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汽车板簧刚度测试计算机数据采集系统
南京汽车研究所 牟正明 沈德民
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摘要：介绍了汽车板簧刚度测试中所采用的一种计算机数据采集系统，提出了一种廉价实现高精度高效率连续数据采集的方法。采用力和位移传感器、A/D 转换器、通用计算机和相应的办公自动化软件Microsoft Excel，实现汽车板簧刚度连续测试，数据自动化采集和处理，提高了测试精度和工作效率。
关键词：板簧 刚度 采集系统
1 引言
在汽车结构中有很多弹性元件，汽车钢板弹簧是汽车悬架系统中最大的承载弹性元件。因此，其载荷（力）与变形（直线位移）之间的关系——刚度是一个十分重要的考核指标。在实际应用中，涉及频度比较高的是静刚度。在汽车板簧的生产过程中，材料、工艺变化，都必须进行板簧的性能检测。
一般物体的刚度是非线形的，载荷变形形成迟滞回线，回线所包围的面积即为物体由加载到卸载所消耗的能量。用简单的一个比数来表达物体的刚度是线性处理的结果是不确切的。但有的物体刚度接近线形，所以常用静刚度代替和表述复杂的力学机理。静刚度是物体在力的作用下发生变形，力与相应变形之间比即为物体的静刚度，K=△P/△f， 其中△P 为力变化值，单位N；△f 为位移变化值，单位mm。所以在板簧的刚度测试中，我们采用全程连续数据采集法，可以准确直观地反映板簧刚度的实际情况。
由于一般板簧的刚度变化是接近于线性变化，我们可以以静刚度来表示其弹性特征。而在非线性板簧中的刚度，也可简化成几段直线段来处理。
刚度的测量主要是采集力值与位移值数据。通常板簧传统的静刚度测试方法是沿用逐点测量、读数的测量方法。应用标准液压式（或机械式）压力试验机加载，板簧运行到相应的检测点位置上，其载荷由试验机度量盘指示，变形的位移值通过标尺指示，由人工读数的办法记录该点的载荷、位移值，然后通过手工计算得到板簧的刚度值。该方法的缺点是，测试精度较差，工作量大，效率低，无法得到连续的刚度曲线，可能导致试验结果的重大偏差。而且该类机器满量程较大，测试小载荷板簧时，误差很大。所以如在板簧刚度试验中采用计算机全程连续数据采集、软件分析的方法，可以方便地解决该问题。
2 系统原理
试验前，将力与位移传感器安装在标准液压式（或机械式）压力试验机上，并与计算机连接。板簧按装车状态装夹到位。预加载三次，消除残余应力、偶然误差的影响。打开计算机专用的数据采集软件，设置好参数（切换到所用的传感器标定系数等），仪器进行自检程序无错后，开始加、卸载测试，数据采集开始。
测试过程中力与位移传感器的二路信号通过接口卡，经过放大器、A/D 转换器，由专用的数据采集软件进行采集，力与位移曲线在线显示到计算机屏幕上。到达设定的最大载荷点后，开始卸载，重复采集过程。
同时该数据由专用数据格式存入Microsoft Excel 工作簿。加、卸载测试完毕，关闭应用采集程序，进入Microsoft Excel 程序，将保存的数据读入到Microsoft Excel 程序中，调入图表功能，以X、Y 散点图绘制板簧加、卸载完整的载荷— 变形曲线（刚度曲线）（X：位移值/f、Y：力值/P）。在图表中使用趋势线，数据拟合，回归分析得到二次方程代数式，其中，斜率即是板簧的刚度值。如是多级刚度板簧，取每一直线段回归分析，可以得出板簧该段的刚度值。虽然有人认为这样操作太烦琐，但是，Microsoft Excel 软件应用普及，图表功能中趋势线分析形式较灵活，完全能胜任刚度曲线的分析工作，所以没有必要自己编制分析软件。
该程序最大采集点数量可以达到500 点。并可以在板簧运行过程中采集任意一指定检测位置点上的数据，并计算其刚度值。如遇到多级刚度板簧，可以分段计算出各段刚度值。
3 系统硬件
该系统由传感器、数据采集控制装置、计算机和采集、分析软件四部份组成。
传感器：位移、力传感器。
数据采集控制装置：采集测试核心，具有传感器的放大器、A/D 转换器、数据采集、传输、保存等功能。
计算机：采集软件的硬件平台，基本要求为CPU：486 以上的处理器、64M 内存、2G 硬盘、Windows98操作系统。从减低成本考虑，计算机和分析软件也尽量采用大部分厂家已经具备的台式办公计算机，并使用其平台所提供的办公自动化软件为数据分析软件。
采集、分析软件：采集软件完成数据采集、传输、保存任务。分析软件利用Windows98 中内含的办公自动化软件——Microsoft Exce 程序对采集来的数据作图、趋势分析和刚度计算。
技术数据：
输入：1 路位移传感器信号，1 路力传感器信号。
采样周期：100ms（由用户调节）。
存储媒体：全部测试数据可以存储在计算机的HDD 上，用于计算机进一步处理。
数据输出：在Excel 程序中读取全部测试数据，由图视或表格显示试验数据。该数据由Microsoft Excel工作簿保存，可以方便地由配备的打印机输出曲线，也可插入其他文件中。
显示器：可以在线显示加载时载荷与变形值、刚度曲线。
温度范围：使用－25~65℃，储存：－25~85℃。
电源：220V。
系统的核心是传感器的电信号经过放大器、A/D 转换送入计算机，利用计算机对信号进行接受、分析、处理，及时发出控制指令，以及打印和储存，如图1 所示。

