華公司提供的相應驅動函數(shù)，進行數(shù)據(jù)采集以及控制電磁閥、變頻器等試驗裝置，監(jiān)測4路壓力傳感器的數(shù)據(jù)變化和試驗次數(shù)，將試驗次數(shù)和4路壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)存儲到Microsoft Access2016數(shù)據(jù)庫中，通過后臺數(shù)據(jù)，可分析疲勞試驗過程中懸架彈簧失效的變化趨勢，為產(chǎn)品的改進提供數(shù)據(jù)支持。汽車懸架疲勞試驗臺的動態(tài)試驗軟件界面如圖8所示、靜態(tài)試驗軟件界面如圖9所示。

在Microsoft Access2016數(shù)據(jù)庫中采用SQL技術進行報表處理，可查詢和打印試驗數(shù)據(jù)，動態(tài)試驗的實驗數(shù)據(jù)報表如表3所示。

圖8 動態(tài)試驗界面

圖9 靜態(tài)試驗界面

表3 汽車懸架動態(tài)試驗數(shù)據(jù)Access報表

4 結語

本文設計了以研華工業(yè)PC機為核心控制計算機的汽車懸架疲勞壽命試驗臺，能夠分別對整車懸架進行動態(tài)試驗與靜態(tài)試驗，該試驗臺能自動進行懸架疲勞試驗，具有自動報警和數(shù)據(jù)存儲功能，顯示界面友好，能查詢和打印試驗數(shù)據(jù)，在東風汽車懸架彈簧公司運行一年來，該試驗臺運行穩(wěn)定，檢測數(shù)據(jù)可靠，能夠有效完成汽車懸架的疲勞壽命試驗，在國內汽車懸架疲勞壽命檢測領域具有推廣應用價值。