圖1 汽車橡膠襯套綜合試驗(yàn)臺(tái)
伴隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。汽車橡膠襯套綜合試驗(yàn)臺(tái)可用于各種橡膠彈性元件的性能研究以及型式試驗(yàn)，通過試驗(yàn)考核，該試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，可為國(guó)產(chǎn)化橡膠元件提供試驗(yàn)參數(shù)。
汽車懸架系統(tǒng)的參數(shù)直接影響車輛的平順性，而彈簧幾乎是所有懸架系統(tǒng)動(dòng)力性能的核心。由于橡膠材料本身具有重量輕、抗沖擊和易吸收高頻振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，加上橡膠和金屬粘接技術(shù)的提高，金屬和橡膠組合起來形成的金屬橡膠彈簧即橡膠襯套廣泛應(yīng)用于汽車懸架中的導(dǎo)向裝置和支撐裝置中，因此很有必要研究橡膠襯套剛度對(duì)懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律的影響。這種襯套一般由1個(gè)或2個(gè)剛性套筒中間用橡膠體粘接填充。使用時(shí)外筒固定，內(nèi)筒隨車輪的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)變形，其變形響應(yīng)特性直接影響到懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能。
橡膠彈性元件的使用壽命一般可達(dá)到16年，由于缺乏必要的檢測(cè)設(shè)備，無法對(duì)彈性元件的剛度等主要參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)缺乏相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，致使在架修期（5年）不得不對(duì)橡膠彈性元件進(jìn)行更換，大大增加了維修成本，而且某些橡膠彈性元件主要依靠進(jìn)口。因此，中國(guó)汽車技術(shù)研究中心先后為浙江萬向系統(tǒng)有限公司和合肥車橋有限責(zé)任公司研制了適合多種橡膠彈性元件剛度測(cè)量和壽命疲勞試驗(yàn)的綜合試驗(yàn)臺(tái)（見圖1）。該試驗(yàn)臺(tái)主要由臺(tái)體、液壓系統(tǒng)、電伺服系統(tǒng)、電控和測(cè)量系統(tǒng)組成，采用研華工控機(jī)和采集卡作為試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控中心，可以分別完成橡膠襯套X、Y、Z直線方向的靜態(tài)剛度、動(dòng)態(tài)剛度和疲勞壽命試驗(yàn)以及旋轉(zhuǎn)方向的靜態(tài)剛度和疲勞壽命試驗(yàn)，還可完成橡膠襯套內(nèi)筒的拉脫力試驗(yàn)，試驗(yàn)過程的控制與測(cè)試均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，軟件通過特定的程序處理，其系統(tǒng)的控制精度和測(cè)量精度均可達(dá)到1%以下，人機(jī)交互界面友好，測(cè)試的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，完全達(dá)到MSA要求。
總體結(jié)構(gòu)
試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗(yàn)臺(tái)分為液壓和伺服兩個(gè)通道，其中液壓通道由上固定橫梁、中間移動(dòng)橫梁和立柱組成試件裝夾框架，位于工作臺(tái)面之上，液壓缸和伺服閥位于工作臺(tái)之下。力傳感器與移動(dòng)橫梁相對(duì)固定，位移傳感器為磁滯伸縮式，傳感器主體固定在液壓缸底部，磁環(huán)固定在液壓活塞上，隨液壓缸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁信號(hào)變化從而測(cè)量位移信號(hào)。旋轉(zhuǎn)通道是一個(gè)曲柄連桿結(jié)構(gòu)，伺服電機(jī)系統(tǒng)位于臺(tái)面之下，扭矩傳感器和角度傳感器及試件工裝位于臺(tái)面之上，角度傳感器軸與試件連接，殼體通過支架與扭矩傳感器法蘭連接，從而測(cè)量試件扭轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)套和外套的相對(duì)角度。曲柄偏心輪刻有刻度，每個(gè)刻度對(duì)應(yīng)一個(gè)角度，通過調(diào)整偏心距來調(diào)整試件擺動(dòng)角度大小。
圖2 試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)
