《汽车理论》课程教学资源（实验指导）汽车性能实验指导书（共十三个实验）

《汽车性能实验》课程实验指导书王琛彭辅明田哲文袁守利詹涛唐蜜编汽车工程学院2015年4月

《 汽车性能实验》课程 实 验 指 导 书 王琛 彭辅明 田哲文 袁守利 詹涛 唐蜜编 汽车工程学院 2015 年 4 月

实验一、汽车零部件三维测量与数据处理一、实验目的、意义通过此项试验，让学生全面了解最先进的非接触三维扫描测量在工程测试中的作用，掌握非接触三维扫描测量设备的使用方法。二、实验基本原理与方法TestingPosiobjectLaserTool beingScannertracked1OpticalTrackerFigure1.Opticaltrackingofthelaserscannerattwopositions图1是三维扫描测量的工作原理简图，将激光线（也可用白光）打在被测物体上，利用CCD传感器对被测物体上的激光线进行摄像。该形线在CCD上的影像如图1所示，影像在CCD上水平方向的位置，反映了被测形线上的对应点距CCD的距离，即被测形线对应点的x坐标：影像在CCD上铅垂方向上的位置即为被测形线对应点的=坐标：将打在被测物体上的激光线自左向右间隔地移动，每移动一相等距离△L就可得到图1所示的一幅图像。显然激光线移动的次数n与△L的乘积n·AL即为被测点的v坐标，如此便可得到密布在被测物体表面上各点的三维坐标，即“点云”的坐标。1一车门：2一激光线；3一光学系统4一CCD芯片三、主要仪器设备及耗材1

1 实验一、 汽车零部件三维测量与数据处理 通过此项试验，让学生全面了解最先进的非接触三维扫描测量在工程测试中的作 用，掌握非接触三维扫描测量设备的使用方法。 二、实验基本原理与方法 图 1 是三维扫描测量的工作原理简图，将激光线（也可用白光）打在被测物体上， 利用 CCD 传感器对被测物体上的激光线进行摄像。该形线在 CCD 上的影像如图 1 所示， 影像在 CCD 上水平方向的位置，反映了被测形线上的对应点距 CCD 的距离，即被测形线 对应点的 x 坐标；影像在 CCD 上铅垂方向上的位置即为被测形线对应点的 z 坐标；将打 在被测物体上的激光线自左向右间隔地移动，每移动一相等距离 L 就可得到图 1 所示 的一幅图像。显然激光线移动的次数 n 与 L 的乘积 n L  即为被测点的 y 坐标，如此便 可得到密布在被测物体表面上各点的三维坐标，即“点云”的坐标。 1－车门；2－激光线；3－光学系统；4－CCD 芯片 三、主要仪器设备及耗材

1、典型的汽车覆盖件及复杂的汽车基础件（如发动机缸体或变速器壳体）各一件：2、非接触三维扫描测量仪一台。四、实验方案与技术路线1、实验内容：取一辆轿车车身或某一复杂车身覆盖件，用非接触激光三维扫描仪对其进行测量，将所测得的点云用专用软件转换为曲面。要求：1、了解激光三维扫描仪的测量原理；2、了解将点云转换为曲面的相关软件和使用方法：3、了解曲面光顺处理的相关知识。2、实验步骤1、在被测零件上设置多个特征点，以便多片点云数据的拼接：2、对被测零件的全部表面进行扫描测量；3、利用设置在零件表面上的特征点将多片点云数据拼接成一个完整的零件。3、实验的重点或难点：1、测试方位的正确选择：2、多片点云数据拼接。第二部分：实验过程记录一、实验原始记录1、RealscanUSB三维扫描软件的使用方法和注意事项：2、Radiform拼接软件的使用方法和注意事项；Rapidform能够处理多种不同设备创建的高密度点云和多边形面片。这些设备被单纯的称为3D扫描仪，其实还包括三维数字化转换仪、激光扫描仪、白光扫描仪，工业CT系统、Rider等不同的称呼方式。所有设备的共同目的就是捕捉实物，然后用点云和面片再现出来。RapidfromXOR软件是世界上唯一能够以3D扫描数据为基础创建CAD模型的3D逆向工程软件。可编辑的实体模型可以适用于很多方面。转换到CAD最快的路径，与所有3D扫描仪的互换，创建与特征树同步的履历CAD模型，能够转换成Solidworks，Pro/E，NX，AutoCAD，CATIA等其他文件格式。第三部分：结果与讨论一、实验结果分析导入三维绘图软件的应用方法，如何将点云转化为曲面。二、小结、建议及体会1、CCD图像传感器在工程上还有那些重要应用；2、噪声点如何剔除。2

