(完整版)频率可控式汽车悬架特性试验台本科生毕业设计
本科生毕业论文（设计）
中文题目频率可控式汽车悬架特性试验台
英文题目The Frequency of the Automobile
Suspension
Test Bench Can be controlled 学院交通学院
专业交通运输类（汽车运用工程）
指导教师陈熔职称副教授
吉林大学学士学位论文（设计）承诺书
本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。
学士学位论文（设计）作者签名：
年月日
摘要
悬架是汽车的一个重要组成元件，悬架的结构形式与性能参数的选择合理与否，直接对汽车的行驶平顺性、操纵稳定性、乘坐舒适性以及燃油经济性有着重要影响。为了评价悬架性能的好坏，通常采用悬架装置检测试验台来定量描述。本文对现有的几种悬架特性检测台进行了深入分析，并了解了国内外的发展现状，在此基础上根据设计要求进行了方案分析、论证、设计。本设计在现有谐振式悬架装置检测台的基础上，使用变频调速器。通过变频调速装置控制电动机转速，进而控制检测台的激振频率，使汽车悬架的振动频率可控，实现不同类别、品牌的车辆悬架性能检测。并针对改进后的悬架检测台中的电动机、联轴器、轴承等标准件进行选型和校核；对台板、转轴、安装框架、过车防护装置等非标准件进行了设计、计算和校核。改进后的此种悬架特性检测台具有造价低廉、性能稳定、重复性好、检测结果可靠、检测车辆的种类多等优点，便于现有谐振式悬架特性检测台的改造，适合汽车检测线和维修企业采用，同时对其不足进行了客观评价。
关键词：汽车悬架悬架检测台变频调速器频率可控
ABSTRACT
Suspension is an important element of the car,to choose the rational suspension structure and performance parameters is very important for the car's ride , driving stability , riding comfort and have a good fuel economy . In order to evaluate the performance of the suspension is good or bad , we usually use the automobile suspension test bench to describe it.In this paper, several existing automobile suspension test bench are analysed in-depth and understand the current development at home and
abroad , on the basis of these,make a analysis and proof of a new equipment.This new design is based on the existing automobile suspension test bench which can resonant with the wheel together, the inverter is employed .The motor is controlled by the inverter, and then the vibration frequency of deck of the automobile suspension test bench is controlled ,it can detect different categories , brands of vehicle’s suspension. In this paper,the motors,couplings,bearings and other standard parts of the equipment is selected and checked; the deck, shaft, mounting frame,the deck for protecting the eqiupment and other non-standard parts of the equipment is designed, calculated and checked.The new automobile suspension test bench is cheap, stable, have a good repeatability, and can check more types of vehicle etc.It can also easy transform from the existing resonant automobile suspension test bench and most of vehicle inspection and maintenance companies can use it , While there also have objective evaluation of the new equipment.
