汽車空氣懸架固有頻率的測(cè)試方法

汽車空氣懸架固有頻率的測(cè)試方法

0懸架系統(tǒng)基本參數(shù)汽車支撐車（彈簧載質(zhì)量）和車輪（非彈簧載質(zhì)量）的固有頻率。支撐鎖的三個(gè)參數(shù)是分析懸臂系統(tǒng)振動(dòng)特性和研究和評(píng)估汽車穩(wěn)定性的基本數(shù)據(jù)。1汽車懸架固有頻率的測(cè)量試驗(yàn)歐洲在道路友好型評(píng)價(jià)中汽車懸架固有頻率試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)近20年來(lái)經(jīng)歷了1984年的85/3/EC,并于1992年修訂為92/7/EC,于1996年再次修訂為96/53/EEC并沿用至今。澳大利亞在參照92/7/EC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制訂了用于本國(guó)公路運(yùn)輸車輛道路友好性認(rèn)證的VSB11標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究中可知,振動(dòng)系統(tǒng)在階躍或者脈沖力的激勵(lì)下,系統(tǒng)會(huì)在激勵(lì)力消失以后產(chǎn)生自由振動(dòng)。記錄下系統(tǒng)自由振動(dòng)過(guò)程中簧上質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)信號(hào)就可以獲取系統(tǒng)的固有頻率和系統(tǒng)的阻尼比。圖1所示為典型的車身加速度時(shí)域信號(hào)。OA段表示車輪剛從階躍塊上滾下,彈簧受拉力;AB段為車輪著地以后彈簧開(kāi)始恢復(fù)并在重力的慣性作用下繼而受壓縮,至B點(diǎn)為最大壓縮位置;BC段表示彈簧被壓縮到最大位置以后開(kāi)始恢復(fù),并將車身向上頂起。我國(guó)的GB4783—1984標(biāo)準(zhǔn)中指定了3種激勵(lì)方式:滾下法、拋下法以及拉下法;澳大利亞VSB11標(biāo)準(zhǔn)完全參照歐洲的92/7/EC標(biāo)準(zhǔn)中的激勵(lì)方式,規(guī)定的激勵(lì)方式主要有滾下法、拉下法以及拉上法。并對(duì)滾下法的行駛速度和階躍塊的外形尺寸以及拉下法、拉上法的施力大小以及拉起高度提出了較為詳細(xì)地要求;還有一些其他的激勵(lì)方式也被用于研究汽車懸架的固有頻率,如路面白噪聲輸入法、跌落法以及正弦激勵(lì)法研究振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率時(shí),一般采集振動(dòng)系統(tǒng)受到激勵(lì)時(shí)的位移和加速度信號(hào),對(duì)采集到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析,可以很容易得到系統(tǒng)的固有頻率。在汽車懸架固有頻率試驗(yàn)當(dāng)中主要采用的測(cè)量?jī)x器有加速度傳感器和位移傳感器,對(duì)于空氣懸架還可以在空氣彈簧進(jìn)排氣口處安裝氣體壓力傳感器來(lái)采集振動(dòng)當(dāng)中囊內(nèi)氣壓變化的時(shí)域信號(hào)加速度傳感器一般安裝在車橋或者車身上(懸架上方)某處,而位移傳感器可以安裝在車橋和車身之間,測(cè)量懸架動(dòng)行程變化的時(shí)域信號(hào)。我國(guó)的GB4783—1984標(biāo)準(zhǔn)中提供了時(shí)間歷程法和頻率分析法兩種數(shù)據(jù)處理方法。時(shí)間歷程法即由記錄得到的車身及車軸上自由衰減振動(dòng)曲線(圖1),與時(shí)標(biāo)比較或在信號(hào)處理器上讀出時(shí)間間隔的值都可以得到車身部分振動(dòng)周期T和車輪部分振動(dòng)周期T′。然后按式(1)、(2)算出各部分的固有頻率頻率分析法即記錄車身與車軸上自由衰減振動(dòng)的加速度信號(hào)z&&(t)和ξ&&(t),并進(jìn)行自譜處理。處理時(shí)用截止頻率20Hz進(jìn)行低通濾波,采樣時(shí)間間隔Δt=20ms,頻率分辨率Δf=0.05Hz,車身部分加速度方均根自譜的峰值頻率即為車身部分固有頻率。類似地,車輪部分加速度方均根自譜的峰值頻率即為車輪部分的固有頻率歐洲委員會(huì)的92/7/EEC以及澳大利亞的VSB11標(biāo)準(zhǔn),主要的數(shù)據(jù)處理方式為時(shí)間歷程法。通過(guò)記錄連接在車橋和車橋正上方底盤(車身)之間的垂向位移傳感器時(shí)域信號(hào),在衰減信號(hào)中取第一個(gè)和第二個(gè)壓縮峰值的時(shí)間間隔倒數(shù)作為懸架的固有頻率。另外,澳大利亞的研究人員近年來(lái)試圖探討另一種更為方便可行、成本更低廉的圓管脈沖試驗(yàn)裝置來(lái)獲取懸架的固有頻率。其主要方法是在空氣彈簧上安裝氣體壓力傳感器,通過(guò)測(cè)取車輪低速駛過(guò)圓管時(shí)受到的脈沖激勵(lì)下氣體壓力傳感器記錄下的時(shí)域信號(hào),按照上述的時(shí)間歷程法來(lái)對(duì)信號(hào)處理以獲取車身固有頻率2半模型模擬測(cè)試分析2.1空氣彈簧的剛度以往的研究中通常只考慮受測(cè)車橋,并將其簡(jiǎn)化為2自由度的1/4模型。而實(shí)際試驗(yàn)中由于同一軸上的兩個(gè)輪子同時(shí)受到階躍力的沖擊,因此簡(jiǎn)化為半車模型綜合考慮車身的俯仰角振動(dòng)的影響來(lái)進(jìn)行分析會(huì)更接近實(shí)際。