多功能车辆悬架振动测试平台研制

［摘 要］ 为满足车辆悬架特性实验教学要求，研制了一套四分之一车辆悬架多功能垂向振动测试平台，并对其进行了带附加气室空气悬架的振动测试应用。该平台基于多功能模块化和课程融合设计理念，主要由液压伺服振动试验台和基于龙门结构的多功能悬架实验台架装置组成，可应用于不同结构悬架的振动实验，提升了悬架振动测试系统的适用性和可操作性。平台应用满足对学生技能要求，有利于培养学生的实践创新能力，测试学生的知识应用水平，能够适应新工科研究与实践要求，满足培养创新型卓越工程技术人才的需求。

［关键词］ 车辆悬架；液压振动实验台；多功能；实践创新

［基金项目］ 2022年度教育部产学合作协同育人项目“汽车发动机拆装虚拟现实教学和仿真实训项目建设”（220602436272246）

［作者简介］ 周泠西（2003—），女，陕西西安人，西北农林科技大学机械与电子工程学院2021级车辆工程专业本科生，主要从事车辆底盘悬架研究；陈 雨（1989—），男，河南西峡人，工学博士，西北农林科技大学机械与电子工程学院副教授，博士生导师（通信作者），主要从事车辆底盘智能控制研究；王一添（2001—），男，陕西西安人，西安邮电大学自动化学院2023级控制工程专业硕士研究生，主要从事车辆底盘智能控制研究。

悬架是车辆底盘的重要部件，其减振性能的优劣直接影响汽车的行驶与安全［1-2］。悬架设计与振动分析涉及“车辆工程专业汽车构造”“汽车理论”等多门本科生专业课程［3-4］。悬架特性测试主要依靠振动实验台完成［5-6］。大型专业振动实验台价格昂贵，且在高校应用范围有限，导致在讲授与悬架有关的课程知识时，只能以理论和构造为主。由于缺乏相关实验与实践环节，不能很好地培养学生的动手实践能力和创新创造能力。

随着世界新一轮科技革命与产业变革的深入发展以及国家一系列重大战略的紧密实施，高校通过新工科研究与实践，加快培养新兴领域工程科技人才，改造升级传统工科专业已迫在眉睫。其中，既可满足多门专业课程实验需求，又能与实际生产紧密结合的实验教学设备是高校建设新工科的基础［7］。基于新工科实践要求，本文研制的多功能车辆悬架振动测试平台可满足包括汽车悬架、农机悬挂等在内的机械部件振动、疲劳实验需求，有效促进了学校车辆工程、农业机械化工程等相关专业实验实践教学改革，为专业新工科建设奠定基础［8-9］。

一、平台总体方案设计

为满足新工科研究与实践的要求和培养创新型卓越工程技术人才的需求，所研制的多功能车辆悬架振动测试平台需要满足以下基本要求：（1）应具有可控的研制成本；（2）应具有较高的利用效率；（3）应能培养学生的实践创新能力。基于上述要求，所研制的多功能车辆悬架振动测试平台主要由液压伺服振动试验台、基于龙门结构的多功能悬架实验台架装置和基于LabVIEW的实验数据采集系统组成。其中，液压伺服振动试验台是平台的激振源，为平台提供特定幅值和频率的振动信号。悬架实验台架装置为被测悬架及相应传感器等提供安装支撑。根据悬架振动实验要求，实验数据采集系统从各传感器采集信号，为进一步数据分析提供支持。为提高所设计振动测试平台的利用效率，使其可适用于汽车、农机等悬挂系统的振动、疲劳实验，对实验台架装置进行创新设计，实现车辆悬架振动测试平台的基本功能需求。

二、实验台架装置设计

根据大型悬架振动测试平台参数配置以及主流悬架系统负载能力和减振行程要求，制定液压伺服振动实验台技术参数如表1所示。

由表1的液压振动台技术参数指标，设计了多功能车辆悬架实验台架装置如图2所示。图2（a）所示为实验台架总体结构图。实验台架主要由龙门框架模块、簧载质量模块、导向模块、非簧载质量模块和轮胎等效模块组成。通过导向模块，保证悬架仅受垂向力作用。如图2（b）所示，当去掉簧载质量模块和导向模块部分零件，将3个导向柱用顶柱12代替，调整导向梁11的安装位置，便形成了弹簧特性实验台架装置。图2（c）所示为实验台架装置实物。

