CN111241706B - 基于动态k&c试验系统的汽车悬架动载性能评价方法 - Google Patents

基于动态k&c试验系统的汽车悬架动载性能评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法，涉及汽车悬架动态性能试验评价技术领域。包括如下步骤：1.推求出轮心垂向位移与动态K&C试验系统激励平台的垂向加载位移之间的传递函数；2.计算轮胎径向刚度；3.得到被测车辆单侧悬架簧下质量、弹簧刚度、减震器阻尼系数以及轮胎阻尼系数；4.计算所述被测车辆单侧簧上质量；5.得到随机道路时域路面不平度；6.计算悬架动行程；7.测得车轮动载荷；8.计算车轮动载系数。本发明对现有所有动态K&C试验系统具普适性，可通过悬架进行含不同车速和路面不平度等级信息的动载K&C加载试验，测量车轮动载荷并计算车轮动载系数，对悬架动载性能进行较准确评价。

Description

基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法
技术领域
本发明涉及汽车悬架动态性能试验评价技术领域，尤其涉及一种基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法。
背景技术
随着交通条件的不断改善，汽车速度不断提高，人们对汽车的操稳性和舒适性要求越来越高，悬架动态性能的好坏直接影响着汽车的操纵稳定性和平顺性。我国在悬架自主开发过程中，主要基于静态K&C试验对悬架进行评价和调试，在车辆实际行驶过程中，悬架以较快的速度产生运动。一方面，现代汽车悬架系统中大量应用衬套等弹性元件，其对于改善悬架弹性运动学性能，有效隔离路面不平度激励引起的振动噪声发挥重要作用，静态K&C试验不能反映橡胶衬套的力学特性对悬架动态性能的影响；另一方面，静态K&C试验不能够有效反映减振器阻尼特性对悬架动态性能的影响。因此，传统的静态K&C试验不能全面评价悬架在汽车实际行驶工况下的动态性能。毕竟“静态”理论不能有效支持“动态”应用。静态K&C试验台受加载能力的限制，不能复现实际道路的激励特征。就目前来看，我国对于悬架动态性能的台架试验研究相对较少。而且现有的悬架动载性能评价方法大都基于计算机仿真计算，模型精度不高，导致评价不够精准；且实车道路试验无法测取车轮接地点处的动载荷，因此无法评价悬架动载性能。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于动态的K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：
1.通过使用动态K&C试验系统对被测车辆两侧车轮进行同向垂向准静态加载试验，获取轮胎径向刚度；对被测车辆两侧车轮进行同向动载扫频加载试验，获得被测车辆单侧悬架簧下/簧上质量、弹簧刚度、减震器阻尼系数、轮胎阻尼系数，建立汽车悬架二自由度模型；
2.使用随机路谱对模型进行激励，计算得到悬架动行程时间历程，并将其作为激励谱对悬架进行动态K&C试验，测得车轮接地点处的动载荷，实现对悬架动载性能的评价。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1、根据车身固定四分之一车辆垂向运动的状态空间模型，推求出轮心垂向位移与所述动态K&C试验系统激励平台的垂向加载位移之间的传递函数；
步骤2、使用所述动态K&C试验系统对被测车辆两侧车轮进行同向和垂向准静态加载试验，得到轮胎垂向静载荷变化量与轮胎径向变形量，计算得到轮胎径向刚度；
步骤3、使用所述动态K&C试验系统对所述被测车辆所述两侧车轮进行同向动态扫频加载试验，得到所述轮心垂向位移，根据试验结果对所述传递函数的参数进行辨识，得到所述被测车辆单侧悬架簧下质量、弹簧刚度、减震器阻尼系数以及轮胎阻尼系数；
步骤4、计算得到所述被测车辆单侧簧上质量；
步骤5、建立含有车速信息和路面不平度等级的时间域随机道路模型，模拟得到随机道路时域路面不平度；
步骤6、建立车身自由四分之一的所述车辆垂向运动的微分运动方程，以模拟得到的所述随机道路时域路面不平度为输入，计算得到悬架动行程；
步骤7、以所述悬架动行程作为所述动态K&C试验系统激励平台的所述垂向加载位移，对所述被测车辆所述两侧车轮进行同向动载随机加载试验，测得车轮动载荷；
步骤8、对测得的所述车轮动载荷进行时域分析，计算得到车轮动载系数。
进一步地，所述步骤1中建立的所述车身固定的四分之一的所述车辆垂向运动的状态空间模型：
Figure BDA0002378668480000021
式中：
Figure BDA0002378668480000022
为轮心垂向加速度，
Figure BDA0002378668480000023
为轮心垂向速度，z0为轮心垂向位移，
Figure BDA0002378668480000024
为所述动态K&C试验系统激励平台垂向加载速度，zq为所述动态K&C试验系统激励平台的所述垂向加载位移，mu为所述单侧悬架簧下质量，K为所述弹簧刚度，C为所述减振器阻尼系数，Kt为所述轮胎径向刚度，Ct为所述轮胎径向阻尼系数，z0由所述动态K&C 试验系统轮心处的位移传感器测得。
