关于《effects of using various methods for car shock absorbers diagnostic tests》的学术报告

作者与期刊信息

《effects of using various methods for car shock absorbers diagnostic tests》由 Marek Guzek 和 Piotr Zdanowicz 撰写，作者隶属于 Warsaw University of Technology（华沙理工大学）交通运输学院，具体为车辆维护与运行分部。该研究发表在期刊《The Archives of Automotive Engineering – Archiwum Motoryzacji》的2020年第88卷第2期。

研究背景

该研究主要涉及汽车悬挂系统中减震器的技术状态诊断评估，其研究领域集中于汽车工程，特别是车辆维护及安全相关的振动分析和减震器测试技术。减震器的状态对于车辆行驶安全性以及驾乘舒适性具有重要影响，因此诊断这些部件的技术条件尤为关键。

传统的减震器诊断方法主要采用“车辆状态下的强制振动测试”（on-vehicle forced vibration tests）。但随着车辆悬挂系统阻尼元件的发展，对诊断方法的准确性及可靠性的要求也在提高。现有的大部分诊断设备（如基于有效载荷振动板的 Eusama 设备）存在一些显著缺陷，特别是在诊断测试条件与实际道路行驶工况不一致的情况下。另外，测试设备所使用的特定激励（excitation，如固定6mm的振动板行程）对诊断结果的准确性产生了限制性的影响。

因此，研究人员旨在验证几种不同诊断方法的可靠性，包括传统的 Eusama 测试、Phase Angle Method（相位角法）和 Half Power Bandwidth Method (HPBM，半功率带宽法)。他们希望通过相关实验和分析评估这些方法在无需拆卸减震器的情况下诊断车辆技术状况的实际效用。

研究流程与实验设计

该研究的实验设计分为以下主要部分：

1. 实验装置与内容

研究采用了一种原型测试设备 TUZ 1/E，作为实验工具。这种设备能够施加正弦激励输入，只有3mm的激励幅值，同时激励频率从25Hz以1.6 Hz/s的速率下降到0Hz。在不同实验阶段，记录了关键输出数据，包括振动板下的垂直力、振动板的垂直位移以及加速度信号，从而消除振动激励部分惯性力干扰对测试结果的影响。

2. 测试对象与参数设定

实验以 Opel Agila 1.2 Twinport 后悬挂系统为研究对象，逐步调整减震器的粘性阻尼（粘性阻尼系数 γ，从0.050到0.394总计变化15级）以及悬挂系统的滑动摩擦力（滑动摩擦力 asff，从20N逐步提高至100N和200N）进行实验。在每个实验条件下，保持除测试参数以外的车辆其他变量与设备特性为标准状态。

3. 测试方法创新

所有实验分别基于三种不同的诊断方法来进行：
- Eusama 测试方法：基于轮胎与激励器接触点的法向反作用力来评估减震器状态，延长关键测试阶段时间到15秒，以分析其性能曲线。 - Phase Angle Method（相位角法）：通过分析激励器与轮胎接触点法向力与激励之间的相位角变化，找到最低相位角值来反映悬挂系统阻尼状态。 - Half Power Bandwidth Method (HPBM，半功率带宽法）：利用特定频率带宽以确定无量纲粘滞阻尼系数θ值。

4. 仿真测试

为进一步验证实验室条件下的测试是否符合实际公路条件下的车辆减震器性能，研究还通过非线性四分之一车辆模型对车速为90km/h且行驶在C类道路上的减震器性能进行了模拟。其中模型参数大多通过台架实验标定，重点考虑了两大因素：悬挂系统的滑动摩擦力影响和轮胎离地现象。

实验结果与分析

1. Eusama 方法

• Eusama 指标值随阻尼增大的曲线呈现退化趋势，但即使在较高阻尼情况下，指数值通常难以超过50%。
• 滑动摩擦力增加也会显著高估最终测试结果（可达30个百分点）。
• Eusama 指标变化范围较小（即使在最小的滑动摩擦力情况下，变化不超过35个百分点）表现出其诊断参数范围有限。

2. Phase Angle Method（相位角法）

• 阻尼值较高或滑动摩擦力值较大时，激励力与轮胎接触力之间的最小相位角可能无法被观测到。
• 最小相位角值随悬挂阻尼变化曲线近似线性，显示其良好的可解释性。
• 滑动摩擦力增加180N导致最终测试结果可能被高估高达0.9弧度。

3. HPBM 方法

• θ参数在低滑动摩擦力（如asff = 20 N）条件下较好地反映了减震器的真实状态，但过高滑动摩擦力情况下会导致测试结果被明显高估（可达100%）。
• 在高阻尼和高滑动摩擦力条件下，该方法的诊断参数可能变得不可判定。

4. 仿真分析

• 在公路实况条件下，减震力峰值要显著高于实验室的 Eusama 测试条件；以Opel Agila 为例，其粘性阻尼力在道路条件下为实验室中的三倍左右。
• 悬挂滑动摩擦力在实际行车中的横向阻尼贡献仅占粘性阻尼力的10%，对能量耗散作用较小。

研究结论与意义

该研究表明，在三种诊断方法中，Phase Angle Method（相位角法）表现出最高的潜在实用价值，虽然在某些极端条件下也存在局限性。相比之下，Eusama 方法因过于依赖滑动摩擦力表现出局限性，而HPBM 方法由于不适合非线性系统，仅能对简单线性系统进行合理评估。

研究还指出目前诊断装置的激励方式与实际道路激励条件存在显著不一致性，特别是悬挂系统滑动摩擦力在实验室条件下的“虚假代偿”现象。这一问题需要在未来的研究与设备开发中被进一步解决。

研究亮点

1. 提出并验证了几种改进的减震器诊断方法，其中相位角法表现突出。
2. 强调了当前诊断测试与实际道路工况之间的不匹配问题，为改进设备提供方向。
3. 通过台架实验与综合仿真，系统分析了减震力和滑动摩擦力对诊断结果的影响。

应用价值

该研究为开发更精确、更可靠的车辆悬挂诊断设备提供了科学依据，具有广泛的汽车服务应用潜力，有助于进一步提升车辆行驶安全性和驾驶舒适性。此外，该成果对车辆检测标准的完善也具有重要促进作用。