CN110162809A - 汽车前桥及车架动力学建模及模型验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽车前桥及车架动力学建模及模型验证方法，所述方法包括以下步骤：S1)利用实体软件建立前桥动力学模型，前桥包括前轮、悬架板簧、减震器、转向桥、转向拉杆、以及转向节；S2)利用实体软件建立及验证前桥子系统动力学模型；以及S3)利用实体软件建立及验证车架动力学模型。本发明提供的汽车前桥及车架动力学建模及模型验证方法通过对前桥子系统进行动力学建模和验证来完成对整个前桥的动力学建模和验证，对车架动力学建模及验证，通过建立车架柔性体模型并对该模型进行验证以及对车架连接件的柔性体车架板簧和车架减震器分别建模并对所建模型进行验证，可以为后续的整车动力学建模提供依据并对整车进行刚柔耦合模型修正。

Description

汽车前桥及车架动力学建模及模型验证方法

技术领域

本发明涉及汽车动力学建模领域，具体地，涉及一种汽车前桥及车架动力学建模及模型验证方法。

背景技术

动力学分析与软件仿真随着计算机技术的发展而不断成熟，尤其是机械系统建模和仿真商业软件的出现，使得动力学分析与仿真技术在机械制造中得到越来越多的应用，特别是在汽车制造行业，动力学分析与仿真技术的样机的应用，可以简化产品的设计开发过程，大幅度的缩短产品的开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，是当今汽车研发领域的一项关键技术。

目前在汽车动力学分析与软件仿真方面，多数情况下，该行业研究人员主要针对汽车上的各个部件进行动力学建模和仿真，很少会对多个汽车部件进行动力学建模和仿真。

发明内容

本发明提供了一种汽车前桥及车架动力学建模及模型验证方法，所述方法包括以下步骤：S1)利用实体软件建立前桥动力学模型，所述前桥包括前轮、悬架板簧、减震器、转向桥、转向拉杆、以及转向节；S2)利用实体软件建立及验证前桥子系统动力学模型；以及S3)利用实体软件建立及验证车架动力学模型。

优选地，所述建立及验证前桥子系统动力学模型包括：建立及验证前轮与减震器模型、建立前桥及前桥连接件运动副模型、建立前轮与路面连接运动副模型、以及建立前桥动力总成及转向直拉杆模型。

优选地，建立前轮与减震器模型包括：建立右前轮胎模型、建立右前减震器模型、建立左前减震器模型、以及建立左前轮胎模型；验证前轮与减震器模型包括：使用前轮到车身的传递函数验证前轮模型；采用弹簧力模拟方式验证减震器模型。

优选地，所述右前轮胎模型和左前轮胎模型为UA轮胎模型、Fiala轮胎模型和魔术轮胎模型中的任意一种。

优选地，所述建立前桥及前桥连接件运动副模型包括：基于所述前桥动力学模型，建立前桥连接件运动副模型，所述前桥连接件运动副模型包括：板簧吊耳旋转副模型、转向节前端与轮胎旋转副模型、转向节旋转副模型、减震力模型、板簧吊耳后端移动副模型、对称侧结构模型、以及板簧与转向桥固定副模型。

优选地，所述建立前轮与路面连接运动副模型包括：建立前轮动力学模型；基于所述前轮动力学模型，建立路面连接运动副模型，所述路面连接运动副模型包括：右前轮胎旋转副及扭矩力模型、右前减震器与板簧固定副模型、左前轮胎旋转副及扭矩力、前轮轮胎与路面相切点模型。

优选地，所述建立前桥动力总成及转向直拉杆模型包括：建立动力总成右前衬套模型、建立动力总成质心模型、建立动力总成变速箱右侧端衬套模型、建立动力总成变速箱端左侧衬套模型、建立动力总成左前衬套模型、建立转向拉杆球铰模型、以及建立转向直拉杆与转向器球铰模型。

优选地，步骤S3)利用实体软件建立及验证车架动力学模型包括：对车架进行柔性体建模，得到车架柔性体模型；通过验证所述车架柔性体模型的模态振型来验证所述车架柔性体模型，当验证结果为所述模态振型的频率误差在第一频率范围内且模态值误差小于等于第一阈值时，验证结束；对车架板簧进行柔性体建模，得到柔性体车架板簧模型；通过拟合所述柔性体车架板簧的刚度来验证所述柔性体车架板簧模型；建立车架减震器刚度阻尼模型，并对所述车架减震器刚度阻尼模型进行验证。

