CN103822789B - 一种轮心六分力测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮心六分力测量方法及系统。该方法包括：建立悬架运动学及动力学特性模型；测量悬架运动量；测量相关零部件受力；将悬架运动量和零部件受力作为输入，利用悬架运动学及动力学特性模型逆向求解轮心六分力。该系统包括：悬架建模模块；悬架运动量测量模块；受力测量模块；计算模块。采用本轮心六分力测量方法及系统，测量的物理量使用相对便宜的传感器就能测得，不需要使用六分力传感器和专用的安装夹具，降低了测试成本。

Description

一种轮心六分力测量方法及系统

技术领域

本发明涉及悬架零部件测量技术领域，具体涉及轮心六分力的测量方法及系统。

背景技术

对悬架零部件的强度和寿命进行校核是新车型开发的重要环节，为了确定悬架零部件所受载荷的边界条件，一般首先要获得轮心六分力再由悬架多体系统动力学模型计算得到各个连接点处的载荷。由此可见，精确获取轮心六分力，是悬架零部件载荷计算的重要条件。

目前汽车开发过程的测量方法是将专用的轮心六分力传感器直接安装在样车轮毂上，在试车场进行路试工况测得轮心六分力。此方法对于不同的车型常常需要加工专用的安装夹具。而且轮心六分力传感器单价十分昂贵，一般情况下，至少要同时安装左右两个轮心六分力传感器才能满足试验要求，为了保证试验结果的可信度，有时甚至需要前后左右四个车轮都安装，而且轮心六分力传感器本身十分娇贵，使用过程中稍不注意极易出现永久变形导致传感器元件损坏而报废，这些都对汽车生产厂家的研发投入要求极高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种轮心六分力测量方法及系统，不需要使用昂贵的六分力传感器，从而降低测试成本，且不需要安装夹具。

本发明提供一种轮心六分力测量方法，所述方法包括：

建立悬架运动学及动力学特性模型；

测量悬架运动量，所述悬架运动量包括轮心三向加速度、减振器拉压位移、方向盘转角信号；

测量相关零部件受力，所述相关零部件受力包括悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力；

将所述悬架运动量和零部件受力作为输入，利用所述悬架运动学及动力学特性模型逆向求解获得轮心六分力。

优选地，所述悬架运动学及动力学特性模型利用可识别参数建模方法建立。

优选地，所述轮心六分力测量方法还包括：建立悬架运动学及动力学特性模型后，利用样车实验数据对所述悬架运动学及动力学特性模型进行验证，确定建立的悬架运动学及动力学特性模型与实际车辆模型是否存在误差；如果存在误差，则通过修改所述悬架运动学及动力学特性模型的设计参数对所述悬架运动学及动力学特性模型进行修正。

优选地，所述轮心六分力测量方法还包括：获得轮心六分力后，利用轮心六分力数据计算轮心三向加速度、悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力，与实际测得的轮心三向加速度、悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力进行比较，验证轮心六分力结果是否正确。

优选地，所述测量相关零部件受力包括：在所述零部件上粘贴应变片；对所述零部件施加作用力，测量得到表征应变片应变；根据所述应变片应变及所述作用力，计算得到应变片应变与零部件应力之间关系的标定系数；根据应变片应变和标定系数计算零部件受力。

本发明提供一种轮心六分力测量系统，所述系统包括：

悬架建模模块，用于建立悬架运动学及动力学特性模型；

悬架运动量测量模块，用于测量悬架运动量，所述悬架运动量包括轮心三向加速度、减振器拉压位移、方向盘转角信号；

受力测量模块，用于测量相关零部件受力，所述相关零部件受力包括悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力；

计算模块，用于将所述悬架运动量和零部件受力作为输入，利用所述悬架运动学及动力学特性模型逆向求解获得轮心六分力。

优选地，所述悬架建模模块，具体用于利用可识别参数建模方法建立悬架运动学及动力学特性模型的功能。

优选地，所述轮心六分力测量系统还包括：

模型特性验证模块，用于利用样车实验数据对所述悬架运动学及动力学特性模型进行验证，确定建立的悬架运动学及动力学特性模型与实际车辆模型是否存在误差；

修正模块，用于在建立的悬架运动学及动力学特性模型与实际车辆模型是否存在误差时，通过修改所述悬架运动学及动力学特性模型的设计参数对所述悬架运动学及动力学特性模型进行修正。

