CN114279659B

CN114279659B - 一种铰接系统试验方法、系统、介质及设备

Info

Publication number: CN114279659B
Application number: CN202011035399.9A
Authority: CN
Inventors: 张沙; 袁希文; 胡云卿; 黄瑞鹏; 张新锐; 张乾; 胡云浩
Original assignee: CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Current assignee: CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Priority date: 2020-09-27
Filing date: 2020-09-27
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2040-09-27
Also published as: CN114279659A

Abstract

本发明公开了一种铰接系统试验方法、系统、介质及设备，此方法包括步骤：建立动态虚拟试验台架；其中动态虚拟试验台架包括V₁、V₂车辆车体动力学模型和铰接系统动力学模型；失效铰接系统中与阻尼特性相关的子系统，建立V₁车与大地之间的固定副，建立V₂车与大地之间绕x轴或y轴或z轴的旋转副，并在该旋转副上施加力矩，并失效其它旋转副，计算铰接系统等效刚度；失效铰接系统中所有与刚度特性相关的子系统，保持V₁车与大地之间的固定副，激活V₂车与大地之间绕x轴或y轴或z轴的旋转副，在该旋转副上施加力矩，并失效其它旋转副，计算铰接系统等效阻尼。本发明具有成本低、通用性好、测试周期短、操作简便且测试精度高等优点。

Description

一种铰接系统试验方法、系统、介质及设备

技术领域

本发明主要涉及车辆铰接系统技术领域，具体涉及一种铰接系统试验方法、系统、介质及设备。

背景技术

随着社会对绿色出行需求的提升，公交运输的重要性日益凸显。其中，铰接式客车由于其载客量大、运行灵活，在国内外得到推广应用，如智轨电车就是一种铰接式客运车辆。铰接式客车一般由多节车通过铰接系统连接而成。铰接系统分为前后架和转盘轴承，其中前、后架和前后车体分别通过橡胶衬套连接，使车体之间能够实现一定角度的俯仰、侧倾运动；前后架之间通过转盘轴和阻尼器连接，使得前后车体之间能够实现一定角度的横摆运动。

针对铰接系统三向扭转刚度和阻尼(俯仰、横摆、侧倾)的测试对车辆动力学研究至关重要，因为通过主流商业仿真软件如TruckSim或者通过MATLAB等建立铰接式车辆整车动力学模型的时候，铰接系统等效刚度和阻尼是必不可少的建模参数，如图1所示。同时铰接系统扭转刚度、阻尼对车辆动力学响应尤其是横向动力学响应有重要影响，然而目前鲜有文献或专利公开介绍该系统等效特性(刚度和阻尼)的测试设备、方法及相应测试结果。

目前有专利文献“一种用于客车铰接系统的试验装置及其控制方法”公开了一种用于客车铰接系统的试验装置及其控制方法，由转弯平台、俯仰平台、固定平台及扭转油缸、俯仰油缸、转弯油缸等组成，此机构实现了客车铰接系统转弯、扭转、俯仰三个运动的解耦控制。综合运用了机械机构、液压传动和控制、电气控制、计算机测控等技术，实现了客车铰接系统的各种试验方案。然而，上述技术方案存在的问题有：

(1)上述技术方案需要设计和制作相关试验台架，结构复杂，周期长，代价高；同一个试验台架可能无法针对不同类型的客车铰接系统进行测试；

(2)上述技术方案将测试驱动直接加载在铰接系统本身结构上，不足以测出铰接系统作为铰接车辆子系统的等效刚度、阻尼特性；

(3)上述技术方案描述的是只有一个俯仰轴的测试工况，对于双俯仰轴的铰接系统(如图2中A、B轴)，现有测试方法不足以测出系统等效刚度、阻尼特性。

另外，也有现有技术详细描述了铰接系统的结构原理，并示意性给出了铰接系统的相关刚度特性，但是并没有给出具体的测试方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种成本低、测试周期短、通用性强、操作简便且测试精度高的铰接系统试验方法、系统、介质及设备。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种铰接系统试验方法，包括步骤：