三、测试平台教学实践

基于新工科实践要求研制的多功能车辆悬架振动测试平台，已多次应用于车辆工程专业课程实验教学。图3为所搭建的多功能车辆悬架振动测试平台实物图。

图4、图5显示的是应用图2（b）进行的带附加气室空气弹簧特性实验。具体为对弹簧顶部固定，对伺服作动器9施加不同频率、不同幅值的垂向简谐激励，待系统稳定振动后，基于LabVIEW软件开发实验数据采集系统［10］，并结合NI USB6341采集卡记录压力传感器和相对位置传感器测得的空气弹簧内部压力信号和高度变化信号，结合式（1）计算得到弹簧支反力F。以空气弹簧高度变化量Δh为横坐标，以F为纵坐标，得到力-位移滞回实验曲线，进而得到弹簧垂向特性。参照此方法，对伺服作动器9施加1 Hz、8 Hz激振频率和0.02 m、0.08m激振幅值的简谐激励，改变比例流量控制阀开口直径大小，得到实验条件下带附加气室空气弹簧动态力-位移滞回曲线如图4～5所示。式（1）中，Ae为空气弹簧有效截面积，单位是m2；pa为大气压力，单位是pa；p1为空气弹簧内部绝对压力，单位是pa。

（1）

图6、图7所示为应用图2（a）对带附加气室空气悬架进行振动测试实验。设置比例流量控制阀开度分别为0 mm、4.5 mm和9.5 mm，对伺服作动器施加0.02 m阶跃信号得到簧载质量位移变化数据如图6所示。

设置比例流量控制阀开度为4.5 mm，对伺服作动器施加随机路面激励得到簧载质量加速度和悬架动挠度数据如图7所示。

结语

研制了多功能车辆悬架振动测试平台，包括液压伺服振动试验台和基于龙门结构的多功能悬架实验台架装置，并基于此系统平台开展了带附加气室空气悬架振动测试应用。所开发的多功能车辆悬架振动测试平台制造难度与成本低、结构简单、拆装方便，且可满足包括汽车悬架、农机悬挂等在内的机械部件振动、疲劳实验需求，提升了悬架振动测试系统适用性和可操作性，有效促进了学校车辆工程、农业机械化工程等相关专业实验实践教学改革，为专业新工科建设奠定基础。

参考文献

［1］陈龙，陈明，孙晓强，等.空气悬架客车横向动力学建模和稳定性分析［J］.汽车工程，2022，44（11）：1746-1754.

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［3］Sun R，Wong W， Cheng L. A tunable hybrid damperwith Coulomb friction and electromagnetic shunt damping［J］. Journal of Sound and Vibration， 2022（524）： 116778.

［4］Wang H， Wong P K， Zhao J， et al. Observer-based robust gain-scheduled control for semi-active air suspension systems subject to uncertainties and external disturbance［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2022（173）： 109045.

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［6］董国疆，颜峰，韩杰，等.车辆悬架零部件载荷谱提取方法研究［J］.振动与冲击，2021，40（2）：103-110.

［7］黄鹤，赵祥模，黄莺，等.多学科交叉融合构建新工科创新实践教学体系［J］.实验科学与技术，2022，20（2）：43-46.

［8］徐婉莹，穆华，耿丽娜.工科实践教学中的课程思政改革探索［J］.教育教学论坛，2024（23）：85-88.

［9］韦善阳，徐述祺，郑禄林，等.本科生工程实践能力培养与提升［J］.教育教学论坛，2024（25）：157-160.

［10］刘田正，李智.《控制工程基础》虚拟实验教学软件的设计与开发［J］.教育教学论坛，2020（14）：390-392.

Development of Multifunctional Vehicle Suspension Vibration Test Platform

ZHOU Ling-xi1， CHEN Yu1， WANG Yi-tian2

（1.College of Mechanical and Electronic Engineering， Northwest A&F University， Yangling， Shaanxi 712100， China; 2. School of Automation， Xi’an University of Posts & Telecommunications， Xi’an， Shaanxi 710121， China）

Abstract： In order to meet the experimental teaching requirements of vehicle suspension characteristics， a multifunctional quarter vehicle suspension vertical vibration test platform was development， and the vibration test application of air suspension with auxiliary chamber was carried out. The platform mainly consists of a hydraulic servo vibration test bench and a multi-functional suspension test bench device based on gantry structure. Based on the design concept of multi-function modularization and curriculum integration， the platform can be applied to vibration experiments of suspension with different structures， which improves the applicability and operability of the suspension vibration test platform. The platform application process requires students’ skills， which is conducive to cultivating students’ practical innovation ability and testing students’ knowledge application level. The designed test platform can meet the requirements of new engineering research and practice， and meet the needs of cultivating innovative and outstanding engineering and technical talents.

Key words： vehicle suspension; hydraulic vibration test bench; multifunction; practical innovation