CN105865811A - 汽车悬架减振器能量特性测试系统及计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造公开一种汽车悬架减振器能量特性测试系统及计量方法，该系统包括架体，设置在架体上可产生正弦运动的曲柄连杆滑块机构，用于固定减振器的夹具和下安装支座，速度传感器，及用于测量阻尼力的力传感器；曲柄连杆滑块机构用于实现减振器的拉伸与压缩行程往复运动，具有曲柄，曲轴连杆可绕着曲柄的另一端点进行周向运动；曲轴连杆的顶端与下安装支座连接从而带动减振器随着曲轴连杆作上下运动，滑块在曲轴连杆的带动下进行上下往复运动。该计量方法基于汽车悬架减振器能量特性测试系统将计算机图像识别技术应用于减振器示功图面积的求解与标定，并提出一种减振器吸收能量定量分析方法，为减振器的性能检测提供新的评价方法及量化标准。

Description

汽车悬架减振器能量特性测试系统及计量方法

技术领域

本发明创造涉及汽车悬架减振器领域，具体涉及一种汽车悬架减振器能量特性测试系统及计量方法。

背景技术

减振器是汽车悬架中主要的减振元件，与弹性元件并联安装，其性能直接关系到汽车的舒适性和安全性。汽车悬架是保证汽车行驶平顺性与操作稳定性的关键总成,减振器作为其中的核心器件承担着非常大的职责。因此,无论对于出厂前的检测还是日后的维修保养,汽车减振器的性能和失效模式的研究是十分必要的。

减振器在生产及维修时,都需要经过测试来明确其性能。减振器的性能主要是通过减振器的外特性来表征的。通过减振器示功机可以得到减振器的示功图和速度特性图。可以根据示功图曲线的形状来判断减振器产品是否存在缺陷,即分析减振器是否失效。

目前,已经可以通过减振器示功机来测试最大拉伸阻力和最大压缩阻力这两个参数合格与否，其识别方式为“门檻法”,超过了所设的"门滥值“就不合格。该识别方法的应用过于单一,只能识别出通过最大拉伸阻力、压缩阻力表征的缺陷类型。一旦遇到最大拉伸阻力、压缩阻力都在合格范围内,却存在着其他缺陷类型的示功图,现有检测方式就无法自动识别。在这种情况下,仍然需要依靠人工在线的方式逐一查验,根据检测人员的主观经验进行分类识别。

可以看出依靠人工识别的方式不利于减振器的大批量生产与检测,当前减振器示功机所配置的自动识别功能也较为粗糙。而且减振器在复原、压缩行程中所测试的多数点的阻尼特性无法得到体现，且减振器在一个往返行程内所衰减车辆振动的能量多少往往也被忽略。

发明内容

本发明创造目的是提供一种汽车悬架减振器能量特性测试系统及计量方法，该系统用于减振器能量特性的测试，采用曲柄连杆滑块机构对减振器施加激励；采用速度传感器测试减振器的位移或速度；采用力传感器测试减振器的动静态阻尼力和冲击载荷。通过测试既可以获得减振器外能量特性，又可以提高对减振器是否存在性能畸变的识别能力，提高曲柄连杆滑块机构、减振器的装夹及其机构是否存在间隙的识别能力。汽车悬架减振器能量特性计量方法基于汽车悬架减振器能量特性测试系统将计算机图像识别技术应用于减振器示功图面积的求解与标定，并提出一种减振器吸收能量定量分析方法，为减振器的性能检测提供新的评价方法及量化标准。

本发明创造采用的技术方案为：

汽车悬架减振器能量特性测试系统，包括架体，设置在架体上可产生正弦运动的曲柄连杆滑块机构，测试时用于固定减振器上吊环的夹具和用于固定减振器下吊环的下安装支座，速度传感器，及用于测量阻尼力的力传感器；所述的曲柄连杆滑块机构用于实现减振器的拉伸与压缩行程往复运动，具有曲柄，曲柄的一端固定在架体上，曲柄的另一端与曲轴连杆底端相连接，所述曲轴连杆可绕着曲柄的另一端点进行周向运动；曲轴连杆的顶端与下安装支座连接从而带动减振器随着曲轴连杆作上下运动，曲轴连杆上还设有与之配合的滑块，所述滑块在曲轴连杆的带动下进行上下往复运动；所述速度传感器设置在曲轴连杆上用于测试由曲柄转动产生的速度。

所述的汽车悬架减振器能量特性测试系统，所述力传感器固连于架体的上支座上，并与夹具串联；所述力传感器包括应变片式力传感器和压电式力传感器，所述应变片式力传感器和压电式力传感器串联。

所述的汽车悬架减振器能量特性测试系统，还包括减振器侧向力装置，所述减振器侧向力装置与减振器固定连接，具有测力环，和固装在架体上的用于支撑钢索的滚轮，所述侧力环的一端固定连接在减振器的中间部位，侧力环的另一端与钢索连接，钢索通过滚轮连接砝码；减振器随下面的曲柄连杆滑块机构作上下运动时，测力环通过钢索带动砝码随减振器作小范围上下运动。

汽车悬架减振器能量特性计量方法，应用上述汽车悬架减振器能量特性测试系统，包括以下步骤：

1)建立减振器数学模型，包括建立减振器压缩行程和复原行程数学模型；

2)建立减振器示功图面积数学模型，基于汽车悬架减振器能量特性测试系统，在激振行程和频率下，减振器的压缩行程和复原行程产生示功曲线，该示功曲线组成的图形即减振器示功图，该示功曲线所围成的面积即减振器示功图面积；基于减振器数学模型建立减振器示功图面积数学模型；

