CN102609578A - 一种汽车钢板弹簧多体模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种汽车钢板弹簧多体模型的构建方法，包括以下步骤：第一步，钢板弹簧静刚度及动态力测试；第二步，建立动态摩擦模型；第三步，在多体动力学程序中建立钢板弹簧多体模型；第四步，在钢板弹簧多体模型中加入动态干摩擦力模型；第五步，建立悬架系统模型，进行悬架及整车仿真。本发明由于将钢板弹簧簧片间的干摩擦力统一作为板簧总成特性处理，通过动态摩擦力模型描述总成干摩擦，所以能够准确反映汽车钢板弹簧的动态力特性，反映干摩擦力形成的动刚度，使平顺性仿真更准确。

Description

一种汽车钢板弹簧多体模型的构建方法

技术领域

本发明涉及汽车悬架动力学分析模型的构建方法，具体涉及一种钢板弹簧多体模型的构建方法，应用于汽车悬架动力学、整车操纵稳定性以及平顺性分析。

背景技术

随着CAE技术的快速发展，汽车悬架动力学分析、平顺性分析技术应用日趋广泛。钢板弹簧是汽车悬架众多弹性元件中应用最为广泛的一种，常应用于货车的前后悬架，客货两用车、微车、皮卡车、越野车的后悬架，因此钢板弹簧模型建立在整车多体建模中有着及其重要的地位，而钢板弹簧由多片钢板组成，簧片间干摩擦对车辆平顺性有重要影响。虽然钢板弹簧建模方法日渐成熟，但是大部分建模方法仅能较准确的反映钢板弹簧静态刚度，而钢板弹簧由于干摩擦形成的动态刚度则无法准确反映，或者由于结构的复杂性，不能准确反映干摩擦的影响，或者数值计算困难，无法用于仿真。

目前，能够应用于多体动力学仿真分析的钢板弹簧多体建模方法主要有：有限元模态法、国际汽车工程学会推荐的三段梁法、变截面弯曲梁单元法。

有限元模态法利用有限元软件计算钢板弹簧模态，输出模态中性文件，然后将模态中性文件导入多体仿真程序中，并添加簧片间摩擦力和接触力，该过程是这种方法的关键点和难点，这个难点目前还没有较好的解决方案。

三段梁法的原理是将板簧总成简化为三段，通过函数拟合板簧弹力随其变形的变化关系，该方法完成的模型与实际结构相差甚远，不能准确反映悬架运动特性，板簧与车身接附点处的受力也不够准确，无法很好地指导设计工作。

变截面弯曲梁单元法的原理是把钢板弹簧离散成变截面弯曲梁单元，若想要获得较为准确的模型，需要将钢板弹簧离散为足够多的单元，该方法需逐一建立每一个梁单元，建模过程繁琐，簧片间的接触力也不易准确建立。

以上几种方法都能够较好放映钢板弹簧的静态刚度，但是都不能有效的反映钢板弹簧的干摩擦力，有的建模复杂，有的计算困难，有的无法仿真。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车钢板弹簧多体模型的构建方法，该方法基于动态摩擦力模型构建的钢板弹簧多体模型，不仅能够准确反映板簧静态刚度，而且能够反映干摩擦力造成的动态特性，并且具有良好的数值计算稳定性。

本发明所述的一种汽车钢板弹簧多体模型的构建方法，包括以下步骤：

第一步，钢板弹簧静刚度及动态力测试；

将钢板弹簧通过支座支撑于导轨上，操纵静态作动器缓慢加载，记录载荷与钢板弹簧的变形，测试钢板弹簧的静态刚度；

第二步，建立动态摩擦模型；

根据动态力测试结果进行模型参数辨识；使用Dahl(国外人名)摩擦模型作为摩擦力的动态模型，其摩擦力的微分方程为：

$\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{dx}}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\σ}{[1-\frac{F}{F_c}\mathrm{sgn}\left(v\right)]}^{\mathrm{\α}}v$

其中，需要辨识的参数：σ为刚度系数，Fc为库伦摩擦力，α为过渡系数；

需测量或计算的参数：x为摩擦部件的相对位移，v为摩擦部件的相对速度，F为动态摩擦力；

参数辨识：

钢板弹簧动态力f_i＝f(t_i，σ，f_c，α)＝ma+k_ss+F_d；

钢板弹簧动态力测试结果为Fi

目标函数： $S(\mathrm{\σ},F_c,\mathrm{\α})=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(f(t_i,\mathrm{\σ},F_c,\mathrm{\α})-\mathrm{Fi})}^2$

