單春賢，孫魯城，陳曉東

（1.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013；2.無錫市出入境檢驗(yàn)檢疫局，江蘇 無錫214001）

機(jī)械加振式減震器示功試驗(yàn)臺(tái)的誤差修正

單春賢1*，孫魯城1，陳曉東2

（1.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013；2.無錫市出入境檢驗(yàn)檢疫局，江蘇 無錫214001）

針對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)加振式減震器示功試驗(yàn)臺(tái)，分析并修正由于加振波形為近似簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)造成的誤差，提出修正方法并利用MATLAB/Simulink軟件所建立的減震器模型驗(yàn)證修正方法的正確性.曲柄連桿比r/l為0.1時(shí)，最大阻尼力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移誤差占到總行程的2.43%，誤差的修正可以有效地保證曲柄滑塊機(jī)構(gòu)加振采用較小連桿長(zhǎng)度時(shí)的測(cè)試精度，通過在數(shù)據(jù)采集軟件中進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，節(jié)省了更換測(cè)試設(shè)備的成本.修正實(shí)測(cè)示功圖后，誤差可以控制在1%左右.

減震器；示功試驗(yàn)臺(tái)；誤差修正；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

減震器是一種用于吸收振動(dòng)并將振動(dòng)動(dòng)能耗散的機(jī)械裝置，它能夠降低車輛在不平路面行駛時(shí)的振動(dòng)，提高乘坐品質(zhì)和車輛的操控性.國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要建立了減震器與懸掛的關(guān)系［1］和減震器的數(shù)值模型［2-3］，還有人建立了減震器的非線性模型［4-5］.而準(zhǔn)確的模型需要精確的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證與分析［6-7］，對(duì)于減震器測(cè)試的精度要求將日益提高.目前減震器示功試驗(yàn)臺(tái)主要以國(guó)外廠商為代表，有荷蘭柯尼（KONI）公司、美國(guó)MTS公司、德國(guó)SCHENCK公司等.關(guān)于減震器測(cè)試設(shè)備的文獻(xiàn)由于技術(shù)保護(hù)的原因少有公開，而減震器行業(yè)使用量較大的是機(jī)械加振式減震器示功試驗(yàn)臺(tái).該試驗(yàn)臺(tái)多采用曲柄滑塊等類似機(jī)構(gòu)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造維護(hù)、使用簡(jiǎn)便，適用于減震器制造廠家的生產(chǎn)線檢測(cè).由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)波形為近似簡(jiǎn)諧振動(dòng)，故與真正簡(jiǎn)諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性存在偏差.目前該類型試驗(yàn)臺(tái)由加振機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)挠?jì)算方法尚無報(bào)道.本文擬以示功試驗(yàn)臺(tái)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，分析由其運(yùn)動(dòng)特性產(chǎn)生的誤差，通過計(jì)算對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，減少系統(tǒng)誤差，以提高曲柄滑塊機(jī)構(gòu)加振式減震器示功試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試精度.

1　誤差分析

圖1所示為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用方程表達(dá)如下：

式中Aq為減震器活塞位移，vq為曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)速度，r為曲柄半徑，l為連桿長(zhǎng)度，ωq為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，t為時(shí)間.

圖1　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of crank-slider mechanism

根據(jù)減震器臺(tái)架試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［8-9］，減震器示功特性測(cè)試應(yīng)采用簡(jiǎn)諧振動(dòng)加振，使減震器活塞作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng).依據(jù)式（1），曲柄滑塊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)波形的位移可以看成前項(xiàng)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)和后一項(xiàng)因曲柄有限長(zhǎng)引起的附加誤差.相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)減震器的實(shí)驗(yàn)行程已作規(guī)定，而曲柄半徑長(zhǎng)度r決定了減震器的試驗(yàn)行程，曲柄半徑長(zhǎng)度r在測(cè)試中為常數(shù)，因此只需要考察連桿長(zhǎng)度l對(duì)試驗(yàn)誤差的影響.如圖2中所示，當(dāng)取常用試驗(yàn)行程50 mm時(shí)，隨著連桿長(zhǎng)度l的增大，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)波形與簡(jiǎn)諧振動(dòng)的最大速度點(diǎn)偏移量減小.為保證測(cè)試精度和合理的示功試驗(yàn)臺(tái)體積，連桿的長(zhǎng)度l不可能取無窮大，通常取r/l=0.1.當(dāng)連桿長(zhǎng)度l=250 mm，試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)行程S=50 mm，試驗(yàn)中測(cè)試速度vt=0.5 m·s-1，曲柄長(zhǎng)度r=25 mm，連桿轉(zhuǎn)角α=ωt時(shí)，由式（1）得到曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)的最大速度表達(dá)式：

已知最大速度vqmax=vt=0.5 m·s-1，式（2）求導(dǎo)后計(jì)算得到復(fù)原行程時(shí)αqf=84.37。（理論最大值點(diǎn)為90。），依據(jù)式（1）計(jì)算此時(shí)對(duì)應(yīng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)位移Aqf≈1.215 mm.

同理可計(jì)算出壓縮行程時(shí)αqy=275.63。（理論最大值點(diǎn)為270。），Aqy≈1.215 mm，此時(shí)減震器最大速度值處（對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)為位移零點(diǎn)）的位移誤差占到總行程的2.43%，最大速度點(diǎn)的偏移直接影響減震器測(cè)試中最大阻尼力（對(duì)應(yīng)最大速度點(diǎn)）的取值，同時(shí)減震器示功圖的形狀也會(huì)發(fā)生傾斜，從而影響減震器對(duì)性能分析的準(zhǔn)確性.