建立动态虚拟试验台架；其中动态虚拟试验台架包括V₁车辆、V₂车辆车体动力学模型和铰接系统动力学模型；

失效铰接系统中所有与阻尼特性相关的子系统，使其在虚拟试验台架中不起作用；建立并保持V₁车与大地之间的固定副，建立并保持V₂车与大地之间绕x轴或y轴或z轴的旋转副，并在该旋转副上施加力矩，并失效其它旋转副，计算铰接系统等效刚度；

失效铰接系统中所有与刚度特性相关的子系统，使其在虚拟试验台架中不起作用；保持V₁车与大地之间的固定副，激活V₂车与大地之间绕x轴或y轴或z轴的旋转副，在该旋转副上施加力矩，并失效其它旋转副，计算铰接系统等效阻尼；

基于铰接系统等效刚度和铰接系统等效阻尼，对铰接系统进行试验。

优选地，建立动态虚拟试验台架的具体步骤为：

1.1)建立V₁车辆、V₂车辆的车体动力学模型；

1.2)建立铰接系统动力学模型，该模型包含了对其刚度、阻尼特性产生影响的所有子系统动力学模型；

1.3)通过弹性元件建立铰接系统前架、后架和V₁、V₂车体之间的柔性连接；

1.4)测量实际橡胶衬套的刚度特性，更新到铰接系统动力学模型中弹性元件的属性文件；测量实际阻尼器阀系结构的流量特性，更新到铰接系统动力学模型中阻尼元件的属性文件；

1.5)建立最终的动态虚拟试验台架。

优选地，所述铰接系统等效刚度包括等效俯仰刚度、等效横摆刚度或等效侧倾刚度中的一个或多个。

优选地，得到等效俯仰刚度的过程为：

失效铰接系统中所有与阻尼特性相关的子系统，使其在虚拟试验台架中不起作用；

建立V₁车与大地之间的固定副，位于V₁车的质心处c.p.1；

建立V₂车与大地之间绕y轴的旋转副，位于V₂车的质心处c.p.2，在该旋转副上缓慢施加俯仰力矩M_y，使得V₂车产生俯仰角α，则等效俯仰刚度计算公式为：K_pitch＝M_y/α。

优选地，得到等效横摆刚度的过程为：保持V₁车与大地之间的固定副，失效V₂车与大地之间绕y轴的旋转副,同时在V₂车的质心处c.p.2建立V₂车与大地之间绕z轴的旋转副，在该旋转副上缓慢施加横摆力矩M_z，使得V₂车产生横摆角β，则等效横摆刚度计算公式为：K_yaw＝M_z/β。

优选地，得到等效侧倾刚度的过程为：保持V₁车与大地之间的固定副，失效V₂车与大地之间绕y轴、z轴的旋转副,同时在V₂车的质心处c.p.2建立V₂车与大地之间绕x轴的旋转副，在该旋转副上缓慢施加侧倾力矩M_x，使得V₂车产生侧倾角γ，则等效侧倾刚度计算公式为：K_roll＝M_x/γ。

优选地，所述铰接系统等效阻尼包括等效俯仰阻尼、等效横摆阻尼或等效侧倾阻尼中的一种或多种。

优选地，得到等效俯仰阻尼的过程为：

失效铰接系统中所有与刚度特性相关的子系统，使其在虚拟试验台架中不起作用；

建立并保持V₁车与大地之间的固定副，激活V₂车与大地之间绕y轴的旋转副，失效其他运动副，在该旋转副上以一定速度施加俯仰力矩M_y，使得V₂车产生俯仰角α，则等效俯仰阻尼计算公式为：

优选地，得到等效横摆阻尼的过程为：保持V₁车与大地之间的固定副，激活V₂车与大地之间绕z轴的旋转副，失效其他运动副，在该旋转副上以一定速度施加横摆力矩M_z，使得V₂车产生横摆角β，则等效横摆阻尼计算公式为：

优选地，得到等效侧倾阻尼的过程为：保持V₁车与大地之间的固定副，激活V₂车与大地之间绕x轴的旋转副，失效其他运动副，在该旋转副上以一定速度施加侧倾力矩M_x，使得V₂车产生横摆角γ，则等效侧倾阻尼计算公式为：

