CN108593314A - 一种车辆悬架装置试验台参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，包括如下步骤：S1、确定所要再现的激励形式下的目标信号，S2、根据所需激励方式，对试验台各参数进行计算，S3、最大载荷进行计算，S4、最大激振振幅进行计算，S5、最大激振力进行计算，S6、最大激振功率进行计算，S7、激振频率范围进行计算，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：通过确定所要激励形式下的目标信号，对相关数据通过相关公式运算，可得到悬架装置试验台设计所需的全部参数，从而保证悬架装置试验台设计的准确性和可靠性。

Description

一种车辆悬架装置试验台参数计算方法

技术领域

本发明是一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，属于机械结构设计方法领域。

背景技术

悬架系统是车体与车轮间所有传力、连接装置的总称，通常主要由弹性元件(悬架弹簧)和阻尼元件(减振器)等组成，其作用是缓和并衰减由于路面激励引起的振动和冲击，使车辆在行驶和操纵过程保持平稳。图2所示即为2自由度1/4车辆悬架系统的力学模型。图中，m_s以及m_t分别为车体和车轮的质量；k_s以及k_t分别为悬架弹簧和车轮的等效刚度；c_s为减振器阻尼系数；x_s、x_t以及x_r分别为车体、车轮垂直位移和路面不平度激励。

国内外研究人员常用的路面激励试验台架有美国MTS公司生产的系列激振台，如871型单通道电液伺服系统，可模拟车轮受到的正弦、脉冲和随机路面激励；INSTRON公司生产的8800系列液压伺服激振试验台，也可以模拟等级路面的振动激励，但是都没有说明试验台设计过程中各个参数的计算方法。国内方面，北京佛力系统公司生产的悬架测试系统试验台，主要是基于凸轮机构，只能实现的是正弦路面的振动激励。

在悬架装置试验台设计的过程中，根据试验对象的不同、激励形式的不同，所需的激励源的参数也不尽相同，本发明就是要提出一种根据试验对象和目标激励来计算试验台激励源参数的方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，包括如下步骤：S1、确定所要再现的激励形式下的目标信号，S2、根据所需激励方式，对试验台各参数进行计算，S3、最大载荷进行计算，S4、最大激振振幅进行计算，S5、最大激振力进行计算，S6、最大激振功率进行计算，S7、激振频率范围进行计算。

进一步地，在所述S1步骤中，悬架装置试验过程中常用的激励形式包括正弦激励、随机激励和脉冲激励，由于不同的激励形式、相同激励形式条件下的不同参数所需的激励源参数亦不相同，因此计算试验台的参数前首先要确定所要再现的激励的参数。

进一步地，所述正弦激励主要用于考察悬架系统在特定激振频率下响应特性，也可用于测试减振器的静态力学性能，正弦激励的一般运动方程为：x_r(t)＝Asinωt(1)，其中A为正弦激励的位移幅值，ω为正弦激励的角频率，ω＝2πf，f为时间频率，t为时间；

当使用正弦激励测试悬架系统在特定频率下的响应特性时，要求激励频率能够覆盖车体的固有频率(通常为1～2Hz)和车轮的固有频率(通常为10～15Hz)，因此频率范围应不小于1～15Hz，对激励的幅值无特别要求，当使用正弦激励测试减振器的静态力学特性时，最大行程应大于0.1m，即最大激励振幅应大于0.05m，激励速度应大于0.52m/s，即Aω>0.52m/s。

进一步地，所述随机激励通常采用路面功率谱密度来描述路面不平度的统计特性，并把路面划分为A～H的8个等级，其公式为：其中n表示空间频率，含义为单位长度的路面包的含波长个数，单位：m^-1；n₀为参考空间频率，取值为0.1m^-1，为路面不平度系数，代表参考空间频率n₀的路面谱，单位：m²/m^-1，w为频率指数，决定路面谱的频率结构，通常取2，n_u以及n_l分别代表上、下限空间频率，通常取值为2.83m^-1、0.011m^-1，在常用车速v＝30～70km/h下，可以保证频率范围f＝0.214～23.58Hz，能够有效覆盖车体的共振频率和车轮的共振频率；

