CN113868764A - 一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法 - Google Patents

一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法 Download PDF

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Abstract

一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法，该方法包括如下步骤：1、建立非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型；2、悬架动力学模型标定；3、虚拟反求轮胎接地位置三向位移时域数据；4、建立三轴向悬架虚拟试验台；5、悬架动力学仿真。本发明运用运动学与动力学理论，提出的一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法，解决了现有扭杆弹簧独立悬架建模方法因抽象简化较多而导致仿真误差偏大的问题，同时也解决了悬架振动仿真所采用的三轴向真实路谱输入问题，提高了悬架振动性能的仿真效率与仿真精度，具有较高的适用性和可操作性。

Description

一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法
技术领域
本发明属于技术车辆动力学仿真领域，具体涉及一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法。
背景技术
悬架是车架与车桥之间联接装置的总称，主要起到吸收和衰减因路面不平引起车架冲击和振动的作用。悬架对汽车性能非常重要，关乎到汽车的操纵稳定性和舒适性，同时也影响着驾乘人员的主观感受。扭杆弹簧独立悬架主要由扭杆弹簧、减震器、缓冲块、连接橡胶衬套、稳定杆和双控制臂组成，是一个高度非线性系统。在分析扭杆弹簧独立悬架的运动学与动力学特性时，多采用简化的多自由度线性理论模型，理论分析过程复杂，而且理论分析结果误差较大，为了解决上述理论分析带来的问题，悬架动力学仿真技术提供了一种高效率、高精度的分析方法。目前悬架K&C仿真多数是采用ADAMS/CAR软件建立的多刚体悬架动力学模型，可以实现较高的仿真效率与仿真精度；但是悬架振动仿真依旧采用悬架多刚体动力学模型，并在轮胎上施加Z向B级路面与脉冲路面，忽略了悬架中减震器、橡胶衬套、缓冲块与双控制臂非线性，以及真实路况对悬架振动的影响，造成悬架振动仿真结果与试验结果间的误差偏大问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法，对悬架进行运动学与动力学分析，从时域和频域角度全面而精确的描述扭杆弹簧独立悬架的动态特性；通过轮胎接地位置X、Y、Z三向位移虚拟反求技术和三轴向虚拟试验台的应用，可以模拟真实路面激励，有效提高了悬架振动仿真精度。
本发明提供一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法，包括如下步骤，
步骤S1、构建非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型；
步骤S2、利用悬架动力学模型进行标定；
步骤S3、虚拟反求轮胎接地位置三向位移时域数据；
步骤S4、构建三轴向悬架虚拟试验台；
步骤S5、进行悬架动力学仿真。
作为本发明的进一步技术方案，步骤S1中，构建非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型的方法如下，
步骤S11、通过试验设备测量扭杆弹簧的扭转刚度、减震器阻尼、连接衬套的刚度与阻尼，缓冲块的刚度；
步骤S12、通过轮胎试验台进行轮胎垂直刚度，纵向刚度，侧向刚度，扭转刚度试验；
步骤S13、通过悬架K&C试验台测量悬架刚度与挠度，并结合LMS设备测量悬架的阻尼；
步骤S14、通过悬架K&C试验台测量轮距变化；
步骤S15、在ADAMS/VIEW中采用BEAM方法建立扭杆弹簧非线性模型、根据扭杆弹簧的扭转刚度试验曲线设置扭杆弹簧动力学模型的BEAM参数；
步骤S16、在ADAMS/VIEW中采用IF函数建立减震器非线性模型、根据减震器的阻尼特性试验曲线设置减震器模型的阻尼-速度特性曲线；
