多功能車輛懸架振動測試平臺研制

［摘 要］ 為滿足車輛懸架特性實驗教學要求，研制了一套四分之一車輛懸架多功能垂向振動測試平臺，并對其進行了帶附加氣室空氣懸架的振動測試應用。該平臺基于多功能模塊化和課程融合設計理念，主要由液壓伺服振動試驗臺和基于龍門結構的多功能懸架實驗臺架裝置組成，可應用于不同結構懸架的振動實驗，提升了懸架振動測試系統的適用性和可操作性。平臺應用滿足對學生技能要求，有利于培養學生的實踐創新能力，測試學生的知識應用水平，能夠適應新工科研究與實踐要求，滿足培養創新型卓越工程技術人才的需求。

［關鍵詞］ 車輛懸架；液壓振動實驗臺；多功能；實踐創新

［基金項目］ 2022年度教育部產學合作協同育人項目“汽車發動機拆裝虛擬現實教學和仿真實訓項目建設”（220602436272246）

［作者簡介］ 周泠西（2003—），女，陜西西安人，西北農林科技大學機械與電子工程學院2021級車輛工程專業本科生，主要從事車輛底盤懸架研究；陳 雨（1989—），男，河南西峽人，工學博士，西北農林科技大學機械與電子工程學院副教授，博士生導師（通信作者），主要從事車輛底盤智能控制研究；王一添（2001—），男，陜西西安人，西安郵電大學自動化學院2023級控制工程專業碩士研究生，主要從事車輛底盤智能控制研究。

懸架是車輛底盤的重要部件，其減振性能的優劣直接影響汽車的行駛與安全［1-2］。懸架設計與振動分析涉及“車輛工程專業汽車構造”“汽車理論”等多門本科生專業課程［3-4］。懸架特性測試主要依靠振動實驗臺完成［5-6］。大型專業振動實驗臺價格昂貴，且在高校應用范圍有限，導致在講授與懸架有關的課程知識時，只能以理論和構造為主。由于缺乏相關實驗與實踐環節，不能很好地培養學生的動手實踐能力和創新創造能力。

隨著世界新一輪科技革命與產業變革的深入發展以及國家一系列重大戰略的緊密實施，高校通過新工科研究與實踐，加快培養新興領域工程科技人才，改造升級傳統工科專業已迫在眉睫。其中，既可滿足多門專業課程實驗需求，又能與實際生產緊密結合的實驗教學設備是高校建設新工科的基礎［7］。基于新工科實踐要求，本文研制的多功能車輛懸架振動測試平臺可滿足包括汽車懸架、農機懸掛等在內的機械部件振動、疲勞實驗需求，有效促進了學校車輛工程、農業機械化工程等相關專業實驗實踐教學改革，為專業新工科建設奠定基礎［8-9］。

一、平臺總體方案設計

為滿足新工科研究與實踐的要求和培養創新型卓越工程技術人才的需求，所研制的多功能車輛懸架振動測試平臺需要滿足以下基本要求：（1）應具有可控的研制成本；（2）應具有較高的利用效率；（3）應能培養學生的實踐創新能力。基于上述要求，所研制的多功能車輛懸架振動測試平臺主要由液壓伺服振動試驗臺、基于龍門結構的多功能懸架實驗臺架裝置和基于LabVIEW的實驗數據采集系統組成。其中，液壓伺服振動試驗臺是平臺的激振源，為平臺提供特定幅值和頻率的振動信號。懸架實驗臺架裝置為被測懸架及相應傳感器等提供安裝支撐。根據懸架振動實驗要求，實驗數據采集系統從各傳感器采集信號，為進一步數據分析提供支持。為提高所設計振動測試平臺的利用效率，使其可適用于汽車、農機等懸掛系統的振動、疲勞實驗，對實驗臺架裝置進行創新設計，實現車輛懸架振動測試平臺的基本功能需求。

二、實驗臺架裝置設計

根據大型懸架振動測試平臺參數配置以及主流懸架系統負載能力和減振行程要求，制定液壓伺服振動實驗臺技術參數如表1所示。

由表1的液壓振動臺技術參數指標，設計了多功能車輛懸架實驗臺架裝置如圖2所示。圖2（a）所示為實驗臺架總體結構圖。實驗臺架主要由龍門框架模塊、簧載質量模塊、導向模塊、非簧載質量模塊和輪胎等效模塊組成。通過導向模塊，保證懸架僅受垂向力作用。如圖2（b）所示，當去掉簧載質量模塊和導向模塊部分零件，將3個導向柱用頂柱12代替，調整導向梁11的安裝位置，便形成了彈簧特性實驗臺架裝置。圖2（c）所示為實驗臺架裝置實物。