采用谐波叠加法生成随机路面不平空间域信号，然后引入车速v将空间域信号转化为时域信号，则t时刻路面不平位移幅值为：其中n_{mid_i}为第i个小区间的中心频率，θ_i为[0,2π]之间的随机相位；

根据设定的路面等级和车速利用式(2)(3)即可得到该随机激励的时域信号，路面等级和车速的设定可参考以下信息：根据GB/T 4970-2009，对于随机路面，一般路面条件下的试验车速为30～70km/h，又已知，我国的公路路面等级主要在B级和C级，而越野车辆则需要行驶于较为恶劣的越野路面。

进一步地，所述脉冲激励主要用于测试悬架的抗冲击性能，根据GB/T 4970-2009，脉冲激励可采用三角形凸块，也可以根据自身需要采用其他形状的凸块，根据凸块尺寸可得到其空间域信号，同样引入车速v后，可将空间域信号转化为时间域信号，公式为：

为得到实际中可用的离散化的时间-位移信号，在利用(1)(3)(4)式计算时还需根据采样定理进行离散采样，设采样频率为f，则f必须大于路面最高频率的2倍，采样间隔时间Δt＝1/f。

进一步地，在所述S2步骤中，悬架装置试验台设计过程中需要确定的参数主要有：最大载荷、最大激振振幅、最大激振力、最大激振功率和激振的频率范围等，确定了激励的目标信号后，就可进行最大载荷进行计算S3，最大激振振幅进行计算S4，最大激振力进行计算S5，最大激振功率进行计算S6以及激振频率范围进行计算S7。

进一步地，在所述S3步骤中最大载荷应为悬架装置试验台的最大载荷，其由所要研究的悬架系统的重量决定，悬架装置试验台的测试针对的是四分之一车辆悬架系统，悬架装置试验台台的最大载荷公式：m_r＝m/4，其中m_r为最大载荷，m为车辆重量。

进一步地，在所述S4步骤中最大激振振幅应为悬架装置试验台设计的最大振幅，其应大于要实现的目标激励位移信号的最大值，即A_r>max{x_r}，其中A_r为最大激振振幅，具体来讲，需要根据公式(1)(3)(4)分别生成符合本文设计最高目标的正弦路面、随机路面和凸块路面(应该是经过某一频率的采样后得到的一系列离散的点的坐标)，然后通过对路面数据的统计分析得到各自的最大激振幅值。

进一步地，在所述S5步骤中最大激振力为悬架装置试验台的最大激振力，其应大于要实现的目标激励所需克服的各种阻力之和的最大值，即其中F_r为最大激振力，是惯性力，G是激振载荷的重力，G＝m_rg，f_r是液压缸所需克服的粘性阻尼力，c_r是液压油的粘性阻尼系数，初始设计时由于f_r较难确定，主要考虑F_m和G。

进一步地，在所述S6步骤中最大激振功率为悬架装置试验台的最大功率，其应大于最大激振功率要实现的目标激励信号瞬时功率的最大值，即P_r＞max|(F_m+F_t+f_r)v_r/η|(6)，其中，P_r为最大激振功率，η为液压系统的效率，一般在0.8～0.85之间。

进一步地，在所述S7步骤中，正弦激励与随机激励对于试验台激振频域范围的基本要求基本是一致的，都是要能够覆盖车体的共振频率和车轮的共振频率，脉冲激励则对此无特别要求；

由于当激励信号变化时的激振力和激振频率是不断变化的，因此这两个参数的计算需要利用MATLAB/SIMULINK分别对三种激励形式的目标激励信号进行时域上的数字模拟与仿真分析计算，系统的动力学方程如下：

根据式(5)(6)(7)在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型，对所得数据进行统计分析和处理，可得到对应激励条件下和最终试验台设计所需激振力和激振功率的最大值。

本发明的有益效果：本发明的一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，通过确定所要激励形式下的目标信号，对相关数据通过相关公式运算，可得到悬架装置试验台设计所需的全部参数，从而使悬架装置试验台的设计准确和可靠。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种车辆悬架装置试验台参数计算方法的流程图；

图2为本发明一种车辆悬架装置试验台参数计算方法中车辆悬架系统动力学模型；

图3为本发明一种车辆悬架装置试验台参数计算方法中路面不平度8级分类标准表格；

图4为本发明一种车辆悬架装置试验台参数计算方法中凸块结构尺寸图；

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1-图4，本发明提供一种技术方案：一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，包括如下步骤：S1、确定所要再现的激励形式下的目标信号。

