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作者:
劉 楊銘 -
周 勝斌 -
一. 引言
隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈和對(duì)造車?yán)砟畹纳钊肜斫猓嚬緝H僅造出滿足市場(chǎng)基本需求的轎車已無(wú)法適應(yīng)更高層次的競(jìng)爭(zhēng)和其自身高品牌的建立。為了持續(xù)提高車輛品質(zhì)，對(duì)車輛的開(kāi)發(fā)已由滿足基本需求轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)性能的追求以提升品牌價(jià)值，這其中對(duì)轎車底盤性能的開(kāi)發(fā)提升尤為重要。
前期工程師主要通過(guò)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)車輛性能進(jìn)行估計(jì)，無(wú)法得到精確車輛性能數(shù)據(jù)。隨著傳感測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展，工程師可以根據(jù)不同需要在車上布置不同的傳感器和測(cè)試設(shè)備，精確得到車輛性能數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)性能值進(jìn)行分析，以幫助工程師對(duì)汽車性能進(jìn)行準(zhǔn)確的改進(jìn)，使得汽車性能開(kāi)發(fā)由粗放的主觀估計(jì)到精確的客觀測(cè)試方向逐步發(fā)展。
二. 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景與設(shè)計(jì)原則
目前，市場(chǎng)上針對(duì)轎車底盤的測(cè)試設(shè)備已較多，但因轎車底盤形式的多樣性以及試驗(yàn)?zāi)康牡牡亩鄻有裕壳笆袌?chǎng)上已有的測(cè)試設(shè)備還不能完全滿足工程師的要求。例如，汽車轉(zhuǎn)向性能是汽車底盤性能中的一項(xiàng)重要性能，但目前市場(chǎng)上還沒(méi)有成熟的專門針對(duì)轎車上的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各項(xiàng)性能進(jìn)行采集的產(chǎn)品。為了得到性能數(shù)據(jù)，汽車工程師需要自己搭建底盤測(cè)試系統(tǒng)。
由于汽車底盤系統(tǒng)測(cè)試的特殊性，汽車工程師需要一種能快速改變通道數(shù)和同時(shí)讀取多種物理參數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)，這主要表現(xiàn)在：汽車底盤系統(tǒng)性能物理參數(shù)種類較多，例如有溫度、壓力、應(yīng)力、速度、加速度、位移、角速度等；工程師需要采集的參數(shù)數(shù)量也差別較大，例如為了采集底盤零部件應(yīng)力需要布置30個(gè)以上的通道，而采集轉(zhuǎn)向力僅需2個(gè)試驗(yàn)通道。為了支持上述不同的測(cè)試目的，通常需要開(kāi)發(fā)針對(duì)性的測(cè)試軟件，但汽車工程師通常不是專業(yè)的軟件工程師，無(wú)法編制復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集軟件，因此測(cè)試系統(tǒng)需要有一種相對(duì)簡(jiǎn)單容易入門的采集軟件。
三. 測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
根據(jù)不同的目的，底盤系統(tǒng)需要測(cè)試的性能參數(shù)數(shù)量較多，本文主要以轉(zhuǎn)向力測(cè)試為例說(shuō)明測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。
測(cè)試系統(tǒng)主要包括以下兩部分：
1）硬件部分，包括
①傳感器子模塊：通過(guò)傳感器將各性能物理值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；
②數(shù)據(jù)采集模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波、調(diào)理及模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)；
2）軟件部分：實(shí)現(xiàn)讀取硬件部分輸出的數(shù)字信號(hào)并根據(jù)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、分析，同時(shí)按照一定格式將信號(hào)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)硬盤中。
其功能示意圖如圖1所示：
圖1 轉(zhuǎn)向測(cè)試系統(tǒng)功能示意圖
四. 測(cè)試系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明
1. 硬件部分
在轎車上，使用光學(xué)車速傳感器采集車速信號(hào)，在方向盤處布置力矩方向盤采集轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)角信號(hào)。根據(jù)需要工程師還可以增加或減少傳感器，例如為了考察轉(zhuǎn)向油液壓力和溫度對(duì)轉(zhuǎn)向力的影響，額外增加壓力傳感器和溫度傳感器。針對(duì)不同類型的傳感器，選用合適的采集設(shè)備和方案，主要包括以下C系列采集模塊：
NI-9203為8通道模擬電流采集模塊，壓力傳感器輸出信號(hào)為4-20mA電流，對(duì)于這類輸出為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)的傳感器接入NI-9203。
NI-9201為8通道模擬電壓采集模塊，光學(xué)車速傳感器、測(cè)力方向盤輸出信號(hào)為0-10V電壓，對(duì)于這類輸出為電壓信號(hào)的傳感器接入NI-9201。
NI-9217為4通道RTD專用采集模塊，熱電阻接入NI-9217。
2.軟件部分