（图片）

图1 硬件框图

4 系统软件
依据该系统要求，结合应用的计算机配置，选择了用C 语言编写采集、显示、作图、传输、储存、标定程序。程序充分利用了DOS 操作系统的操作特点。数据采集采用查询方式，以设定时间单元（时间片最短可到5ms）为间隔。如果设定时间单元为500 ms，则计算机每间隔0.1s 进行一次数据采样，考虑到静刚度是在缓慢加载情况下得到的，中国汽车工业总公司推行的标准为8 mm/min（加、卸载速度），或者采用0~1.25P 加、卸载在30s 内完成（P 为物体在使用时实际承受的最大静力）。所以其计算机采集频率不宜太高。我们设定时间单元为200 ms。也可以设定位移或压力单元为间隔，采用查询方式采集。也可以以数个压力、位移、时间为特定的点来采集。
理论上，在板簧没有施加载荷时，位移变化为零。因此，为了保证采样数据的有效性，系统默认以位移控制采样程序的运行。系统在开始时首先清零，然后对板簧的位移进行采样。
该采集系统中的要点是：传感器的标定，在线实时显示力、位移曲线。
关于该系统的标定，一般采用5 个（或更多）点，其为满量程平均分布。设计中用软件来满足。即标准值由手工输入，系统自动记忆，5 个（或更多）点一一对应，用最小二乘法回归出二次方程。每个传感器只要标定一次并记忆即可，该系统可同时储存多个传感器的标定参数，这样，既保证了数据采集的精度，又实施方便。
该系统为了在线实时显示加、卸载曲线，在软件的编写上采用了实时“跟踪”的方法，使图形一目了然。
采集的数据的保存格式是Microsoft Excel 程序能够自动识别的格式，读取十分方便。 下面对系统流程进行大概叙述。
在DOS 下运行的采集、控制系统采用C 语言编制，其框架结构完全遵循C 语言结构风格。
main() //主程序
{
……
main_menu(); //主屏幕菜单显示
……
get_dada(); //采集数据
……
demarcate (); //标定
// 其他语句
}
adcov(cha) // A/D 转换
int cha;
{
int adl,adh,l;
……
adl=inp(base+2);
adh=inp(base+3);
……
adh=adh & 15;
data[l]=adh*256+adl;
……
}
void reset_all(void)
{
// 所有的设备初始化
int graphdriver=DETECT,graphmode=VGA;
initgraph(&graphdriver,&graphmode,"");
……
}

（图片）

图 2 程序框图

5 系统测试结果
将被测板簧放置到拉压力试验机上，系统设置后开始加载，计算机便自动采集试验数据。采集的数据实时地显示在计算机显示屏上，同时将数据以Microsoft Excel 工作簿的形式保存起来。试验完毕后，打开Microsoft Excel 软件，对试验数据进行综合分析。图3 为南亚自动车有限公司的NJ6400 轿车后横置板簧采用该系统进行刚度测试后的结果。在Microsoft Excel 中对刚度曲线进行线性回归，得到线性回归方程为：P=34.132f+450.5 ，板簧的静刚度为：34.1(N/mm)。

（图片）

图3

6 结束语
本文提供的板簧刚度曲线，是根据试验实测数据绘制的。数据采集程序系统流程给出了大概的结构，其余部分读者可以依据实际情况要求，自行完善。
本文所介绍的板簧刚度测试系统，对一般现有的汽车板簧厂的设备、人员素质均要求不高，可操作性强，便于大量推广使用。板簧厂一般都具备板簧加载设备（液压或机械式压力试验机），所以新系统在具体实施中只要增配传感器、数据采集控制装置，再利用本单位的办公用计算机及相应的办公自动化软件Microsoft Excel，即可实现板簧的全程连续检测，总投资约二千元左右（济南试验机厂改造一台表盘读数式板簧性能试验机为自动测量系统的机器，费用约4 万元）。所以采用该新系统可以在不增加很大资金投入的情况下消除测量、计算误差，有效的提高测试精度和测试效率。
经过实践证明，该系统可以满足JB3383－1983《汽车钢板弹簧台架试验方法》、QCn29035－1991《汽车钢板弹簧技术条件》、IVECO16-5503《汽车钢板弹簧试验方法》等试验标准要求。
参考文献
1 卞建东. 汽车板簧刚度测试方法探讨. 汽车技术，2000（11）
2 顾柏良. 汽车工程手册（试验篇）. 北京：人民交通出版社，2001
3 喻惠然. 汽车技术中弹性元件的刚度试验和计算. 汽车技术，2000（9）
4 Bjarne stroustrup . C 语言的设计和演化. 北京：机械工业出版社，2002.1
5 蔡德聪等. 工业控制计算机实时操作系统. 北京：清华大学出版社，1999.12
6 王家桢等. 传感器与变送器. 北京：清华大学出版社，2001.9 5/30/2005

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