Keywords: Suspension，Automobile suspension test bench，Inverter，Frequency control
目录
第1章前言 (1)
1.1 研究背景 (1)
1.2 现有检测台及性能分析 (1)
1.2.1 按压车体式 (2)
1.2.2 跌落式 (2)
1.2.3 共振式 (3)
1.2.4 平板制动式 (4)
1.3 国内外研究现状 (5)
1.4 本文的研究目标 (6)
第2章频率可控式汽车悬架实验台开发设计 (7)
2.1 技术方案 (7)
2.2 方案设计分析 (7)
第3章检测台的设计与计算 (9)
3.1 电动机的选择 (10)
3.1.1 确定电动机的类型 (10)
3.1.2 确定电动机的容量 (11)
3.1.3 选择电动机的转速 (12)
3.2 变频调速器的选择 (13)
3.2.1 变频调速器的工作原理及选择要求 (13)
3.2.2 型号及参数的确定 (14)
3.3.1 承重横梁的设计及校核 (15)
3.3.2 转轴的设计及校核 (16)
3.3.3 偏心轮的设计及校核 (27)
3.3.4 轴承的选型及校核 (27)
3.3.5 圆环套的设计 (28)
3.4 检测台台板的设计计算 (29)
3.4.1 台板结构设计 (30)
3.4.2 台板的计算校核 (30)
3.5 固定座轴承的选择与校核 (34)
3.6.1 电动机与联轴器间键的选择与校核 (36)
3.6.2 联轴器与传动轴间键的选择与校核 (37)
3.7 称重传感器的选择 (37)
3.8 联轴器的选择 (39)
3.9 振动保持装置的设计 (41)
3.9.1 回位弹簧的选择 (41)
3.9.2 法兰套筒的设计 (43)
3.9.3 直线轴承选择及芯轴的设计 (44)
3.10 底座设计 (45)
3.11 安装框架及过车防护板的设计 (46)
3.11.1 安装框架的设计 (46)
3.11.2 过车防护装置的设计 (48)
3.12 润滑方式选择 (51)
第4章总结与展望 (53)
4.1 全文总结 (53)
4.2 工作展望 (54)
参考文献 (55)
致谢 (57)
英文资料原文及中文翻译稿 (58)
第1章前言
1.1 研究背景
随着我国社会经济的不断发展，我国的汽车产销量连创新高，并跃居世界第一位，汽车保有量不断增加，我国正在加速进入汽车社会。汽车正在由过去的奢侈品逐步转变为人民日常生活中的代步工具走入寻常百姓家，逐步成为人们日常生活中不可或缺的一部分，汽车也在我们日常生活中发挥着越来越重要的作用。然而，正鉴于此，人们的汽车消费观念也在从过去最初的作为代步的交通工具向追求驾驶体验以及驾驶乐趣方向转变。无论是在汽车设计的先期调研，还是汽车设计过程中工程师们对汽车性能的模拟假设，以及汽车生产制造过程中的零件匹配，亦或是汽车出厂前的性能校验，都在关注着汽车消费者们这一消费观念的转变。
所谓的驾驶体验，驾驶乐趣，除了日常生活中我们所关注的一些汽车本身的性能，如动力性能，制动性能，燃油经济性，操纵稳定性，通过性，平顺性等之外，还有与汽车使用者息息相关的乘坐舒适性，安全性等。而这些又与汽车悬架性能有着或大或小的关系，悬架[1]的结构形式与性能参数的选择合理与否直接对汽车的性能有着重要的影响。通过调教悬架性能可以给汽车使用者带来不一样的驾驶体验和驾驶乐趣。
此外，据调查研究表明：大约有四分之一的汽车上至少有一个悬架工作不正常，而有故障的悬架在汽车行驶过程中将会使其对应车轮轮胎有30%的路程接地力减少，甚至不与地面接触，使其他车轮接地力增加[2]。将会给驾驶员一种发飘的驾驶感觉，路感变差，特别是在曲线行驶时很难控制方向，增加了行车安全隐患。