本发明还公开了一种铰接系统等效刚度和阻尼的计算系统，包括：

建立模块，用于建立动态虚拟试验台架；其中动态虚拟试验台架包括V₁车辆、V₂车辆车体动力学模型和铰接系统动力学模型；

铰接系统等效刚度计算模块，用于失效铰接系统中所有与阻尼特性相关的子系统，使其在虚拟试验台架中不起作用；建立并保持V₁车与大地之间的固定副，建立并保持V₂车与大地之间绕x轴或y轴或z轴的旋转副，并在该旋转副上施加力矩，并失效其它旋转副，计算铰接系统等效刚度；

铰接系统等效阻尼计算模块，用于失效铰接系统中所有与刚度特性相关的子系统，使其在虚拟试验台架中不起作用；保持V₁车与大地之间的固定副，激活V₂车与大地之间绕x轴或y轴或z轴的旋转副，在该旋转副上施加力矩，并失效其它旋转副，计算铰接系统等效阻尼；

试验模块，用于基于铰接系统等效刚度和铰接系统等效阻尼，对铰接系统进行试验。

本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的铰接系统试验方法的步骤。

本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的铰接系统试验方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提出铰接系统动态虚拟试验台架建立方法，解决了搭建实际铰接系统测试台架带来的费用高、周期长、通用性差的问题，能够适应不同类型、尺寸铰接系统的测试。

(2)本发明提出的铰接系统动态虚拟试验台架，输入参数少，只需要橡胶衬套的相关材料特性和阻尼器阀系结构的流量特性，简单易行，不需要真实的铰接系统作为被测对象。

(3)本发明提出基于动态虚拟试验台架计算铰接系统等效刚度、阻尼的方法，能够更加真实地模拟铰接系统与车辆本体之间的俯仰、侧倾和扭转运动状态，从而更为准确地获取铰接系统等效三向刚度和阻尼特性，有效提高后续铰接车辆的测试精度。

(4)本发明提出的铰接系统等效刚度、阻尼计算方法，能够实现系统刚度、阻尼的独立测试，能够消除实际测试过程中刚度、阻尼的耦合作用，提高测试精度和测试方便性。

附图说明

图1为现有技术中铰接系统三向扭转刚度、阻尼示意图。

图2为现有技术中双俯仰轴铰接系统结构示意图。

图3为本发明铰接系统的俯视图。

图4为本发明铰接系统的主视图。

图5为本发明铰接式车辆的俯视图。

图6为本发明铰接式车辆的主视图。

图7为本发明铰接车辆俯仰运动示意图。

图8为本发明铰接车辆横摆运动示意图。

图9为本发明铰接车辆侧倾运动示意图。

图10为本发明的方法在实施例的流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

首先，本发明的铰接系统结构如图3-4所示，带有该铰接系统的铰接式车辆如图5-6所示。图3-4中P₁、P₂分别代表V₁车辆、V₂车辆相对于铰接系统的俯仰轴，点c是车辆相对于铰接系统的横摆运动中心。

如图10所示，本实施例的铰接系统试验方法，包括步骤：

计算铰接系统等效刚度：失效铰接系统中所有与阻尼特性相关的子系统，使其在虚拟试验台架中不起作用；建立并保持V₁车与大地之间的固定副，建立并保持V₂车与大地之间绕x轴或y轴或z轴的旋转副，并在该旋转副上施加力矩，并失效其它旋转副，计算铰接系统等效刚度；

计算铰接系统等效阻尼：失效铰接系统中所有与刚度特性相关的子系统，使其在虚拟试验台架中不起作用；保持V₁车与大地之间的固定副，激活V₂车与大地之间绕x轴或y轴或z轴的旋转副，在该旋转副上施加力矩，并失效其它旋转副，计算铰接系统等效阻尼；

本实施例中，建立动态虚拟试验台架的具体过程为：

1.1)建立V₁车辆、V₂车辆的车体动力学模型；

1.2)建立铰接系统动力学模型，该模型包含了对其刚度、阻尼特性产生重要影响的所有子系统动力学模型；铰接系统前架、后架之间通过位于点c处的旋转副建立刚性连接(如图3所示)，允许铰接系统前后架之间能够实现绕z轴的横摆运动；