3)示功图面积能量标定，

3.1)基于Matleb平台利用计算机图像识别技术对减振器示功图进行图像处理，包括图像读取、图像灰度化及图像二值化，检测减振器示功图像素点个数并求解减振器示功图面积；

3.2)用LabVIEW对减振器示功图面积数学模型编程，并利用减振器在汽车悬架减振器能量特性测试系统中所采集的数个采样点的速度值及阻尼力值数据，计算求解减振器在一个工作行程中吸收的总能量。

所述的汽车悬架减振器能量特性计量方法，步骤1)建立减振器数学模型是根据减振器工作机理，分别建立减振器的各行程开阀前后的分段数学模型；

工作行程中活塞所受阻尼力为：

F＝P₁(A_h-A_g)-P₂·A_h+f₁ (1)

油液从上腔流入下腔的流量为Q：

Q＝(A_h-A_g)v_l (2)

贮油腔油液补偿流入工作缸下腔的流量为Q_c：

Q_c＝A_g·v_l (3)

式中：F为减振器受到的阻尼力N；A_h为活塞面积m²；A_g为活塞杆面积m²；v_l为复原行程活塞的运动速度m/s；P₁为工作缸上腔的压强Mpa；P₂工作缸下腔的压强Mpa；f₁为活塞所受摩擦力N；

1.1)建立复原行程数学模型

1.1.1)复原行程开阀前数学模型

假设减振器正常工作时油封密闭且无油液泄漏现象，减振器油只从工作缸的上腔经过活塞上复原阀进入工作缸下腔，根据流体串并联原理，

油液通过复原阀组件流入下腔的流量Q₁为：

$Q_1=C_d{A}_m\sqrt{\frac{2(P_1-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}---\left(4\right)$

贮油腔油液通过补偿流入工作缸下腔的流量为Q_c1：

$Q_{c1}=C_d{A}_n\sqrt{\frac{2(P_3-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}---\left(5\right)$

根据油液连续性方程由Q＝Q₁，Q_c＝Q_c1得：

$\left\{\begin{array}{c}(A_h-A_g)v_l=C_d{A}_m\sqrt{\frac{2(P_1-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}\\ A_g{v}_l=C_d{A}_n\sqrt{\frac{2(P_3-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

则开阀前活塞所受阻尼力F₁可表示为：

$F_1=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{{(A_h-A_g)}^3}{\left(C_d{A}_m\right)}{v}_l^2+\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{A_g^3}{C_d^2{A}_n^2}{v}_l-P_3{A}_g+f_1---\left(7\right)$

式中：C_d为油液流量系数；A_m为阀体节流孔面积m²；ρ为油液密度Kg/m³；A_n为补偿阀节流孔面积m²；P₃为贮油腔压强Mpa；

1.1.2)复原行程开阀后数学模型

随着复原行程中活塞速度的增加，工作缸上腔的压力也逐渐增加，当上腔油液压力升高并且大于复原阀组件内阀片的承受压力时，复原阀片变形产生开阀状态，此时减振器进入开阀后的阻尼状态；

开阀后油液由工作缸上腔经过活塞复原阀上的常通孔和阀片发生形变形成的环状缝隙进入下腔产生的流量为Q₂：

$Q_2=C_d(A_m+A_2)\sqrt{\frac{2(P_1-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}---\left(8\right)$

式中，A₂为阀片发生形变产生的缝隙面积m²，根据油液连续性方程由Q＝Q₂得：

$\left\{\begin{array}{c}(A_h-A_g)v_l=C_d(A_m+A_2)\sqrt{\frac{2(P_1-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}\\ A_g{v}_l=C_d{A}_n\sqrt{\frac{2(P_3-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

则开阀后活塞所受阻尼力F₂可表示为：

$F_2=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{{(A_h-A_g)}^3}{\left(C_d{A}_m\right)}{v}_l^2+\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{A_g^3}{C_d^2{A}_n^2}{v}_l-P_3{A}_g+f_1---\left(10\right)$

1.2)压缩行程数学模型的建立

减振器压缩行程的数学模型与复原行程的数学模型建立方法同步骤1.1)，根据活塞运动速度及阻尼力形成方式分别建立开阀前与开阀后减振器数学模型。

所述的汽车悬架减振器能量特性计量方法，步骤2)减振器示功图面积分为上下两部分，分别为复原行程产生的示功曲线围成的上部分和减振器压缩行程产生的示功曲线围成的下部分，可视为微小位移ds和瞬时阻尼力F_i所构成矩形单元的面积累加之和；

将减振器单个复原行程所用时间t均分为n等份，由于示功机的激振形式为正弦激励信号，由速度传感器可测曲柄转动产生速度特性，即减振器活塞速度特性为：

v＝2πfRcos(2πft)＝πfDcos(2πft) (11)

式中：f为输入信号的激振频率Hz；R为曲柄长度mm；D为减振器总行程mm；

减振器活塞位移特性由其速度特性表达式积分得到为：

$S={\∫}_0^{t}vdt={\∫}_0^t\mathrm{\π}fDcos\left(2\mathrm{\π}ft\right)dt=D/2sin\left(2\mathrm{\π}ft\right)---\left(12\right)$

式中，S为减振器活塞位移，

由减振器速度传感器可测得第i个时间点与第i+1个时间点的活塞运行速度，其表达式分别为：

v_i＝πfDcos(2πft_i) (13)

v_i+1＝πfDcos(2πft_i+1) (14)