因此，汽车悬架装置的各元件的品质与性能的正常发挥对汽车的安全行驶起着重要的作用。为保证汽车行驶安全性、平顺性、操纵稳定性、乘坐舒适性等性能指标，需要对汽车的悬架装置进行检测，特别是减震器和弹性元件的检测，目前通常采用汽车悬架特性检测试验台来检测悬架特性。汽车悬架特性检测台作为汽车性能检测过程中必不可少的设备之一，其检测性能的良好与否将对汽车悬架特性乃至整车性能评价的准确与否起着决定性作用。为准确评价汽车悬架性能，首先要提高汽车悬架特性检测台[3]的检测性能。
1.2 现有检测台及性能分析
过去检查汽车悬架装置的性能主要是通过人工检查，目视弹簧是否有裂纹，减振器是否漏油、磨损，弹簧以及导向机构的连接处是否松动，连接螺栓是否松动或是缺少等。显然这种方法是一种经验性检测方法，个人主观性大，可靠性差，无法对其性能进行定量描述、分析。后来又逐步发展了汽车悬架特性检测台，按其激励方式的不同可分为按压车体式、跌落式、共振式和平板制动式四种[3]。下面分别对其优缺点进行分析：
1.2.1 按压车体式
按压车体式悬架特性检测台是基于早期的人工按压车体而后观察的方法发展而来的，其结构如图1-1 所示。其检测原理是将车体向下压缩到一定位置而后突然松开，车体回弹做衰减振动，通过检测装置记录并绘制振动曲线，根据曲线计算悬架装置的阻尼参数，最后与厂家或有关标准曲线进行对照，根据偏差量来评价悬架装置的性能。
1-支架2-水平导轨3-推杆4-偏心轮5-垂直导轨6-汽车保险杠7-电动机8、9-光脉冲测量装置
图1-1 按压车体式悬架装置检测台
优点：检测方法比较简单方便，可以针对不同的车型，成本较低。
缺点：施力方式不利于快速检测，控制精度差；同一车型不同作用压力，检测结果差异性大，重复性差，对检测结果准确性影响因素多，结果可靠性差。对同一轴左右悬架装置性能无法单独评价。
1.2.2 跌落式
跌落法根据施力方式的不同可分为向上起升、向下拉紧和跌落车体式三种，如图1-2所示。
（a）向上起升式（b）向下拉紧式（c）跌落式
图1-2 跌落法示意图
跌落式的检测原理是用机械装置将汽车的一根轴或是将整车起升到一定高度或是将汽车向下拉紧，然后突然释放，通过检测装置记录数据曲线，最后分析车体的响应曲线来评价悬架的性能。
优点：利用压力传感器记录离散数据提高了检测的准确性，此种方法能够较好的模拟汽车的实际运动状态。
缺点：同轴两侧的悬架性能无法单独评价；检测方法不适于快速检测的要求；机械装置较多，不适合实际应用推广。
1.2.3 共振式
目前应用的较多，根据激振方式的不同可分为转鼓式和平台式两种，如图1-3 所示。转鼓式检测台是将转鼓的表面做成具有正弦状的不平度，通过改变转鼓的转速来改变激振的频率，如图1-3(a )所示。
优点：结构简单，车轮与转鼓的作用面接近实际路况条件。
缺点：转鼓具有一定的曲度，轮胎与支撑面（即转鼓）的接触失真；检测时汽车车轮固定比较困难，固定的好坏及检测位置对检测结果影响很大；需使用调速电机，检测台成本较高。
图1-3 共振式检测法示意图
平台式检测台[6]是使平台按正弦规律做垂直往复运动，采用偏心轮实现激振功能，通过调速电机来改变转速以改变激振频率，图1-3(b )所示。目前平台式检测台应用较多，但显示设备多为指针式，其检测数据无法保存，不利于工人进行维修作业。
1.2.4 平板制动式
平板制动式检测台[5]是一种组合式的检测台，如图1-4 所示。
1、3、5、7-“制动力悬架效率轴重”测试板2-侧滑测试板4-数据处理分析系统6-空板
图1-4 平板制动力测试法示意图
此种检测台采用平板式[2]结构，可以测出汽车侧滑、制动、悬架效率以及轴重等多个项目。其检测原理是：在检测时，被检车辆以5～10km/h 的速度缓慢驶上检测平板，而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，在振动衰减过程中，通过测得车身振动的变化曲线，来评价汽车悬架装置的性能。