步骤S17、在ADAMS/VIEW中采用多项式函数建立连接衬套非线性模型、根据连接衬套的刚度与阻尼试验曲线设置连接衬套动力学模型；
步骤S18、在ADAMS/VIEW中采用IF函数建立缓冲块非线性模型、根据缓冲块的刚度试验曲线，以及缓冲块的空间行程设置缓冲块动力学模型；
步骤S19、在ADAMS/VIEW中建立MF-Swift轮胎非线性模型、根据轮胎的刚度试验曲线设置轮胎动力学模型；
步骤S110、在ADAMS/VIEW中采用MNF法建立稳定杆与控制臂的非线性模型、添加材料属性；
步骤S111、采用模型整合命令虚拟装配扭杆弹簧模型、减震器非线性模型、缓冲块模型、轮胎模型、以及稳定杆模型与控制臂模型，并设置部件间的约束关系。
进一步的，步骤S2的具体步骤如下，
步骤S21、在重力场中对悬架模型进行静平衡仿真，分别计算悬架系统质量M1与含有负载的悬架系统质量M2，M2与M1的差值即为簧载质量，并与悬架簧载质量设计数据对标；
步骤S22、给非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型的左右两侧车轮缓慢施加Z向位移，位移从0mm逐渐增大到缓冲块变形量达到2/3的位置，并采集轮胎接地点的垂向载荷，计算悬架刚度，并与悬架刚度的试验结果对标；
步骤S23、给非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型的左右两侧车轮缓慢施加Z向位移，位移从0mm逐渐增大到缓冲块变形量达到2/3的位置，并采集接地点的轮距变化数据，并与轮距试验的结果对标；
步骤S24、给非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型的左右两侧车轮施加一个瞬时脉冲Z向位移激励，采集车架上的振动衰减时域曲线，计算悬架的阻尼系数，并与悬架阻尼试验结果对标。
进一步的，步骤S3的具体步骤如下，
步骤S31、车辆在实际道路上行驶时，采集轴头位置三向振动加速度时域数据，并去除加速度数据的毛刺和漂移；
步骤S32、在ADAMS软件中沿X、Y、Z三个方向上距轴头相同距离各建一个滑块，并在滑块与轴头之间各建一个弹簧，弹簧刚度约为轮胎垂向刚度的100倍；
步骤S33、三个滑块与地面之间各建一个移动副，移动副的方向为滑块与轴头的连线方向，在三个移动副上分别建一个位移驱动，从而建立反求轮胎位移的虚拟迭代模型；
步骤S34、以轴头三向加速度时域数据为迭代目标，以滑块位移为迭代参数，采用FATLAB进行虚拟迭代计算，反求左右两侧轮胎X、Y、Z三个方向的位移时域数据。
进一步的，步骤S4的具体步骤如下，
步骤S41、建立两个相互独立的浮动平台，并在每个浮动平台上建立一个Flat平台路面，用于创建浮动平台与轮胎间的接触；
步骤S42、在X方向上建立第一推拉杆与第二推拉杆，第一推拉杆与地面间建立一个球铰副，第一推拉杆与第二推拉杆间建立第一移动副，第二推拉杆与浮动平台间建立一个球铰副；
步骤S43、在Y方向上建立第三推拉杆与第四推拉杆，第三推拉杆与地面间建立一个球铰副，第三推拉杆与第四推拉杆间建立第二移动副，第四推拉杆与浮动平台间建立一个球铰副；
步骤S44、在Z方向上建立第五推拉杆与第六推拉杆，第五推拉杆与地面间建立一个球铰副，第五推拉杆与第六推拉杆间建立第三移动副，第六推拉杆与浮动平台间建立一个球铰副；
步骤S45、在第一移动副上建立X向位移驱动，第二在移动副上建立Y向位移驱动，在第三移动副上建立Z向位移驱动；
步骤S46、将反求得到的左右两侧轮胎X、Y、Z三个方向的位移时域数据施加到与之相对应的位移驱动上。
进一步的，步骤S5的具体步骤如下，
步骤S51、将步骤S1中构建的非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型放置到步骤S4中建立的三轴向悬架虚拟试验台上，并设置轮胎与浮动平台路面间的接触关系；
步骤S52、设置仿真时间与仿真步数，从静平衡位置开始进行动力学仿真计算；
步骤S53、采集悬架加速度数据，进行悬架系统幅频特性分析与悬架振动传递率分析；
步骤S54、悬架动态变形分析与控制臂转角动态变化分析。
本发明的优点在于，解决现有悬架振动模型非线性度低，模型简化较多和仿真误差大的问题，提高悬架振动性能的仿真效率与仿真精度，具有较高适用性和可操作性。
附图说明
图1为图1是本发明的非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真技术流程图；
图2为本发明的扭杆弹簧独立悬架结构示意图；
