基于虛擬儀器的減震器橡膠襯套試驗系統(tǒng)

孔令洋，孫曉幫，趙春生

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001）

橡膠襯套是由橡膠材料和金屬粘接而成的金屬橡膠彈簧，廣泛應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)。減震器橡膠襯套（以下簡稱橡膠襯套）通過銷軸將減震器一端與車架柔性連接在一起，具有垂直承載、衰減和吸收高頻振動與噪聲的作用[1]。由于車身質(zhì)量較大，因此即使汽車在非行駛狀態(tài)下，橡膠襯套也要承受一定的預(yù)壓作用，并且汽車在不平路面及轉(zhuǎn)向等多工況行駛狀態(tài)下，橡膠襯套又要承受交變的周期載荷，很容易出現(xiàn)疲勞失效。本工作根據(jù)橡膠襯套使用工況及疲勞試驗要求，設(shè)計了一種能真實模擬橡膠襯套使用工況的試驗系統(tǒng)，可進(jìn)行橡膠襯套動態(tài)特性測試和疲勞壽命試驗。

1 試驗方法

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JIS K 6394—1998《硫化橡膠的動態(tài)特性試驗方法》，采用非共振法[2]對橡膠襯套施加不同激振力幅值和不同激振頻率的簡諧激振力，通過采集橡膠襯套所受激振力值和激振位移值等動態(tài)信號測試橡膠襯套動態(tài)特性；通過對試樣循環(huán)試驗，評定橡膠襯套的質(zhì)量和疲勞壽命。

2 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)

試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由驅(qū)動機構(gòu)、曲柄連桿滑塊機構(gòu)、雙彈簧加載機構(gòu)、預(yù)緊力調(diào)整螺套、橡膠襯套U形胎具等部件構(gòu)成。驅(qū)動機構(gòu)主要由變頻電動機、減速機、主動帶輪、從動帶輪、同步帶和傳動軸等零部件構(gòu)成；曲柄連桿滑塊機構(gòu)由曲柄、連桿和滑塊構(gòu)成；雙彈簧加載機構(gòu)由左螺旋彈簧、右螺旋彈簧、彈簧托支架、彈簧托和移動框架構(gòu)成。

圖1 試驗系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

如圖1所示，橡膠襯套安裝在U形胎具中，U形胎具兩端支架采用螺栓緊固。試驗系統(tǒng)由變頻電動機驅(qū)動減速機帶動主動帶輪旋轉(zhuǎn)，主動帶輪通過同步帶和從動帶輪將動力傳遞給傳動軸，傳動軸驅(qū)動曲柄連桿滑塊機構(gòu)運動，從而將變頻電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滑塊的水平往復(fù)運動，即按簡諧規(guī)律變化的滑塊位移。滑塊和彈簧托支架剛性連接在一起，滑塊將簡諧激振力施加到雙彈簧加載機構(gòu)，并經(jīng)預(yù)壓力調(diào)整螺套柔性加載到橡膠襯套上。由于雙彈簧加載機構(gòu)左右螺旋彈簧性能參數(shù)（剛度等）相同，且左右激振位移相等，因此試驗系統(tǒng)對橡膠襯套施加左右對稱且大小相等的激振力，進(jìn)而實現(xiàn)橡膠襯套的恒力幅值激振。

通過調(diào)節(jié)變頻電動機轉(zhuǎn)速，調(diào)整滑塊位移變化頻率，實現(xiàn)橡膠襯套激振頻率的調(diào)整；通過調(diào)節(jié)曲柄長度和滑塊位移變化幅度，實現(xiàn)橡膠襯套激振力幅值的調(diào)整；通過雙彈簧加載機構(gòu)實現(xiàn)橡膠襯套的柔性加載；通過旋轉(zhuǎn)兩端設(shè)有正反旋向螺紋的調(diào)整螺套調(diào)整系統(tǒng)對橡膠襯套施加的預(yù)壓力，從而滿足不同規(guī)格橡膠襯套動態(tài)特性測試和疲勞壽命試驗要求。試驗過程中，通過力傳感器和位移傳感器監(jiān)測并采集橡膠襯套受力值和位移值信號，并將信號傳遞給數(shù)據(jù)采集卡和工控機進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的處理與輸出。

3 測試系統(tǒng)設(shè)計

測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。測試系統(tǒng)工作原理為：數(shù)據(jù)采集卡與工控機互相通信，數(shù)據(jù)采集卡通過變頻器控制變頻電動機運轉(zhuǎn)，變頻電動機驅(qū)動曲柄連桿滑塊機構(gòu)獲得簡諧激振力，滑塊通過雙彈簧加載機構(gòu)將簡諧激振力柔性加載到橡膠襯套試樣上。橡膠襯套所受激振位移值通過位移傳感器轉(zhuǎn)化為位移電壓信號，所受激振力值通過力傳感器轉(zhuǎn)化為力電壓信號，力電壓信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊調(diào)理與放大后，同位移電壓信號一并輸入到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號[3]。橡膠襯套激振次數(shù)經(jīng)計數(shù)器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)字信號和激振次數(shù)輸入到工控機，通過工控機的分析和計算處理后顯示和輸出試驗結(jié)果。

圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件的選取

橡膠襯套動態(tài)特性測試和疲勞試驗中需要對試驗數(shù)據(jù)處理和存盤，試驗系統(tǒng)工控機配置為：CPU Intel G1610，主頻Duo 2.60 GHz，內(nèi)存容量 4 G，硬盤容量 160 G。

試驗過程中需要獲取橡膠襯套試樣的力值信號和位移值信號，因此測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊選取力傳感器和位移傳感器?？紤]到橡膠襯套實車使用工況下所受最大簡諧激勵載荷一般低于5 000 N，且橡膠襯套變形有限，位移的變化量僅為幾毫米，為擴大試驗系統(tǒng)使用范圍，選用NS-WL1型電阻應(yīng)變片式拉壓力傳感器，量程為±8 000 N，測試精度為0.05%；選用NS-WY03型差動變壓器式位移傳感器，量程為±10 mm，測試精度為0.01%，所選傳感器分辨率和測試精度均能滿足測試要求。

由于所選電阻應(yīng)變片式力傳感器內(nèi)部電橋輸出電壓相對較小，很容易受到振動、電磁或噪聲的干擾，影響測試數(shù)據(jù)的精確性，因此在力傳感器輸出的力電壓信號輸入數(shù)據(jù)采集卡前，為減輕干擾，需對信號進(jìn)行調(diào)理、放大及濾波處理[4]，測試系統(tǒng)選用ADAM-3016型信號調(diào)理模塊。

試驗系統(tǒng)需要采集橡膠襯套的力值信號和位移值信號，因為所測信號的最大激振頻率約為5 Hz，根據(jù)采樣定理和傳統(tǒng)經(jīng)驗確定測試系統(tǒng)采樣頻率為500 Hz，每周期采樣點數(shù)不大于1 000。依據(jù)數(shù)據(jù)采集卡選用的一般原則，采集卡的模擬輸入通道數(shù)應(yīng)大于所測信號通道數(shù)的2倍，采樣率應(yīng)大于10 kS·s-1，因此選取National Instruments（NI）公司USB-6009系列數(shù)據(jù)采集卡，完全能夠滿足橡膠襯套動態(tài)特性測試和疲勞試驗要求。

3.2 軟件設(shè)計

試驗系統(tǒng)軟件程序部分采用NI公司基于圖形化語言的LabVIEW軟件進(jìn)行設(shè)計。程序設(shè)計采用while loop循環(huán)結(jié)構(gòu)，并利用case選擇結(jié)構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)的自檢、運行調(diào)整、標(biāo)定、力傳感器清零、滯遲環(huán)、運行和急停等功能。在LabVIEW軟件中為子模塊建立SubVI以供主程序隨時調(diào)用，使用方便、人機交互性強[5]。

測試系統(tǒng)軟件部分包括自檢、運行調(diào)整、標(biāo)定、力傳感器清零、激振力調(diào)整、滯遲環(huán)、運行、急停和停止模塊。

通過測試系統(tǒng)自檢模塊，根據(jù)力-時間曲線和位移-時間曲線、傳感器標(biāo)定參數(shù)和接近開關(guān)狀態(tài)顯示，可以檢測試驗系統(tǒng)、力和位移傳感器以及接近開關(guān)等能否正常工作。若傳感器標(biāo)定參數(shù)顯示為Nan，說明傳感器標(biāo)定中所得回歸曲線的斜率和截距在標(biāo)定文件中不存在，需要對傳感器重新進(jìn)行標(biāo)定。

運行調(diào)整模塊可以檢測變頻電動機能否按預(yù)設(shè)要求正常運轉(zhuǎn)。變頻電動機驅(qū)動曲柄連桿滑塊機構(gòu)運轉(zhuǎn)過程中，通過力傳感器和位移傳感器采集的力曲線和位移曲線可以判斷試驗系統(tǒng)對橡膠襯套施加的激振力和激振位移是否滿足橡膠襯套試驗要求，如不滿足，必須通過激振力調(diào)整模塊進(jìn)行橡膠襯套激振力的調(diào)整。

