CN113658503B - 一种用于车辆动力学教学的车辆垂向运动智能试验台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于车辆动力学教学的车辆垂向运动智能试验台，包括：道路模拟装置、车轮、车身质量块、电机驱动模块、音圈电机、螺旋弹簧、控制系统、车身垂向位移传感器、车轮垂向位移传感器、路面状况传感器、显示器、电池；车轮、音圈电机、螺旋弹簧、车身质量块安装在垂向导轨上。采用本发明的技术方案，可以增强学生对于车辆动力学理论知识的理解，通过实际动手操作，培养学生理论联系实际，解决实际问题的能力。

Description

一种用于车辆动力学教学的车辆垂向运动智能试验台
技术领域
本发明属于车辆试验技术领域，尤其涉及一种用于车辆动力学教学的车辆垂向运动智能试验台。
背景技术
随着汽车工业的发展，转鼓试验台得到了越来越多的应用，以研究车轮在特定路面下的受力情况。但试验台仅靠人为添加负载来模拟车辆的行驶工况，并未搭建整车的模型。而车辆动力学是车辆专业学生的重要基础课程，但教学内容较多且比较抽象，学生通过课堂学习往往缺乏较深入的理解。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于车辆动力学教学的车辆垂向运动智能试验台，可以增强学生对于车辆动力学理论知识的理解，通过实际动手操作，培养学生理论联系实际，解决实际问题的能力。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种用于车辆动力学教学的车辆垂向运动智能试验台，包括：道路模拟装置、车轮、车身质量块、电机驱动模块、音圈电机、螺旋弹簧、控制系统、车身垂向位移传感器、车轮垂向位移传感器、路面状况传感器、显示器、电池；车轮、音圈电机、螺旋弹簧、车身质量块安装在垂向导轨上；
其中，车轮下方与道路模拟装置相接触；车身垂向位移传感器固定在车身质量块上，车轮垂向位移传感器和路面状况传感器固定在车轮上；车身垂向位移传感器、车轮垂向位移传感器、路面状况传感器、电机驱动模块连接控制系统，电池、电机驱动模块连接音圈电机；音圈电机分别连接车轮和车身质量块，螺旋弹簧分别连接车轮和车身质量块。
作为优选，所述道路模拟装置包含：道路模拟带、伺服电机和伺服电机连接的带轮。
作为优选，车身垂向位移传感器、车轮垂向位移传感器、路面状况传感器将实时测量信号传递给控制系统，再由控制系统传向电机驱动模块以控制音圈电机的电流实现悬架刚度系数模拟、悬架阻尼系数模拟以及主动悬架的PID控制。
作为优选，通过测量得到的车身和车轮垂向速度相减得到相对运动速度，通过调整音圈电机电流实时调整电机驱动力大小，以实现不同的阻尼系数模拟，模拟阻尼系数表示为：
Figure BDA0003224635870000021
其中，kF为电机推力系数，
Figure BDA0003224635870000022
分别为车轮和车身的垂向运动速度，Csa为模拟阻尼系数；ia为音圈电机电流。
作为优选，采用螺旋弹簧来模拟实际车辆悬架弹簧，其弹簧力与弹簧变形量成正比；根据采集到的车身和车轮的垂向位移，通过调整音圈电机电流实现悬架刚度系数的模拟，模拟刚度系数表示为：
Figure BDA0003224635870000023
其中，ia为音圈电机电流，xw为车轮垂向位移，x为车身垂向位移，Kka为模拟刚度系数。
作为优选，主动悬架的PID控制中，控制系统采用PID闭环控制算法，将车身垂向位移传感器输出的车身位置信号与目标值的误差输入到PID控制系统中，然后将控制信号信号输出到音圈电机，通过改变音圈电机的电流实现悬架刚度和阻尼的调节；继续计算调节后的车身垂向位置与目标值的差值，作为输入量输入到PID控制系统中，实现闭环控制；其中，PID控制系统的控制参数有三种：比例增益P、积分增益I和导数增益D，以通过改变P、I和D的数值改变音圈电机的电流，保持车身位置在目标值附近。
作为优选，主动悬架的PID控制中，通过车身垂向位移传感器和车轮垂向位移传感器实际测量的车身和车轮位移信号、以及音圈电机控制信号，计算得到车身垂向加速度、车轮垂向加速度、悬架动挠度、车轮动载荷数据，计算公式如下：
车身垂向加速度
Figure BDA0003224635870000034
为车身垂向位移对时间的二阶导数，计算公式为：