优选地，所述第一频率范围为1-20Hz，所述第一阈值为5％。

优选地，所述方法还包括：验证动力总成刚体模态、前桥悬架系统的偏频模态、转向桥模态、转向器模态、转向拉杆模态、以及板簧模态。

本发明提供的汽车前桥及车架动力学建模及模型验证方法，通过对前桥子系统进行动力学建模和验证来完成对整个前桥的动力学建模和验证，对所述车架进行动力学建模及验证，通过建立车架柔性体模型并对该模型进行验证以及对车架连接件的柔性体车架板簧和车架减震器分别建模并对所建模型进行验证，可以为后续的整车动力学建模提供依据并对整车进行刚柔耦合模型修正。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本申请，但并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1是本发明实施例提供的前桥结构示意图；

图2是本发明实施例提供的前轮与减震器模型示意图；

图3是本发明实施例提供的前桥及前桥连接件运动副模型示意图；

图4是本发明实施例提供的前轮与路面连接运动副模型示意图；

图5是本发明实施例提供的前桥动力总成及转向直拉杆模型示意图；

图6是本发明实施例提供的前桥动力总成结构示意图；

图7是本发明实施例提供的车架柔性体模型验证示意图；

图8是本发明实施例提供的验证车架板簧刚度示意图；

图9是本发明实施例提供的柔性体车架板簧模型验证示意图；

图10是本发明实施例提供的前板簧满载状态刚度验证曲线图；

图11是本发明实施例提供的后板簧空载状态刚度验证曲线图；

图12是本发明实施例提供的后板簧满载状态刚度验证曲线图；以及

图13是本发明实施例提供的车架减震器模型验证结果图表。

附图标记说明

1前轮 2悬架板簧

3减震器 4转向桥

5转向拉杆 6转向节

7车架 101右前轮胎模型

102右前减震器模型 103左前减震器模型

104左前轮胎模型 111右前轮胎旋转副及扭矩力模型

112右前减震器与板簧固定副模型

113左前轮胎旋转副及扭矩力模型

114前轮轮胎与路面相切点模型

211右前衬套模型

212动力总成质心模型

213动力总成变速箱右侧端衬套模型

214动力总成变速箱端左侧衬套模型

215动力总成左前衬套模型

216转向拉杆球铰模型

217转向直拉杆与转向器球铰模型

801板簧吊耳旋转副模型

802转向节前端与轮胎旋转副模型

803转向节旋转副模型

804减震力模型

805板簧吊耳后端移动副模型

806对称侧结构模型

807板簧与转向桥固定副模型

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

如图1所示，本发明提供一种汽车前桥及车架动力学建模及模型验证方法，所述方法包括以下步骤：S1)利用实体软件建立前桥动力学模型，所述前桥包括前轮1、悬架板簧2、减震器3、转向桥4、转向拉杆5、以及转向节6；S2)利用实体软件建立及验证前桥子系统动力学模型；以及S3)利用实体软件建立及验证车架动力学模型。

优选地，所述建立及验证前桥子系统动力学模型包括：建立及验证前轮与减震器模型、建立前桥及前桥连接件运动副模型、建立前轮与路面连接运动副模型、以及建立前桥动力总成及转向直拉杆模型。

在商用车中后轮为承重轮单侧双胎，前轮为转向轮，前桥为转向桥，而本发明的方案是前桥作为转向桥的动力学建模及模型验证。建立及验证前桥子系统动力学模型，如图2所示，优选地，建立前轮与减震器模型包括：建立右前轮胎模型101、建立右前减震器模型102、建立左前减震器模型103、以及建立左前轮胎模型104；验证前轮与减震器模型包括：使用前轮1到车身的传递函数验证前轮模型；采用弹簧力模拟方式验证减震器模型。

在一个实施方式中，建立所述前轮与减震器模型的步骤中，建立右前轮胎模型101和左前轮胎模型104，优选地，所述右前轮胎模型104和左前轮胎模型104为UA轮胎模型、Fiala轮胎模型和魔术轮胎模型中的任意一种；在另一个实施方式中，采用模态轮胎对所述右前轮胎模型101和左前轮胎模型104进行定义，定义所述模态轮胎需要分别定义所述右前轮胎模型101和所述左前轮胎模型104各个自由度方向的刚度和阻尼值并建立精确的有限元模型。

在另一个实施方式中，所述右前轮胎模型101和左前轮胎模型104为非线性轮胎，对所述非线性轮胎建模需要输入轮胎的质心、惯量、轮胎轴向刚度、径向刚度、侧偏刚度、滑移刚度等参数，所述右前轮胎模型101和左前轮胎模型104的安装点选择转向节标记点，所述右前轮胎模型101和左前轮胎模型104的刚度定义完成后，分别计算所述右前轮胎模型101和左前轮胎模型104到车身的传递函数和振动响应，用传递函数来校正所述右前轮胎模型101和左前轮胎模型104。

