CN116361924A - 一种汽车空气悬架动力学仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽车空气悬架动力学仿真方法，包括通过对空气弹簧采用额定空气容量的方法进行零件台架测试，测量气囊在不同压力下的力与位移的关系曲线，以获取气囊刚度数组K；建立汽车整车多体动力学模型，在仿真分析时，通过调整空气弹簧的安装长度以使空气悬架的姿态传感器角度A的相对变化值小于阈值A₀，并获取满足整车姿态要求的空气悬架气囊安装长度D；根据悬架的轴荷G计算当前气囊达到静平衡所需的预载力F，并结合气囊的安装长度D和刚度数组K插值计算出气囊当前工作状态的刚度曲线以仿真空气悬架刚度和姿态的动力学特性。本申请提高了仿真效率同时满足了分析精度需求。

Description

一种汽车空气悬架动力学仿真方法

技术领域

本发明涉及悬架动力学仿真技术领域，特别涉及一种汽车空气悬架动力学仿真方法。

背景技术

随着空气悬架的广泛应用，其动力学的仿真分析成为配置空气悬架汽车的研发设计的重要环节。

汽车传统悬架的弹性元件一般由螺旋弹簧或板簧构成。车辆悬架为满足不同载荷的偏频要求，悬架应在空载和满载具有不同的刚度。然而由于传统悬架弹性元件结构限制，在实现刚度变化的同时会引起悬架姿态的显著变化，从而不利于汽车的操控稳定性及乘坐舒适性。相比传统悬架，空气悬架使用气囊代替传统悬架中的弹性元件，通过控制气囊中空气的压强可实现悬架姿态和刚度的主动调节，具备姿态可调、质量轻便、减振效果好等优势，能明显提升驾乘操控性和舒适性。

现有技术中空气悬架的动力学仿真方法，一般通过测量静刚度试验得到空气弹簧在设计状态时的刚度数据，然后在仿真软件中等效为螺旋弹簧进行分析计算，此方法没有考虑空气弹簧气囊充放气对悬架刚度的影响，造成仿真结果不准确；还有一些空气悬架动力学分析方法，通过测量不同载荷下的空气弹簧刚度数据，针对车辆分析的不同载荷工况，手动切换弹簧的不同刚度数据，但这种方法模拟空气弹簧的刚度特性是离散近似值，且不能实现车辆在行程过程中动载荷变化时空气弹簧的姿态和刚度的动力学特性仿真。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种汽车空气悬架动力学仿真方法，用以解决现有技术中的仿真结果精度不足的技术问题。

本发明一方面提供一种汽车空气悬架动力学仿真方法，包括：

通过对空气弹簧采用额定空气容量的方法进行零件台架测试，测量气囊在不同压力下的力与位移的关系曲线，以获取气囊部件在不同气压下的气囊刚度数组K；

建立汽车整车多体动力学模型，所述多体动力学模型包括车身系统模型以及空气弹簧部件模型，所述空气弹簧部件模型为自定义计算子模型，在仿真分析时，通过调整空气弹簧的安装长度以使空气悬架的姿态传感器角度A的相对变化值小于阈值A₀，并获取满足整车姿态要求的空气悬架气囊安装长度D；

根据悬架的轴荷G计算当前气囊达到静平衡所需的预载力F，并结合气囊的安装长度D和刚度数组K插值计算出气囊当前工作状态的刚度曲线，以仿真空气悬架刚度和姿态的动力学特性。

上述汽车空气悬架动力学仿真方法，一方面通过将气囊刚度记录为刚度数组K，根据空气悬架的姿态高度和预载荷通过插值得到空气弹簧的刚度曲线值，用较少的测量数据实现了空气弹簧的刚度变化的动力学特性的仿真，提高了仿真效率同时满足了分析精度需求；另一方面通过在模型利用车身与悬架连杆之间的夹角A大小实现对当前悬架姿态进行检测判断，实现悬架姿态反馈，在不同悬架载荷下，可根据悬架姿态控制要求，自动调节空气弹簧的工作高度，仿真模型与空气弹簧实际工作原理相符合，提升了空气悬架动力学仿真的准确性。