其中，m-钢板弹簧质量

ks-钢板弹簧刚度

s-钢板弹簧变形

Fd-钢板弹簧动态摩擦力，满足， $\frac{d{F}_d}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\σ}{(1-\frac{F_d}{F_c}\mathrm{sgn}\left(s\right))}^{\mathrm{\α}}s$

根据最小二乘法拟合出参数σ，Fc，α；

第三步，在多体动力学程序中建立钢板弹簧多体模型；

将钢板弹簧离散成变截面弯曲梁单元；按刚度测试方法建立仿真模型，检验模型刚度，调整模型，直到与试验吻合；

设置轻质传力导向杆，该轻质传力导向杆的一端通过球铰连接于钢板弹簧的前卷耳，通过点在线上约束方式约束钢板弹簧的后卷耳与轻质传力导向杆的另一端；

第四步，在钢板弹簧多体模型中加入动态干摩擦力模型；

在多体动力学建模程序中建立动态摩擦力Fd，施力物为车轮，受力物为轻质传力导向杆，根据拟合得到的参数σ，Fc，α通过微分方程定义此动态摩擦力，其中s为轮心到轻质导向杆的垂直距离：

$\frac{{\mathrm{dF}}_d}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\σ}{(1-\frac{F_d}{F_c}\mathrm{sgn}\left(s\right))}^{\mathrm{\α}}s$

按试验方法仿真获取钢板弹簧动态力，与试验结果对照，若误差较大，检查钢板弹簧的质量与实物是否吻合，修正误差；

第五步，建立悬架系统模型，进行悬架及整车仿真。

本发明的有益效果：由于将钢板弹簧簧片间的干摩擦力统一作为板簧总成特性处理，通过动态摩擦力模型描述总成干摩擦，所以能够准确反映汽车钢板弹簧的动态力特性，反映干摩擦力形成的动刚度，使平顺性仿真更准确。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为在汽车钢板弹簧刚度及动态力测试原理示意图；

图3为钢板板簧动态力测试结果与钢板板簧动态力模型仿真结果对比图；

图4为钢板板簧动态力测试结果与钢板板簧动态力模型仿真结果对比图；

图5为轻质传力导向杆与汽车钢板弹簧的连接关系示意图；

图6为本实施例在机械系统动力学软件ADAMS/CAR中，含汽车钢板弹簧动态干摩擦力模型的悬架动力学仿真图。

具体实施方式

下面结合实施例以及附图对本发明进行详述。

本发明所述的一种汽车钢板弹簧多体模型的构建方法的具体操作步骤以及各步骤输出结果参见图1，包括以下步骤：

第一步，钢板弹簧静刚度及动态力测试；

参见图2，将钢板弹簧6通过支座7支撑于导轨8上，操纵静态作动器5缓慢加载，记录载荷与钢板弹簧的变形，测试钢板弹簧的静态刚度；

将钢板弹簧加载至设计载荷，处于静平衡；按1-15mm，1-2Hz正弦波加载，记录钢板弹簧变形及力；

第二步，建立动态摩擦模型；

根据动态力测试结果进行模型参数辨识；使用Dahl摩擦模型作为摩擦力的动态模型，其摩擦力的微分方程为：

$\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{dx}}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\σ}{[1-\frac{F}{F_c}\mathrm{sgn}\left(v\right)]}^{\mathrm{\α}}v$

其中，需要辨识的参数：σ为刚度系数，Fc为库伦摩擦力，α为过渡系数；

需测量或计算的参数：x为摩擦部件的相对位移，v为摩擦部件的相对速度，F为动态摩擦力；

参数辨识：

钢板弹簧动态力f_i＝f(t_i，σ，F_c，α)＝ma+k_ss+F_d；

钢板弹簧动态力测试结果为Fi

目标函数： $S(\mathrm{\σ},F_c,\mathrm{\α})=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(f(t_i,\mathrm{\σ},F_c,\mathrm{\α})-\mathrm{Fi})}^2$

其中，m-钢板弹簧质量；

ks-钢板弹簧刚度；

s-钢板弹簧变形；

Fd-钢板弹簧动态摩擦力，满足， $\frac{d{F}_d}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\σ}{(1-\frac{F_d}{F_c}\mathrm{sgn}\left(s\right))}^{\mathrm{\α}}s$

