CN113032900B - 一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法，包括：获取空气悬架系统的特性参数；建立充放气作用下的空气弹簧模型和高度阀模型，由高度阀模型得到的气体质量流率结果作为空气弹簧模型输入；建立空气悬架各部件的刚体模型，并将稳定杆三维模型导入到有限元前处理软件中；用单向力模型表示各个空气弹簧，并测量空气弹簧的高度；装配整车仿真模型；测量悬架高度：导出将整车仿真模型，设置空气弹簧模型的输入变量和高度阀模型的输入变量；进行仿真参数设置，开始进行仿真，得到空气悬架动态特性仿真计算结果。本发明该结合多体动力学方法，利用空气悬架的三维数模和特性参数，建立仿真模型仿真分析得到空气悬架系统的动态特性。

Description

一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法
技术领域
本发明涉及一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法，属于空气悬架优化设计领域。
背景技术
空气悬架凭借优良的性能在汽车、铁路行业广泛使用，由于其具有较低的刚度，可使整车获得理想的固有频率，可以获得良好的平顺性并减小对路面的损伤。同时，空气悬架具有可充、放气的特性，可实现悬架高度的调节。
高度阀是空气弹簧悬架系统中的重要组成部件，安装于车架和车轴之间，主要作用是根据载荷和车身高度的变化控制空气弹簧充放气，从而保持车身高度不变。当车辆直线行驶时，空气悬架的高度变化很小，由于存在死区，高度阀不对空气悬架中各空气弹簧充、放气，此时空气弹簧处于截断气源状态，以减少压缩空气的消耗，当车辆转弯时，车身侧倾导致左右高度阀充放气，内测空气弹簧的刚度增加，外侧的空气弹簧的刚度减小，空气弹簧产生更大的抗侧倾力矩，从而在一定程度上会抑制车辆侧倾。
公知的一些悬架动态特性的分析方法，为考虑悬架的具体结构，常使用多体动力学分析软件建立空气悬架模型及整车模型，但是在空气弹簧建模的过程中，常通过静刚度试验得到空气弹簧在截断气源下的刚度数据，并将此作为弹簧模型参数，进行各个行驶工况的仿真分析，以校核空气悬架的性能并进行相应优化设计。此方法没有考虑高度阀的充放气作用对空气弹簧刚度的影响，会造成实际结果的不准确。
公知的一些悬架动态特性的分析方法虽考虑了高度阀对空气弹簧的充、放气作用，但忽略了悬架结构对动态特性的影响，Yang Chen在《Modeling,Control,and DesignStudy of Balanced Pneumatic Suspension for Improved Roll Stability in HeavyTrucks》提出了一种基于九自由度整车模型的动态仿真方法，该方法考虑了高度阀充、放气作用对整车模型中空气弹簧的影响，但这种模型对实际整车进行了过多的简化，例如没有考虑悬架的具体结构，只是将其考虑为弹簧-阻尼系统，而悬架的具体结构会影响悬架的侧倾中心、侧倾角刚度等反映悬架性能的指标，从而影响整车的动态特性，利用简化后的九自由度整车模型分析的结果不够精确。
上述空气悬架设计过程中，没有同时考虑空气悬架具体结构及高度阀的充放气作用对空气弹簧刚度的影响，会造成实际结果的不准确。因此建立一种既考虑悬架具体结构又考虑高度阀的充、放气特性的空气悬架模型进行计算分析空气悬架的性能具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法，该方法结合了多体动力学方法，利用空气悬架的三维数模和特性参数，建立仿真模型仿真分析得到空气悬架系统的动态特性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法，包含以下步骤：
获取空气悬架系统的特性参数；
在仿真软件中建立充、放气作用下的空气弹簧模型和高度阀模型，由高度阀模型计算的气体质量流率结果作为空气弹簧模型的输入；
提取空气悬架关键硬点数据和各部件的质量、惯性矩参数，建立空气悬架各部件的刚体模型，并将稳定杆三维模型导入到有限元前处理软件中，进行网格划分，定义材料属性，导出稳定杆的模态中性文件，并用该文件替换原来的刚体稳定杆模型；