S2、根据所需激励方式，对试验台各参数进行计算。

S3、最大载荷进行计算。

S4、最大激振振幅进行计算。

S5、最大激振力进行计算。

S6、最大激振功率进行计算。

S7、激振频率范围进行计算。

作为本发明的一个实施例：在S1步骤中，悬架装置试验过程中常用的激励形式包括正弦激励、随机激励和脉冲激励，由于不同的激励形式、相同激励形式条件下的不同参数所需的激励源参数亦不相同，因此计算试验台的参数前首先要确定所要再现的激励的参数。

作为本发明的一个实施例：正弦激励主要用于考察悬架系统在特定激振频率下响应特性，也可用于测试减振器的静态力学性能，正弦激励的一般运动方程为：x_r(t)＝Asinωt(1)，其中A为正弦激励的位移幅值，ω为正弦激励的角频率，ω＝2πf，f为时间频率，t为时间；

当使用正弦激励测试悬架系统在特定频率下的响应特性时，要求激励频率能够覆盖车体的固有频率(通常为1～2Hz)和车轮的固有频率(通常为10～15Hz)，因此频率范围应不小于1～15Hz，对激励的幅值无特别要求，当使用正弦激励测试减振器的静态力学特性时，最大行程应大于0.1m，即最大激励振幅应大于0.05m，激励速度应大于0.52m/s，即Aω>0.52m/s。

作为本发明的一个实施例：随机激励通常采用路面功率谱密度来描述路面不平度的统计特性，如图3所示可把路面划分为A～H的8个等级，其公式为：其中n表示空间频率，含义为单位长度的路面包的含波长个数，单位：m^-1；n₀为参考空间频率，取值为0.1m^-1，为路面不平度系数，代表参考空间频率n₀的路面谱，单位：m²/m^-1，w为频率指数，决定路面谱的频率结构，通常取2，n_u以及n_l分别代表上、下限空间频率，通常取值为2.83m^-1、0.011m^-1，在常用车速v＝30～70km/h下，可以保证频率范围f＝0.214～23.58Hz，能够有效覆盖车体的共振频率和车轮的共振频率；

采用谐波叠加法生成随机路面不平空间域信号，然后引入车速v将空间域信号转化为时域信号，则t时刻路面不平位移幅值为：其中n_{mid_i}为第i个小区间的中心频率，θ_i为[0,2π]之间的随机相位；

根据设定的路面等级和车速利用式(2)(3)即可得到该随机激励的时域信号，路面等级和车速的设定可参考以下信息：根据GB/T 4970-2009，对于随机路面，一般路面条件下的试验车速为30～70km/h，又已知，我国的公路路面等级主要在B级和C级，而越野车辆则需要行驶于较为恶劣的越野路面。

作为本发明的一个实施例：脉冲激励主要用于测试悬架的抗冲击性能，根据GB/T4970-2009，脉冲激励可采用三角形凸块，也可以根据自身需要采用其他形状的凸块，如图4所示的一种常见的减速带作为脉冲激励源，根据图中凸块尺寸可得到其空间域信号可得到其空间域信号，同样引入车速v后，可将空间域信号转化为时间域信号，公式为：

为得到实际中可用的离散化的时间-位移信号，在利用(1)(3)(4)式计算时还需根据采样定理进行离散采样，设采样频率为f，则f必须大于路面最高频率的2倍，采样间隔时间Δt＝1/f。

作为本发明的一个实施例：在S2步骤中，悬架装置试验台设计过程中需要确定的参数主要有：最大载荷、最大激振振幅、最大激振力、最大激振功率和激振的频率范围等，确定了激励的目标信号后，就可进行最大载荷进行计算S3，最大激振振幅进行计算S4，最大激振力进行计算S5，最大激振功率进行计算S6以及激振频率范围进行计算S7。

作为本发明的一个实施例：在S3步骤中最大载荷应为悬架装置试验台的最大载荷，其由所要研究的悬架系统的重量决定，悬架装置试验台的测试针对的是四分之一车辆悬架系统，悬架装置试验台台的最大载荷公式：m_r＝m/4，其中m_r为最大载荷，m为车辆重量。