1.3)通过弹性元件建立铰接系统前架、后架和V₁、V₂车体之间的柔性连接，该弹性元件可以产生空间各方向的变形，同时允许铰接系统和车体之间能实现较大角度绕y轴的俯仰运动；

1.4)测量实际橡胶衬套的刚度特性，更新到上述动力学模型中弹性元件的属性文件；测量实际阻尼器阀系结构的流量特性，更新到上述动力学模型中阻尼元件的属性文件；

1.5)建立最终的虚拟试验台架，如图5-6所示；

本实施例中，计算铰接系统等效刚度的具体过程为：

(1)失效铰接系统中所有与阻尼特性相关的子系统，使其在虚拟试验台架中不起作用；

(2)建立V₁车与大地之间的固定副，位于V₁车的质心处c.p.1；建立V₂车与大地之间绕y轴的旋转副，位于V₂车的质心处c.p.2，在该旋转副上缓慢施加俯仰力矩M_y，如图7所示，使得V₂车产生俯仰角α，则等效俯仰刚度计算公式为：K_pitch＝M_y/α；

(3)保持V₁车与大地之间的固定副，失效V₂车与大地之间绕y轴的旋转副,同时在V₂车的质心处c.p.2建立V₂车与大地之间绕z轴的旋转副，在该旋转副上缓慢施加横摆力矩M_z，如图8所示，使得V₂车产生横摆角β，则等效横摆刚度计算公式为：K_yaw＝M_z/β；

(4)保持V₁车与大地之间的固定副，失效V₂车与大地之间绕y轴、z轴的旋转副,同时在V₂车的质心处c.p.2建立V₂车与大地之间绕x轴的旋转副，在该旋转副上缓慢施加侧倾力矩M_x，如图9所示，使得V₂车产生侧倾角γ，则等效侧倾刚度计算公式为：K_roll＝M_x/γ。

本实施例中，计算铰接系统等效阻尼的具体过程为：

(1)失效铰接系统中所有与刚度特性相关的子系统，使其在虚拟试验台架中不起作用；

(2)保持V₁车与大地之间的固定副，激活V₂车与大地之间绕y轴的旋转副，失效其他运动副，在该旋转副上以一定速度施加俯仰力矩M_y，如图7所示，使得V₂车产生俯仰角α，则等效俯仰阻尼计算公式为：

(3)保持V₁车与大地之间的固定副，激活V₂车与大地之间绕z轴的旋转副，失效其他运动副，在该旋转副上以一定速度施加横摆力矩M_z，如图8所示，使得V₂车产生横摆角β，则等效横摆阻尼计算公式为：

(4)保持V₁车与大地之间的固定副，激活V₂车与大地之间绕x轴的旋转副，失效其他运动副，在该旋转副上以一定速度施加侧倾力矩M_x，如图9所示，使得V₂车产生侧倾角γ，则等效侧倾阻尼计算公式为：

本发明提出铰接系统动态虚拟试验台架建立方法，解决了搭建实际铰接系统测试台架带来的费用高、周期长、通用性差的问题，能够适应不同类型、尺寸铰接系统的测试；本发明提出的铰接系统动态虚拟试验台架，输入参数少，只需要橡胶衬套的相关材料特性和阻尼器阀系结构的流量特性，简单易行，不需要真实的铰接系统作为被测对象；本发明提出基于动态虚拟试验台架计算铰接系统等效刚度、阻尼的方法，能够更加真实地模拟铰接系统与车辆本体之间的俯仰、侧倾和扭转运动状态，从而更为准确地获取铰接系统等效三向刚度和阻尼特性，有效提高铰接车辆后续的测试精度；本发明提出的铰接系统等效刚度、阻尼计算方法，能够实现系统刚度、阻尼的独立测试，能够消除实际测试过程中刚度、阻尼的耦合作用，提高测试精度和测试方便性。

本发明的铰接系统等效刚度和阻尼的计算系统，用于执行如上所述的方法，同样具有如上所述的优点。

本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的铰接系统试验方法的步骤。本发明进一步公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的铰接系统试验方法的步骤。

本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。