用单向力模型表示各个空气弹簧，并测量空气弹簧的高度；
建立前悬架、转向系、动力总成、车架、制动器及驾驶室悬置子系统，将各子系统装配成整车仿真模型；
测量悬架高度，建立整车仿真模型的输入、输出通道，并设置整车仿真模型的输入变量和输出变量：
将整车仿真模型导出到仿真软件，将空气弹簧模型及高度阀模型与整车仿真模型相连，设置空气弹簧模型的输入变量和高度阀模型的输入变量；
进行仿真参数设置，开始进行仿真，得到空气悬架动态特性仿真计算结果。
对本发明方案的进一步改进，所述特性参数包括空气弹簧的有效面积及初始体积、减振器阻尼数据、各衬套的刚度数据、高度阀的流量特性数据和储气罐的供气压力。
对本发明方案的进一步改进，所述空气弹簧模型如下：
空气弹簧的垂向力的计算公式为：
Fair＝(P-Pa)Ae
Figure GDA0003499053750000031
式中：Pa为标准大气压，γ为多变指数，P、Vb和Mb分别表示空气弹簧的气压、体积和气体质量。
Figure GDA0003499053750000032
代表空气弹簧的质量流量，
Figure GDA0003499053750000033
分别代表空气弹簧容积的变化量。
对本发明方案的进一步改进，所述高度阀模型如下：
Figure GDA0003499053750000034
式中，Cd为节流孔流量系数，As为高度阀内节流孔的横截面积；ρup为节流孔上流空气密度；Pup为节流孔压力高一侧的压力；Pdown为节流孔压力低一侧的压力。
对本发明方案的进一步改进，所述仿真软件采用Matlab/Simulink或AMEsim。
对本发明方案的进一步改进，所述用单向力模型表示各个空气弹簧，并获取空气弹簧的高度中，包括：建立各部件间的连接的弹性元件，空气悬架中弹簧的个数N1，用单向力模型表示各个空气弹簧，各力值设为状态变量fi(i＝1，2...，N1),在各个空气弹簧的上下两点建立测量hi(i＝1，2，...，N1)获取空气弹簧的高度。
对本发明方案的进一步改进，所述测量悬架高度是通过在悬架、车桥连接处安装高度阀进行测量。
对本发明方案的进一步改进，整车仿真模型的输出变量是空气弹簧的高度和悬架高度，输入变量是各个空气弹簧的弹簧力。
对本发明方案的进一步改进，空气弹簧模型的输入变量为整车仿真模型输出的空气弹簧的高度，高度阀模型的输入变量为整车仿真模型输出的悬架高度。
对本发明方案的进一步改进，仿真参数设置包括仿真时间、仿真步长、行驶路面和车速。
本发明与现有技术相比，能够实现的有益效果至少如下：
(1)利用多体动力学软件对空气悬架的具体结构进行建模，解决了现有的二、四、九自由度等模型无法考虑悬架具体结构对悬架动态特性的影响的问题，计算结果更加准确。
(2)本发明的建模方法采用了Matlab与Adams联合仿真，解决了直接使用Adams建模无法考虑实际使用过程中空气弹簧由于气体的流入和流出而引起的刚度变化的问题，计算结果更加准确，并实现了仿真过程中的可视化调节；
(3)通过本发明的方法，可以针对不同的高度阀布置方案进行建模，通过对模型进行仿真分析可以指导空气悬架高度阀布置方案的设计。
附图说明
图1是机械控制空气悬架系统气路示意图。
图中标记：1.中轴，2.空气弹簧，3.储气罐，4.气管，5.高度阀，6.后轴。
图2是本发明的考虑机械式高度阀充、放气作用的空气悬架动态特性仿真方法流程示意图。
图3是整车侧倾角随时间变化的关系图。
图4是中轴左侧前空气弹簧内部气压随时间变化的关系图。
图5是中轴左侧前空气弹簧质量流率随时间变化的关系图。
图6是考虑高度阀对空气弹簧充、放气模型及未考虑高度阀对空气弹簧充、放气模型的侧倾角计算结果对比图。
具体实施方式
在下面的描述中结合具体图示阐述了技术方案以便充分理解本发明申请。但是本发申请能够以很多不同于在此描述的其他方法来实施，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所做类似推广实施例，都属于本发明保护的范围。在本说明书中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本说明。