在一个实施方式中，验证所述右前减震器模型102和验证左前减震器模型103是通过弹簧力模拟，所述减震器3的上安装点为车架7上减震器安装支座，所述减震器3的下安装点在悬架板簧2上，输入所述减震器3的刚度和阻尼，进行复原阻力、压缩阻力、运动速度的测试。

如图3所示，优选地，所述建立前桥及前桥连接件运动副模型包括：基于所述前桥动力学模型，建立前桥连接件运动副模型，所述前桥连接件运动副模型包括：板簧吊耳旋转副模型801、转向节前端与轮胎旋转副模型802、转向节旋转副模型803、减震力模型804、板簧吊耳后端移动副模型805、对称侧结构模型806、以及板簧与转向桥固定副模型807。

所述前桥动力学模型中，需要对所述前轮1、所述悬架板簧2、所述减震器3、所述转向桥4、所述转向拉杆5、以及所述转向节6输入质量、质心、惯量等物理参数，柔性体需要定义质量、模态阶次等信息；所述板簧吊耳旋转副模型801连接车架及柔体板簧只允许一个方向的转动；转向节前端与轮胎连接旋转副模型802在转向节6与前轮1轮心安装点处施加；转向节旋转副模型803用于约束转向节6与转向桥4之间的运动，只允许轴向转动；减震力模型804用于模拟减震器3，分别作用于车架减震器支架作用点和悬架板簧2作用点；板簧吊耳后端移动副模型805分别作用于车架7与悬架板簧2上，允许车架7前后方向的移动；悬架板簧2与转向桥固定副模型用于模拟悬架板簧2与转向桥4的固定连接；由于悬架板簧2是柔性体，存在着小变形，因此固定副连接点定义在悬架板簧2的U型螺栓的中心点，并允许悬架板簧2自身存在变形。

如图4所示，优选地，所述建立前轮与路面连接运动副模型包括：建立前轮动力学模型；基于所述前轮动力学模型，建立路面连接运动副模型，所述路面连接运动副模型包括：右前轮胎旋转副及扭矩力模型111、右前减震器与板簧固定副模型112、左前轮胎旋转副及扭矩力模型113、前轮轮胎与路面相切点模型114，其中在前轮1与转向节6连接点施加旋转副，模拟转向节6与前轮1之间的相对转动，在旋转副上同时施加扭矩，用来保证轮胎相对于地面的驱动力；减震器3下端与悬架板簧2固定连接，路面选择2D或3D平直路面，也可对路面进行路谱扫描，将前轮1与所述扫描路谱进行关联驱动，前轮1与路面的相切点作用于前轮1的表面且与路面垂直。

如图5和图6所示，优选地，所述建立前桥动力总成及转向直拉杆模型包括：建立动力总成右前衬套模型211、建立动力总成质心模型212、建立动力总成变速箱右侧端衬套模型213、建立动力总成变速箱端左侧衬套模型214、建立动力总成左前衬套模型215、建立转向拉杆球铰模型216、以及建立转向直拉杆与转向器球铰模型217，通过衬套连接将动力总成质心、惯量施加于车架7上，同时动力总成悬置的压装角度分别为42,42,20,20度。

优选地，步骤S3)利用实体软件建立及验证车架7动力学模型包括：对车架7进行柔性体建模，得到车架柔性体模型；通过验证所述车架柔性体模型的模态振型来验证所述车架柔性体模型，当验证结果为所述模态振型的频率误差在第一频率范围内且模态值误差小于等于第一阈值时，验证结束；对车架板簧进行柔性体建模，得到柔性体车架板簧模型；通过拟合所述柔性体车架板簧的刚度来验证所述柔性体车架板簧模型；建立车架减震器刚度阻尼模型，并对所述车架减震器刚度阻尼模型进行验证。

其中，如图7所示，利用有限元分析软件对车架7进行柔性体建模，得到车架柔性体模型；车架7一阶模态在4.5Hz。

通过验证所述车架柔性体模型的模态振型来验证所述车架柔性体模型，当验证结果为所述模态振型的频率误差在1-20Hz内且模态值误差小于等于5％时，验证结束。

对车架板簧进行柔性体建模，得到柔性体车架板簧模型。

如图8和图9所示，通过拟合所述柔性体车架板簧的刚度来验证所述柔性体车架板簧模型。车架板簧的刚度拟合，分别对前板簧、后板簧进行刚度拟合，加载过程中，从2000N-12000N进行加载和卸载试验，用加载力的差值处于静态挠度的差值，得出车架板簧刚度，工况按照动力学分析工况，空载和满载工况进行刚度拟合，拟合结果由实体软件直接产生，如图10-图12所示，然后将拟合结果与试验结果进行对比，调整拟合结果，将拟合结果验证完毕，进行动力学车架板簧装配。