优点：测试方法快速、简单，测试过程更接近路试，较真实地反映汽车悬架的性能，且能实现多个项目的同时检测，比较经济。
缺点：检测时对驾驶员操作技术要求较高，检测结果受人为因素影响较大，具有一定的随机性，无法定量测量，重复性操作差。
1.3 国内外研究现状
随着人们追求驾驶体验以及安全意识的提高，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不断进步。越来
越需要一种能够实现对汽车悬架性能现场检测诊断的设备或仪器，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究。
目前常用且技术成熟的悬架检测台基本上都是利用检测车轮与路面接触力的原理来评价悬架装置的品质与性能的。并采用欧洲减振器制造商协会EUSAMA（European Association of Shock Absorber Manufacturer）推荐的标准。将汽车车轮动态载荷的最小值与静态载荷之比（我国定义为吸收率）作为衡量汽车悬架装置性能的指标[8]。目前，汽车悬架检测台一般都采用谐振式检测[9]，按其检测参数的不同可以分为测力式和测振幅式两种，其中测力式检测台应用更为广泛。
对于测力式汽车悬架特性检测台一般是通过电动机、联轴器带动偏心机构旋转，并在导向机构的作用下带动检测台面激励，进而使汽车车轮受迫振动。当电机达到一定转速后停转，与其同轴的储能飞轮释放能量带动偏心机构继续旋转，维持车轮继续振动，检测台对悬架装置进行扫频激振，以检测悬架装置共振频率下的悬架性能。通过上面的分析可见，该种检测台存在如下局限性：
1、只能分别对左右车轮进行由高频到低频的扫频振动，振动频率和扫频时间是不可控的。因此，在试验过程中可能会出现机械误差。
2、为使汽车车轮-悬架系统能够达到高频激振，需要使偏心轮机构高速旋转，即需要采用有较大输出功率的电动机，会增加检测成本。
3、检测的参数较为单一，对汽车悬架性能不能进行深入的分析和故障诊断，无法全面反映汽车悬架的技术状况，检测结果不利于指导汽车修理厂的维修工作。
4、现有检测台检测悬架性能时采用扫频激振的方式，扫频时间不可控，则在系统共振阶段的时间是非常短暂的。动态压力测量值的准确性在
很大程度上取决于共振时间的长短，其又决定了汽车悬架性能评价的好坏。为准确的评价汽车悬架性能，需要采用测量精度高的传感器、控制系统，使检测台成本增加。
5、检测时需将汽车车轮准确的停放在检测台台板上，其停放的位置在一定程度上会影响检测结果的准确性，且具有一定的随机性，对驾驶员的技能提出了一定的要求。
1.4 本文的研究目标
基于对现有汽车悬架性能检测台的一些不足的分析，提出以下设计要求及改进措施（即新型悬架特性检测台的设计目标[10]）：
1、针对测量精度无法保证，可能存在机械误差的问题，要求每一输出频段都有稳定的扫频频率和一定的扫频时间，供称重传感器测得某一频段的多组数据。通过控制系统去除无效数据，针对有效数据计算算术平均值，提高测量精度，防止出现机械误差。
2、针对现有悬架检测的参数单一，对汽车悬架性能不能进行深入的分析和故障诊断问题，将改进测量系统，在试验过程进行多参数测量，如对检测台进行多点压力测量，对偏心轮机构的旋转频率进行检测等。并要求控制系统能够根据所测参数进行多次深层分析，生成故障代码，判断故障原因。
3、针对振动频率和扫频时间不可控，影响测量结果准确性，无法较好的评价悬架性能的问题。要求电动机能够从低速到高速逐级变换，带动车轮-悬架振动系统振动，并超过其共振频率。在频率变换过程中，每一频率需要保持一段时间，使数据采集系统有一个固定的采样周期，提高测量结果的准确性。