圖2　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)最大速度點(diǎn)偏移量Fig.2 Offset of crank-slider mechanism at maximum speed point

2　誤差修正

液壓減震器的阻尼力計(jì)算可通過流體力學(xué)的縫隙流動(dòng)、管嘴流動(dòng)、薄壁小孔節(jié)流理論與減震器實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算［10-11］.減震器阻尼力與減震器活塞的阻力速度關(guān)系（速度特性）可用如下公式［12］表示：

式中F為減震器阻尼力，C定義為阻尼系數(shù)，v為減震器活塞運(yùn)動(dòng)速度，i為常數(shù)，由減震器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定.

當(dāng)減震器的結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)確定時(shí)，參數(shù)i和阻尼系數(shù)C為常數(shù)，測(cè)試中減震器的阻尼力以及對(duì)應(yīng)的減震器活塞運(yùn)動(dòng)速度可以直接測(cè)試得到，根據(jù)式（3）阻尼力大小僅與速度有關(guān)，則有

式中減震器活塞運(yùn)動(dòng)速度v等于實(shí)際測(cè)試得到的曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)速度vq.依據(jù)式（2），此時(shí)將v作為對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)速度，則

式中r為曲柄半徑，記α=ωt，注意此處ω≠ωq，α的值是需要通過實(shí)測(cè)速度計(jì)算得到的修正值.由式（4），α的值可以表示為

依據(jù)式（6）計(jì)算修正后的位移值，修正值由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的速度計(jì)算得出.通過建立數(shù)學(xué)模型［13-15］，利用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證.圖3，4中參數(shù)設(shè)定為：連桿長(zhǎng)度l=250 mm，試驗(yàn)行程S=50 mm，曲柄長(zhǎng)度r=25 mm，測(cè)試速度vt=0.5 m·s-1（圖3中曲柄滑塊A與簡(jiǎn)諧振動(dòng)A的測(cè)試速度為0.3 m·s-1）.

圖3是在不同測(cè)試速度下2種不同加振波形的對(duì)比，對(duì)曲柄滑塊加振曲線進(jìn)行修正的計(jì)算結(jié)果表明，修正后的減震器示功曲線能夠較好地符合簡(jiǎn)諧振動(dòng)加振的測(cè)試結(jié)果，曲柄滑塊加振產(chǎn)生的誤差由曲柄半徑長(zhǎng)度與連桿長(zhǎng)度的比值r/l確定，圖3中兩組曲線的最大阻尼力位移誤差符合理論計(jì)算值.

圖4是2種不同結(jié)構(gòu)的摩托車減震器使用曲柄滑塊加振式示功試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試得到的示功圖與修正后的圖形.分析測(cè)試數(shù)據(jù)，排除測(cè)試中波動(dòng)較大的異常數(shù)據(jù)，經(jīng)過修正后的最大阻尼力值接近理論最大阻尼力值，圖形能夠較好地符合采用簡(jiǎn)諧振動(dòng)加振減震器時(shí)測(cè)試得到的結(jié)果，有效地降低了由于曲柄滑塊加振產(chǎn)生的誤差.該實(shí)測(cè)示功圖修正后的最大阻尼力值對(duì)應(yīng)位移誤差為1%左右（取樣點(diǎn)相差6。）.

圖3　模擬示功圖Fig.3 Indicator diagram by simulation

圖4　實(shí)測(cè)示功圖Fig.4 Indicator diagram by test

3　結(jié)語

1）基于對(duì)液壓減震器阻尼力形成的基本原理和曲柄滑塊加振機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性的研究，分析了采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)加振的減震器示功試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試時(shí)的規(guī)律性誤差.

2）以減震器活塞的速度為切入點(diǎn)，分析和討論了減震器示功試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)值修正方法，進(jìn)行仿真驗(yàn)證并對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正計(jì)算和分析，驗(yàn)證補(bǔ)償方法的合理性和準(zhǔn)確性.

3）模擬仿真與示功試驗(yàn)的結(jié)果表明，曲柄滑塊加振產(chǎn)生的測(cè)試誤差是一種規(guī)律性系統(tǒng)誤差.通過在數(shù)據(jù)采集軟件中進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，可以提高測(cè)試精度.考慮到測(cè)試中的數(shù)據(jù)取樣數(shù)量造成的誤差，最大阻尼力值對(duì)應(yīng)的位移誤差可以控制在1%左右.

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Error correction for mechanical shock absorber dynamometer test stand

SHAN Chunxian1*，SUN Lucheng1，CHEN Xiaodong2
（1.Sch of Energy&Power Engin，Jiangsu Univ，Zheniiang 212013，China；2.Wuxi Entry-Exit Insp&Quar Bur，Wuxi 214001，China）

The author analyses and corrects the errors due to approximate simple harmonic motion waveform for the crank-slider mechanism vibration damper dynamometer test stand.A correction method is proposed and its correctness is verified by the use of the damper model based on MATLAB/Simulink.When the ratio of the length of crank and connecting rod length equals to 0.1（r/l=0.1），the maximum damping force point corresponding to the displacement error reaches 2.43%of the total stroke.Correction can effectively guarantee the accuracy of the test when the connecting rod length of the crank-slider mechanism is very short.By compensation calculation with the data acquisition software，the cost for replacing the test equipment is saved.After correcting the measured dynamometer，the error can be controlled within 1%.

shock absorber；dynamometer test stand；error correction；crank-slider mechanism

TH 113.2；U 464.133

A

1007-824X（2015）01-0020-04

（責(zé)任編輯 賈慧鳴）

2014-02-27.*聯(lián)系人，E-mail：scx63@163.com.

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科研項(xiàng)目資助（2012IK090）.

單春賢，孫魯城，陳曉東.機(jī)械加振式減震器示功試驗(yàn)臺(tái)的誤差修正［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，18（1）：20-23.