优选地，所述轮心六分力测量系统还包括：

传感器测量值验证模块，用于将逆向求解得到的轮心六分力数据计算轮心三向加速度、悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力、摆臂外球头受力与传感器实际测量得到的轮心三向加速度、悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力、摆臂外球头受力进行对比，验证计算结果的正确性。

优选地，所述受力测量模块包括：

施力单元，用于对粘贴了应变片的所述零部件施加作用力；

测量单元，用于测量所述零部件在施加作用力情况下的应变；

第一计算单元，用于根据所述应变片应变及所述作用力，计算得到应变片应变与零部件应力之间关系的标定系数；

第二计算单元，用于根据应变片应变和标定系数计算零部件受力。

本发明的有益效果在于：

本发明实施例的轮心六分力测量方法，采用建模方式，对一些容易获取的物理量进行测量，然后逆向求解获得轮心六分力，不使用六分力传感器，也不需要使用专用的安装夹具，所需测量的物理量是加速度、位移、应变，这些物理量容易获取，而且使用相对便宜的传感器就能测得，因此大大降低了轮心六分力的测量成本。

附图说明

图1是本发明实施例轮心六分力测量方法的流程图。

图2是本发明实施例加入验证环节的轮心六分力测量方法的流程图。

图3是本发明实施例轮心六分力测量系统的一种结构示意图。

图4是本发明实施例加入验证模块和修正模块的轮心六分力测量系统的另一种结构示意图。

图5是本发明实施例轮心六分力测量系统的受力测量模块的一种结构图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明实施例轮心六分力测量方法的流程图，包括以下步骤：

步骤S101，建立悬架运动学及动力学特性模型；

该建模过程可以在ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems，机械系统动力学自动分析软件)中完成，悬架运动学及动力学特性模型由麦弗逊式独立悬架和齿轮齿条转向系组合而成。其中麦弗逊式独立悬架包括下摆臂、转向节、转向横拉杆、副车架、弹簧、减振器、压缩缓冲块、拉伸限位块、衬套，在ADAMS软件中，下摆臂通过前后两个衬套与副车架连接，下摆臂后端通过球铰运动副约束与转向节连接，转向横拉杆内点通过等速万向节运动副约束与转向齿条连接，转向横拉杆外点通过球铰跟转向节连接，减振器上端滑柱通过衬套与车身连接，减振器下端管柱通过固定运动副约束与转向节连接，减振器上下端之间作用有弹簧弹性力、减振器阻尼力、压缩缓冲块弹性力、拉伸限位块弹性力等力元，副车架通过四个衬套与车身连接。齿轮齿条转向系包括方向盘、转向管柱、转向传动轴、齿轮齿条转向机，建模所需连接关键点坐标、转向传动比、零部件质心坐标、质量、转动惯量参数以及弹簧、减振器、压缩缓冲块、拉伸限位块、衬套的弹性元件纵向刚度和阻尼特性由厂家提供。

步骤S102，测量悬架运动量；

所述悬架运动量可以包括轮心三向加速度、减振器拉压位移、方向盘转角信号。具体地，可以在轮心、减震器、方向盘上分别安装加速度传感器、拉线式位移传感器和方向盘转角传感器，获得传感器测得的轮心三向加速度、减振器拉压位移、方向盘转角信号数据。

步骤S103，测量相关零部件受力；

所述相关零部件受力包括悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力。具体地，可以通过应变片测量悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力。当然，在实际应用中，还可以采用其它方式测量相关零部件的受力情况，对此本发明实施例不做限定。