通過標(biāo)定模塊可以實現(xiàn)力傳感器、位移傳感器和試驗系統(tǒng)激振頻率的標(biāo)定，傳感器標(biāo)定須在其線性工作范圍內(nèi)進(jìn)行。工控機將力傳感器和位移傳感器采集到的已知力值點和位移值點的輸出電壓值進(jìn)行線性回歸，并將回歸曲線的斜率和截距保存在標(biāo)定文件中。工控機對傳感器采集的試驗數(shù)據(jù)處理分析時，根據(jù)回歸曲線將采集的力電壓信號和位移電壓信號轉(zhuǎn)換成力值和位移值信號。試驗系統(tǒng)通過改變變頻器輸入電壓值控制變頻電動機的轉(zhuǎn)速，調(diào)整曲柄連桿滑塊機構(gòu)的運動速度，從而改變橡膠襯套所受激振頻率。激振頻率標(biāo)定過程中，對變頻器輸入不同的已知電壓值，通過工控機對所測橡膠襯套激振頻率進(jìn)行線性回歸，將斜率和截距保存在標(biāo)定文件中，以備后續(xù)數(shù)據(jù)處理調(diào)用。

通過力傳感器清零模塊可以對力傳感器清零，從而消除傳感器連接部件質(zhì)量和傳感器零點漂移對橡膠襯套試驗結(jié)果的影響[6]。

激振力調(diào)整模塊用于調(diào)整試驗系統(tǒng)對橡膠襯套施加的激振力幅值和預(yù)壓力，進(jìn)而滿足不同規(guī)格橡膠襯套不同激振力幅值和預(yù)壓力的試驗要求。當(dāng)激振力幅值和預(yù)壓力調(diào)整到滿足橡膠襯套試驗要求時，方可進(jìn)行試驗。激振力幅值的調(diào)整通過調(diào)節(jié)曲柄長度實現(xiàn)，預(yù)壓力的調(diào)整通過調(diào)節(jié)預(yù)壓力調(diào)整螺套實現(xiàn)。

通過滯遲環(huán)模塊，可以得到不同激振頻率下橡膠襯套的變形能、滯后角和轉(zhuǎn)化率等動態(tài)參數(shù)，進(jìn)而用于測試橡膠襯套的動態(tài)特性。

急停模塊起保護(hù)試驗系統(tǒng)和變頻電動機的作用。橡膠襯套試驗過程中，若系統(tǒng)出現(xiàn)異常（如變頻電動機運轉(zhuǎn)異常），通過急停模塊可立即切斷變頻使能開關(guān)，變頻電動機即可停止運轉(zhuǎn)。

4 橡膠襯套動態(tài)特性測試和疲勞試驗結(jié)果

完成橡膠襯套試驗系統(tǒng)軟硬件搭建后，選取某輕型汽車減震器橡膠襯套進(jìn)行動態(tài)特性測試和疲勞壽命試驗。根據(jù)所選橡膠襯套實車使用工況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：激振頻率 3 Hz，激振力幅值1 270 N，預(yù) 壓 力 810 N。 試 驗 系 統(tǒng) 選 用LabVIEW軟件Filters子模板中Inverse Chebyshev Filter進(jìn)行濾波。橡膠襯套動態(tài)特性試驗中，通過測試橡膠襯套滯遲環(huán)，所得橡膠襯套動態(tài)力-時間曲線和位移-時間曲線如圖3所示，橡膠襯套滯遲環(huán)曲線如圖4所示。由圖4中變形能、滯后角和轉(zhuǎn)換率等動態(tài)參數(shù)，通過計算分析即可獲得橡膠襯套動態(tài)特性數(shù)據(jù)。橡膠襯套疲勞壽命試驗過程中，橡膠襯套所受力-時間曲線和位移-時間曲線分別如圖5和6所示。由圖5和6可以看出，試驗系統(tǒng)運行平穩(wěn)后，力-時間曲線和位移-時間曲線均較為平滑，說明所選濾波效果較好。

圖3 動態(tài)力-時間曲線和位移-時間曲線

圖4 滯遲環(huán)曲線

圖5 力-時間曲線

橡膠襯套實例試驗結(jié)果表明，試驗系統(tǒng)人機操作友好、可控性強，能夠滿足橡膠襯套恒力幅值條件下的試驗要求。

5 結(jié)語

圖6 位移-時間曲線

基于橡膠襯套實車使用工況開發(fā)出橡膠襯套試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)可實現(xiàn)對橡膠襯套施加的激振力幅值、預(yù)壓力和激振頻率自由調(diào)節(jié)，能滿足不同規(guī)格橡膠襯套的動態(tài)特性測試和疲勞壽命試驗要求。

橡膠襯套實例試驗表明，試驗系統(tǒng)人機操作友好、可控性強，能夠應(yīng)用于橡膠襯套動態(tài)特性測試和疲勞壽命試驗領(lǐng)域。