另外，根据本发明上述的汽车空气悬架动力学仿真方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在测量气囊在不同压力下的力与位移的关系曲线，以获取气囊部件在不同气压下的气囊刚度数组K的步骤包括：

以气囊的设计高度D₀作为初始条件，调整气囊的初始空气压力，测量气囊在不同工作气压P下的位移X与载荷Y的对应值，得到刚度数组K：

式中，X₀为气囊设计高度值，X_i为气囊压缩时的高度值，X_j为气囊拉升时的高度值；Y₁₀为空气压力为P₁时且气囊在设计高度值时气囊两端的载荷值，Y_1i空气压力为P₁时气囊压缩时对应的载荷值，Y_1j空气压力为P₁时气囊拉升时对应的载荷值；同理，Y_2i、Y₂₀、Y_2j分别为气囊在空气压力为P2时对应的载荷；Y_3i、Y₃₀、Y_3j分别为气囊在空气压力为P3时对应的载荷；

其中，P1、P2、P3为以气囊的设计状态气压为测试中值，分别测量低压、中压、高压三种状态的气囊刚度所对应的压力。

进一步地，根据悬架的轴荷G计算当前气囊达到静平衡所需的预载力F的步骤包括：

△D=K_S﹒△F

式中，△D为空气弹簧两端长度变化量，△F为空气弹簧两端载荷变化量，K_S为空气弹簧的实时刚度。

进一步地，通过调整空气弹簧的安装长度以使空气悬架的姿态传感器角度A的相对变化值小于阈值A₀的步骤包括：

在多体动力学模型中含有空气弹簧的悬架上设置悬架的姿态传感器，对整车模型进行静平衡仿真，检测悬架姿态传感器的角度A；

其中，检测悬架姿态传感器的角度A的方法包括：

姿态传感器的两端分别通过一连杆与车身系统模型中的车身、以及车桥悬架连接，通过车身与悬架连杆之间的角度A大小实现对当前悬架姿态的高低进行检测判断；当车身姿态升高时，则车身与悬架连杆之间的角度A将增大；当车身姿态降低时，则车身与悬架连杆之间的角度A将减小，以根据角度A的大小检测判断当前悬架姿态。

进一步地，通过调整空气弹簧的安装长度以使空气悬架的姿态传感器角度A的相对变化值小于阈值A₀的步骤包括：

根据实车空气悬架的控制原理，检测当前悬架姿态传感器的角度A与初始值的相对变化值是否超出阈值A₀；

若超出，则调整空气弹簧的安装长度，以使悬架姿态升高或者降低，并重新带入模型进行静平衡分析，直至使姿态传感器角度A的相对变化值小于阈值A₀。

进一步地，根据悬架的轴荷G计算当前气囊达到静平衡所需的预载力F，结合气囊的安装长度D和刚度数组K插值计算出气囊当前工作状态的刚度曲线的步骤包括：

结合气囊的安装长度D、预载力F以及刚度数组K插值计算出气囊当前工作状态的刚度曲线值；

其中，在气囊的刚度曲线数组中，横坐标为气囊的长度变化X，纵坐标为气囊两端的载荷力Y，通过气囊的安装长度D和预载力F分别确定刚度曲线初始点的横坐标值和纵坐标值，刚度曲线的其它数值可使用Akima插值方法得到。

进一步地，获取满足整车姿态要求的空气悬架气囊安装长度D的步骤包括：

当空气悬架的姿态符合整车姿态控制要求时，气囊的安装长度D为空气弹簧的安装长度；

其中，满足整车姿态要求时的整车姿态为：前后车轮的上点与车身轮眉的垂直间隙符合设计预设值。

附图说明

图1为本发明实施例中汽车空气悬架动力学仿真方法的流程图；

图2为本发明实施例中空气悬架动力学模型的示意图；

图3为本发明实施例中插值计算出气囊当前工作状态的刚度特性曲线值。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了解决现有技术中空气悬架的动力学仿真方法，由于对空气弹簧与悬架刚度的考虑充分导致仿真结果精度不足的技术问题，本申请提供一种汽车空气悬架动力学仿真方法，一方面通过将气囊刚度记录为刚度数组K，根据空气悬架的姿态高度和预载荷通过插值得到空气弹簧的刚度曲线值，用较少的测量数据实现了空气弹簧的刚度变化的动力学特性的仿真，提高了仿真效率同时满足了分析精度需求；另一方面通过在模型利用车身与悬架连杆之间的夹角A大小实现对当前悬架姿态进行检测判断，实现悬架姿态反馈，在不同悬架载荷下，可根据悬架姿态控制要求，自动调节空气弹簧的工作高度，仿真模型与空气弹簧实际工作原理相符合，提升了空气悬架动力学仿真的准确性。