4、针对检测精度和重复精度差的问题，由于汽车轮胎在检测台台板上的位置影响检测结果，要求汽车车轮能够停放在检测台台板上的某一最佳位置，将对台板进行重新设计。
根据研究目的在现有谐振式汽车悬架特性检测台的硬件基础上进行改进，使改进后的检测台具有较为完善的悬架性能检测和分析功能，既能够满足检测的需要，又能够降低研究成本。
第2章频率可控式汽车悬架实验台开发设计
2.1 技术方案
根据现有汽车悬架特性检测台[12]的特点并进行了分析和研究，针对现有悬架特性检测台的局限与不足之处，根据前文提出的设计目标，在现有悬架检测台的基础上开发出频率可控式汽车悬架试验台，使其具有较为完善的悬架特性检测和性能分析功能。此检测台由电动机、变频调速器、偏心轮、称重传感器、检测台台板等组成。其结构原理图如图2-1。此检测台在技术上相对于现有汽车悬架特性检测台主要有如下两方面的改进：
1、采用变频调速器控制驱动电动机，实现电动机的变速运行，取代现有的储能飞轮带动检测台台板的扫频激振，检测汽车车轮-悬架系统共振频率下的悬架性能。
2、采用双悬臂梁式称重传感器分别支承在每个检测台台板的一角，而不是支承在检测台台板的两个支承边上，并对台板进行了重新简化设计以提高检测效率。
图2-1 频率可控式汽车悬架特性检测台结构原理图
2.2 方案设计分析
本检测台采用了变频调速器，通过变频调速器的变频作用可以起到改变电动机的输出转速和转矩的自动调整。此外，变频调速器还具有装置集成化程度高，接线简单；节能效果明显，平均节电15%-25%的优点。
针对现有检测台检测精度和重复精度差，在汽车检测过程中汽车车轮在检测台上的位置随机性大，驾驶员及检测系统无法对汽车车轮在检测台台板上的具体位置进行准确判断，对汽车的检测位置无法有效调整，且汽车在检测台台板上的具体位置对检测结果的准确性又较大影响的特点，采用双悬臂梁式称重传感器同时检测的方案，其传感器分布图如图2-2所示。分别检测检测台台板的四点压力，通过计算机的分析计算可以较为准确的得到汽车车轮在检测台上的位置。同时对检测台台板进行重新设计，通过驾驶员对路况的感知使被检车辆停在最佳位置。
图2-2 传感器分布图
基于以上改进的频率可控式汽车悬架特性检测台，根据检测性能需要，其检测原理如下：首先交流电机在变频调速器的作用下启动，电动机通过联轴器的作用使转轴与电动机同步旋转。与转轴同轴的偏心轮带动与其同心的滚柱轴承和偏心套筒旋转，套筒与横梁在回位弹簧和直线轴承的作用下保持始终接触。由于套筒的载荷较大且与横梁有滚动摩擦，为减小偏心轮与横梁的磨损，提高检测台的使用寿命，并且从机械上保证台体的
使用寿命和测试精度，在偏心轮的外侧安装有与其同心的滚柱轴承和套筒。由于偏心轮在旋转时带动检测台台板激振，检测台台板以及横梁存在变加速度，为防止横梁脱离偏心轮，在横梁与底座之间需要安装有回位弹簧拉紧装置。此外，由于横梁与滚动轴承之间是线接触而不是面接触，且车轮在检测台台板上的位置不确定，为保证检测台台板能够始终是上下激振，需要在横梁与底座之间安装有直线轴承。
在此基础上，为实现悬架特性检测台的频率可控，需要计算机的软件控制。随着电动机的转速不断上升带动检测台台板振动的激振频率也由低频向高频不断变化，数据采集卡在频率不断变化的过程中记录下汽车车轮作用在检测台上的压力，计算机通过分析数据采集系统记录的数据，当检测到称重传感器压力最小时的频率时，计算机通过控制系统控制变频调速器，先使电动机的转速有一个小幅度的上升，然后在降低转速，保持在使检测台上的压力最小值时的转速并维持一段时间，此时计算机记录数组数据，计算机根据这数组数据进行分析，即可对汽车悬架特性进行较准确的评价（计算机的数据采集以及分析，控制系统的控制属于软件控制部分，在此不作过多分析）。