CN113449378B - 一种基于车辆悬架变形量的横向载荷转移率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车辆悬架变形量的横向载荷转移率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立整车模型；步骤2：采集车辆运动中实际数据，根据横向载荷转移率可得其中，F_zL为汽车左侧轮胎的纵向载荷力，F_zR为汽车右侧的纵向载荷力；步骤3：对车辆运动进行分析；步骤4：根据运动模型分析悬架变形与轮胎所受纵向载荷作用，利用最小二分法处理数据，得出载荷求得横向载荷转移率与悬架变形量求得的横向载荷转移率的关系；步骤5：分析横线载荷转移率误差，得出修正比例系数与修正关系式，即LTR＝KLTR'+σ，其中，LTR为实际横向载荷转移率，LTR＇为通过悬架变形量测得的横向载荷转移率，K为修正比例系数，σ为修正参数；步骤6：验证所求公式。

Description

一种基于车辆悬架变形量的横向载荷转移率计算方法

技术领域

本发明属于车辆悬架变形技术领域，具体涉及一种基于车辆悬架变形量的横向载荷转移率计算方法。

背景技术

重型车辆(包括重型卡车、重型多轴特种车)由于负载重、车型体积大导致行驶时重心高，受经济与路面限制，轮距一般与整车的总体高度还需提升，再加上错综复杂的道路工况以及众多的不确定因素，对驾驶员技术的能力要求也有所提高，重型车辆在高速急转弯工况行驶状态时，侧向加速度增长的比较快，质心较高情况下，产生较大的侧翻力矩，重型车辆容易失去平衡，发生侧翻造成交通事故。在重型车辆中牵引与半挂部分的链接处不能以简单的线性或单参数函数表现，其以复杂的多种形式耦合共同影响，导致后部放大侧倾趋势被放大，极易造成摆振、折叠和侧翻等交通事故。

现有的预警侧翻研究大多基于研究侧向加速度以及TTR步长进行预警计算，但基于LTR的预警研究由于难以直接测量轮胎所受的垂直载荷，故诸多研究中没有直接利用LTR进行预警，而是采用基于侧翻受力或者侧倾角的研究。由于侧向加速度同样较难直接通过传感器测量，且侧倾角测量所用传感器用于侧翻预警不适用于工业量产，而测量悬架变形量对于普通传感器即可符合需求。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于车辆悬架变形量的横向载荷转移率计算方法。

本发明采用的技术方案是：

一种基于车辆悬架变形量的横向载荷转移率计算方法，包括以下步骤：

步骤1：建立整车模型；

步骤2：采集车辆运动中实际数据，根据载荷求得横向载荷转移率可得

其中，F_zL为汽车左侧轮胎的纵向载荷力，F_zR为汽车右侧的纵向载荷力；

步骤3：对车辆运动进行分析，根据整车模型分析悬架变形量与轮胎所受纵向载荷作用，得到横向载荷转移率与悬架变形量的关系；

步骤4：利用最小二分法处理数据，得出载荷求得横向载荷转移率与悬架变形量求得的横向载荷转移率的关系；

步骤5：分析横线载荷转移率误差，得出修正比例系数与修正关系式，即

LTR＝KLTR′+σ

其中，LTR为实际横向载荷转移率，LTR＇为通过悬架变形量测得的横向载荷转移率，K为修正比例系数，σ为修正参数；

步骤6：验证所求公式。

优选的，在步骤1中，所述的整车模型包括质量模型、空气动力学模型、动画模型、轮胎模型、悬架模型、调整制动模型、转向以及动力传动模型。

优选的，所述的悬架模型选择刚性独立悬架。

优选的，在步骤3中，从整车受力分析，建立运动微分方程如下：

侧向运动方程为：

横摆运动方程为：

侧倾运动方程为：

式中，x_i为所在轴到质心的距离坐标，设定位于质心前坐标为正，位于质心后坐标为负；F_i为该轴轮胎所受的侧向力；α_i为该轴的侧偏角；m代表整车质量；r表示车辆整体横摆角速度；φ为车辆整体的侧倾角；h代表质心距离侧倾中心的距离；α_y代表侧向加速度；X轴与Y轴的车辆速度分别由V_x、V_y表示；θ代表前轮轴因转向输入的转角；β代表质心处测得的侧偏角；k_s表示悬架侧倾刚度；C_s代表悬架侧倾阻尼；ψ代表了车辆整体的横摆角；I_xeq为整车质量绕侧倾中心的转动惯量；I_z为整车质量绕Z轴的转动惯量；Ix为整车质量绕x轴的转动惯量；