图3为本发明的悬架刚度对标曲线；
图4为本发明的轮距变化对标曲线；
图5为本发明的悬架阻尼对标曲线；
图6为本发明的轮胎接地位置三向位移虚拟迭代模型示意图；
图7为本发明的三轴向悬架虚拟试验台结构示意图；
图8为本发明的三轴试验台—悬架振动模型示意图；
图9为本发明的悬架系统加速度时域对标曲线；
图10为本发明的悬架系统加速度频域对标曲线；
附图标记说明:
1.轴头；2.轮胎；3.三轴试验台；4.浮动平台；5.推拉杆1；6.推拉杆2；7.推拉杆3；8.推拉杆4；9.推拉杆5；10.推拉杆10。
具体实施方式
请参阅图1，本实施例提供本发明一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法，包括如下步骤：
建立非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型。
零部件试验的步骤为：
采用试验设备测试扭杆弹簧的扭转刚度、减震器阻尼、橡胶衬套的刚度与阻尼，缓冲块的刚度；
采用轮胎试验台进行轮胎垂直刚度，纵向刚度，侧向刚度，扭转刚度试验；
采用悬架K&C试验台测量悬架刚度与挠度，并结合LMS设备测量悬架的阻尼；
采用悬架K&C试验台测量轮距变化；
悬架系统建模的步骤为：
在ADAMS/VIEW中采用BEAM方法建立扭杆弹簧非线性模型、根据扭杆弹簧的扭转刚度试验曲线设置扭杆弹簧动力学模型的BEAM参数，并设置扭杆的预紧力，如表1所示；
表1扭杆参数
Figure BDA0003283802340000061
在ADAMS/VIEW中采用IF函数建立减震器非线性模型，设减振器上下两点(图2中P4点与P5点)之间的相对速度测量V45，根据减震器的阻尼特性试验曲线设置减震器模型的阻尼-速度特性曲线，建立的IF函数为：
IF(V45+175:1.1×V45-(752.5-1.1×V45),-752.5,IF(V45:4.3×V45,0,IF(V45-65:33.8×V45,2197,2.85×V45+(2197-2.86×65))))；
在ADAMS/VIEW中采用多项式函数建立连接衬套非线性模型，先将连接衬套的刚度与阻尼试验数据转化成TXT.文件，并将文件导入到EXCEL中建立衬套刚度与阻尼的多项式函数，根据多项式函数建立连接衬套非线性模型；
在ADAMS/VIEW中采用IF函数建立缓冲块非线性模型、根据缓冲块的刚度试验曲线，以及缓冲块的空间形成设置缓冲块动力学模型；满载时缓冲块间距30mm，图2中缓冲块上下端点(P7点与P8点)间的距离为50mm；当P7 P8间的距离为50mm～30mm时，缓冲块不接触；当P7 P8间的距离为30mm时，缓冲块刚好接触；当P7P8间的距离为20mm～0mm时，缓冲块压缩变形；缓冲块刚度IF函数为：IF(P7P8-20:-1×(0.0184×(20-P7P8)^4-0.6523×(20-P7P8)^3+11.866×(20-P7P8)^2+1.3323×(20-P7P8)+1.1151),0,0)；
在ADAMS/VIEW中建立MF-Swift轮胎非线性模型，根据轮胎的垂直刚度，纵向刚度，侧向刚度和扭转刚度试验曲线，采用MF-tools工具修改MF-Swift轮胎模型中的特征曲线，生成MF-Swift轮胎文件；
采用有限元软件计算稳定杆与控制臂模态，提取MNF文件，并将MNF文件导入到ADAMS/VIEW中建立稳定杆与控制臂的柔性体模型；
采用模型整合命令虚拟装配扭杆弹簧模型、减震器非线性模型、缓冲块模型、轮胎模型、以及稳定杆模型与控制臂模型，并设置部件间的关系。
悬架动力学模型标定的步骤为：
在重力场中对悬架模型进行静平衡仿真，分别计算悬架系统质量M1与含有负载的悬架系统质量M2，M2与M1的差值即为簧载质量，并与悬架簧载质量设计数据对标；簧载质量仿真结果为1560kg，设计值为1500kg，两者吻合度为96.2％；
给建立的非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型的左右两侧车轮缓慢施加Z向位移，位移从0mm逐渐增大到43.3mm，并采集轮胎接地点的垂向载荷，计算悬架刚度，并与悬架刚度试验结果对标，对标结果见图3；
给建立的非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型的左右两侧车轮缓慢施加Z向位移，位移从0mm逐渐增大到43.3mm，并采集左右轮距变化曲线，并与轮距试验结果对标，对标结果见图4；