Figure BDA0003224635870000031
车轮垂向加速度
Figure BDA0003224635870000032
为车轮垂向位移对时间的二阶导数，计算公式为：
Figure BDA0003224635870000033
悬架动挠度Δx：
Δx＝x-xw
车轮动载荷Fd：
Figure BDA0003224635870000041
作为优选，主动悬架的PID控制的优化目标为：使车身和轮胎动载荷达到最小，且同时保持悬架动行程最小。
本发明以车辆垂向运动的动力学教学内容为例，在转鼓试验台的基础上开发了车辆垂向运动智能试验台，采用音圈电机模拟悬架特性，同时加入主动控制模块，可以增强学生对于车辆动力学理论知识的理解，通过实际动手操作，培养学生理论联系实际，解决实际问题的能力。
附图说明
图1为本发明用于车辆动力学教学的车辆垂向运动智能试验台的结构图。
其中，1-道路模拟带，2-车轮，3-音圈电机，4-显示器，5-螺旋弹簧，6-车身质量块，7-垂直导轨，8-车身垂向位移传感器，9-车轮垂向位移传感器，10-路面状况传感器，11-控制系统，12-电机驱动模块，13-电池。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供一种用于车辆动力学教学的车辆垂向运动智能试验台，包括：道路模拟装置、车轮、车身质量块、电机驱动模块、音圈电机、螺旋弹簧、控制系统、车身垂向位移传感器、车轮垂向位移传感器、路面状况传感器、显示器、电池；车轮、音圈电机、螺旋弹簧、车身质量块安装在垂向导轨上；所述道路模拟装置包含：道路模拟带、伺服电机和与服电机连接的带轮；其中，车轮下方与路面模拟带相接触；车身垂向位移传感器固定在车身质量块上，车轮垂向位移传感器和路面状况传感器固定在车轮上；车身垂向位移传感器、车轮垂向位移传感器、路面状况传感器、电机驱动模块连接控制系统，电池、电机驱动模块连接音圈电机；音圈电机分别连接车轮和车身质量块，螺旋弹簧分别连接车轮和车身质量块。车身垂向位移传感器、车轮垂向位移传感器、路面状况传感器将信号传递给控制系统，再由控制系统传向电机驱动模块以驱动音圈电机。车身垂向位移传感器、车轮垂向位移传感器输出的垂向位移和速度信号在显示器中显示。
进一步，在本发明试验台的道路模拟装置中，通过改变带轮的表面形状可以实现不同道路的模拟，通过调整伺服电机的转速，模拟不同的车速。
进一步，采用音圈电机通过改变电流模拟阻尼器不同的阻尼系数，进而观察阻尼系数对悬架系统的影响规律。通过车身质量块进行模拟实际车辆车身，车身质量块和车轮只能沿着垂向导轨进行垂向运动，通过改变车身质量块的质量，模拟不同的载重。试验台安装有车身垂向位移传感器、车轮垂向位移传感器、路面状况传感器，可以输出信号到控制系统和显示器，并通过控制系统实现刚度和阻尼的控制以及基于路面状况传感器信号的PID控制。
采用本发明试验台实现以下模拟试验：
1、悬架阻尼系数模拟试验
悬架的阻尼力与车身和车轮之间的相对运动速度成比例。因此，通过测量得到的车身和车轮垂向速度相减得到相对运动速度，再通过调整音圈电机的电流实时调整电机驱动力的大小，模拟阻尼系数表示为：
Figure BDA0003224635870000061
其中，kF为电机推力系数，
Figure BDA0003224635870000062
分别为车轮和车身的垂向运动速度，Csa为模拟阻尼系数；ia为音圈电机电流；通过调节音圈电机电流实现不同的阻尼系数模拟。
2、悬架刚度系数模拟试验
本发明试验台采用螺旋弹簧来模拟悬架弹簧，其弹簧力与弹簧变形量成正比。根据采集到的车身和车轮的垂向位移，通过调整音圈电机电流实现悬架刚度系数的模拟。模拟刚度系数表示为：
Figure BDA0003224635870000063
其中，ia为音圈电机电流，xw为车轮垂向位移，x为车身垂向位移，Kka为模拟刚度系数。通过调节电机电流可以实现不同的刚度系数模拟。
3、主动悬架控制模拟试验
本发明主动悬架控制模拟试验中需要计算垂向运动各项指标，计算公式如下：
车身垂向加速度：
Figure BDA0003224635870000071
车轮垂向加速度：
Figure BDA0003224635870000072
悬架动挠度：
Δx＝x-xw (5)
车轮动载荷：
Figure BDA0003224635870000073