简化轮胎为线性受力变化，在转向角θ较小时，轮胎侧向力F_i的计算方式为

其中，k_i为在转向角较小时可等效的线性模型轮胎的所在轴的轮胎正数等效侧偏刚度；

经过拉式变换后，得到车辆三自由度车辆模型微分方程如下：

取状态变量X＝[βrφφ]，运动微分方程可变化为状态空间形式为：

其中

可以看出悬架变形量对运动过程有影响，故可以通过计算悬架变形量来反应汽车状态，而悬架直接受横向载荷的作用，则存在对横向载荷构成的横向载荷转移率的关系；侧翻时悬架必定一边为压缩一边为伸长，故在计算值时使用绝对值计；悬架存在对力的缓冲作用，在计算时需要增加系数提升准确度，则通过模拟计算得到横向载荷转移率与悬架变形量的关系为

其中，σ_i为左侧第i轴的悬架变形量，σ_j为右侧第j轴的悬架变形量，k_i、d_i为不同轴的缓冲程度所形成的修正系数，需要根据不同车辆具体建模，分析与建模载荷差和和得到修正系数值。

优选的，在步骤4的具体过程如下：

即设(x,y)分别是载荷求得的横向载荷转移率与悬架变形量求得的横向载荷转移率，且x＝[x₁,x₂,...,x_n]^T∈Rⁿ,y＝R满足以下的函数

y＝f(x,ω)

其中ω＝[ω₁,ω₂,...,ω_n]^T为待定参数；

为了寻找函数f(x,ω)的参数ω的最优估计值，对于给定m组观测数据(x_i,y_i)(i＝1,2,...)，求解目标函数

取最小值的参数ω_i(i＝1,2,...)，得到两曲线拟合方程式，得到不同计算横向载荷转移率的关系式与误差分析。

本发明的有益效果：本发明提出的一种基于车辆悬架变形量的横向载荷转移率计算方法，可实现基于悬架变形量计算横向载荷转移率，在一定车辆模型上具有通用价值，针对特定车型再建模分析得到实际参数的方法，为后续工业生产侧翻预警装置提供了一种实际的参数获取途径。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为车辆运行中实际数据获取示意图。

图2所示为五轴式三自由度车辆侧翻模型示意图；(a)理论转弯受力图；(b)高质心转弯质心受力分析图。

图3所示为理论值与误差值图；(a)轮胎载荷分析计算的横向载荷转移率；(b)悬架变形计算的横向载荷转移率；

图4所示为空气动力学参数模型参考图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明具体提供了一种基于车辆悬架变形量的横向载荷转移率计算方法,如图1-2所示，包括以下步骤：

骤1：建立整车模型；

步骤2：采集车辆运动中实际数据，根据载荷求得横向载荷转移率可得

其中，F_zL为汽车左侧轮胎的纵向载荷力，F_zR为汽车右侧的纵向载荷力；

步骤3：对车辆运动进行分析，根据整车模型分析悬架变形量与轮胎所受纵向载荷作用，得到横向载荷转移率与悬架变形量的关系；

步骤4：利用最小二分法处理数据，得出载荷求得横向载荷转移率与悬架变形量求得的横向载荷转移率的关系；

步骤5：分析横线载荷转移率误差，得出修正比例系数与修正关系式，即

LTR＝KLTR′+σ

其中，LTR为实际横向载荷转移率，LTR＇为通过悬架变形量测得的横向载荷转移率，K为修正比例系数，σ为修正参数；

步骤6：验证所求公式。

在步骤1中，所述的整车模型如图1所示，包括质量模型、空气动力学模型、动画模型、轮胎模型、悬架模型、调整制动模型、转向以及动力传动模型。

质量模型

在建立车辆模型时由于本实施例需要重点测量质心处的相关角度数据，且实际预警装置放置质心处时效果最佳。故在质量模型设定时需要按比例缩小以便为后续实车测试时提供实际参考。

在设置质量模型具体情况如下：

整车质量比例缩小为50450kg

X方向转动惯量为230700kg-m²

Y轴转动惯量为852500kg-m²

Z轴转动惯量为725400kg-m²

质心距离牵挂车头后部5670mm

考虑重型特种车辆民用运输的高速运输大多是货物运输，即负载载荷运输下牵引加半挂车出现高质心运输。此模型由于特种车辆在设计初具备极重负载运输的能力，故在质量模型建立需特别建立负载模型

负载建立模型如下：

外形尺寸:8700×3000×2560mm

负载质量：6789kg

X轴转动惯量：8799.45kg-m²

Y轴转动惯量：46529.32kg-m²

Z轴转动惯量：47913.37kg-m²

空气动力学模型

空气动力学模型建立主要由于车厢体积庞大，难以忽略空气流动带来的稳定性影响，需要将独立于车辆外的环境模型模拟环境影响。空气动力学模型主要需要考虑力矩与力对流线侧倾角的影响，主要设立空气动力点、迎风面积、参考长度以及其他参数进行考虑。参数代表如图4所示。本模型中空气动力点设立在(-3000,0,0)、迎风面积为7.3m2、参考长度为6000mm、空气质量密度为1.206kg/m³，其余参数参考沿用软件自带参数。