2 1、典型的汽车覆盖件及复杂的汽车基础件（如发动机缸体或变速器壳体）各一件； 2、非接触三维扫描测量仪一台。 四、实验方案与技术路线 1、实验内容： 取一辆轿车车身或某一复杂车身覆盖件，用非接触激光三维扫描仪对其进行测量， 将所测得的点云用专用软件转换为曲面。 要求： 1、 了解激光三维扫描仪的测量原理； 2、 了解将点云转换为曲面的相关软件和使用方法； 3、 了解曲面光顺处理的相关知识。 2、实验步骤 1、在被测零件上设置多个特征点，以便多片点云数据的拼接； 2、对被测零件的全部表面进行扫描测量； 3、利用设置在零件表面上的特征点将多片点云数据拼接成一个完整的零件。 3、实验的重点或难点： 1、测试方位的正确选择； 2、多片点云数据拼接。 第二部分：实验过程记录 一、实验原始记录 1、Realscan USB 三维扫描软件的使用方法和注意事项； 2、Radiform 拼接软件的使用方法和注意事项； Rapidform 能够处理多种不同设备创建的高密度点云和多边形面片。这些设备被单 纯的称为 3D 扫描仪，其实还包括三维数字化转换仪、激光扫描仪、白光扫描仪，工业 CT 系统、Rider 等不同的称呼方式。所有设备的共同目的就是捕捉实物，然后用点云和 面片再现出来。 Rapidfrom XOR 软件是世界上唯一能够以 3D 扫描数据为基础创建 CAD 模型的 3D 逆 向工程软件。可编辑的实体模型可以适用于很多方面。 转换到 CAD 最快的路径，与所有 3D 扫描仪的互换，创建与特征树同步的履历 CAD 模型， 能够转换成 Solidworks，Pro/E，NX，AutoCAD，CATIA 等其他文件格式。 第三部分：结果与讨论 一、实验结果分析 导入三维绘图软件的应用方法，如何将点云转化为曲面。 二、 小结、建议及体会 1、CCD 图像传感器在工程上还有那些重要应用； 2、噪声点如何剔除

实验二、汽车振动动态特性的测试第一部分：实验预习报告一、实验目的、意义通过实验使学生了解振动测量的基本原理，常规测量系统的组成。掌握汽车整车及零部件振动动态特性测试系统的组成，以及获得测试系统动态特性的方法，即频率响应法和脉冲响应法。比较此两种测试方法的优缺点，并对两种测试方法的测试结果进行分析比较。二、实验原理1、频率响应法若给系统一系列不同频率单位幅值的简谐波输入，测出系统与之对应的输出，分别绘出输出的幅值y，一の曲线和β-の曲线，即为系统的幅频特性曲线和相频特性曲线。然后再利用一元非线性回归分析，便可得到测试系统的幅频特性A()和相频特性β(の)，系统的频率响应函数H(jo)为H(jo) = A(の)e-jg(o)2、脉冲响应法若给测试系统一单位脉冲s(t)输入，记录下系统的输出h（t），然后对h（t）进行富氏逆变换，便可得到系统的频率响应函数H(jの)。比较频率响应法和脉冲响应法不难发现，脉冲响应法比频率响应法更简单易行。但需指出的是，在工程实际中，标准的单位脉冲是不存在的。但给系统以作用时间小于1/10T的冲击输入，即可近似地认为是单位脉冲输入。三、主要仪器设备及耗材试件、激振器、脉冲锤、扫频信号发生器、力传感器、加速度计、电荷放大器、信号处理仪各一套。四、实验方案与技术路线（实验方案设计、实验手段的确定、实验步骤）实验方案：取一典型汽车部件作为动态测试系统的试件，分别用频率响应法和脉冲响应法测试同一部件的动态特性。比较此两种测试方法的优缺点，并对两种测试方法的测试结果进行分析比较。实验步骤：1、根据原理框图组成仪器系统并对其进行联机调试：2、给试件不同频率的正弦输入，测出其输出，绘制幅频特性曲线和相频特性曲线：3、给试件一单位脉冲输入，测出其输出的变化曲线，然后对其进行富氏变换，绘制幅频特性曲线和相频特性曲线：3