实施例1：基础试验
一般悬架系统，在悬架安装后刚度和阻尼系数是固定的。基础试验使学生利用试验台测量悬架的特性，对悬架的垂向运动有基本的认识。试验步骤如下：
1)检查试验台是否正常，记录悬架系统的基本参数，比如车身质量、悬架刚度、阻尼系数、车轮质量(非簧载质量)、电机参数。
2)将道路模拟带安装到皮带轮上，给控制系统上电。
3)设定道路模拟伺服电机转速，点击采集系统的开始信号采集。持续采集1分钟，得到车身垂向加速度、悬架动扰度、车轮动载荷数据，然后将电机转速设置为0，停止记录。
4)改变道路模拟伺服电机转速，继续重复上述步骤，得到悬架系统的动态响应结果。
5)数据结果处理，通过上位机软件，得到垂向加速度的均方根值、时域和频率的响应信号。
6)将采集到的试验数据与搭建的仿真模型进行对比，比较仿真与试验有何异同，分析其原因。
7)改变道路凸轮、车身负载质量，重复以上步骤2-6，分析车身质量、道路条件对悬架特性的影响规律。
实施例2：阻尼模拟试验
悬架系统的阻尼系数对车辆垂向动力学响应特性有很重要的影响。在教学试验中，可以通过本试验台中的音圈电机模拟不同的阻尼系数，较为方便地得到阻尼系数对悬架特性的影响规律。试验过程具体如下：
1)检查试验台是否正常，记录悬架系统的基本参数，比如车身质量、悬架刚度、阻尼系数、车轮质量(非簧载质量)、电机参数。
2)将道路模拟带安装到皮带轮上，给控制系统上电。
3)在电脑上位机设置阻尼模拟系数，控制系统将根据公式(1)计算需求的电机电流，从而控制电机的输出力，实现阻尼力的模拟。
4)设定道路模拟伺服电机转速，点击采集系统的开始信号采集。持续采集1分钟，得到车身垂向加速度、悬架动扰度、车轮动载荷数据，然后将电机转速设置为0，停止记录。
5)改变阻尼模拟系数，继续重复上述步骤，得到悬架系统的动态响应结果。
6)数据结果处理，通过上位机软件，得到垂向加速度的均方根值、时域和频率的响应信号。
7)将采集到的试验数据与搭建的仿真模型进行对比，比较仿真与试验有何异同，分析其原因。
8)改变道路模拟带、车身负载质量、道路模拟电机转速，重复以上步骤2-7，分析阻尼系数对悬架特性的影响规律，思考不同的车身参数是否存在最优的阻尼系数。
实施例3：主动控制试验
本发明车辆垂向运动智能试验台，不仅可以实现不同阻尼、刚度的模拟，还可以实现主动悬架功能。学生可以根据不同的控制目标设计不同的控制律。优化目标是使车身和轮胎动载荷达到最小，同时保持悬架动行程最小。以车身垂向位移保持平稳为例，试验具体包括：
1)检查试验台是否正常，记录悬架系统的基本参数，比如车身质量、悬架刚度、阻尼系数、车轮质量(非簧载质量)、电机参数。
2)将道路模拟带安装到皮带轮上，给控制系统上电。
3)记录初始的车身位置，将模拟悬架试验台的设置为主动控制模式，控制目标为车身位置，比如输入目标车身位置为初始位置。
4)控制系统采用PID闭环控制算法，将车身垂向位移传感器输出的车身位置信号与目标值的误差输入到PID控制系统中，然后将控制信号信号输出到音圈电机，通过改变音圈电机的电流实现悬架刚度和阻尼的调节。继续计算调节后的车身垂向位置与目标值的差值，作为输入量输入到PID控制系统中，实现闭环控制。PID控制系统的控制参数有三种：比例增益P、积分增益I和导数增益D。学生可以通过改变P、I和D的数值改变音圈电机的电流，保持车身位置在目标值附近。
5)设定道路模拟伺服电机转速，通过与控制系统相连的电脑开始采集。持续采集1分钟，通过车身和车轮位移信号和音圈电机控制信号计算得到车身垂向加速度、悬架动挠度、车轮动载荷数据，然后将电机转速设置为0，停止记录。
6)将有主动控制(即主动控制试验)和无主动控制(即阻尼模拟试验、刚度模拟试验)的车身位移、加速度、悬架动挠度进行对比，分析不同PID参数对车身垂向稳定性的影响。
7)改变道路模拟带、车身负载质量、道路模拟电机转速，重复以上步骤2)-6)，分析不同的悬架参数对悬架特性的影响规律，回答PID算法能否优化垂向运动各项指标。
8)设车身初始位置为0，控制目标为车身位置。将PID控制系统的输入量改为路面状况传感器输出的路面高程信号和目标值的差值，并取消PID控制系统中的闭环。学生通过改变PID参数改变音圈电机的电流，根据前方路面信息提前改变悬架刚度和阻尼，分析智能控制对垂向运动的影响。