具体的，本申请通过对空气弹簧采用额定空气容量的方法进行零件台架测试，测量气囊在不同压力下的力与位移的关系曲线，得到空气弹簧的刚度数组K。建立汽车整车多体动力学模型，在仿真分析时通过对空气弹簧安装长度的调整，使空气悬架的姿态传感器角度A的相对变化值小于阈值A₀，获取满足姿态要求的空气悬架气囊安装长度D；然后根据悬架的轴荷G计算当前气囊达到静平衡所需的预载力F，并结合气囊的安装长度D和刚度数组K插值计算气囊的刚度，从而实现了对空气悬架刚度和姿态的动力学特性的仿真。

请参阅图1，所示为本发明实施例中的汽车空气悬架动力学仿真方法，包括步骤S101-S103：

S101、通过对空气弹簧采用额定空气容量的方法进行零件台架测试，测量气囊在不同压力下的力与位移的关系曲线，以获取气囊部件在不同气压下的气囊刚度数组K。

具体的，运用汽车零部件动刚度试验机进行测试，在台架上安置气囊、充气泵、气压计等空气悬架系统部件。以气囊的设计高度D₀作为初始条件，调整气囊的初始空气压力，测量气囊在不同工作气压P下的位移X与载荷Y的对应值，较佳的，以气囊的设计状态气压为测试中值，分别测量低压、中压、高压三种状态的气囊刚度，分别对应的压力为P1、P2、P3，记录并得到刚度数组K，

式中，X₀为气囊设计高度值，X_i为气囊压缩时的高度值，X_j为气囊拉升时的高度值；Y₁₀为空气压力为P₁时且气囊在设计高度值时气囊两端的载荷值，Y_1i空气压力为P₁时气囊压缩时对应的载荷值，Y_1j空气压力为P₁时气囊拉升时对应的载荷值；同理，Y_2i、Y₂₀、Y_2j分别为气囊在空气压力为P2时对应的载荷；Y_3i、Y₃₀、Y_3j分别为气囊在空气压力为P3时对应的载荷；

其中，P1、P2、P3为以气囊的设计状态气压为测试中值，分别测量低压、中压、高压三种状态的气囊刚度所对应的压力。

在本实施例中，以气囊的设计高度D₀=250mm作为初始条件，分别测量气囊在低压P1=3bar、中压P2=5bar、高压P3=7bar三种气压状态在设计高度的载荷为3445N、6090N、9200N。通过在不同工作气压P下，对气囊两端进行加载，测量气囊的位移X与载荷Y的对应值，记录刚度数组K。

S102、建立汽车整车多体动力学模型，所述多体动力学模型包括车身系统模型以及空气弹簧部件模型，所述空气弹簧部件模型为自定义计算子模型，在仿真分析时，通过调整空气弹簧的安装长度以使空气悬架的姿态传感器角度A的相对变化值小于阈值A₀，并获取满足整车姿态要求的空气悬架气囊安装长度D。

具体的，当空气悬架的姿态符合整车姿态控制要求时，气囊的安装长度D为空气弹簧的安装长度；

其中，满足整车姿态要求时的整车姿态为：前后车轮的上点与车身轮眉的垂直间隙符合设计预设值。

在本实施例中，在仿真软件Adams中建立样车的多体动力学模型，对于底盘其它功能采用常规的建模方法，对于空气弹簧部件采用自定义计算子模型。

具体的，样车的多体动力学模型由车身系统、底盘系统、转向系统、制动系统以及轮胎模型组成。在模型的车身系统中输入样车的整车质量、转动惯量、质心坐标等整车参数；在底盘系统中输入样车的弹簧刚度、衬套刚度、减震器阻尼等悬架参数；在转向系统中输入转向器传动比、转向器扭力杆刚度、方向盘转动惯量等转向系统参数；在制动系统中输入制动器摩擦系数、制动盘作用半径、制动油缸活塞面积等制动系统参数。