轮胎模型

本实施例中由于采用研究轮胎所受侧向力的理论基础得到横向载荷转移率的影响，故轮胎无论在支撑车辆重量、反应车辆状态以及预测未来状态上发挥的作用举足轻重。

本次仿真轮胎共10个，采用参考垂直力为65000N，纵向力、横向力以及对准力矩均为3500kg额定载荷轮胎，轮胎有效滚动半径为628mm，卸载半径为638mm,弹簧刚度为1850N/mm，最大允许力为1000000N。其余参数选用Trucksim默认参数。

悬架模型

由于悬架系统在侧翻以及制动控制时均产生变形，起到缓冲冲击力的作用。同时车轮与车架之间的力及力矩也有悬架系统传递，和保证运动特性从而提升操纵稳定性的作用。悬架系统分为独立悬架与非独立悬架。本实施例采用独立悬架，注重导向机构与弹性元件的所具备的K、C特性，其中导向机构包括各类型摆臂、麦弗逊悬架的减振器以及钢板弹簧；弹性元件包括用于缓和冲击的各类弹簧和稳定杆以及用于衰减振动的减振器。采用独立悬架系统以保证运动过程中的稳定性以及舒适性。

道路模型

根据ISO 8349-2002道路车辆测量道路表面摩擦力国际标准[]可知，影响制动和操作性能限制的轮胎-路面膜材实在轮胎纵向滚动低于20％、侧向滚角低于20°时获得的，最大摩擦力通常也在这一范围内测得。同时平整路面上有不同的牵引特征，这受路面结构、粘合剂含量、使用、外界环境以及路面情况(如干、湿路面)等多种因素的综合影响。

由于本实施例为侧翻时的预警，故需在多种情况下计算路面的附着系数以及滚动阻力系数来确定预警阈值。道路开始选择附着系数为0.85，滚动阻力系数为1的混凝土道路，确立计算方法后可以更改道路附着系数验证测量方法。

在步骤3中，在三自由度的多轴车辆模型的基础上进行侧翻预警系统的研究，实际研究时主要从某类型的军用五轴重型特种车为依据，故下列受力计算办法以五轴为例，从整车受力分析，建立运动微分方程如下：

侧向运动方程为：

横摆运动方程为：

侧倾运动方程为：

式中，x_i为所在轴到质心的距离坐标，设定位于质心前坐标为正，位于质心后坐标为负；F_i为该轴轮胎所受的侧向力；α_i为该轴的侧偏角；m代表整车质量；r表示车辆整体横摆角速度；φ为车辆整体的侧倾角；h代表质心距离侧倾中心的距离；α_y代表侧向加速度；X轴与Y轴的车辆速度分别由V_x、V_y表示；θ代表前轮轴因转向输入的转角；β代表质心处测得的侧偏角；k_s表示悬架侧倾刚度；C_s代表悬架侧倾阻尼；ψ代表了车辆整体的横摆角；I_xeq为整车质量绕侧倾中心的转动惯量；I_z为整车质量绕Z轴的转动惯量；

简化轮胎为线性受力变化，在转向角θ较小时，轮胎侧向力F_i的计算方式为

其中，k_i为在转向角较小时可等效的线性模型轮胎的所在轴的轮胎正数等效侧偏刚度；

经过拉式变换后，得到车辆三自由度车辆模型微分方程如下：

取状态变量X＝[βrφφ]，运动微分方程可变化为状态空间形式为：

其中

从此可以看出悬架变形量对运动过程有影响，故可以通过计算悬架变形量来反应汽车状态，因为悬架直接受横向载荷的作用，故存在对横向载荷构成的横向载荷转移率的关系。

因为侧翻时悬架必定一边为压缩一边为伸长，故在计算值时使用绝对值计算。悬架存在对力的缓冲作用，在计算时需要增加系数提升准确度。通过不同路面的模拟计算，得到横向载荷转移率与悬架变形关系为

其中，σ_i为左侧第i轴的悬架变形量，σ_j为右侧第j轴的悬架变形量，k_i、d_i为不同轴的缓冲程度所形成的修正系数，需要根据不同车辆具体建模，分析与建模载荷差和和得到修正系数值。

实施例

步骤一：建立车辆模型，车速70m/s,侧向加速度1.0m/s²阶跃工况，模型仿真结果与试验结果对比如下。其中标定后的重型车辆前后两轴的侧偏刚度分别为Cv＝17N/rad，h＝52N/rad，其重型车辆的悬架侧倾刚度和悬架阻尼系数分别为K＝50Nm/rad和C＝45.3Nm/rad。且其中利用双移线测试获取车辆相关数据模型；