进一步地，根据所述步骤1中所述车辆垂向运动的状态空间模型，推求出所述轮心垂向位移与所述动态K&C试验系统激励平台的所述垂向加载位移之间的所述传递函数：
z0(s)/zq(s)＝(Cts+Kt)/[mus2+(C+Ct)s+(K+Kt)]
进一步地，所述步骤2中轮胎径向刚度的计算公式：
Kt＝(Fzsta-Fz)/(zq-z0)
式中：Fzsta为所述垂向准静态加载试验中所述车轮接地点的垂向力，Fz为所述车辆满载状态下所述车轮的静态轴荷。
进一步地，所述步骤3中进行振幅为5mm的1-25Hz的所述动态扫频加载试验。
进一步地，所述步骤4中被测所述车辆单侧簧上质量ms的计算公式：
ms＝Fz-mu
进一步地，所述步骤5中建立含有所述车速信息和所述随机道路时域路面不平度等级的所述时间域随机道路模型：
Figure BDA0002378668480000031
式中：
Figure BDA0002378668480000032
为所述随机道路时域路面不平度变化率，qt为所述随机道路时域路面不平度，v为车速，n1为所述路面不平度下截止空间频率，n0为参考空间频率，Gq(n0)为所述参考空间频率n0下的所述路面不平度系数，w(t)为白噪声信号。
进一步地，所述步骤6中建立所述车身自由四分之一的所述车辆垂向运动的运动方程为：
Figure BDA0002378668480000033
进一步地，所述步骤8中的所述车轮动载系数计算公式：
Figure BDA0002378668480000034
式中：Nd为所述车轮动载系数，t为时间变量，Fzdyn(t)为车轮动载荷，Fz为车辆满载状态下车轮的静态轴荷，T为动态加载试验总时长。
进一步地，根据所述车身自由四分之一的所述车辆垂向运动的运动方程在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，仿真计算得到所述悬架动行程(qt-z0)。
进一步地，在Matlab/Simulink中搭建所述步骤5中建立的所述随机道路时域路面不平度，仿真计算得到所述随机道路时域路面不平度变化率和所述随机道路时域路面不平度。
进一步地，所述步骤7中的所述车轮动载荷由所述动态K&C试验系统激励平台上的力传感器测得。
本发明具有如下有益效果：能够通过对悬架进行含有不同车速和路面不平度等级信息的动载K&C加载试验，测量车轮动载荷并计算车轮动载系数，能够对悬架动载性能进行比较准确的评价，且对现有的所有动态K&C试验系统具有普适性。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是动态K&C试验台中所包含的各个模块以及各个模块的功能结构框图；
图2是车身固定的四分之一车辆垂向运动模型；
图3是在Matlab/Simulink中搭建的含有车速信息和路面不平度等级的时间域随机道路模型；
图4是车身自由的四分之一车辆垂向运动模型；
图5是在Matlab/Simulink中搭建的车身自由的四分之一车辆垂向运动仿真模型；
图6是在Matlab/Simulink中搭建的以含有车速信息和路面不平度等级的时间域随机道路为输入的车身自由的四分之一车辆垂向运动仿真模型。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
本发明的评价方法是针对所有的动态K&C试验系统，具有普适性。动态K&C试验系统的主要功能是提供一种基于试验室环境下、具有可重复性的分析乘用车底盘悬架对于预定义激励反馈，评价悬架性能。试验系统的机械设备具有较高的共振频率，结合控制系统，具有更好的可操作性，试验系统能够精准的测量悬架对于不同输入激励信息的响应，包括力信号和位移信号。
动态K&C试验系统主要包括试验台激励平台系统、轮心传感器测量系统、车身固定装置、车轮适配夹具、制动控制装置以及转向控制装置等。试验系统中所包含的各个模块以及各个模块的功能结构框图如图1所示。
本实施例提供一种基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法，具体步骤为：
步骤1：根据车身固定的四分之一车辆垂向运动的状态空间模型，推求出轮心垂向位移与动态K&C试验系统激励平台的垂向加载位移之间的传递函数。
步骤2：使用动态K&C试验系统对被测车辆两侧车轮进行同向垂向准静态加载试验，得到轮胎垂向静载荷变化量与轮胎径向变形量，计算得到轮胎径向刚度。
步骤3：使用动态K&C试验系统对被测车辆两侧车轮进行同向动载扫频加载试验，得到轮心垂向位移，根据试验结果对传递函数的参数进行辨识，得到被测车辆单侧悬架簧下质量、弹簧刚度、减震器阻尼系数以及轮胎阻尼系数。
步骤4：计算得到被测车辆单侧簧上质量。
步骤5：建立含有车速信息和路面不平度等级的时间域随机道路模型，模拟得到随机道路时域路面不平度。
步骤6：建立车身自由的四分之一车辆垂向运动的微分运动方程，以模拟得到的随机道路时域路面不平度为输入，计算得到悬架动行程。