液壓通道最大載荷為20kN，行程為±20mm。動(dòng)態(tài)剛度試驗(yàn)最高頻率為25Hz，幅值為±2mm，疲勞試驗(yàn)最高頻率為5Hz。旋轉(zhuǎn)通道最大擺動(dòng)角度為±18°，最大測(cè)量扭矩為±500N.m，最大工作頻率為3.6Hz。
液壓系統(tǒng)
液壓泵站容量為100L，額定壓力為21MPa，額定流量為100L/min。泵站電機(jī)采用ABB的產(chǎn)品、意大利ATOS溢流閥和進(jìn)口柱塞泵，并設(shè)有液位計(jì)、溫度計(jì)、分油器和過濾器等輔助設(shè)備。油溫、油壓配有數(shù)字顯示儀表，且油溫具有超溫報(bào)警卸載保護(hù)功能。油壓通過數(shù)字電位器從0～21MPa可無級(jí)調(diào)節(jié)。
測(cè)控系統(tǒng)
試驗(yàn)臺(tái)采用的測(cè)控方案為：以研華工控機(jī)作為主控制機(jī)，通過數(shù)據(jù)采集卡對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)控。工控機(jī)將動(dòng)作指令經(jīng)模擬輸出卡下發(fā)給液壓伺服控制卡，控制卡根據(jù)傳感器的反饋信號(hào)與指令信號(hào)的偏差，經(jīng)PID調(diào)節(jié)后輸出閥信號(hào)，控制液壓缸產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。工控機(jī)將數(shù)據(jù)采集卡采集的位移和載荷信號(hào)經(jīng)過處理，得到試件的力—位移特性曲線。
伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，工控機(jī)通過MPC-08伺服控制卡控制伺服驅(qū)動(dòng)器，使其驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)測(cè)量扭矩和角度信號(hào)，經(jīng)過處理后得到扭矩—角度特性曲線。
1.系統(tǒng)硬件
系統(tǒng)硬件組成如圖3所示，其中可分為液壓測(cè)控系統(tǒng)和伺服電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)兩部分。
圖3 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)硬件組成
（1）液壓測(cè)控系統(tǒng)：
液壓測(cè)控系統(tǒng)主要由位移傳感器、載荷傳感器、信號(hào)放大器ADAM3016、818L數(shù)據(jù)采集卡、液壓伺服控制卡、高速模擬輸出卡PCI1721、開關(guān)量輸入輸出卡PCLD782/785和伺服閥等組成。
（2）伺服電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)：
伺服電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要由角位移傳感器、扭矩傳感器、信號(hào)放大器ADAM3016、818L數(shù)據(jù)采集卡、32位四軸步進(jìn)/數(shù)字式伺服控制卡MPC-08、開關(guān)量輸入輸出卡PCLD782/785和伺服控制器等組成。
2.系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)軟件主要包含以下幾個(gè)模塊：系統(tǒng)初始化模塊、傳感器標(biāo)定及開關(guān)量檢測(cè)模塊、通道手動(dòng)調(diào)試模塊、試驗(yàn)測(cè)試模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢模塊和試驗(yàn)報(bào)告輸出模塊。初始化模塊主要是加載板卡硬件驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)置板卡初始狀態(tài)、試驗(yàn)參數(shù)初始值等。標(biāo)定模塊主要完成傳感器信號(hào)及指令輸出信號(hào)的標(biāo)定，采用多點(diǎn)插值法，有效地解決了信號(hào)非線性問題。手動(dòng)調(diào)試模塊主要是對(duì)各試驗(yàn)通道的初始位置或初始載荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足試件不同初始安裝位置和載荷的需要。試驗(yàn)測(cè)試模塊是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的核心部分，它將用戶輸入的參數(shù)轉(zhuǎn)化為一系列控制指令，調(diào)用相應(yīng)硬件的訪問模塊，驅(qū)動(dòng)測(cè)試裝置及執(zhí)行裝置完成相應(yīng)試驗(yàn)功能。試驗(yàn)結(jié)束后，可以將試驗(yàn)結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，在數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊可以查詢各試驗(yàn)記錄。考慮到運(yùn)行速度、可擴(kuò)展性及維護(hù)性，系統(tǒng)軟件采用VB6.0編寫。