在本说明书一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
如图1所示，为了便于理解，先对空气悬架系统的气路进行介绍。空气悬架系统中，空气弹簧2的下端与中轴1、后轴6相固连，储气罐3通过气管4与高度阀5连接，高度阀5通过气管与空气弹簧2连接。高度阀5对空气弹簧充、放气的实质是整车模型输出悬架高度大小可使高度阀5两端产生压力差，压力差在气管4中产生气体流量，使空气弹簧内部气体质量发生变化，进而改变空气弹簧的输出力。
一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法，包括以下步骤：
步骤1：获取空气悬架系统的特性参数。
在本发明的其中一个实施例中，空气悬架系统为四连杆式。
在本发明的其中一个实施例中，所述特性参数包括空气弹簧的有效面积及初始体积、减振器阻尼数据、各衬套的六向刚度数据、高度阀的流量特性数据和储气罐的供气压力。
在本发明的其中一个实施例中，利用空气弹簧测试台架，对空气弹簧进行准静态大位移缓慢加载工况刚度测试，记录一定位移下空气弹簧的输出力F与气压P，根据公式
Figure GDA0003499053750000061
计算空气弹簧有效面积。
在本发明的其中一个实施例中，利用排水法测出空气弹簧的初始体积，根据公式
Figure GDA0003499053750000062
计算空气弹簧在各个高度下的体积。其中，P0是空气弹簧在安装高度下的初始气压，V0是空气弹簧在安装高度下的体积。
在本发明的其中一个实施例中，利用减振器测试台架测出空气悬架中减振器阻尼数据。
在本发明的其中一个实施例中，利用衬套测试台架测出空气悬架中各橡胶衬套的六向刚度数据。
在本发明的其中一个实施例中，利用高度阀测试台架测出高度阀的流量特性数据，确定储气罐的供气压。
步骤2：在仿真软件中建立充、放气作用下的空气弹簧模型和高度阀模型，由所述高度阀模型计算的气体流量结果作为空气弹簧模型的输入。
充、放气作用下的空气弹簧模型如下：
空气弹簧的垂向力的计算公式为：
Fair＝(P-Pa)Ae
式中，Pa为标准大气压。
空气弹簧进行充、放气时，空气弹簧内部气体状态变化遵循状态方程，其内部气体压强的变化率的计算公式为：
Figure GDA0003499053750000063
式中：γ为多变指数，P、Vb和Mb分别表示空气弹簧的气压、体积和气体质量。
Figure GDA0003499053750000064
代表空气弹簧的质量流量，
Figure GDA0003499053750000065
分别代表空气弹簧容积的变化量。
用测量得到的实时悬架高度可确定高度阀的节流孔的面积，气体流经高度阀的气体质量流率可根据下式计算得到：
Figure GDA0003499053750000071
式中，Cd为节流孔流量系数，As为高度阀内节流孔的横截面积；ρup为节流孔上流空气密度；Pup为节流孔压力高一侧的压力；Pdown为节流孔压力低一侧的压力。
在本发明的其中一个实施例中，仿真软件为Matlab/Simulink。
在本发明的其中一个实施例中，仿真软件为AMEsim。
在仿真软件Matlab/Simulink(或AMEsim)中建立充、放气作用下的空气弹簧模型和高度阀模型。
步骤3：在三维建模软件中提取空气悬架关键硬点数据和各部件的质量、惯性矩参数，在多体动力学软件中建立空气悬架各部件的刚体模型，并将横向稳定杆三维模型导入到有限元前处理软件中，使用有限元前处理软件(如Hypermesh)进行网格划分，定义材料属性，建立横向稳定杆于车桥及车架连接处的耦合点，使用Rbe2进行耦合，利用Optistruct模块对横向稳定杆进行模态分析，导出稳定杆的模态中性文件，并将此文件导入多体动力学软件(如Adams)中替换刚体稳定杆模型。
在本发明的其中一个实施例中，三维建模软件采用UG。在其他的实施例中，也可采用Catia或Solidworks。
在本发明的其中一个实施例中，多体动力学软件采用Adams/Car。在其他实施例中，多体动力学软件也可采用SIMPACK。
在本发明的其中一个实施例中，有限元前处理软件采用Hypermesh。