对减振器速度表达式求积分可得到第i个时间点与第i+1个时间点之间的微小位移ds表达式为

$ds=\frac{D}{2}\[sin\left(2{\mathrm{\πft}}_{i+1}\right)-sin\left(2{\mathrm{\πft}}_i\right)\]---\left(15\right)$

给定活塞一定的激振频率，在汽车悬架减振器能量特性测试系统上可采集到两个相对应的数据，即活塞运动速度ν_i及减振器瞬时阻尼力F_i，F_i表达式在步骤1)数学模型中已推导；将第i点与第i+1点所对应的瞬时阻尼力的均值作为矩形单元的高，单个矩形的面积可表示为：

A_li＝F_lσds (16)

式中：A_li为矩形单元的面积，N·mm；为平均阻尼力，N；

因此，复原行程示功曲线围成的面积为：

$A_l={\∫}_{-\frac{D}{2}}^{\frac{D}{2}}{F}_{l\mathrm{\σ}}ds---\left(17\right)$

同理可求压缩行程其示功曲线围成的面积A_y，因此该减振器示功图面积可表示为：

A＝A_l+A_y (18)。

所述的汽车悬架减振器能量特性计量方法，步骤3.1)具体包括如下步骤：

3.1.1)基于Canny边缘检测算法对减振器示功曲线进行边缘检测，检测该示功曲线是否平滑，Canny算法可对目标曲线平滑处理，其方法是采用高斯函数：

$G(x,y)=\frac{1}{2{\mathrm{\π\σ}}^2}\exp \[-\frac{x^2+y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\]---\left(19\right)$

式中，σ为高斯滤波器平滑程度控制参数；

3.1.2)平滑后的曲线使用一阶微分算子，获得各像素点处的梯度幅值和方向，点(i,j)处2个方向的偏导数G_x(i,j)和G_y(i,j)分别为：

G_x(i,j)＝[I(i,j+1)-I(i,j)+I(i+1,j+1)-I(i+1,j)]/2 (20)

G_y(i,j)＝[I(i,j)-I(i+1,j)+I(i,j+1)-I(i+1,j+1)]/2 (21)；

3.1.3)通过细化各像素点的梯度幅值图像，可精确识别示功曲线边缘线，非极大值抑制即只需保留幅值的局部极大值；

3.1.4)使用Canny算子从候选边缘点中检测和连接得到最终的边缘。

所述的汽车悬架减振器能量特性计量方法，步骤3.1.3)具体为Canny算子在梯度幅值图像G中以点(i,j)为中心3×3的邻域内进行插值运算，若点(i,j)处的梯度幅值G(i,j)小于相邻的插值，那么该像素点(i,j)为非边缘点，相反则可视为候选边缘点，从而得到候选边缘曲线图像。

所述的汽车悬架减振器能量特性计量方法，步骤3.1.4)具体为根据图像特点选取两个合理的阈值，分别为高阈值和低阈值，然后在候选边缘曲线图像中对任一像素点(i,j)进行检测，如果被检测像素点(i,j)梯度幅值G(i,j)大于所选取的高阈值，可将其视为边缘点；相反如果其值小于低阈值，那么判定其为非边缘点；若梯度幅值介于高低阈值之间的像素点，可先将其视为疑似边缘点，接着根据边缘的连通性对其进行判断，若该像素点的邻接像素中存在边缘点，则认为该像素点也为边缘点，否则为非边缘点。

本发明创造具有以下有益效果：

本发明创造汽车悬架减振器能量特性测试系统包括可产生正弦运动的曲柄连杆滑块机构、测试时固定减振器上下吊环的夹具与下安装支座、测量阻尼力及速度位移的传感器；曲柄连杆滑块机构能实现减振器拉伸与压缩行程往复运动，曲柄一端固定，连杆可绕着曲柄另一端点进行周向运动，带动滑块进行上下往复运动。

力传感器与夹具串联；包括应变片式力传感器和压电式力传感器，两传感器串联在一起，利用应变片式及压电式力传感器自身特点，对减振器性能测试时产生的静态力及冲击载荷进行有效测量。应变片式力传感器用来实现减振器静态力、准静态力测试；由于压电式传感器的自身特点，压电晶体受压后其表面产生电荷，在动态交变应力作用下，电荷可以供给测量电路一定的电压或电流，因此适合减振器动态力的测试，并可预测减振器空行程及示功曲线畸变现象。设置在曲柄连杆机构两端的速度/位移传感器用来识别压电式力传感器力值的方向，可判别其力值产生于减振器运动的哪一拉伸或压缩行程，可有效测量出该系统的各部件间的工作间隙，以及长期工作后各机构的磨损间隙，自身对系统进行维护。

振器侧向力装置中砝码可以根据整车需求侧向力的大小，可以任意更换，砝码的大小会影响减振器内部油液摩擦。当减振器随下面的曲轴连杆上下运动的时候，钢索也会随减振器小范围运动。该侧向力装置可更好的模拟减振器在整车上的工作状态。

附图说明

图1 为减振器示功图面积

图2 为一有畸变减振器示功图

图3 为图2所示图像二值化后减振器示功图

图4 LabVIEW程序框图

图5 能量计算结果图

图6 为实施例汽车悬架减振器能量特性测试系统示意图。

图7 为实施例汽车悬架减振器能量特性测试系统中侧向力装置工作状态示意图。

其中：1-上支座，2-应变片式力传感器，3-压电式力传感器，4-夹具，5-减振器，6-下安装支座，7-滑块，8-连杆，9-速度传感器，10-曲柄，11-侧力环，12-钢索，13-滚轮，14-砝码。