步骤二：采取相关数据并记录在Excle表中；

步骤三：对车辆模型进行受力分析，其动力学空间方程如下所示

其中

步骤四：根据已知数据分析所计算横向载荷转移率情况。由分析可知轮胎所受纵向载荷力分布作用于悬架造成变形，故悬架与连接处受力为纵向载荷造成力的影响的主要方面。悬架变形量为参考正比于受力，故可将悬架变形量按照动态横向载荷转移率的公式得到估计LTR＇值；

步骤五：经过误差分析计算，得到K与σ理论值，用Matlab对模型进行检验得到理论值与估计值的图像，如图3所示；从图像形状与实际误差分析可知两者误差不超过5％，符合理要求；

步骤六：基于不同路面对模型进行检验，不同工况下符合设计要求。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于车辆悬架变形量的横向载荷转移率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立整车模型；

步骤2：采集车辆运动中实际数据，根据载荷求得横向载荷转移率可得

其中，F_zL为汽车左侧轮胎的纵向载荷力，F_zR为汽车右侧的纵向载荷力；

步骤3：对车辆运动进行分析，根据整车模型分析悬架变形量与轮胎所受纵向载荷作用，得到横向载荷转移率与悬架变形量的关系；

从整车受力分析，建立运动微分方程如下：

侧向运动方程为：

横摆运动方程为：

侧倾运动方程为：

式中，x_i为所在轴到质心的距离坐标，设定位于质心前坐标为正，位于质心后坐标为负；F_i为该轴轮胎所受的侧向力；α_i为该轴的侧偏角；m代表整车质量；r表示车辆整体横摆角速度；φ为车辆整体的侧倾角；h代表质心距离侧倾中心的距离；a_y代表侧向加速度；X轴与Y轴的车辆速度分别由V_x、V_y表示；θ代表前轮轴因转向输入的转角；β代表质心处测得的侧偏角；k_s表示悬架侧倾刚度；C_s代表悬架侧倾阻尼；ψ代表了车辆整体的横摆角；I_xeq为整车质量绕侧倾中心的转动惯量；I_z为整车质量绕Z轴的转动惯量；Ix为整车质量绕x轴的转动惯量；

简化轮胎为线性受力变化，在转向角θ较小时，轮胎侧向力F_i的计算方式为

其中，k_i为在转向角较小时等效的线性模型轮胎的所在轴的轮胎正数等效侧偏刚度；

经过拉式变换后，得到车辆三自由度车辆模型微分方程如下：

取状态变量运动微分方程可变化为状态空间形式为：/>

其中

可以看出悬架变形量对运动过程有影响，故通过计算悬架变形量来反应汽车状态，而悬架直接受横向载荷的作用，则存在对横向载荷构成的横向载荷转移率的关系；侧翻时悬架必定一边为压缩一边为伸长，故在计算值时使用绝对值计；悬架存在对力的缓冲作用，在计算时需要增加系数提升准确度，则通过模拟计算得到横向载荷转移率与悬架变形量的关系为

得到估计LTR＇值；

其中，σ_i为左侧第i轴的悬架变形量，σ_j为右侧第j轴的悬架变形量，k_i、d_i为不同轴的缓冲程度所形成的修正系数，需要根据不同车辆具体建模，分析与建模载荷差，得到修正系数值；

步骤4：利用最小二分法处理数据，得出载荷求得横向载荷转移率与悬架变形量求得的横向载荷转移率的关系；

即设(x,y)分别是载荷求得的横向载荷转移率与悬架变形量求得的横向载荷转移率，且x＝[x₁,x₂,...,x_n]^T∈Rⁿ,y＝R满足以下的函数

y＝f(x,ω)

其中ω＝[ω₁,ω₂,...,ω_n]^T为待定参数；

为了寻找函数f(x,ω)的参数ω的最优估计值，对于给定m组观测数据(x_i,y_i)(i＝1,2,...)，求解目标函数

取最小值的参数ω_i(i＝1,2,...)，得到两曲线拟合方程式，得到不同计算横向载荷转移率的关系式与误差分析；

步骤5：分析横向载荷转移率误差，得出修正比例系数与修正关系式，即

LTR＝KLTR′+σ

其中，LTR为实际横向载荷转移率，LTR＇为通过悬架变形量测得的横向载荷转移率，得到K与σ理论值，K为修正比例系数，σ为修正参数；

步骤6：验证所求公式。

2.根据权利要求1所述的一种基于车辆悬架变形量的横向载荷转移率计算方法，其特征在于，在步骤1中，所述的整车模型包括质量模型、空气动力学模型、动画模型、轮胎模型、悬架模型、调整制动模型、转向以及动力传动模型。

3.根据权利要求2所述的一种基于车辆悬架变形量的横向载荷转移率计算方法，其特征在于，所述的悬架模型选择刚性独立悬架。