3 实验二、汽车振动动态特性的测试 第一部分：实验预习报告 一、实验目的、意义 通过实验使学生了解振动测量的基本原理，常规测量系统的组成。掌握汽车整车及 零部件振动动态特性测试系统的组成,以及获得测试系统动态特性的方法，即频率响应 法和脉冲响应法。比较此两种测试方法的优缺点，并对两种测试方法的测试结果进行分 析比较。 二、实验原理 1、频率响应法 若给系统一系列不同频率单位幅值的简谐波输入，测出系统与之对应的输出，分别 绘出输出的幅值 n y － 曲线和   曲线，即为系统的幅频特性曲线和相频特性曲线。 然后再利用一元非线性回归分析，便可得到测试系统的幅频特性 A( )  和相频特性  ( ) ， 系统的频率响应函数 H j ( )  为 ( ) ( ) ( ) j H j A e       2、脉冲响应法 若给测试系统一单位脉冲  ()t 输入，记录下系统的输出 h（t），然后对 h（t）进行 富氏逆变换，便可得到系统的频率响应函数 H j ( )  。 比较频率响应法和脉冲响应法不难发现，脉冲响应法比频率响应法更简单易行。但 需指出的是，在工程实际中，标准的单位脉冲是不存在的。但给系统以作用时间小于 1/10τ的冲击输入，即可近似地认为是单位脉冲输入。 三、主要仪器设备及耗材 试件、激振器、脉冲锤、扫频信号发生器、力传感器、加速度计、电荷放大器、信 号处理仪各一套。 四、实验方案与技术路线（实验方案设计、实验手段的确定、实验步骤） 实验方案： 取一典型汽车部件作为动态测试系统的试件，分别用频率响应法和脉冲响应法测试 同一部件的动态特性。比较此两种测试方法的优缺点，并对两种测试方法的测试结果进 行分析比较。 实验步骤： 1、根据原理框图组成仪器系统并对其进行联机调试； 2、给试件不同频率的正弦输入，测出其输出，绘制幅频特性曲线和相频特性曲线； 3、给试件一单位脉冲输入，测出其输出的变化曲线，然后对其进行富氏变换，绘制幅 频特性曲线和相频特性曲线；

第二部分、实验过程记录一、实验原始记录（包括实验数据记录、实验现象记录、实验过程发现的问题）1、绘制原理图；2、记录实验曲线，幅频特性曲线和相频特性曲线，；3、实验中发现的问题。第三部分：结果与讨论一、实验结果分析（包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论）要求：1）每个学生学习和掌握系统动态特性的测试方法2）每个学生独立完成此项实验的数据处理工作，找出频率响应法及脉冲响应法得到的试件的各阶固有频率：3）每个学生对两种测试方法的测试结果进行分析比较，并写出实验报告。二、小结、建议及体会1、脉冲响应函数与频率响应函数的关系怎样？2、理解频率响应函数（传递函数）的意义。力锤被测数据处数据电荷放大器力传感器理系统采集结箱电荷放大器加速度计构图一：脉冲响应法原理图被激振器扫频信号发生器→测数据处数据电荷放大器力传感器理系统采集结箱加速度计电荷放大器构图二：频率响应法原理图