具体实施方式

实施例 汽车悬架减振器能量特性测试系统，

如图6和7所示包括架体，设置在架体上可产生正弦运动的曲柄连杆滑块机构，测试时用于固定减振器5上吊环的夹具4和用于固定减振器5下吊环的下安装支座6，速度传感器9，及用于测量阻尼力的力传感器；所述的曲柄连杆滑块机构用于实现减振器5的拉伸与压缩行程往复运动，具有曲柄10，曲柄10的一端固定在架体上，曲柄10的另一端与曲轴连杆8底端相连接，所述曲轴连杆8可绕着曲柄10的另一端点进行周向运动；曲轴连杆8的顶端与下安装支座6连接从而带动减振器5随着曲轴连杆8作上下运动，曲轴连杆8上还设有与之配合的滑块7，所述滑块7在曲轴连杆8的带动下进行上下往复运动；所述速度传感器9设置在曲轴连杆8上用于测试由曲柄10转动产生的速度。所述力传感器固连于架体的上支座1上，并与夹具4串联；所述力传感器包括应变片式力传感器2和压电式力传感器3，所述应变片式力传感器2和压电式力传感器3串联。

该测试系统，还包括减振器侧向力装置，所述减振器侧向力装置与减振器5固定连接，具有测力环11，和固装在架体上的用于支撑钢索12的滚轮13，所述侧力环11的一端固定连接在减振器5的中间部位，侧力环11的另一端与钢索12连接，钢索12通过滚轮13连接砝码14；减振器随下面的曲柄连杆滑块机构作上下运动时，测力环11通过钢索12带动砝码14随减振器5作小范围上下运动。

工作原理，该系统加力于减振器5的活塞杆，使其往复运动。测取减振器示功特性曲线特性采用正弦激励方式，使减振器活塞按简谐规律运动。

该系统测试为：减振器运动机械能＝阻尼力×位移；减振器消耗功率＝阻尼力×速度。

实施例 汽车悬架减振器能量特性计量方法

基于上述汽车悬架减振器能量特性测试系统，包括以下步骤：

1)建立减振器数学模型：建立减振器压缩行程和复原行程数学模型；

根据减振器的工作机理，由于活塞杆相对工作缸运动速度的不同，活塞总成内的复原阀片和底阀总成内的压缩阀片会有不同的开度，会对活塞往复运动时产生阻尼力有不同的影响，因此需要分别建立减振器的各行程开阀前后的分段数学模型。

工作行程中活塞所受阻尼力为：

F＝P₁(A_h-A_g)-P₂·A_h+f₁ (1)

油液从上腔流入下腔的流量为Q：

Q＝(A_h-A_g)v_l (2)

贮油腔油液补偿流入工作缸下腔的流量为Q_c：

Q_c＝A_g·v_l (3)

式中：F为减振器受到的阻尼力，N；A_h为活塞面积，m²；A_g为活塞杆面积，m²；v_l为复原行程活塞的运动速度，m/s；P₁为工作缸上腔的压强，Mpa；P₂工作缸下腔的压强，Mpa；f₁为活塞所受摩擦力，N。

1.1)复原行程数学模型的建立

1.1.1)开阀前数学模型

假设减振器正常工作时油封密闭且无油液泄漏现象，减振器油只从工作缸的上腔经过活塞上复原阀进入工作缸下腔，根据流体串并联原理，

油液通过复原阀组件流入下腔的流量可表示为Q₁：

$Q_1=C_d{A}_m\sqrt{\frac{2(P_1-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}---\left(4\right)$

贮油腔油液通过补偿流入工作缸下腔的流量为Q_c1：

$Q_{c1}=C_d{A}_n\sqrt{\frac{2(P_3-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}---\left(5\right)$

(4)、(5)式中：C_d为油液流量系数；A_m为阀体节流孔面积，m²；ρ为油液密度，Kg/m³；A_n为补偿阀节流孔面积，m²；P₃为贮油腔压强，Mpa。

根据油液连续性方程得：

$\left\{\begin{array}{c}(A_h-A_g)v_l=C_d{A}_m\sqrt{\frac{2(P_1-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}\\ A_g{v}_l=C_d{A}_n\sqrt{\frac{2(P_3-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

则阻尼力F₁可表示为：

$F_1=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{{(A_h-A_g)}^3}{\left(C_d{A}_m\right)}{v}_l^2+\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{A_g^3}{C_d^2{A}_n^2}{v}_l-P_3{A}_g+f_1---\left(7\right)$

1.1.2)开阀后数学模型

随着复原行程中活塞速度的增加，工作缸上腔的压力也逐渐增加，当上腔油液压力升高并且大于复原阀组件内阀片的承受压力时，复原阀片变形产生开阀状态，此时减振器进入开阀后的阻尼状态。

开阀后油液由工作缸上腔经过活塞复原阀上的常通孔和阀片发生形变形成的环状缝隙进入下腔产生的流量为Q₂：

$Q_2=C_d(A_m+A_2)\sqrt{\frac{2(P_1-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}---\left(8\right)$

式中，A₂为阀片发生形变产生的缝隙面积，m²。根据油液连续性方程得：

$\left\{\begin{array}{c}(A_h-A_g)v_l=C_d(A_m+A_2)\sqrt{\frac{2(P_1-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}\\ A_g{v}_l=C_d{A}_n\sqrt{\frac{2(P_3-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

则开阀后活塞所受阻尼力F₂可表示为：

$F_2=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{{(A_h-A_g)}^3}{\left(C_d{A}_m\right)}{v}_l^2+\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{A_g^3}{C_d^2{A}_n^2}{v}_l-P_3{A}_g+f---\left(10\right)$