步骤S104，将所述悬架运动量和零部件受力作为输入，利用所述悬架运动学及动力学特性模型逆向求解获得轮心六分力。

上述逆向求解过程可以在ADAMS软件中计算完成。比如，在已经建立的悬架运动学及动力学特性模型中，在减振器管柱部件上建立一个参考标记，该标记的位置和方向与减振器上端三向力的测量位置和方向定义一致；在下摆臂部件上建立一个参考标记，该标记的位置和方向与下摆臂外球铰三向力的测量位置和方向定义一致；在转向节部件上建立一个参考标记，该标记的位置和方向与轮心三向加速度的测量位置和方向定义一致；在转向横拉杆部件上建立一个参考标记，该标记的位置和Z方向与转向横拉杆轴向力的测量位置和方向定义一致。建立一个虚物体，该虚物体的质心、质量、转动惯量与转向节的相同。在减振器上端建立一个三向力，施力体是地面，受力体是该虚物体，该三向力的作用点和方向与减振器管柱的参考标记一致、大小由减振器上端三向力的测量曲线确定；在下摆臂外球铰建立一个三向力，施力体是地面，受力体是该虚物体，该三向力的作用点和方向与下摆臂的参考标记一致、大小由下摆臂外球铰三向力的测量曲线确定；在轮心处建立一个三向力，施力体是地面，受力体是该虚物体，该三向力的作用点和方向与转向节的参考标记一致、大小由轮心三向加速度的测量曲线以及转向节质量确定；在转向横拉杆外点建立一个单向力，施力体是地面，受力体是该虚物体，该单向力的作用点和方向与转向横拉杆的参考标记一致，大小由转向横拉杆轴向力的测量曲线确定。在轮心处建立该虚物体与地面之间的固定副约束。将测得的轮心三向加速度、减振器拉压位移、方向盘转角信号及悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力输入到模型中，其中加速度换算成惯性力，对悬架多体系统动力学模型进行运动仿真，测量该固定副受到的力和力矩，即为转向节轮心处的六分力。

本发明实施例的轮心六分力测量方法，采用建模方式，对一些容易获取的物理量进行测量，然后逆向求解获得轮心六分力，不使用六分力传感器，也不需要使用专用的安装夹具，所需测量的物理量是加速度、位移、应变，这些物理量容易获取，而且使用相对便宜的传感器就能测得，因此大大降低了轮心六分力的测量成本。

建立悬架运动学及动力学特性模型步骤S101中，为方便后续修改，在ADAMS软件中利用可识别参数建模方法建立。采用此建模方法，可以对模型参数进行修改，提高模型的精度。

如图2所示，是本发明实施例轮心六分力测量方法的另一流程图。

在该实施例中，步骤S201、S203至S205与图1所示实施例中步骤S101至S104相对应，在此不再赘述。

与图1所示实施例不同的是，在该实施例中，为保证悬架运动学及动力学特性模型的准确度，在模型建立好后，需要验证建立的模型是否满足精度要求，即步骤S202，具体地，可以计算建立的模型与实际车辆模型的误差是否在设定的误差范围内。如果是，则执行步骤S203，否则，可以通过修改所述悬架运动学及动力学特性模型的设计参数对所述悬架运动学及动力学特性模型进行修正。具体地，可以利用样车K&C台架实验数据对所述悬架运动学及动力学特性模型进行验证，确定建立的悬架运动学及动力学特性模型与实际车辆模型是否存在误差。

在步骤S202中，验证建立的模型是否满足精度要求时，可以对悬架运动学及动力学特性模型的车轮进行大范围位移跳动输入，分析悬架定位参数变化等运动学特征，得到悬架的K特性；对悬架车轮进行各个方向的力输入，分析由衬套及导向杆系变形所引起的定位参数变化，得到悬架的C特性。将K特性及C特性数据与厂家提供的样车前悬架K&C台架试验数据进行比对，确定建立的悬架运动学及动力学特性模型与实际车辆模型的误差。如果误差不符合精度要求，则修改弹性元件的纵向刚度和阻尼特性。重复上述过程，直至模型K&C特性与厂家提供的样车前悬架K&C台架试验数据的误差满足精度要求。

采用上述模型验证环节与修正环节，进一步提高了模型的精度，保证了计算结果的准确性。

如图2所示，为保证轮心六分力计算结果的准确性，在逆向求解获得轮心六分力后，可以进一步将轮心六分力数据正向输入到悬架运动学及动力学特性模型，计算轮心三向加速度、悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力，即步骤S206，然后将得到的这些数值与利用传感器实际测得的轮心三向加速度、悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力进行比较，以验证其误差是否满足精度要求，即步骤S207。

采用上述验证环节，可以充分验证逆向求解得到的轮心六分力的准确性。

在本发明实施例中，相关零部件受力包括悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力，具体可以通过标定环节和测量环节进行测量。

标定环节中，在悬架减震器上端、转向横拉杆外球头和摆臂外球头两个垂直方向上粘贴应变片，比如120Ω电阻式动态应变片，对悬架减震器上端、转向横拉杆外球头和摆臂外球头施加多组单一方向的作用力，读取应变片数据，代入下述公式：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cc}{C}_{xx}\left(L\right)& C_{xy}\left(L\right)\\ C_{yx}\left(L\right)& C_{yy}\left(L\right)\end{array}\right]\×\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}x\\ \mathrm{\ϵ}y\end{array}\right\}$