给建立的非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型的左右两侧车轮施加一个幅值为10mm瞬时脉冲Z向位移激励，采集车架上的振动衰减时域曲线，计算悬架的阻尼系数，并与悬架阻尼试验结果对标，对标结果见图5。
参见图6，虚拟反求轮胎接地位置三向位移时域数据步骤为：
车辆在实际道路上行驶时，采集轴头位置三向振动加速度时域数据，并去除加速度数据的毛刺和漂移；
在ADAMS软件中沿X、Y、Z三个方向上距轴头相同距离各建一个滑块，并在滑块与轴头之间各建一个弹簧，轮胎垂向刚度为500N/mm，弹簧刚度约为50000N/mm；
三个滑块与地面之间各建一个移动副，移动副的方向为滑块与轴头的连线方向，在三个滑动副上分别建一个位移驱动，从而建立反求轮胎位移的虚拟迭代模型；
以轴头三向加速度时域数据为目标，以滑块位移为迭代参数，采用FATLAB进行虚拟迭代计算，反求左右两侧轮胎X、Y、Z三个方向的位移时域数据。
参见图7，建立三轴向悬架虚拟试验台的步骤为：
建立两个相互独立的浮动平台，并在每个浮动平台上建立一个Flat平台路面，用于创建浮动平台与轮胎间的接触；
在X方向上建立第一推拉杆与第二推拉杆，第一推拉杆与地面间建立一个球铰副，第一推拉杆与第二推拉杆间建立第一移动副，第二推拉杆与浮动平台间建立一个球铰副；
在Y方向上建立第三推拉杆与第四推拉杆，第三推拉杆与地面间建立一个球铰副，第三推拉杆与第四推拉杆间建立第二移动副，第四推拉杆与浮动平台间建立一个球铰副；
在Z方向上建立第五推拉杆与第六推拉杆，第五推拉杆与地面间建立一个球铰副，第五推拉杆与第六推拉杆间建立第三移动副，第六推拉杆与浮动平台间建立一个球铰副；
在第一移动副上建立X向位移驱动，在第二移动副上建立Y向位移驱动，在第三移动副上建立Z向位移驱动；
将反求得到的左右两侧轮胎X、Y、Z三个方向的位移时域数据施加到与之相对应的位移驱动上。
参见图8，悬架运动学与动力学仿真的步骤为：
将建立的非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型放置到建立的三轴向悬架虚拟试验台，并设置轮胎与浮动平台路面间的接触关系；
设置仿真时间与仿真步数，从静平衡位置开始进行动力学仿真计算；
采集悬架系统P4点加速度时域数据，见图9；对图9所示是加速度时域曲线进行FFT分析得到悬架系统振动加速度幅频特性曲线，见图10所示；采集P5点加速度时域数据除以P4点加速度时域数据得到悬架系统振动传递率分析，如表2所示；
表2悬架振动传递率
车速km/h 50 60 70 80 90 100
传递率％ 26 24 25 23 24 26
采集图2中的P1、P2、P6、P7位置的位移信号可分析悬架动态变形情况与控制臂转角动态变化情况，
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤S1、构建非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型；
步骤S2、利用悬架动力学模型进行标定；
步骤S3、虚拟反求轮胎接地位置三向位移时域数据；
步骤S4、构建三轴向悬架虚拟试验台；
步骤S5、进行悬架动力学仿真。
2.根据权利要求1所述的一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法，其特征在于，所述步骤S1中，构建非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型的方法如下，
步骤S11、通过试验设备测量扭杆弹簧的扭转刚度、减震器阻尼、连接衬套的刚度与阻尼，缓冲块的刚度；
步骤S12、通过轮胎试验台进行轮胎垂直刚度，纵向刚度，侧向刚度，扭转刚度试验；
步骤S13、通过悬架K&C试验台测量悬架刚度与挠度，并结合LMS设备测量悬架的阻尼；
步骤S14、通过悬架K&C试验台测量轮距变化；
步骤S15、在ADAMS/VIEW中采用BEAM方法建立扭杆弹簧非线性模型、根据扭杆弹簧的扭转刚度试验曲线设置扭杆弹簧动力学模型的BEAM参数；
步骤S16、在ADAMS/VIEW中采用IF函数建立减震器非线性模型、根据减震器的阻尼特性试验曲线设置减震器模型的阻尼-速度特性曲线；
步骤S17、在ADAMS/VIEW中采用多项式函数建立连接衬套非线性模型、根据连接衬套的刚度与阻尼试验曲线设置连接衬套动力学模型；