本发明的用于车辆动力学教学的车辆垂向运动智能试验台，包括车轮和车身质量块、音圈电机、螺旋弹簧、道路模拟带、车身垂向位移传感器、车轮垂向位移传感器、路面状况传感器。在教学试验中，学生可以通过改变音圈电机的电流来模拟悬架系统的参数，既可以用于悬架系统的动态响应特性分析，也可以分析不同阻尼系数对悬架特性的影响。试验台也可以为学生展示通过主动控制提高悬架性能的方法。车辆垂向运动模拟智能试验台的应用可以增强学生对于车辆动力学理论知识的理解，通过实际动手操作，培养学生理论联系实际，解决实际问题的能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于车辆动力学教学的车辆垂向运动智能试验台，其特征在于，包括：道路模拟装置、车轮、车身质量块、电机驱动模块、音圈电机、螺旋弹簧、控制系统、车身垂向位移传感器、车轮垂向位移传感器、路面状况传感器、显示器、电池；车轮、音圈电机、螺旋弹簧、车身质量块安装在垂向导轨上；
其中，车轮下方与道路模拟装置相接触；车身垂向位移传感器固定在车身质量块上，车轮垂向位移传感器和路面状况传感器固定在车轮上；车身垂向位移传感器、车轮垂向位移传感器、路面状况传感器、电机驱动模块连接控制系统，电池、电机驱动模块连接音圈电机；音圈电机分别连接车轮和车身质量块，螺旋弹簧分别连接车轮和车身质量块；所述道路模拟装置包含：道路模拟带、伺服电机和伺服电机连接的带轮；车身垂向位移传感器、车轮垂向位移传感器、路面状况传感器将实时测量信号传递给控制系统，再由控制系统传向电机驱动模块以控制音圈电机的电流实现悬架刚度系数模拟、悬架阻尼系数模拟以及主动悬架的PID控制；
主动悬架的PID控制中，控制系统采用PID闭环控制算法，将车身垂向位移传感器输出的车身位置信号与目标值的误差输入到PID控制系统中，然后将控制信号输出到音圈电机，通过改变音圈电机的电流实现悬架刚度和阻尼的调节；继续计算调节后的车身垂向位置与目标值的差值，作为输入量输入到PID控制系统中，实现闭环控制；其中，PID控制系统的控制参数有三种：比例增益P、积分增益I和导数增益D，以通过改变P、I和D的数值改变音圈电机的电流，保持车身位置在目标值附近。
2.如权利要求1所述的用于车辆动力学教学的车辆垂向运动智能试验台，其特征在于，通过测量得到的车身和车轮垂向速度相减得到相对运动速度，通过调整音圈电机电流实时调整电机驱动力大小，以实现不同的阻尼系数模拟，模拟阻尼系数表示为：
Figure FDA0003466115220000021
其中，kF为电机推力系数，
Figure FDA0003466115220000022
分别为车轮和车身的垂向运动速度，Csa为模拟阻尼系数；ia为音圈电机电流。
3.如权利要求2所述的用于车辆动力学教学的车辆垂向运动智能试验台，其特征在于，采用螺旋弹簧来模拟实际车辆悬架弹簧，其弹簧力与弹簧变形量成正比；根据采集到的车身和车轮的垂向位移，通过调整音圈电机电流实现悬架刚度系数的模拟，模拟刚度系数表示为：
Figure FDA0003466115220000023
其中，ia为音圈电机电流，xw为车轮垂向位移，x为车身垂向位移，Kka为模拟刚度系数。
4.如权利要求3所述的用于车辆动力学教学的车辆垂向运动智能试验台，其特征在于，主动悬架的PID控制中，通过车身垂向位移传感器和车轮垂向位移传感器实际测量的车身和车轮位移信号、以及音圈电机控制信号，计算得到车身垂向加速度、车轮垂向加速度、悬架动挠度、车轮动载荷数据，计算公式如下：
车身垂向加速度
Figure FDA0003466115220000031
为车身垂向位移对时间的二阶导数，计算公式为：
Figure FDA0003466115220000032
车轮垂向加速度
Figure FDA0003466115220000033
为车轮垂向位移对时间的二阶导数，计算公式为：
Figure FDA0003466115220000034
悬架动挠度Δx：
Δx＝x-xw
车轮动载荷Fd：
Figure FDA0003466115220000035
5.如权利要求1所述的用于车辆动力学教学的车辆垂向运动智能试验台，其特征在于，主动悬架的PID控制的优化目标为：使车身和轮胎动载荷达到最小，且同时保持悬架动行程最小。
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