作为本发明的一个实施例：在S4步骤中最大激振振幅应为悬架装置试验台设计的最大振幅，其应大于最大振幅要实现的目标激励位移信号的最大值，即A_r>max{x_r}，其中A_r为最大激振振幅，具体来讲，需要根据公式(1)(3)(4)分别生成符合本文设计最高目标的正弦路面、随机路面和凸块路面(应该是经过某一频率的采样后得到的一系列离散的点的坐标)，然后通过对路面数据的统计分析得到各自的最大激振幅值。

作为本发明的一个实施例：在S5步骤中最大激振力为悬架装置试验台的最大激振力，其应大于最大激振力要实现的目标激励所需克服的各种阻力之和的最大值，即其中F_r为最大激振力，是惯性力，G是激振载荷的重力，G＝m_rg，f_r是液压缸所需克服的粘性阻尼力，c_r是液压油的粘性阻尼系数，初始设计时由于f_r较难确定，主要考虑F_m和G。

作为本发明的一个实施例：在S6步骤中最大激振功率为悬架装置试验台的最大功率，其应大于最大激振功率要实现的目标激励信号瞬时功率的最大值，即P_r＞max|(F_m+F_t+f_r)v_r/η| (6)，其中，P_r为最大激振功率，η为液压系统的效率，一般在0.8～0.85之间。

作为本发明的一个实施例：在S7步骤中，正弦激励与随机激励对于试验台激振频域范围的基本要求基本是一致的，都是要能够覆盖车体的共振频率和车轮的共振频率，脉冲激励则对此无特别要求；

由于当激励信号变化时的激振力和激振频率是不断变化的，因此这两个参数的计算需要利用MATLAB/SIMULINK分别对三种激励形式的目标激励信号进行时域上的数字模拟与仿真分析计算，根据如图2所示的悬架系统结构，可得到系统的动力学方程如下：

根据式(5)(6)(7)在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型，对所得数据进行统计分析和处理，可得到对应激励条件下和最终试验台设计所需激振力和激振功率的最大值。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (11)

1.一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、确定所要再现的激励形式下的目标信号；

S2、根据所需激励方式，对试验台各参数进行计算；

S3、最大载荷进行计算；

S4、最大激振振幅进行计算；

S5、最大激振力进行计算；

S6、最大激振功率进行计算；

S7、激振频率范围进行计算。

2.根据权利要求1所述的一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，其特征在于：在所述S1步骤中，悬架装置试验过程中常用的激励形式包括正弦激励、随机激励和脉冲激励，由于不同的激励形式、相同激励形式条件下的不同参数所需的激励源参数亦不相同，因此计算试验台的参数前首先要确定所要再现的激励的参数。

3.根据权利要求2所述的一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，其特征在于：所述正弦激励主要用于考察悬架系统在特定激振频率下响应特性，也可用于测试减振器的静态力学性能，正弦激励的一般运动方程为：x_r(t)＝Asinωt(1)，其中A为正弦激励的位移幅值，ω为正弦激励的角频率，ω＝2πf，f为时间频率，t为时间；

当使用正弦激励测试悬架系统在特定频率下的响应特性时，要求激励频率能够覆盖车体的固有频率(通常为1～2Hz)和车轮的固有频率(通常为10～15Hz)，因此频率范围应不小于1～15Hz，对激励的幅值无特别要求，当使用正弦激励测试减振器的静态力学特性时，最大行程应大于0.1m，即最大激励振幅应大于0.05m，激励速度应大于0.52m/s，即Aω>0.52m/s。

4.根据权利要求2所述的一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，其特征在于：所述随机激励通常采用路面功率谱密度来描述路面不平度的统计特性，并把路面划分为A～H的8个等级，其公式为：(n_l≤n≤n_u)(2)，其中n表示空间频率，含义为单位长度的路面包的含波长个数，单位：m^-1；n₀为参考空间频率，取值为0.1m^-1，为路面不平度系数，代表参考空间频率n₀的路面谱，单位：m²/m^-1，w为频率指数，决定路面谱的频率结构，通常取2，n_u以及n_l分别代表上、下限空间频率，通常取值为2.83m^-1、0.011m^-1，在常用车速v＝30～70km/h下，可以保证频率范围f＝0.214～23.58Hz，能够有效覆盖车体的共振频率和车轮的共振频率；