車身的振動(dòng)有垂直振動(dòng)和角振動(dòng)兩種振型,且兩種振型是耦合的當(dāng)俯仰角較小時(shí),近似有綜合式(3)~(8),可以得式中mI——半車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量qF仿真中所用空氣彈簧為Contitech644N型,前簧工作高度為260mm,后簧為255mm。前彈簧力增量根據(jù)文獻(xiàn)[9],有同理可得式中p因此,空氣彈簧的近似固有頻率半車模型的仿真參數(shù)如下表所示。將表中的各個(gè)參數(shù)值代入式(10)、(11),經(jīng)計(jì)算,前簧上固有頻率理論設(shè)計(jì)值約為1.45Hz,后簧上固有頻率理論設(shè)計(jì)值約為1.25Hz。表半車模型仿真參數(shù)2.2模擬數(shù)據(jù)分析2.2.1hpa采用頻域處理法從圖3便可看出車身的俯仰角振動(dòng)固有頻率約為0.9Hz。而從圖4和圖5的比較可看出阻尼的變化對(duì)頻譜中峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率影響不大,但卻對(duì)表征振動(dòng)能量大小的峰值有較大影響,此結(jié)果與文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)論一致。2.2.2時(shí)間歷程法的應(yīng)用將前輪胎剛度k從圖3~7的仿真數(shù)據(jù)圖可以看出,由于車身俯仰角振動(dòng)與垂直振動(dòng)互相耦合,如果簡(jiǎn)單地取峰值頻率作為車身的固有頻率,可能會(huì)在阻尼以及前后輪胎剛度的差異影響下錯(cuò)誤地判讀數(shù)據(jù)。不僅頻域如此,時(shí)間歷程法的實(shí)際使用中也會(huì)遇到同樣的問(wèn)題。因此需要引入車身角振動(dòng)的測(cè)試,以便更好地甄別出正確的懸架固有頻率。根據(jù)上述仿真數(shù)據(jù),前簧上的固有頻率應(yīng)約為1.35Hz,后簧上的固有頻率約為1.3Hz,與前述根據(jù)式(10)、(11)的理論計(jì)算值前簧上固有頻率1.45Hz、后簧上固有頻率1.25Hz較為接近,而仿真結(jié)果中的0.9Hz應(yīng)為車身俯仰角振動(dòng)的固有頻率。3整個(gè)汽車測(cè)試3.1試驗(yàn)對(duì)象試驗(yàn)采用某型電子控制空氣懸架大客車,具有兩級(jí)車身高度可調(diào),配備有兩級(jí)可調(diào)阻尼減振器,具有軟阻尼、硬阻尼兩檔可調(diào),如圖8所示。3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成試驗(yàn)系統(tǒng)由8m電子控制空氣懸架大客車、60mm高階躍木板2塊、1個(gè)位移傳感器、4個(gè)ICP加速度傳感器、1個(gè)Crossbow陀螺儀、一個(gè)氣壓傳感器、Dell計(jì)算機(jī)及美國(guó)產(chǎn)NIPXI1036DC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在LabVIEW環(huán)境下搭建。加速度傳感器分別安置在前后車橋處及前后軸正上方車身地板,陀螺儀安置在車身地板約前后軸質(zhì)心處,氣壓傳感器安裝在氣囊進(jìn)排氣口處的三通閥上,連接簧上部分和簧下部分的位移傳感器裝在氣囊附近,部分主要儀器如圖8~10所示。3.3前懸架固有頻率的時(shí)間歷程N(yùn)I數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集頻率為1000Hz,符合香農(nóng)定理依據(jù)前述的數(shù)據(jù)處理分析方法,通過(guò)對(duì)陀螺儀采集的俯仰角振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析,得知車身俯仰角振動(dòng)的固有頻率為1.0~1.1Hz,如圖11所示。圖12、圖13分別為懸架動(dòng)行程和氣壓的時(shí)間歷程,兩者波形非常相似。若按時(shí)間歷程法,得到的固有頻率值約為1Hz,實(shí)際上并非前懸架垂直振動(dòng)的固有頻率而是車身俯仰角振動(dòng)固有頻率,因此文獻(xiàn)[5]中所述的采用氣壓的時(shí)間歷程來(lái)獲取固有頻率的方法值得商榷。在圖14中采用時(shí)間歷程法所得的3個(gè)周期由第一個(gè)壓縮峰值開(kāi)始依次為0.65s、0.53s、0.58s,取倒數(shù)后可知第一個(gè)壓縮峰值后的周期值與頻域分析的結(jié)果1.6Hz最為接近。由于阻尼的存在,懸架的振動(dòng)是個(gè)衰減過(guò)程4空氣懸架的動(dòng)態(tài)特性(1)必須對(duì)車身的俯仰角振動(dòng)進(jìn)行輔助測(cè)試,以便于正確甄別出懸架的固有頻率,而不能籠統(tǒng)地取頻譜圖中的最大峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率作為懸架垂直振動(dòng)的固有頻率。(2)采用時(shí)間歷程法時(shí),而應(yīng)盡量采用第一個(gè)壓縮峰值點(diǎn)和第二個(gè)壓縮峰值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。(3)采用空氣彈簧氣壓變化時(shí)間歷程,并在時(shí)域中對(duì)其進(jìn)行分析以取得懸架的垂直振動(dòng)的固有頻率的方法并不完善,值得進(jìn)一步研究。(4)電子控制空氣懸架在