1.2)压缩行程数学模型的建立

减振器压缩行程的数学模型与复原行程的数学模型建立方法相似同步骤1.1)，根据活塞运动速度及阻尼力形成方式分别建立开阀前与开阀后减振器数学模型，具体为：

1.2.1)压缩行程开阀前数学模型

压缩阀开阀前，活塞处于低速运动状态，此时油液通过活塞压缩阀上的常通孔和流通阀阀片环流间隙产生阻尼力。压缩阀阀片的常通孔节流及流通阀阀片环流间隙可认为都属于薄壁小孔节流。

由下腔通过流通阀阀片环流间隙流入上腔的流量Q₃为：

$Q_3=C_d{A}_1\sqrt{\frac{2(p_2-p_1)}{\mathrm{\ρ}}}---\left(11\right)$

由下腔通过压缩阀常通孔流入储油腔的流量为Q₄：

$Q_4=C_d{A}_3\sqrt{\frac{2(p_2-p_3)}{\mathrm{\ρ}}}---\left(12\right)$

根据油液连续性方程得：

$\left\{\begin{array}{c}(A_g-A_h)V_y=C_d{A}_1\sqrt{\frac{2(p_2-p_1)}{\mathrm{\ρ}}}\\ A_g{V}_y=C_d{A}_3\sqrt{\frac{2(p_2-p_1)}{\mathrm{\ρ}}}\end{array}\right.---\left(13\right)$

则阻尼力F₃可表示为：

$F_3=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{{(A_h-A_g)}^3}{{\left(C_d{A}_1\right)}^2}{V}_y^2+\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{A_g^3}{{\left(C_d{A}_3\right)}^2}{V}_y^2+p_3{A}_g+f---\left(14\right)$

式中：A₁为流通阀阀片发生形变产生的缝隙面积m²；A₃为活塞上压缩阀常通孔截面积m²；

1.2.2)压缩行程开阀后数学模型

活塞处于高速运动状态时，减振器的压缩阀阀片变形形成环状缝隙节流，此时油液通过活塞压缩阀上的常通孔和阀片变形形成的环状缝隙进入储油腔产生阻尼力。

其流量为Q₅：

$Q_5=C_d{A}_3+A_4\sqrt{\frac{2(p_2-p_3)}{\mathrm{\ρ}}}---\left(15\right)$

根据油液连续性方程由得：

$\left\{\begin{array}{c}(A_h-A_g)V_y=C_d{A}_1\sqrt{\frac{2(p_2-p_1)}{\mathrm{\ρ}}}\\ A_g{V}_y=C_d(A_3+A_4)\sqrt{\frac{2(p_2-p_3)}{\mathrm{\ρ}}}\end{array}\right.---\left(16\right)$

则阻尼力F₄可表示为：

$F_4=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{{(A_h-A_g)}^3}{{\left(C_d{A}_1\right)}^2}{V}_y^2+\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{A_g^3}{C_d^2{(A_3+A_4)}^2}{V}_y^2+p_3{A}_g+f---\left(17\right)$

式中，V_y为复原行程活塞的运动速度，A₄为压缩阀片发生形变产生的缝隙面积。

2)建立减振器示功图面积数学模型

所述减振器示功图面积是基于汽车悬架减振器能量特性测试系统，在一定的激振行程及频率下，减振器的压缩行程和复原行程产生示功曲线，该曲线所围成的面积；基于减振器数学模型建立该减振器示功图面积数学模型；

减振器示功图面积如图1所示A1与A2的总和。其意义是表示减振器经过一个复原与压缩行程，其产生的阻尼力衰减车身振动所做的功，其值的大小可表征减振器的能量效能，既减振器衰减振动能量效率及能力。示功图面积分为上下两部分，可视为微小位移ds和瞬时阻尼力F_i所构成矩形单元的面积累加之和。

将减振器单个复原行程所用时间t均分为n等份，由于示功机的激振形式为正弦激励信号，由速度传感器可测曲柄转动产生速度特性，即减振器活塞速度特性为：

v＝2πfRcos(2πft)＝πfDcos(2πft) (18)

式中：f为输入信号的激振频率Hz；R为曲柄长度mm；D为减振器总行程mm；

减振器活塞位移特性由其速度特性表达式积分得到为：

$S={\∫}_0^{t}vdt={\∫}_0^t\mathrm{\π}fDcos\left(2\mathrm{\π}ft\right)dt=D/2sin\left(2\mathrm{\π}ft\right)---\left(19\right)$

式中，S为减振器活塞位移，

由减振器速度传感器可测得第i个时间点与第i+1个时间点的活塞运行速度，其表达式分别为：

v_i＝πfDcos(2πft_i) (20)

v_i+1＝πfDcos(2πft_i+1) (21)

对减振器速度表达式求积分可得到第i个时间点与第i+1个时间点之间的微小位移ds表达式为

$ds=\frac{D}{2}\[\sin \left(2{\mathrm{\πft}}_{i+1}\right)-sin\left(2{\mathrm{\πft}}_i\right)\]---\left(22\right)$

给定活塞一定的激振频率，在汽车悬架减振器能量特性测试系统上可采集到两个相对应的数据，即活塞运动速度ν_i及减振器瞬时阻尼力F_i，F_i表达式在步骤1)数学模型中已推导；将第i点与第i+1点所对应的瞬时阻尼力的均值作为矩形单元的高，单个矩形的面积可表示为：

A_li＝F_lσds (23)

