基于IPC的汽車懸架疲勞壽命試驗臺設計

袁海兵，王自平

（湖北汽車工業學院 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，在高速行駛的狀態下，汽車行駛的安全性、舒適性、操作穩定性等，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據。以及張俊停基于LabView懸架性能測控系統[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PC機的汽車懸架疲勞壽命試驗裝置，采用數據采集卡實現試驗裝置的電機驅動系統、液壓舉升系統、負載系統的測量與控制。采用Visual C++2015開發試驗臺控制軟件，Microsoft Access2016作為后臺數據庫，存儲汽車懸架疲勞壽命試驗數據。該系統能有效驗證汽車懸架疲勞壽命，成本低，在汽車懸架行業具有推廣應用價值。

1 技術要求和參數

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：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；

4）自動進行疲勞壽命試驗，軟件顯示試驗過程，后臺數據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，并發出報警。

2 系統硬件設計與實現

2.1 系統方案

汽車懸架疲勞壽命試驗臺主要有電機系統，液壓系統，數據采集卡，壓力傳感器，工業PC機等構成。汽車懸架的疲勞壽命試驗臺包括動態試驗、靜態試驗。

2.1.1 動態試驗

圖2 汽車懸架動態試驗

動態試驗如圖2所示，由電動機經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，設計了潤滑系統對曲柄等傳動機構進行潤滑處理，提高試驗裝置的穩定性和使用壽命。在動態試驗過程中，設定試驗次數、壓力上下限等相關參數，工業計算機不斷檢測4路懸架試驗壓力，超出壓力上下限或達到試驗次數，設備停止運行。

2.1.2 靜態試驗

靜態試驗如圖3所示，進行靜態試驗時將曲柄連桿機構更換為液壓油缸，在靜態試驗循環中，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，舉升到位后，對車體進行回落控制，試驗依次循環，記錄試驗次數。試驗裝置實物圖如圖4所示。

圖3 汽車懸架靜態試驗

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PC機與數據采集卡的選擇

工業PC機選用研華公司的IPPC-6172A-R2AE，該PC機是工業級的平板電腦，前端配有USB 接口，方便數據讀取，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，根據系統的通道要求、采樣頻率、計數通道等要求，選用研華公司的PCIE總線的數據采集卡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路共享的數字量輸入輸出，4個通道的定時/計數器，采樣頻率在250kS/s。系統熱啟動后，可以保持I/O口的設置和數字量輸出值 。

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，系統設計時，數據采集卡輸入電壓與壓力傳感器輸出電壓都為0～10V，數據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，測控現場力傳感器與數據采集卡的距離在2至3米，選擇單端輸入模式 。

數據采集卡的主要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；數字量輸入（DI）共有14個，如表1所示；數字量輸出（DO）共有10個，如表2所示；以及2個計數通道的使用（CNT0，CNT1）。

圖6 數據采集卡IO分配圖

由于接近開關、電磁閥等的控制信號為24V，而數據采集卡的數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，出現故障時維修周期長，維修難度大，因此，系統中采用歐姆龍固態繼電器（SSR）完成數字量信號的轉換，可縮短出現故障時的維修時間，接口電路如圖7所示。

圖7 數字量輸入輸出接口電路

3 系統控制軟件設計

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，試驗壓力上下限，當試驗達到設定次數，或超出設定壓力上下限時，自動停止試驗，并發出報警。檢測過程中，數據采集卡完成對4路壓力傳感器的AD轉換，利用數據采集卡記數通道記錄試驗次數，控制軟件將試驗過程數據保存至Microsoft Access2016數據庫。

3.1 數據采集

汽車懸架疲勞壽命試驗臺采用研華公司的PCIE-1812數據采集卡，研華公司對數據采集卡提供了驅動文件，在工業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完成對數據采集卡的操作，降低了編程難度，提高了程序的可靠性，系統測控軟件主要調用了模擬量輸入函數InstantAiCtrl.ReadAny ()、數字量輸出函數InstantDoCtrl.Write()、數字量輸入函數InstantDiCtrl.Read()以及計數通道讀取函數EventCounterCtrl.Read()。

部分代碼如下：

3.2 數據濾波

疲勞試驗過程中，為了提高4路壓力傳感器AD轉換數據的可靠性與穩定性，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轉移數據進行濾波處理，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，現場試驗證明具有很好的濾波效果。

3.3 數據實現與存儲

汽車懸架疲勞壽命試驗臺采用研華工業PC機IPPC-6172A作為核心控制機，工業PC機具有強大的數據處理與數據存儲能力，控制軟件將試驗數據保存到后臺數據庫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，進行數據采集以及控制電磁閥、變頻器等試驗裝置，監測4路壓力傳感器的數據變化和試驗次數，將試驗次數和4路壓力傳感器的壓力數據存儲到Microsoft Access2016數據庫中，通過后臺數據，可分析疲勞試驗過程中懸架彈簧失效的變化趨勢，為產品的改進提供數據支持。汽車懸架疲勞試驗臺的動態試驗軟件界面如圖8所示、靜態試驗軟件界面如圖9所示。

在Microsoft Access2016數據庫中采用SQL技術進行報表處理，可查詢和打印試驗數據，動態試驗的實驗數據報表如表3所示。

圖8 動態試驗界面

圖9 靜態試驗界面

表3 汽車懸架動態試驗數據Access報表

4 結語

本文設計了以研華工業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試驗與靜態試驗，該試驗臺能自動進行懸架疲勞試驗，具有自動報警和數據存儲功能，顯示界面友好，能查詢和打印試驗數據，在東風汽車懸架彈簧公司運行一年來，該試驗臺運行穩定，檢測數據可靠，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。