4 力传感器 加速度计 力传感 器 器 加速度计 第二部分、实验过程记录 一、实验原始记录（包括实验数据记录、实验现象记录、实验过程发现的问题） 1、绘制原理图； 2、记录实验曲线，幅频特性曲线和相频特性曲线，； 3、 实验中发现的问题。 第三部分：结果与讨论 一、实验结果分析（包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论） 要求： 1) 每个学生学习和掌握系统动态特性的测试方法； 2) 每个学生独立完成此项实验的数据处理工作，找出频率响应法及脉冲响应法得 到的试件的各阶固有频率； 3) 每个学生对两种测试方法的测试结果进行分析比较,并写出实验报告。 二、小结、建议及体会 1、脉冲响应函数与频率响应函数的关系怎样？ 2、理解频率响应函数（传递函数）的意义。 图一：脉冲响应法原理图 图二：频率响应法原理图 电荷放大器 电荷放大器 被 测 结 构 数 据 采 集 箱 数 据 处 理系统 力锤 电荷放大器 电荷放大器 被 测 结 构 数 据 采 集 箱 数 据 处 理系统 扫频信号发生器 激振器

实验三、汽车悬挂系统固有频率和阻尼比的测定一、实验目的及要求测定汽车车身部分固有频率、阻尼比和车轮部分的固有频率。根据要求组成测量系统，掌握测量点的布置及测试系统的调试。掌握仪器的正确使用方法，对测量数据进行正确的处理和分析，并编制实验报告。二、实验条件1、实验应在汽车满载时进行。根据需要可补充空载时的试验。试验前需称量汽车总质量及前、后轴的质量。2、悬架弹性元件、减振器和缓冲块应符合技术条件规定。3、试验车辆轮胎花纹完好，轮胎气压符合技术条件规定的数值。三、实验原理实验所用仪器的连接如下图。电压放大器加速度传感器LMS数LMS数据采集据采集箱系统加速度传感器电压放大器1、传感器采用压电式加速度计，分别安装在前轴车身及车架的相应位置。2、放大器采用电荷放大器，对加速度信号进行放大。电荷放大器具有传感器灵敏度调整功能，可根据传感器的灵敏度进行调整，对传感器输出的电荷信号进行放大，并将其转换成归一化的电压信号输出。4、记录仪器采用数据处理系统，记录振动加速度的时间历程并处理计算。整个测量系统的频率范围必须满足0.3一100Hz的要求。四、实验方法与步骤用下述方法使汽车悬挂系统产生自由衰减振动。滚下法：让汽车被测试的车轮沿斜坡驶上凸块，（凸块断面如下图所示），其高度根据汽车类型与悬挂结构选取60、90、120mm，横向宽度要使车轮全部置于凸块上。在停车、挂空档，发动机熄火后，再将汽车车轮从凸块上推下。滚下时应尽量保持左右车轮同时落地。40060—1206005