式中：A_li为矩形单元的面积，N·mm；为平均阻尼力，N；

因此，复原行程示功曲线围成的面积为：

$A_l={\∫}_{-\frac{D}{2}}^{\frac{D}{2}}{F}_{l\mathrm{\σ}}ds---\left(24\right)$

同理可求压缩行程其示功曲线围成的面积A_y，因此该减振器示功图面积可表示为：

A＝A_l+A_y (25)。

3)示功图面积能量标定；

如图2所示有畸变减振器示功图，其中近似椭圆形白色曲线为示功曲线轮廓线，即目标曲线；黑色部分为背景区域。

3.1)对图2所示减振器示功图进行图像处理，其主要技术路线包括图像读取、图像灰度化及图像二值化；

把减振器示功图看作具有不同灰度级的两类区域，利用目标曲线(白色)与其背景在灰度特性上的差异，通过选取的阈值可界定图像中任一像素点的所属区域，其二值化后图像如图3所示。通常，图像处理的输入与输出均为图像，图片格式无变化；而图像识别的不同之处在于，其输出则是关于图片类别或结构分析数据。

3.1.1)基于Canny边缘检测算法对目标曲线进行边缘检测，检测曲线是否平滑；

基于Canny边缘检测算法对目标曲线进行边缘检测，用范函求导方法推导出高斯函数的一阶导数即为最优边缘检测算子的最佳近似。Canny算法可对目标曲线平滑处理，其方法是采用高斯函数：

$G(x,y)=\frac{1}{2{\mathrm{\π\σ}}^2}\exp \[-\frac{x^2+y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\]---\left(26\right)$

式中，σ为高斯滤波器平滑程度控制参数。

3.1.2)平滑的曲线使用一阶微分算子，获得各像素点处的梯度幅值和方向；

平滑后示功曲线I各像素点处的梯度幅值的计算方法是使用一阶微分算子，这样可获得各像素点处的梯度幅值和方向。点(i,j)处2个方向的偏导数G_x(i,j)和G_y(i,j)分别为：

G_x(i,j)＝[I(i,j+1)-I(i,j)+I(i+1,j+1)-I(i+1,j)]/2 (27)

G_y(i,j)＝[I(i,j)-I(i+1,j)+I(i,j+1)-I(i+1,j+1)]/2 (28)

3.1.3)通过细化各像素点的的梯度幅值图像，可以精确识别示功曲线边缘线，非极大值抑制即只需保留幅值的局部极大值；

通过细化各像素点的的梯度幅值图像，可以精确识别示功曲线边缘线，非极大值抑制即只需保留幅值的局部极大值^[5]。Canny算子在梯度幅值图像G中以点(i,j)为中心3×3的邻域内进行插值运算，若点(i,j)处的梯度幅值G(i,j)小于相邻的插值，那么该像素点(i,j)为非边缘点，相反则可视为候选边缘点，从而得到候选边缘曲线图像。

3.1.4)使用Canny算子从候选边缘点中检测和连接得到最终的边缘；

Canny算子采用双阈值法从候选边缘点中检测和连接得到最终的边缘。首先根据图像特点选取两个合理的阈值，其中设定高阈值为240，低阈值为120，然后在候选边缘曲线图像中对任一像素点(i,j)进行检测。如果被检测像素点(i,j)梯度幅值G(i,j)大于所选取的高阈值240，可将其视为边缘点；相反如果其值小于低阈值120，那么判定其为非边缘点。若梯度幅值介于高低阈值之间的像素点，可先将其视为疑似边缘点，接着根据边缘的连通性对其进行判断。若该像素点的邻接像素中存在边缘点，则认为该像素点也为边缘点，否则为非边缘点。

使用Matleb平台编程计算结果求得示功曲线轮廓内包含142554个像素点，像素面积为257。

3.2)用LabVIEW对减振器示功图面积数学模型编程，之后导入减振器在汽车悬架减振器能量特性测试系统中所采集的2000个采样点的位移及力值数据，便可求得减振器所吸收的能量；

具体为，依据示功图面积微单元累加法，使用LabVIEW编程并计算减振器上下往复一个周期所吸收的能量总和。其程序框图如图4所示。

导入减振器在汽车悬架减振器能量特性测试系统中所采集的2000个采样点的位移及力值数据，便可求得减振器所吸收的能量。如图5所示为减振器能量计算结果，测试得到其复原阻尼力为1406N，压缩阻尼力为-942N，使用LabVIEW平台计算减振器上下往复一个周期衰减的能量总和为69.613J，因此单位像素面积所表示的能量为0.27J。

上述方法可应用于减振器性能分析并完善其性能评价方法，可用来判断减振器畸变及检验减振器能量吸收能力。本发明首先建立了汽车悬架减振器在复原与压缩行程的数学模型及定义减振器示功图面积，然后基于Matleb平台将计算机图像识别技术应用于减振器示功图像素点个数的检测与面积的求解；随后使用LabVIEW平台计算求解减振器在一个工作行程中吸收总能量，从而定量分析出减振器示功图面积与所吸收能量的关系，为减振器的性能检测提供新的评价方法及量化标准。

Claims (9)