三、測試平臺教學實踐

基于新工科實踐要求研制的多功能車輛懸架振動測試平臺，已多次應用于車輛工程專業課程實驗教學。圖3為所搭建的多功能車輛懸架振動測試平臺實物圖。

圖4、圖5顯示的是應用圖2（b）進行的帶附加氣室空氣彈簧特性實驗。具體為對彈簧頂部固定，對伺服作動器9施加不同頻率、不同幅值的垂向簡諧激勵，待系統穩定振動后，基于LabVIEW軟件開發實驗數據采集系統［10］，并結合NI USB6341采集卡記錄壓力傳感器和相對位置傳感器測得的空氣彈簧內部壓力信號和高度變化信號，結合式（1）計算得到彈簧支反力F。以空氣彈簧高度變化量Δh為橫坐標，以F為縱坐標，得到力-位移滯回實驗曲線，進而得到彈簧垂向特性。參照此方法，對伺服作動器9施加1 Hz、8 Hz激振頻率和0.02 m、0.08m激振幅值的簡諧激勵，改變比例流量控制閥開口直徑大小，得到實驗條件下帶附加氣室空氣彈簧動態力-位移滯回曲線如圖4～5所示。式（1）中，Ae為空氣彈簧有效截面積，單位是m2；pa為大氣壓力，單位是pa；p1為空氣彈簧內部絕對壓力，單位是pa。

（1）

圖6、圖7所示為應用圖2（a）對帶附加氣室空氣懸架進行振動測試實驗。設置比例流量控制閥開度分別為0 mm、4.5 mm和9.5 mm，對伺服作動器施加0.02 m階躍信號得到簧載質量位移變化數據如圖6所示。

設置比例流量控制閥開度為4.5 mm，對伺服作動器施加隨機路面激勵得到簧載質量加速度和懸架動撓度數據如圖7所示。

結語

研制了多功能車輛懸架振動測試平臺，包括液壓伺服振動試驗臺和基于龍門結構的多功能懸架實驗臺架裝置，并基于此系統平臺開展了帶附加氣室空氣懸架振動測試應用。所開發的多功能車輛懸架振動測試平臺制造難度與成本低、結構簡單、拆裝方便，且可滿足包括汽車懸架、農機懸掛等在內的機械部件振動、疲勞實驗需求，提升了懸架振動測試系統適用性和可操作性，有效促進了學校車輛工程、農業機械化工程等相關專業實驗實踐教學改革，為專業新工科建設奠定基礎。

參考文獻

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［10］劉田正，李智.《控制工程基礎》虛擬實驗教學軟件的設計與開發［J］.教育教學論壇，2020（14）：390-392.

Development of Multifunctional Vehicle Suspension Vibration Test Platform

ZHOU Ling-xi1， CHEN Yu1， WANG Yi-tian2

（1.College of Mechanical and Electronic Engineering， Northwest Aamp;F University， Yangling， Shaanxi 712100， China; 2. School of Automation， Xi’an University of Posts amp; Telecommunications， Xi’an， Shaanxi 710121， China）

Abstract： In order to meet the experimental teaching requirements of vehicle suspension characteristics， a multifunctional quarter vehicle suspension vertical vibration test platform was development， and the vibration test application of air suspension with auxiliary chamber was carried out. The platform mainly consists of a hydraulic servo vibration test bench and a multi-functional suspension test bench device based on gantry structure. Based on the design concept of multi-function modularization and curriculum integration， the platform can be applied to vibration experiments of suspension with different structures， which improves the applicability and operability of the suspension vibration test platform. The platform application process requires students’ skills， which is conducive to cultivating students’ practical innovation ability and testing students’ knowledge application level. The designed test platform can meet the requirements of new engineering research and practice， and meet the needs of cultivating innovative and outstanding engineering and technical talents.

Key words： vehicle suspension; hydraulic vibration test bench; multifunction; practical innovation