（1）DMA高速信號(hào)采集
一般情況下，當(dāng)采集頻率大于信號(hào)頻率100倍以上時(shí)采集信號(hào)不失真（即信號(hào)每波形至少100點(diǎn)）。由于動(dòng)態(tài)剛度試驗(yàn)加載波形頻率較高（20Hz），普通的軟件觸發(fā)采集方式根本無法滿足該頻率信號(hào)采集的要求。因此，該測(cè)控系統(tǒng)采用DMA采集方式，最高采集頻率可以達(dá)到40kHz，通過Timer控件定時(shí)從DMA緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，既滿足了高速信號(hào)采集的要求，也保證了各采樣點(diǎn)時(shí)間的一致性。
（2）DMA高速波形輸出
當(dāng)驅(qū)動(dòng)液壓伺服閥的信號(hào)波形電壓點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，液壓缸會(huì)出現(xiàn)爬行或運(yùn)動(dòng)不平滑現(xiàn)象。由于VB6.0環(huán)境下的最小定時(shí)周期為30ms左右，采用定時(shí)輸出時(shí)每秒最多也只有30多個(gè)點(diǎn)，對(duì)于1Hz頻率以上的信號(hào)時(shí)就已經(jīng)嚴(yán)重失真。因此，該系統(tǒng)采用PCI-1721高速模擬輸出卡，它支持DMA高速輸出功能，最高輸出速率可達(dá)到10MHz，每波形輸出1000點(diǎn)時(shí)，完全能輸出100Hz波形信號(hào)，足以滿足試驗(yàn)臺(tái)要求。該卡DMA輸出函數(shù)可以返回輸出波形的個(gè)數(shù)，利用此功能可以計(jì)算試驗(yàn)所需的時(shí)間及剩余時(shí)間，進(jìn)行200h的疲勞試驗(yàn)考核時(shí)其時(shí)間誤差不大于5s。
（3）指令修正
由于傳感器輸出信號(hào)有溫漂，經(jīng)過一定的使用次數(shù)后，其零點(diǎn)也會(huì)發(fā)生變化，此外傳感器供電電壓的波動(dòng)、系統(tǒng)油壓的不同都會(huì)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)測(cè)量和控制精度產(chǎn)生影響。為提高系統(tǒng)的控制精度，我們?cè)谲浖袑?duì)控制指令進(jìn)行了修正。在動(dòng)態(tài)剛度試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)前首先按照設(shè)定波形和頻率進(jìn)行一次預(yù)加載試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)指令進(jìn)行調(diào)整，然后再按照調(diào)整后的指令進(jìn)行正式試驗(yàn)，消除了由于測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和不同試件剛度差異等因素對(duì)控制精度的影響，大大提高了控制精度。在疲勞試驗(yàn)中，根據(jù)傳感器反饋信號(hào)與試驗(yàn)要求信號(hào)誤差對(duì)指令波形進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)整，使系統(tǒng)的控制精度小于0.5%。
結(jié)束語
系統(tǒng)軟件在WINDOWS 2000系統(tǒng)下基于VB6.0開發(fā)，人機(jī)交互界面友好，操作簡(jiǎn)單。
傳感器信號(hào)采用多點(diǎn)線性標(biāo)定后，系統(tǒng)測(cè)量精度可以保證在0.5%以上。軟件控制在采用指令修正后，控制精度大大提高，在使用100kN載荷傳感器載荷范圍在3kN以上時(shí)均能保證控制誤差在0.5%之內(nèi)。
試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用為橡膠元件國(guó)產(chǎn)化提供了必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該試驗(yàn)臺(tái)通用性好，能滿足多種橡膠彈性元件的性能測(cè)試，具有廣泛的市場(chǎng)前景。
（轉(zhuǎn)載）