在本发明的其中一个实施例中，进行网格划分时使用四面体网格进行划分，网格尺寸控制在3mm以内，四面体网格中各个面的三角形的最小角控制在20度以内，最大角控制在140度以内，以保证生成网格的精度。
在本发明的其中一个实施例中，进行模态分析生成模态中性文件时，需要设置控制卡片CMSMETH(模态综合法)，设置阶数为10阶，以减小输出模态中性文件的大小，以提高计算效率。
步骤4：建立各部件间的连接的弹性元件，用单向力模型表示各个空气弹簧，各单向力的大小设为状态变量fi(i＝1，2...，N1)，在各个空气弹簧的上下两点建立测量hi(f＝1，2，...，N1)获取空气弹簧的高度；
在本发明的其中一个实施例中，空气悬架中弹簧的个数为8，则N1＝8。
在本发明的其中一个实施例中，用Adams/Car中的单向力模型模拟各个空气弹簧。
步骤5：在Adams/Car中建立前悬架、转向系、动力总成、车架、制动器及驾驶室悬置子系统，将各子系统装配成整车仿真模型。
在本发明的其中一个实施例中，在装配完整车仿真模型后，需要对簧上质量的质量、质心位置进行调整以使各轴满足设计轴荷，对于衬套需要设置预载。
(6)测量悬架高度，建立整车仿真模型的输入、输出通道，并设置整车仿真模型的输入变量和输出变量。
在本发明的其中一个实施例中，根据高度阀与车架的连接点及高度阀与车桥的连接点建立测量dj(j＝1，2，...，N2)获取悬架高度，N2为高度阀的个数，建立整车仿真模型的输入、输出通道，设置hi(i＝1，2，...，N1)、dj(j＝1，2，...，N2)为整车仿真模型的输出变量，将fi(i＝1，2，...，N1)设置为整车仿真模型的输入变量；
在本发明的其中一个实施例中，高度阀的个数为3，即N2＝3。
步骤7：利用Adams/Controls模块将整车仿真模型导出到Matlab/Simulink中，将空气弹簧模型及高度阀模型与整车模型相连，空气弹簧模型输出的弹簧力作为整车模型的输入fi(i＝1，2，...，N1)，整车模型的输出变量hi(i＝1，2，...，N1)、dj(j＝1，2，...，N2)分别作为空气弹簧模型和高度阀模型的输入，如图2展示了仿真中各输入及输出变量。
步骤8：进行仿真参数设置，开始进行仿真，得到空气悬架动态特性仿真计算结果。
在本发明的其中一个实施例中，仿真参数设置包括仿真时间、仿真步长、行驶路面、车速。
在本发明的其中一个实施例中，在Adams中设置单移线工况，仿真时间为10秒,车速为30km/h，移线开始时间为1秒,移线距离为3.5m,将Adams、Matlab的计算步长及与软件间的通讯步长均设为定步长0.005，开始进行仿真，仿真结束后在Adams后处理中读取得到空气悬架如图3、4的动态特性仿真计算结果，图3为此工况下整车的侧倾角随时间的变化曲线，此曲线表明，从1秒开始，车辆开始出现侧倾，侧倾角逐渐增大，2.5秒时侧倾角达到最大值3.3度，2.5秒后侧倾角逐渐减小到0然后反向，5.1秒后侧倾角达到第二个峰值，最后侧倾角逐渐减幅振荡到0度。图4为此工况下左侧空气弹簧内部气压随时间的变化曲线，此曲线表明，从1秒开始，空气悬架中左侧空气弹簧开始压缩，其内部气压逐渐减小，2.5秒时，气压达到最小值，随后气压来回振荡最后达到初始气压附近。图5左侧空气弹簧的质量流率随时间的变化曲线，该曲线表明1.5秒时，高度阀开始起作用，空气弹簧内部气体从高度阀排出，3.2秒时，高度阀关闭。3.5秒时，高度阀开启，储气罐内的高压气体通过高度阀充入空气弹簧，6秒时，高度阀迅速开启后关闭，最终高度阀处于死区，既不对空气弹簧充气也不排出空气弹簧的内部气体。
图6为考虑高度阀对空气弹簧充、放气模型及未考虑高度阀对空气弹簧充、放气模型的侧倾角计算结果对比图，其中模型Ⅰ为考虑高度阀对空气弹簧充、放气模型的侧倾角计算结果，模型Ⅱ为未考虑高度阀对空气弹簧充、放气模型的侧倾角计算结果，可以看出高度阀对空气弹簧充、放气的充、放气作用在一定程度上能减小车辆在受到侧向力作用下的侧倾角，而将空气弹簧视作密闭容器，不考虑空气的流入与流出会使侧倾角的计算结果偏大。