步骤7：以悬架动行程作为动态K&C试验系统激励平台垂向加载位移，对被测车辆两侧车轮进行同向动载随机加载试验，测得车轮动载荷。
步骤8：对测得的车轮动载荷进行时域分析，计算得到车轮动载系数。
在本实施例中，步骤1中建立的车身固定的四分之一车辆垂向运动的状态空间模型：
Figure BDA0002378668480000051
式中：
Figure BDA0002378668480000052
为轮心垂向加速度，
Figure BDA0002378668480000053
为轮心垂向速度，z0为轮心垂向位移，
Figure BDA0002378668480000054
动态 K&C试验系统激励平台垂向加载速度，zq为动态K&C试验系统激励平台垂向加载位移，mu为单侧簧下质量，K为弹簧刚度，C为减振器阻尼系数，Kt为轮胎径向刚度，Ct为轮胎径向阻尼系数，z0由动态K&C试验系统轮心处的位移传感器测得。
在本实施例中，步骤1中车辆垂向运动的状态空间模型，推求出轮心垂向位移与动态K&C试验系统激励平台垂向加载位移之间的传递函数：
z0(s)/zq(s)＝(Cts+Kt)/[mus2+(C+Ct)s+(K+Kt)] (2)
在本实施例中，步骤2中轮胎径向刚度的计算公式：
Kt＝(Fzsta-Fz)/(zq-z0) (3)
式中：Kt为轮胎径向刚度，Fzsta为垂向准静态加载试验中车轮接地点的垂向力， Fz为车辆满载状态下车轮的静态轴荷，zq为动态K&C试验系统激励平台垂向加载位移，z0为轮心垂向位移。
在本实施例中，步骤3中进行振幅为5mm的1-25Hz动态扫频加载试验。
在本实施例中，步骤4中被测车辆单侧簧上质量的计算公式：
ms＝Fz-mu (4)
式中：ms为单侧簧上质量，Fz为车辆满载状态下车轮的静态轴荷，mu为单侧簧下质量。
在本实施例中，步骤5中建立含有车速信息和路面不平度等级的时间域随机道路模型：
Figure BDA0002378668480000055
式中：
Figure BDA0002378668480000056
为随机道路时间路面不平度变化率，qt为随机道路时间路面不平度，v为车速，n1为路面不平度下截止空间频率，n0为参考空间频率，Gq(n0)为参考空间频率n0下的路面不平度系数，w(t)为白噪声信号。
在本实施例中，在Matlab/Simulink中搭建所述步骤5中建立的随机道路模型如图1所示，仿真计算得到随机道路时间路面不平度变化率和随机道路时间路面不平度。
在本实施例中，步骤6中建立车身自由的四分之一车辆垂向运动的微分运动方程：
Figure BDA0002378668480000061
式中：
Figure BDA0002378668480000062
为随机道路时间路面不平度变化率，qt为随机道路时间路面不平度，
Figure BDA0002378668480000063
为轮心垂向加速度，
Figure BDA0002378668480000064
为轮心垂向速度，z0为轮心垂向位移，mu为单侧簧下质量，K为弹簧刚度，C为减振器阻尼系数，Kt为轮胎径向刚度，Ct为轮胎径向阻尼系数。单侧簧下质量mu，弹簧刚度K，减振器阻尼系数C，轮胎径向刚度Kt和轮胎径向阻尼系数Ct由所述步骤3求得。
在本实施例中，在Matlab/Simulink中搭建车身自由的四分之一车辆垂向运动仿真模型如图4所示，图5是在Matlab/Simulink中搭建的以含有车速信息和路面不平度等级的时间域随机道路为输入的车身自由的四分之一车辆垂向运动模型。仿真计算得到悬架动行程(qt-z0)。
在本实施例中，步骤7中的车轮动载荷由动态K&C试验系统激励平台上的力传感器测得。
在本实施例中，步骤8中的车轮动载系数计算公式：
Figure BDA0002378668480000065
式中：Nd为车轮动载系数，t为时间变量，Fzdyn(t)为车轮动载荷，Fz为车辆满载状态下车轮的静态轴荷，T为动态加载试验总时长。
将某型轿车进行配重(半载、满载为常用工况)、用夹具将其固定在MTS动态K&C试验台上。对应于B、C级随机路面激励下的同向加载试验的结果如表1 和表2所示。
表1 B级路面激励下前悬架动载系数试验结果
Figure BDA0002378668480000066
Figure BDA0002378668480000071
表2 C级路面激励下前悬架动载系数试验结果
Figure BDA0002378668480000072
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1、根据车身固定四分之一车辆垂向运动的状态空间模型，推求出轮心垂向位移与所述动态K&C试验系统激励平台的垂向加载位移之间的传递函数；
步骤2、使用所述动态K&C试验系统对被测车辆两侧车轮进行同向和垂向准静态加载试验，得到轮胎垂向静载荷变化量与轮胎径向变形量，计算得到轮胎径向刚度；