5 实验三、汽车悬挂系统固有频率和阻尼比的测定 一、实验目的及要求 测定汽车车身部分固有频率、阻尼比和车轮部分的固有频率。根据要求组成测量系 统，掌握测量点的布置及测试系统的调试。掌握仪器的正确使用方法，对测量数据进行 正确的处理和分析，并编制实验报告。 二、实验条件 1、实验应在汽车满载时进行。根据需要可补充空载时的试验。试验前需称量汽车总质 量及前、后轴的质量。 2、悬架弹性元件、减振器和缓冲块应符合技术条件规定。 3、试验车辆轮胎花纹完好，轮胎气压符合技术条件规定的数值。 三、实验原理 实验所用仪器的连接如下图。 1、传感器采用压电式加速度计，分别安装在前轴车身及车架的相应位置。 2、放大器采用电荷放大器，对加速度信号进行放大。电荷放大器具有传感器灵敏度调 整功能，可根据传感器的灵敏度进行调整，对传感器输出的电荷信号进行放大，并将其 转换成归一化的电压信号输出。 4、记录仪器采用数据处理系统,记录振动加速度的时间历程并处理计算。 整个测量系统的频率范围必须满足 0.3—100Hz 的要求。 四、实验方法与步骤 用下述方法使汽车悬挂系统产生自由衰减振动。 滚下法：让汽车被测试的车轮沿斜坡驶上凸块，（凸块断面如下图所示），其高度根 据汽车类型与悬挂结构选取 60、90、120mm，横向宽度要使车轮全部置于凸块上。在 停车、挂空档，发动机熄火后，再将汽车车轮从凸块上推下。滚下时应尽量保持左右车 轮同时落地。 400 60—120 600 加速度传感器 电压放大器 加速度传感器 电压放大器 LMS 数 据 采 集 箱 LMS 数 据 采 集 系统

五、实验数据或现象记录记录车身及车轴上振动加速度的时间历程图。车身及车轴上的振动频谱。六、实验结果与分析结论数据处理的方法1、时间历程法：由记录得到的车身及车轴上自由衰减振动曲线（见图2），与时标比较或在信号处理机上读出时间问隔的值都可以得到车身部分振动周期T和车轮部分振动周期T。然后按下式算出各部分的固有频率。f, -1/T.(1)f-1/Tr(2)式中：f车身部分有频率，Hz17—身部分振动周期，Sf—一车轮部分固有频率，Hz1—年轮部分振动周期，S2ar)2(1)图2自由减服动部（洗：车5瓶产）份（厂点201进号通送）由车身部分振动的半周期衰减率T=A/A（A一一第二个峰至第三个峰的峰一峰值，A—一第三个峰至第四个峰的峰一峰值），按下式求出阻尼比。6

6 五、实验数据或现象记录 记录车身及车轴上振动加速度的时间历程图。车身及车轴上的振动频谱。 六、实验结果与分析结论 数据处理的方法 1、 时间历程法：由记录得到的车身及车轴上自由衰减振动曲线（见图 2）， 与时标比较或在信号处理机上读出时间问隔的值都可以得到车身部分振动周期 T 和车轮部分振动周期 T′。然后按下式算出各部分的固有频率。 由车身部分振动的半周期衰减率 τ＝A1／A2（A1——第二个峰至第三个峰的峰 —峰值，A2——第三个峰至第四个峰的峰—峰值），按下式求出阻尼比

-(3)Tx3式中：T一一圆周率，1n——自然对数。当阻尼较小时（As一一第四个蜂至第五个蜂的峰一嫁俏，没有案然减小），可用整周期衰减率=A,/A按下式求出阻瓜比。4(4)4r/ 1+-移4.2频率分析法，用避带记录仪记录车身与车上自山直域扳动的加速您信号2（t）和（t)，然后化信号处理机.上进行嫂率分析。4.2.1对车身与车输上加速茂号2（t）和（）进行自谱处理。处理时用截止班率2011逃行底退滤波，采样时间而丽入取20ms，数率分排系为A于-0.05Hz.a，车身部分加速度均方根自谐（（）（现均3，a）的雌值颜率即为个身部分有率(oob.车轮部分加速度均方根塔G（)（电图3，b）的峰值顾书为车轮部分间有频率子t。NGT)fo-2.248Hz2f=2.535H112.23牛身奶分VGrf,=10.763H2b车身部分图3加速度均方根自谱示例图4幅额特性示例7

7

4.2.2车轴上加速度信号(t)）作为输入，车身上加速度信号Z(t)作为输出进行率响应函数处理得到幅频特性2/51（见图4），处理时采样时问问陷△取5ms，删频特性的峰值频率为车轮部分不运动时的车身部分的限有频率i。，它比车身部分的有频率f。略高一些。由辐媛特性的峰值A，可以近似的求出尼比，其计算公式如下，1(5)=2 A-1让：以上两纳数据处职方法报据有民·二造格共守一，种定设色中，主明，七、讨论与提高X