1.汽车悬架减振器能量特性测试系统，其特征在于，包括架体，设置在架体上可产生正弦运动的曲柄连杆滑块机构，测试时用于固定减振器(5)上吊环的夹具(4)和用于固定减振器(5)下吊环的下安装支座(6)，速度传感器(9)，及用于测量阻尼力的力传感器；所述的曲柄连杆滑块机构用于实现减振器(5)的拉伸与压缩行程往复运动，具有曲柄(10)，曲柄(10)的一端固定在架体上，曲柄(10)的另一端与曲轴连杆(8)底端相连接，所述曲轴连杆(8)可绕着曲柄(10)的另一端点进行周向运动；曲轴连杆(8)的顶端与下安装支座(6)连接从而带动减振器(5)随着曲轴连杆(8)作上下运动，曲轴连杆(8)上还设有与之配合的滑块(7)，所述滑块(7)在曲轴连杆(8)的带动下进行上下往复运动；所述速度传感器(9)设置在曲轴连杆(8)上用于测试由曲柄(10)转动产生的速度。

2.如权利要求1所述的汽车悬架减振器能量特性测试系统，其特征在于，所述力传感器固连于架体的上支座(1)上，并与夹具(4)串联；所述力传感器包括应变片式力传感器(2)和压电式力传感器(3)，所述应变片式力传感器(2)和压电式力传感器(3)串联。

3.如权利要求1所述的汽车悬架减振器能量特性测试系统，其特征在于，还包括减振器侧向力装置，所述减振器侧向力装置与减振器(5)固定连接，具有测力环(11)，和固装在架体上的用于支撑钢索(12)的滚轮(13)，所述侧力环(11)的一端固定连接在减振器(5)的中间部位，侧力环(11)的另一端与钢索(12)连接，钢索(12)通过滚轮(13)连接砝码(14)；减振器随下面的曲柄连杆滑块机构作上下运动时，测力环(11)通过钢索(12)带动砝码(14)随减振器(5)作小范围上下运动。

4.汽车悬架减振器能量特性计量方法，应用权要求1-3所述的汽车悬架减振器能量特性测试系统，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立减振器数学模型，包括建立减振器压缩行程和复原行程数学模型；

2)建立减振器示功图面积数学模型，基于汽车悬架减振器能量特性测试系统，在激振行程和频率下，减振器的压缩行程和复原行程产生示功曲线，该示功曲线组成的图形即减振器示功图，该示功曲线所围成的面积即减振器示功图面积；基于减振器数学模型建立减振器示功图面积数学模型；

3)示功图面积能量标定，

3.1)基于Matleb平台利用计算机图像识别技术对减振器示功图进行图像处理，包括图像读取、图像灰度化及图像二值化，检测减振器示功图像素点个数并求解减振器示功图面积；

3.2)用LabVIEW对减振器示功图面积数学模型编程，并利用减振器在汽车悬架减振器能量特性测试系统中所采集的数个采样点的速度值及阻尼力值数据，计算求解减振器在一个工作行程中吸收的总能量。

5.如权利要求4所述的汽车悬架减振器能量特性计量方法，其特征在于，步骤1)建立减振器数学模型是根据减振器工作机理，分别建立减振器的各行程开阀前后的分段数学模型；

工作行程中活塞所受阻尼力为：

F＝P₁(A_h-A_g)-P₂·A_h+f₁ (1)

油液从上腔流入下腔的流量为Q：

Q＝(A_h-A_g)v_l (2)

贮油腔油液补偿流入工作缸下腔的流量为Q_c：

Q_c＝A_g·v_l (3)

式中：F为减振器受到的阻尼力N；A_h为活塞面积m²；A_g为活塞杆面积m²；v_l为复原行程活塞的运动速度m/s；P₁为工作缸上腔的压强Mpa；P₂工作缸下腔的压强Mpa；f₁为活塞所受摩擦力N；

1.1)建立复原行程数学模型

1.1.1)复原行程开阀前数学模型

假设减振器正常工作时油封密闭且无油液泄漏现象，减振器油只从工作缸的上腔经过活塞上复原阀进入工作缸下腔，根据流体串并联原理，

油液通过复原阀组件流入下腔的流量Q₁为：

$Q_1=C_d{A}_m\sqrt{\frac{2(P_1-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}---\left(4\right)$

贮油腔油液通过补偿流入工作缸下腔的流量为Q_c1：

$Q_{c1}=C_d{A}_n\sqrt{\frac{2(P_3-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}---\left(5\right)$

根据油液连续性方程由Q＝Q₁，Q_c＝Q_c1得：

$\left\{\begin{array}{c}(A_h-A_g)v_l=C_d{A}_m\sqrt{\frac{2(P_1-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}\\ A_g{v}_l=C_d{A}_n\sqrt{\frac{2(P_3-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

则开阀前活塞所受阻尼力F₁可表示为：

$F_1=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{{(A_h-A_g)}^2}{\left(C_d{A}_m\right)}{v}_l^2+\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{A_g^3}{C_d^2{A}_n^2}{v}_l-P_3{A}_g+f_1---\left(7\right)$

式中：C_d为油液流量系数；A_m为阀体节流孔面积m²；ρ为油液密度Kg/m³；A_n为补偿阀节流孔面积m²；P₃为贮油腔压强Mpa；

1.1.2)复原行程开阀后数学模型

随着复原行程中活塞速度的增加，工作缸上腔的压力也逐渐增加，当上腔油液压力升高并且大于复原阀组件内阀片的承受压力时，复原阀片变形产生开阀状态，此时减振器进入开阀后的阻尼状态；

开阀后油液由工作缸上腔经过活塞复原阀上的常通孔和阀片发生形变形成的环状缝隙进入下腔产生的流量为Q₂：

$Q_2=C_d(A_m+A_2)\sqrt{\frac{2(P_1-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}---\left(8\right)$