步骤3、使用所述动态K&C试验系统对所述被测车辆所述两侧车轮进行同向动态扫频加载试验，得到所述轮心垂向位移，根据试验结果对所述传递函数的参数进行辨识，得到所述被测车辆单侧悬架簧下质量、弹簧刚度、减震器阻尼系数以及轮胎阻尼系数；
步骤4、计算得到所述被测车辆单侧簧上质量；
步骤5、建立含有车速信息和路面不平度等级的时间域随机道路模型，模拟得到随机道路时域路面不平度和随机道路时间路面不平度变化率；
步骤6、建立车身自由四分之一的所述车辆垂向运动的微分运动方程，以模拟得到的所述随机道路时域路面不平度和随机道路时间路面不平度变化率为输入，计算得到悬架动行程；
步骤7、以所述悬架动行程作为所述动态K&C试验系统激励平台的所述垂向加载位移，对所述被测车辆所述两侧车轮进行同向动载随机加载试验，测得车轮动载荷；车轮动载荷由动态K&C试验系统激励平台上的力传感器测得；
步骤8、对测得的所述车轮动载荷进行时域分析，计算得到车轮动载系数。
2.如权利要求1所述的基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法，其特征在于，所述步骤1中建立的所述车身固定的四分之一的所述车辆垂向运动的状态空间模型：
Figure FDA0003839677480000011
式中：
Figure FDA0003839677480000012
为轮心垂向加速度，
Figure FDA0003839677480000013
为轮心垂向速度，z0为轮心垂向位移，
Figure FDA0003839677480000014
为所述动态K&C试验系统激励平台垂向加载速度，zq为所述动态K&C试验系统激励平台的所述垂向加载位移，mu为所述单侧悬架簧下质量，K为所述弹簧刚度，C为减振器阻尼系数，Kt为所述轮胎径向刚度，Ct为所述轮胎径向阻尼系数，z0由所述动态K&C试验系统轮心处的位移传感器测得。
3.如权利要求2所述的基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法，其特征在于，根据所述步骤1中所述车辆垂向运动的状态空间模型，推求出所述轮心垂向位移与所述动态K&C试验系统激励平台的所述垂向加载位移之间的所述传递函数：z0(s)/zq(s)＝(Cts+Kt)/[mus2+(C+Ct)s+(K+Kt)]。
4.如权利要求3所述的基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法，其特征在于，所述步骤2中轮胎径向刚度的计算公式：Kt＝(Fzsta-Fz)/(zq-z0)，式中：Fzsta为所述垂向准静态加载试验中所述车轮接地点的垂向力，Fz为所述车辆满载状态下所述车轮的静态轴荷。
5.如权利要求1所述的基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法，其特征在于，所述步骤3中进行振幅为5mm的1-25Hz的所述动态扫频加载试验。
6.如权利要求4所述的基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法，其特征在于，所述步骤4中被测所述车辆单侧簧上质量ms的计算公式：ms＝Fz-mu。
7.如权利要求6所述的基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法，其特征在于，所述步骤5中建立含有所述车速信息和所述随机道路时域路面不平度等级的所述时间域随机道路模型：
Figure FDA0003839677480000021
式中：
Figure FDA0003839677480000022
为所述随机道路时域路面不平度的变化率，qt为所述随机道路时域路面不平度，v为车速，n1为所述路面不平度下截止空间频率，n0为参考空间频率，Gq(n0)为所述参考空间频率n0下的所述路面不平度系数，w(t)为白噪声信号。
8.如权利要求7所述的基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法，其特征在于，所述步骤6中建立所述车身自由四分之一的所述车辆垂向运动的运动方程为：
Figure FDA0003839677480000023
9.如权利要求8所述的基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法，其特征在于，所述步骤8中的所述车轮动载系数计算公式：
Figure FDA0003839677480000024
式中：Nd为所述车轮动载系数，t为时间变量，Fzdyn(t)为车轮动载荷，Fz为车辆满载状态下车轮的静态轴荷，T为动态加载试验总时长。
10.如权利要求9所述的基于动态K&C试验系统的汽车悬架动载性能评价方法，其特征在于，根据所述车身自由四分之一的所述车辆垂向运动的运动方程在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，仿真计算得到所述悬架动行程(qt-z0)。
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