采用谐波叠加法生成随机路面不平空间域信号，然后引入车速v将空间域信号转化为时域信号，则t时刻路面不平位移幅值为：其中n_{mid_i}为第i个小区间的中心频率，θ_i为[0,2π]之间的随机相位；

根据设定的路面等级和车速利用式(2)(3)即可得到该随机激励的时域信号，路面等级和车速的设定可参考以下信息：根据GB/T 4970-2009，对于随机路面，一般路面条件下的试验车速为30～70km/h，又已知，我国的公路路面等级主要在B级和C级，而越野车辆则需要行驶于较为恶劣的越野路面。

5.根据权利要求2所述的一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，其特征在于：所述脉冲激励主要用于测试悬架的抗冲击性能，根据GB/T4970-2009，脉冲激励可采用三角形凸块，也可以根据自身需要采用其他形状的凸块，根据凸块尺寸可得到其空间域信号，同样引入车速v后，可将空间域信号转化为时间域信号，公式为：

为得到实际中可用的离散化的时间-位移信号，在利用(1)(3)(4)式计算时还需根据采样定理进行离散采样，设采样频率为f，则f必须大于路面最高频率的2倍，采样间隔时间Δt＝1/f。

6.根据权利要求1所述的一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，其特征在于：在所述S2步骤中，悬架装置试验台设计过程中需要确定的参数主要有：最大载荷、最大激振振幅、最大激振力、最大激振功率和激振的频率范围等，确定了激励的目标信号后，就可进行最大载荷进行计算S3，最大激振振幅进行计算S4，最大激振力进行计算S5，最大激振功率进行计算S6以及激振频率范围进行计算S7。

7.根据权利要求6所述的一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，其特征在于：在所述S3步骤中最大载荷应为悬架装置试验台的最大载荷，其由所要研究的悬架系统的重量决定，悬架装置试验台的测试针对的是四分之一车辆悬架系统，悬架装置试验台台的最大载荷公式：m_r＝m/4，其中m_r为最大载荷，m为车辆重量。

8.根据权利要求6所述的一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，其特征在于：在所述S4步骤中最大激振振幅应为悬架装置试验台设计的最大振幅，其应大于要实现的目标激励位移信号的最大值，即A_r>max{x_r}，其中A_r为最大激振振幅，具体来讲，需要根据公式(1)(3)(4)分别生成符合本文设计最高目标的正弦路面、随机路面和凸块路面(应该是经过某一频率的采样后得到的一系列离散的点的坐标)，然后通过对路面数据的统计分析得到各自的最大激振幅值。

9.根据权利要求6所述的一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，其特征在于：在所述S5步骤中最大激振力为悬架装置试验台的最大激振力，其应大于要实现的目标激励所需克服的各种阻力之和的最大值，即其中F_r为最大激振力，是惯性力，G是激振载荷的重力，G＝m_rg，f_r是液压缸所需克服的粘性阻尼力，c_r是液压油的粘性阻尼系数，初始设计时由于f_r较难确定，主要考虑F_m和G。

10.根据权利要求6所述的一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，其特征在于：在所述S6步骤中最大激振功率为悬架装置试验台的最大功率，其应大于最大激振功率要实现的目标激励信号瞬时功率的最大值，即P_r＞max|(F_m+F_t+f_r)v_r/η| (6)，其中，P_r为最大激振功率，η为液压系统的效率，一般在0.8～0.85之间。

11.根据权利要求6所述的一种车辆悬架装置试验台参数计算方法，其特征在于：在所述S7步骤中，正弦激励与随机激励对于试验台激振频域范围的基本要求基本是一致的，都是要能够覆盖车体的共振频率和车轮的共振频率，脉冲激励则对此无特别要求；

由于当激励信号变化时的激振力和激振频率是不断变化的，因此这两个参数的计算需要利用MATLAB/SIMULINK分别对三种激励形式的目标激励信号进行时域上的数字模拟与仿真分析计算，系统的动力学方程如下：

根据式(5)(6)(7)在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型，对所得数据进行统计分析和处理，可得到对应激励条件下和最终试验台设计所需激振力和激振功率的最大值。