根据最小二乘法拟合出参数σ，Fc，α；

第三步，在多体动力学程序中建立钢板弹簧多体模型；

将钢板弹簧离散成变截面弯曲梁单元；按刚度测试方法建立仿真模型，检验模型刚度，调整模型，直到与试验吻合；图3，图4为钢板板簧动态力测试结果与钢板板簧动态力模型仿真结果对比图，图3横坐标为板簧中心处位移，纵坐标为板簧中心处所受载荷，折线为试验结果，光滑曲线为含动态摩擦力模型的仿真结果；图4横坐标为时间，纵坐标为板簧中心处所受载荷，折线为试验结果，光滑曲线为含动态摩擦力模型的仿真结果；

参见图5，设置轻质传力导向杆1，质量＜1.0kg；轻质传力导向杆的一端通过球铰连接于钢板弹簧6的前卷耳2，通过点在线上约束方式约束钢板弹簧6的后卷耳4与轻质传力导向杆1的另一端；

第四步，在钢板弹簧多体模型中加入动态干摩擦力模型；

在多体动力学建模程序中建立动态摩擦力Fd，施力物为车轮，受力物为轻质传力导向杆1，根据拟合得到的参数σ，Fc，α通过微分方程定义此动态摩擦力，其中s为轮心到轻质导向杆的垂直距离：

$\frac{{\mathrm{dF}}_d}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\σ}{(1-\frac{F_d}{F_c}\mathrm{sgn}\left(s\right))}^{\mathrm{\α}}s$

按试验方法仿真获取钢板弹簧动态力，与试验结果对照，若误差较大，检查钢板弹簧的质量与实物是否吻合，修正误差；

第五步，建立悬架系统模型，将板簧6与后桥9固定连接在一起，9后桥通过旋转运动副与轮胎10连接在一起，减震器12通过球面副与后桥连接，通过万向节与车身连接，通过动态作动器11对轮胎10施加力或位移进行悬架动力学仿真，参见图6。

Claims (1)

1.一种汽车钢板弹簧多体模型的构建方法，包括以下步骤：

第一步，钢板弹簧静刚度及动态力测试；

将钢板弹簧(6)通过支座(7)支撑于导轨(8)上，操纵静态作动器(5)缓慢加载，记录载荷与钢板弹簧的变形，测试钢板弹簧的静态刚度；

第二步，建立动态摩擦模型；

根据动态力测试结果进行模型参数辨识；使用Dahl摩擦模型作为摩擦力的动态模型，其摩擦力的微分方程为：

$\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{dx}}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\σ}{[1-\frac{F}{F_c}\mathrm{sgn}\left(v\right)]}^{\mathrm{\α}}v$

其中，需要辨识的参数：σ为刚度系数，Fc为库伦摩擦力，α为过渡系数；需测量或计算的参数：x为摩擦部件的相对位移，v为摩擦部件的相对速度，F为动态摩擦力；

参数辨识：

钢板弹簧动态力f_i＝f(t_i，σ，F_c，α)＝ma+k_ss+F_d；

钢板弹簧动态力测试结果为Fi

目标函数： $S(\mathrm{\σ},F_c,\mathrm{\α})=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(f(t_i,\mathrm{\σ},F_c,\mathrm{\α})-\mathrm{Fi})}^2$

其中，m-钢板弹簧质量

ks-钢板弹簧刚度

s-钢板弹簧变形

Fd-钢板弹簧动态摩擦力，满足， $\frac{d{F}_d}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\σ}{(1-\frac{F_d}{F_c}\mathrm{sgn}\left(s\right))}^{\mathrm{\α}}s$

根据最小二乘法拟合出参数σ，Fc，α；

第三步，在多体动力学程序中建立钢板弹簧多体模型；

将钢板弹簧离散成变截面弯曲梁单元；按刚度测试方法建立仿真模型，检验模型刚度，调整模型，直到与试验吻合；

设置轻质传力导向杆(1)，该轻质传力导向杆的一端通过球铰连接于钢板弹簧(6)的前卷耳(2)，通过点在线上约束方式约束钢板弹簧(6)的后卷耳(4)与轻质传力导向杆(1)的另一端；

第四步，在钢板弹簧多体模型中加入动态干摩擦力模型；

根据拟合得到的参数σ，Fc，α通过微分方程定义此动态摩擦力，其中s为轮心到轻质导向杆的垂直距离：

$\frac{{\mathrm{dF}}_d}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\σ}{(1-\frac{F_d}{F_c}\mathrm{sgn}\left(s\right))}^{\mathrm{\α}}s$

按试验方法仿真获取钢板弹簧动态力，与试验结果对照，若误差较大，检查钢板弹簧的质量与实物是否吻合，修正误差；

第五步，建立悬架系统模型，进行悬架及整车仿真。

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