建立车架减震器刚度阻尼模型，并对所述车架减震器刚度阻尼模型进行验证；需要通过试验来得到验证所述车架减震器刚度阻尼模型的参数，具体将车架减震器安装于振动试验台上，车架减震器伸缩速度从0.05-1.0m/s的速度进行逐级递增的伸缩试验，得出车架减震器的复原和压缩阻力及速度，进行换算求解出车架减震器的刚度阻尼，并将所述刚度阻尼施加到动力学模型中对所述车架减震器刚度阻尼模型进行验证，通过软件验证后直接生成验证结果示意图，如图13所示。

优选地，所述方法还包括：验证动力总成刚体模态、前桥悬架系统的偏频模态、转向桥模态、转向器模态、转向拉杆模态、以及板簧模态。

本发明提供的汽车前桥及车架动力学建模及模型验证方法通过对前桥子系统进行动力学建模和验证来完成对整个前桥的动力学建模和验证，对车架动力学建模及验证，通过建立车架柔性体模型并对该模型进行验证以及对车架连接件的柔性体车架板簧和车架减震器分别建模并对所建模型进行验证，可以为后续的整车动力学建模提供依据并对整车进行刚柔耦合模型修正。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本申请的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本申请的思想，其同样应当视为本申请所公开的内容。

Claims (10)

1.一种汽车前桥及车架动力学建模及模型验证方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1)利用实体软件建立前桥动力学模型，所述前桥包括前轮、悬架板簧、减震器、转向桥、转向拉杆、以及转向节；

S2)利用实体软件建立及验证前桥子系统动力学模型；以及

S3)利用实体软件建立及验证车架动力学模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立及验证前桥子系统动力学模型包括：建立及验证前轮与减震器模型、建立前桥及前桥连接件运动副模型、建立前轮与路面连接运动副模型、以及建立前桥动力总成及转向直拉杆模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，建立前轮与减震器模型包括：建立右前轮胎模型、建立右前减震器模型、建立左前减震器模型、以及建立左前轮胎模型；

验证前轮与减震器模型包括：

使用前轮到车身的传递函数验证前轮模型；

采用弹簧力模拟方式验证减震器模型。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述右前轮胎模型和左前轮胎模型为UA轮胎模型、Fiala轮胎模型和魔术轮胎模型中的任意一种。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立前桥及前桥连接件运动副模型包括：

基于所述前桥动力学模型，建立前桥连接件运动副模型，所述前桥连接件运动副模型包括：板簧吊耳旋转副模型、转向节前端与轮胎旋转副模型、转向节旋转副模型、减震力模型、板簧吊耳后端移动副模型、对称侧结构模型、以及板簧与转向桥固定副模型。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立前轮与路面连接运动副模型包括：

建立前轮动力学模型；

基于所述前轮动力学模型，建立路面连接运动副模型，所述路面连接运动副模型包括：右前轮胎旋转副及扭矩力模型、右前减震器与板簧固定副模型、左前轮胎旋转副及扭矩力、前轮轮胎与路面相切点模型。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立前桥动力总成及转向直拉杆模型包括：

建立动力总成右前衬套模型、建立动力总成质心模型、建立动力总成变速箱右侧端衬套模型、建立动力总成变速箱端左侧衬套模型、建立动力总成左前衬套模型、建立转向拉杆球铰模型、以及建立转向直拉杆与转向器球铰模型。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3)利用实体软件建立及验证车架动力学模型包括：

对车架进行柔性体建模，得到车架柔性体模型；

通过验证所述车架柔性体模型的模态振型来验证所述车架柔性体模型，当验证结果为所述模态振型的频率误差在第一频率范围内且模态值误差小于等于第一阈值时，验证结束；

对车架板簧进行柔性体建模，得到柔性体车架板簧模型；

通过拟合所述柔性体车架板簧的刚度来验证所述柔性体车架板簧模型；

建立车架减震器刚度阻尼模型，并对所述车架减震器刚度阻尼模型进行验证。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一频率范围为1-20Hz，所述第一阈值为5％。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：验证动力总成刚体模态、前桥悬架系统的偏频模态、转向桥模态、转向器模态、转向拉杆模态、以及板簧模态。