步骤S18、在ADAMS/VIEW中采用IF函数建立缓冲块非线性模型、根据缓冲块的刚度试验曲线，以及缓冲块的空间行程设置缓冲块动力学模型；
步骤S19、在ADAMS/VIEW中建立MF-Swift轮胎非线性模型、根据轮胎的刚度试验曲线设置轮胎动力学模型；
步骤S110、在ADAMS/VIEW中采用MNF法建立稳定杆与控制臂的非线性模型、添加材料属性；
步骤S111、采用模型整合命令虚拟装配扭杆弹簧模型、减震器非线性模型、缓冲块模型、轮胎模型、以及稳定杆模型与控制臂模型，并设置部件间的约束关系。
3.根据权利要求1所述的一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤如下，
步骤S21、在重力场中对悬架模型进行静平衡仿真，分别计算悬架系统质量M1与含有负载的悬架系统质量M2，M2与M1的差值即为簧载质量，并与悬架簧载质量设计数据对标；
步骤S22、给非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型的左右两侧车轮缓慢施加Z向位移，位移从0mm逐渐增大到缓冲块变形量达到2/3的位置，并采集轮胎接地点的垂向载荷，计算悬架刚度，并与悬架刚度的试验结果对标；
步骤S23、给非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型的左右两侧车轮缓慢施加Z向位移，位移从0mm逐渐增大到缓冲块变形量达到2/3的位置，并采集接地点的轮距变化数据，并与轮距试验的结果对标；
步骤S24、给非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型的左右两侧车轮施加一个瞬时脉冲Z向位移激励，采集车架上的振动衰减时域曲线，计算悬架的阻尼系数，并与悬架阻尼试验结果对标。
4.根据权利要求1所述的一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤如下，
步骤S31、车辆在实际道路上行驶时，采集轴头位置三向振动加速度时域数据，并去除加速度数据的毛刺和漂移；
步骤S32、在ADAMS软件中沿X、Y、Z三个方向上距轴头相同距离各建一个滑块，并在滑块与轴头之间各建一个弹簧，弹簧刚度约为轮胎垂向刚度的100倍；
步骤S33、三个滑块与地面之间各建一个移动副，移动副的方向为滑块与轴头的连线方向，在三个移动副上分别建一个位移驱动，从而建立反求轮胎位移的虚拟迭代模型；
步骤S34、以轴头三向加速度时域数据为迭代目标，以滑块位移为迭代参数，采用FATLAB进行虚拟迭代计算，反求左右两侧轮胎X、Y、Z三个方向的位移时域数据。
5.根据权利要求1所述的一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法，其特征在于，所述步骤S4的具体步骤如下，
步骤S41、建立两个相互独立的浮动平台，并在每个浮动平台上建立一个Flat平台路面，用于创建浮动平台与轮胎间的接触；
步骤S42、在X方向上建立第一推拉杆与第二推拉杆，第一推拉杆与地面间建立一个球铰副，第一推拉杆与第二推拉杆间建立第一移动副，第二推拉杆与浮动平台间建立一个球铰副；
步骤S43、在Y方向上建立第三推拉杆与第四推拉杆，第三推拉杆与地面间建立一个球铰副，第三推拉杆与第四推拉杆间建立第二移动副，第四推拉杆与浮动平台间建立一个球铰副；
步骤S44、在Z方向上建立第五推拉杆与第六推拉杆，第五推拉杆与地面间建立一个球铰副，第五推拉杆与第六推拉杆间建立第三移动副，第六推拉杆与浮动平台间建立一个球铰副；
步骤S45、在第一移动副上建立X向位移驱动，第二在移动副上建立Y向位移驱动，在第三移动副上建立Z向位移驱动；
步骤S46、将反求得到的左右两侧轮胎X、Y、Z三个方向的位移时域数据施加到与之相对应的位移驱动上。
6.根据权利要求1所述的一种非线性扭杆弹簧独立悬架动力学建模与仿真方法，其特征在于，所述步骤S5的具体步骤如下，
步骤S51、将步骤S1中构建的非线性扭杆弹簧独立悬架动力学模型放置到步骤S4中建立的三轴向悬架虚拟试验台上，并设置轮胎与浮动平台路面间的接触关系；
步骤S52、设置仿真时间与仿真步数，从静平衡位置开始进行动力学仿真计算；
步骤S53、采集悬架加速度数据，进行悬架系统幅频特性分析与悬架振动传递率分析；
步骤S54、悬架动态变形分析与控制臂转角动态变化分析。
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