其中F_x、F_y表示相互垂直的两方向的应力，C_xx、C_xy、C_yx、C_yy表示标定系数，为待求量，ε_x、ε_y表示相互垂直的两方向的应变。

根据每组作用力与对应应变片应变分别计算表征应变片应变与零部件应力之间关系的标定系数C_xx、C_xy、C_yx、C_yy，对多组标定系数取平均值。

测量环节中，读取应变片应变，利用已经获取的标定系数，计算得到悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力。

相应地，本发明实施例还提供一种轮心六分力测量系统，如图3所示。该系统包括：

悬架建模模块21，用于建立悬架运动学及动力学特性模型；

悬架运动量测量模块22，用于测量悬架运动量，所述悬架运动量包括轮心三向加速度、减振器拉压位移、方向盘转角信号；

受力测量模块23，用于测量相关零部件受力，所述相关零部件受力包括悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力；

计算模块24，用于将所述悬架运动量和零部件受力作为输入，利用所述悬架运动学及动力学特性模型逆向求解获得轮心六分力。

在实际应用中，悬架建模模块21可以利用可识别参数建模方法建立悬架运动学及动力学特性模型的功能，具体过程可参照前面本发明方法实施例中的描述，在此不再赘述。

上述悬架运动量可以包括轮心三向加速度、减振器拉压位移、方向盘转角信号。相应地，悬架运动量测量模块22可以利用安装在轮心、减震器、方向盘上的加速度传感器、拉线式位移传感器和方向盘转角传感器，获得各传感器测得的轮心三向加速度、减振器拉压位移、方向盘转角信号数据。

上述受力测量模块23用于测量相关零部件受力，其中，相关零部件受力包括悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力。

相应地，受力测量模块23的一种具体结构如图5所示。

受力测量模块23包括：施力单元231、测量单元232、第一计算单元233和第二计算单元234。

其中，施力单元231用于对粘贴了应变片的零部件施加作用力，比如，在悬架减震器上端、转向横拉杆外球头和摆臂外球头施加多组单一方向的作用力。

测量单元232用于测量所述零部件在施加作用力情况下的应变。具体地，所述测量单元232可以是应变片，比如，垂直粘贴在悬架减震器上端、转向横拉杆外球头和摆臂外球头的两个120Ω电阻式动态应变片。

第一计算单元233根据施力单元231施加的作用力和测量单元232测量得到的应变，通过公式

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cc}{C}_{xx}\left(L\right)& C_{xy}\left(L\right)\\ C_{yx}\left(L\right)& C_{yy}\left(L\right)\end{array}\right]\×\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}x\\ \mathrm{\ϵ}y\end{array}\right\}$

计算输出应变片应变与零部件应力之间关系的标定系数。公式中F_x、F_y表示相互垂直的两方向的应力，C_xx、C_xy、C_yx、C_yy表示标定系数，ε_x、ε_y表示相互垂直的两方向的应变。

第二计算单元234用于根据测量单元232测量得到的应变以及第一计算单元233计算出的标定系数，计算输出悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力。

当然，在实际应用中，受力测量模块23还可以采用其它结构，对此本发明实施例不做限定。

本发明实施例的轮心六分力测量系统，采用建模方式，对一些容易获取的物理量进行测量，然后逆向求解获得轮心六分力，不使用六分力传感器，也不需要使用专用的安装夹具，所需测量的物理量是加速度、位移、应变，这些物理量容易获取，而且使用相对便宜的传感器就能测得，因此大大降低了轮心六分力的测量成本。

如图4所示，是本发明实施例轮心六分力测量系统的另一结构示意图。

与图3所示实施例不同的是，为了进一步保证悬架运动学及动力学特性模型的准确度，轮心六分力测量系统还包括：模型特性验证模块26及修正模块25。其中：

模型特性验证模块26用于利用样车实验数据对所述悬架运动学及动力学特性模型进行验证，确定建立的悬架运动学及动力学特性模型是否满足精度要求，具体的验证过程可以参照前面本发明方法实施例中的描述，在此不再赘述。

修正模块25用于在建立的悬架运动学及动力学特性模型不满足精度要求时，通过修改所述悬架运动学及动力学特性模型的设计参数对所述悬架运动学及动力学特性模型进行修正，主要对模型的弹性元件的纵向刚度和阻尼特性进行修改。