使用Labview中的DAQ助手以及While循環(huán)等子VI編制采集軟件，在終端硬件的支持下主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、分析和存儲(chǔ)功能。工程師可以修改采樣率、濾波截止頻率等，軟件提示工程師對(duì)數(shù)據(jù)保存路徑進(jìn)行確認(rèn)。軟件主要實(shí)現(xiàn)功能如下：
1)底盤性能物理參數(shù)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換：
測(cè)試系統(tǒng)從傳感器處讀取得到的是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)，為了讀取本測(cè)試系統(tǒng)中的壓力、轉(zhuǎn)矩、車速等物理量，需要利用標(biāo)定證書(shū)提供的曲線或參數(shù)完成傳感器讀數(shù)向物理量的轉(zhuǎn)換。
2)數(shù)據(jù)處理
某些轎車底盤性能特征參數(shù)需要對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)處理后才能間接得到，例如對(duì)采集得到的方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)進(jìn)行求導(dǎo)，得到工程師需要的方向盤轉(zhuǎn)角速度信號(hào)。
在物理學(xué)中，對(duì)一個(gè)物體移動(dòng)的位移進(jìn)行求導(dǎo)，得到該物體的速度。用該方法，對(duì)方向盤的轉(zhuǎn)角位移進(jìn)行求導(dǎo)，得到方向盤的轉(zhuǎn)速度。數(shù)學(xué)中使用公式①對(duì)函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)：
 …………………………………公式①
3)數(shù)字濾波
在轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙中布置的傳感器受到發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫、振動(dòng)等影響較大，會(huì)產(chǎn)生很多干擾噪聲。為了更準(zhǔn)確讀取轎車底盤性能特征參數(shù)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，這種過(guò)濾一般可以采用低通濾波的方式，實(shí)現(xiàn)的時(shí)候可以采用幅值域分析的方式確定截止頻率。
4) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
將采集以及分析后得到的數(shù)據(jù)按照時(shí)間標(biāo)簽存入數(shù)據(jù)文件。工程師點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”后彈出存儲(chǔ)路徑選擇，需要工程師輸入存儲(chǔ)路徑及文件名，或軟件自動(dòng)以某個(gè)固定的文件名覆蓋存儲(chǔ)于提前設(shè)定的某個(gè)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。
如圖2所示為軟件界面。
圖2 軟件界面
某次測(cè)試結(jié)果如圖3：
圖3 某此快速轉(zhuǎn)向過(guò)程中的測(cè)試曲線
從該圖中可以看出，駕駛員快速轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，峰值速度可以達(dá)到1500deg/s，此時(shí)方向盤力矩可以達(dá)到27.5N.m，遠(yuǎn)大于正常的轉(zhuǎn)向力4N.m，這說(shuō)明車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有問(wèn)題，需要改進(jìn)。
從圖3中我們可以看出，在快速轉(zhuǎn)向工況中轉(zhuǎn)向油液的流量在降低，高壓管壓力也同樣在降低，說(shuō)明車輛的轉(zhuǎn)向助力明顯正在減弱，據(jù)此可以初步推測(cè)出是液壓助力降低導(dǎo)致的車輛轉(zhuǎn)向力明顯變大的問(wèn)題，工程師據(jù)此改進(jìn)了轉(zhuǎn)向助力，最終車輛快速轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向力變大的問(wèn)題得到了解決。
五． 結(jié)論
使用NI CompactDAQ系統(tǒng)和數(shù)量眾多的C系列模塊，可以很好的滿足轎車底盤系統(tǒng)的性能測(cè)試要求。事實(shí)證明，NI CompactDAQ系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常靈活，通過(guò)增減C系列采集模塊，能滿足對(duì)電流、電壓、應(yīng)變等多種輸入信號(hào)的采集要求，快速增加或減少采集通道，滿足日益復(fù)雜的轎車底盤性能開(kāi)發(fā)需要。 Labview軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理功能以及容易入門的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，保證汽車工程師可以輕松完成高質(zhì)量地?cái)?shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的工作。NI CompactDAQ系統(tǒng)和LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境無(wú)縫連接使汽車工程師能輕松的快速建立多樣化的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，滿足了轎車底盤懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能測(cè)試的目的，為轎車底盤性能開(kāi)發(fā)提供了靈活、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持。
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