8 七、讨论与提高

实验四、汽车道路模拟实验与动态测试数据处理第一部分：实验预习报告一、实验目的、意义使学生学会按国家标准GB4970-2009《汽车行驶平顺性试验方法》中所规定的实验方法中随机输入行驶工况方法进行汽车行驶平顺性实验。二、实验基本原理与方法利用三向加速度传感器测出汽车以不同车速在随机路面行驶时，驾驶员及同侧最后排座椅椅垫上方的振动加速度的时间历程，并用数据处理仪对其进行1/3倍频程分析，然后进行加权计算，得到总的加权加速度均方根值，并计算该车的舒适性降低界限。实验条件：1、实验车辆：全顺牌轻型客车2、载荷：额定满载；测试部位：人一椅系统载荷：身高1.70m，质量65Kg的真人；3、道路：良好路面。三、主要仪器设备及耗材试验用车一辆、三向加速度传感器、信号处理设备各一套。坐垫式三轴向加速度传数据采集箱数据处理仪感器四、实验方案与技术路线实验方案：按国家标准GB4970-2009《汽车平顺性试验方法》中所列的实验方法对同一汽车的相同测点进行不同车速试验，分别得到不同车速下座椅上的振动加速度值，并进行1/3倍频程分析。比较两种试验方法即1/3倍频程分别评价和总的加速度加权均方根值的试验结果，分析两种试验结果存在差异的原因。五、实验方法与步骤1、按照GB4970《汽车顺性实验方法》的规定安装仪器，选择测试参数；分析频率f≥90Hz，△f≤0.2Hz，q≥25，加Hanning窗2、记录驾驶员座椅、最后排座椅椅垫上方的加速度信号；3、对加速度信号进行适当调理后用数据处理仪处理试验数据，做1/3倍频程分析：4、加权计算得到总加权加速度均方根值a；23aw-[(w,·a)"]j=19

9 实验四、汽车道路模拟实验与动态测试数据处理 第一部分：实验预习报告 一、实验目的、意义 使学生学会按国家标准 GB4970-2009《汽车行驶平顺性试验方法》中所规定的实验 方法中随机输入行驶工况方法进行汽车行驶平顺性实验。 二、实验基本原理与方法 利用三向加速度传感器测出汽车以不同车速在随机路面行驶时，驾驶员及同侧最后 排座椅椅垫上方的振动加速度的时间历程，并用数据处理仪对其进行 1/3 倍频程分析， 然后进行加权计算，得到总的加权加速度均方根值，并计算该车的舒适性降低界限。 实验条件： 1、 实验车辆：全顺牌轻型客车 2、 载荷： 额定满载； 测试部位：人—椅系统载荷：身高 1.70m，质量 65Kg 的真人； 3、 道路：良好路面。 三、主要仪器设备及耗材 试验用车一辆、三向加速度传感器、信号处理设备各一套。 四、实验方案与技术路线 实验方案：按国家标准 GB4970-2009《汽车平顺性试验方法》中所列的实验方法对 同一汽车的相同测点进行不同车速试验，分别得到不同车速下座椅上的振动加速度值， 并进行 1/3 倍频程分析。比较两种试验方法即 1/3 倍频程分别评价和总的加速度加权均 方根值的试验结果，分析两种试验结果存在差异的原因。 五、实验方法与步骤 1、按照 GB4970《汽车顺性实验方法》的规定安装仪器，选择测试参数； 分析频率 f≥90Hz， △f≤0.2 Hz, q≥25，加 Hanning 窗 2、记录驾驶员座椅、最后排座椅椅垫上方的加速度信号； 3、对加速度信号进行适当调理后用数据处理仪处理试验数据，做 1/3 倍频程分析； 4、加权计算得到总加权加速度均方根值 aw； 坐垫式三轴 向加速度传 感器 数据采集箱 数据处理仪