式中，A₂为阀片发生形变产生的缝隙面积m²，根据油液连续性方程由Q＝Q₂得：

$\left\{\begin{array}{c}(A_h-A_g)v_l=C_d(A_m+A_2)\sqrt{\frac{2(P_1-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}\\ A_g{v}_l=C_d{A}_n\sqrt{\frac{2(P_3-P_2)}{\mathrm{\ρ}}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

则开阀后活塞所受阻尼力F₂可表示为：

$F_2=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{{(A_h-A_g)}^3}{\left(C_d{A}_m\right)}{v}_l^2+\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{A_g^3}{C_d^2{A}_n^2}{v}_l-P_3{A}_g+f_1---\left(10\right)$

1.2)压缩行程数学模型的建立

减振器压缩行程的数学模型与复原行程的数学模型建立方法同步骤1.1)，根据活塞运动速度及阻尼力形成方式分别建立开阀前与开阀后减振器数学模型。

6.如权利要求5所述的汽车悬架减振器能量特性计量方法，其特征在于，步骤2)减振器示功图面积分为上下两部分，分别为复原行程产生的示功曲线围成的上部分和减振器压缩行程产生的示功曲线围成的下部分，可视为微小位移ds和瞬时阻尼力F_i所构成矩形单元的面积累加之和；

将减振器单个复原行程所用时间t均分为n等份，由于示功机的激振形式为正弦激励信号，由速度传感器可测曲柄转动产生速度特性，即减振器活塞速度特性为：

v＝2πfRcos(2πft)＝πfDcos(2πft) (11)

式中：f为输入信号的激振频率Hz；R为曲柄长度mm；D为减振器总行程mm；

减振器活塞位移特性由其速度特性表达式积分得到为：

$S={\∫}_0^{t}vdt={\∫}_0^t\mathrm{\π}fDcos\left(2\mathrm{\π}ft\right)dt=D/2sin\left(2\mathrm{\π}ft\right)---\left(12\right)$

式中，S为减振器活塞位移，

由减振器速度传感器可测得第i个时间点与第i+1个时间点的活塞运行速度，其表达式分别为：

v_i＝πfDcos(2πft_i) (13)v_i+1＝πfDcos(2πft_i+1) (14)

对减振器速度表达式求积分可得到第i个时间点与第i+1个时间点之间的微小位移ds表达式为

$ds=\frac{D}{2}\[sin\left(2{\mathrm{\πft}}_{i+1}\right)-sin\left(2{\mathrm{\πft}}_i\right)\]---\left(15\right)$

给定活塞一定的激振频率，在汽车悬架减振器能量特性测试系统上可采集到两个相对应的数据，即活塞运动速度ν_i及减振器瞬时阻尼力F_i，F_i表达式在步骤1)数学模型中已推导；将第i点与第i+1点所对应的瞬时阻尼力的均值作为矩形单元的高，单个矩形的面积可表示为：

A_li＝F_lσds (16)

式中：A_li为矩形单元的面积，N·mm；为平均阻尼力，N；

因此，复原行程示功曲线围成的面积为：

$A_l={\∫}_{-\frac{D}{2}}^{\frac{D}{2}}{F}_{l\mathrm{\σ}}ds---\left(17\right)$

同理可求压缩行程其示功曲线围成的面积A_y，因此该减振器示功图面积可表示为：

A＝A_l+A_y (18)。

7.如权利要求4所述的汽车悬架减振器能量特性计量方法，其特征在于，步骤3.1)具体包括如下步骤：

3.1.1)基于Canny边缘检测算法对减振器示功曲线进行边缘检测，检测该示功曲线是否平滑，Canny算法可对目标曲线平滑处理，其方法是采用高斯函数：

$G(x,y)=\frac{1}{2{\mathrm{\π\σ}}^2}\exp \[-\frac{x^2+y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\]---\left(19\right)$

式中，σ为高斯滤波器平滑程度控制参数；

3.1.2)平滑后的曲线使用一阶微分算子，获得各像素点处的梯度幅值和方向，点(i,j)处2个方向的偏导数G_x(i,j)和G_y(i,j)分别为：

G_x(i,j)＝[I(i,j+1)-I(i,j)+I(i+1,j+1)-I(i+1,j)]/2 (20)

G_y(i,j)＝[I(i,j)-I(i+1,j)+I(i,j+1)-I(i+1,j+1)]/2 (21)；

3.1.3)通过细化各像素点的梯度幅值图像，可精确识别示功曲线边缘线，非极大值抑制即只需保留幅值的局部极大值；

3.1.4)使用Canny算子从候选边缘点中检测和连接得到最终的边缘。

8.如权利要求7所述的汽车悬架减振器能量特性计量方法，其特征在于，步骤3.1.3)具体为Canny算子在梯度幅值图像G中以点(i,j)为中心3×3的邻域内进行插值运算，若点(i,j)处的梯度幅值G(i,j)小于相邻的插值，那么该像素点(i,j)为非边缘点，相反则可视为候选边缘点，从而得到候选边缘曲线图像。

9.如权利要求7所述的汽车悬架减振器能量特性计量方法，其特征在于，步骤3.1.4)具体为根据图像特点选取两个合理的阈值，分别为高阈值和低阈值，然后在候选边缘曲线图像中对任一像素点(i,j)进行检测，如果被检测像素点(i,j)梯度幅值G(i,j)大于所选取的高阈值，可将其视为边缘点；相反如果其值小于低阈值，那么判定其为非边缘点；若梯度幅值介于高低阈值之间的像素点，可先将其视为疑似边缘点，接着根据边缘的连通性对其进行判断，若该像素点的邻接像素中存在边缘点，则认为该像素点也为边缘点，否则为非边缘点。