通过上述模型特性验证模块26及修正模块25，可对所述悬架运动学及动力学特性模型进行验证和修正，能够提高建模精度，进而提高轮心六分力计算的准确性。

进一步地，为确定六分力的计算结果的准确性，在图4所示的轮心六分力测量系统中，还包括传感器测量值验证模块27，将计算模块24逆向求解得到的轮心六分力数据计算轮心三向加速度、悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力、摆臂外球头受力与传感器实际测量得到的数据进行对比，验证逆向求解得到的轮心六分力的准确性。

上面结合附图对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种轮心六分力测量方法，其特征在于，包括：

建立悬架运动学及动力学特性模型；

测量悬架运动量，所述悬架运动量包括轮心三向加速度、减振器拉压位移、方向盘转角信号；

测量相关零部件受力，所述相关零部件受力包括悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力；

将所述悬架运动量和零部件受力作为输入，利用所述悬架运动学及动力学特性模型逆向求解获得轮心六分力。

2.根据权利要求1所述的轮心六分力测量方法，其特征在于，所述建立悬架运动学及动力学特性模型包括：

利用可识别参数建模方法建立悬架运动学及动力学特性模型。

3.根据权利要求1所述的轮心六分力测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

建立悬架运动学及动力学特性模型后，利用样车实验数据对所述悬架运动学及动力学特性模型进行验证，确定建立的悬架运动学及动力学特性模型是否满足精度要求；

如果不满足，则通过修改所述悬架运动学及动力学特性模型的设计参数对所述悬架运动学及动力学特性模型进行修正。

4.根据权利要求1所述的轮心六分力测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

逆向求解获得轮心六分力后，利用轮心六分力数据计算轮心三向加速度、悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力，与传感器实际测得的轮心三向加速度、悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力进行比较，验证结果是否正确。

5.根据权利要求1至4任一项所述的轮心六分力测量方法，其特征在于，所述测量相关零部件受力包括：

在所述零部件上粘贴应变片；

对所述零部件施加作用力，测量得到应变片应变；

根据所述应变片应变及所述作用力，可计算得到应变片应变与零部件应力之间关系的标定系数；

根据应变片应变和标定系数计算零部件实际工作中的受力。

6.一种轮心六分力测量系统，其特征在于，包括：

悬架建模模块，用于建立悬架运动学及动力学特性模型；

悬架运动量测量模块，用于测量悬架运动量，所述悬架运动量包括轮心三向加速度、减振器拉压位移、方向盘转角信号；

受力测量模块，用于测量相关零部件受力，所述相关零部件受力包括悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力和摆臂外球头受力；

计算模块，用于将所述悬架运动量和零部件受力作为输入，利用所述悬架运动学及动力学特性模型逆向求解获得轮心六分力。

7.根据权利要求6所述的轮心六分力测量系统，其特征在于，所述悬架建模模块，具体用于利用可识别参数建模方法建立悬架运动学及动力学特性模型的功能。

8.根据权利要求6所述的轮心六分力测量系统，其特征在于，所述系统还包括：

模型特性验证模块，用于利用样车实验数据对所述悬架运动学及动力学特性模型进行验证，确定建立的悬架运动学及动力学特性模型是否满足精度要求；

修正模块，用于在建立的悬架运动学及动力学特性模型不满足精度要求时，通过修改所述悬架运动学及动力学特性模型的设计参数对所述悬架运动学及动力学特性模型进行修正。

9.根据权利要求6所述的轮心六分力测量系统，其特征在于，所述系统还包括：

传感器测量值验证模块，用于将逆向求解得到的轮心六分力数据计算轮心三向加速度、悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头、摆臂外球头受力与传感器实际测量得到的轮心三向加速度、悬架减震器上端受力、转向横拉杆外球头受力、摆臂外球头受力进行对比，验证计算结果的正确性。

10.根据权利要求6至9任一项所述的轮心六分力测量系统，其特征在于，所述受力测量模块包括：

施力单元，用于对粘贴了应变片的所述零部件施加作用力；

测量单元，用于测量所述零部件在施加作用力情况下的应变；

第一计算单元，用于根据所述应变片应变及所述作用力，计算得到应变片应变与零部件应力之间关系的标定系数；

第二计算单元，用于根据应变片应变和标定系数计算零部件受力。