其中，在Matlab/Simulink设置与Adams仿相同的定步长，以减小计算误差。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法，其特征在于，包含以下步骤：
获取空气悬架系统的特性参数；
在仿真软件中建立充、放气作用下的空气弹簧模型和高度阀模型，由高度阀模型计算的气体质量流率结果作为空气弹簧模型的输入；
提取空气悬架关键硬点数据和各部件的质量、惯性矩参数，建立空气悬架各部件的刚体模型，并将稳定杆三维模型导入到有限元前处理软件中，进行网格划分，定义材料属性，导出稳定杆的模态中性文件，并用该文件替换原来的刚体稳定杆模型；
用单向力模型表示各个空气弹簧，并测量空气弹簧的高度；
建立前悬架、转向系、动力总成、车架、制动器及驾驶室悬置子系统，将各子系统装配成整车仿真模型；
测量悬架高度，建立整车仿真模型的输入、输出通道，并设置整车仿真模型的输入变量和输出变量：
将整车仿真模型导出到仿真软件，将空气弹簧模型及高度阀模型与整车仿真模型相连，设置空气弹簧模型的输入变量和高度阀模型的输入变量；
进行仿真参数设置，开始进行仿真，得到空气悬架动态特性仿真计算结果。
2.根据权利要求1所述一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法，其特征在于，所述特性参数包括空气弹簧的有效面积及初始体积、减振器阻尼数据、各衬套的刚度数据、高度阀的流量特性数据和储气罐的供气压力。
3.根据权利要求1所述一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法，其特征在于，所述空气弹簧模型如下：
空气弹簧的垂向力的计算公式为：
Fair＝(P-Pa)Ae
式中：Pa为标准大气压，Ae为空气弹簧的有效面积，空气弹簧进行充、放气时，空气弹簧内部气体状态变化遵循状态方程，其内部气体压强的变化率的计算公式为：
Figure FDA0003497384070000021
式中：γ为多变指数，P、Vb和Mb分别表示空气弹簧的气压、体积和气体质量，
Figure FDA0003497384070000022
代表空气弹簧内部气体的质量流量，
Figure FDA0003497384070000023
分别代表空气弹簧容积的变化量。
4.根据权利要求1所述一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法，其特征在于，所述高度阀模型如下：
Figure FDA0003497384070000024
式中，
Figure FDA0003497384070000025
代表空气弹簧内部气体的质量流量，γ为多变指数，Cd为节流孔流量系数，As为高度阀内节流孔的面积；ρup为节流孔上流空气密度；Pup为节流孔压力高一侧的压力；Pdown为节流孔压力低一侧的压力。
5.根据权利要求1所述一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法，其特征在于，所述仿真软件采用Matlab/Simulink或AMEsim。
6.根据权利要求1所述一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法，其特征在于，所述测量悬架高度是通过在悬架、车桥连接处安装高度阀进行测量。
7.根据权利要求1所述一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法，其特征在于，整车仿真模型的输出变量是空气弹簧的高度和悬架高度，输入变量是各个空气弹簧的弹簧力。
8.根据权利要求1所述一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法，其特征在于，空气弹簧模型的输入变量为整车仿真模型输出的空气弹簧的高度，高度阀模型的输入变量为整车仿真模型输出的悬架高度。
9.根据权利要求1-8任一所述一种考虑高度阀充、放气的空气悬架动态特性仿真方法，其特征在于，仿真参数设置包括仿真时间、仿真步长、行驶路面和车速。
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