空气弹簧部件采用自定义计算子模型，该子模型的输入为空气弹簧两端的安装长度D，输出的弹簧两端载荷F，运用公式△D=K_S﹒△F建立空气弹簧两端长度和载荷的关系计算式，式中，△D为空气弹簧两端长度变化量，△F为空气弹簧两端载荷变化量，K_S为空气弹簧的实时刚度。

作为一个具体示例，在多体动力学模型Adams中含有空气弹簧的悬架上设置悬架的姿态传感器，对整车模型进行静平衡仿真，检测悬架姿态传感器的角度A；其中，检测悬架姿态传感器的角度A的方法包括：

根据实车的姿态传感器原理，在姿态传感器的两端分别通过一连杆与车身系统模型中的车身、以及车桥悬架连接，则随着车身姿态的升高，车身与悬架连杆之间的夹角A将增大，车身姿态降低则夹角A将减小；如图2所示空气悬架动力学模型的示意图，可根据夹角A的大小对悬架姿态的高低进行检测判断。具体的，在通过车身与悬架连杆之间的角度A大小实现对当前悬架姿态的高低进行检测判断的过程中；当车身姿态升高时，则车身与悬架连杆之间的角度A将增大；当车身姿态降低时，则车身与悬架连杆之间的角度A将减小，以根据角度A的大小检测判断当前悬架姿态。

进一步地，根据实车空气悬架的控制原理，检测当前悬架姿态传感器的角度A与初始值的相对变化值是否超出阈值A₀；

若未超出，则执行步骤S103；

若超出，则调整空气弹簧的安装长度，以使悬架姿态升高或者降低，并重新带入模型进行静平衡分析，直至使姿态传感器角度A的相对变化值小于阈值A₀。

S103、根据悬架的轴荷G计算当前气囊达到静平衡所需的预载力F，并结合气囊的安装长度D和刚度数组K插值计算出气囊当前工作状态的刚度曲线，以仿真空气悬架刚度和姿态的动力学特性。

具体的，结合气囊的安装长度D、预载力F以及刚度数组K插值计算出气囊当前工作状态的刚度曲线值；

其中，在气囊的刚度曲线数组中，横坐标为气囊的长度变化X，纵坐标为气囊两端的载荷力Y，通过气囊的安装长度D和预载力F分别确定刚度曲线初始点的横坐标值和纵坐标值，刚度曲线的其它数值可使用Akima插值方法得到。

如图3所示，为本实施例插值计算出气囊当前工作状态的刚度特性曲线值。获取气囊的刚度曲线后，在Adams软件中可计算悬架在平跳及侧倾时的整体运动学及动力学刚度特性，从而实现了对空气悬架的动力学仿真。

综上，本发明上述实施例当中的汽车空气悬架动力学仿真方法，一方面通过将气囊刚度记录为刚度数组K，根据空气悬架的姿态高度和预载荷通过插值得到空气弹簧的刚度曲线值，用较少的测量数据实现了空气弹簧的刚度变化的动力学特性的仿真，提高了仿真效率同时满足了分析精度需求；另一方面通过在模型利用车身与悬架连杆之间的夹角A大小实现对当前悬架姿态进行检测判断，实现悬架姿态反馈，在不同悬架载荷下，可根据悬架姿态控制要求，自动调节空气弹簧的工作高度，仿真模型与空气弹簧实际工作原理相符合，提升了空气悬架动力学仿真的准确性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种汽车空气悬架动力学仿真方法，其特征在于，包括：

通过对空气弹簧采用额定空气容量的方法进行零件台架测试，测量气囊在不同压力下的力与位移的关系曲线，以获取气囊部件在不同气压下的气囊刚度数组K；

建立汽车整车多体动力学模型，所述多体动力学模型包括车身系统模型以及空气弹簧部件模型，所述空气弹簧部件模型为自定义计算子模型，在仿真分析时，通过调整空气弹簧的安装长度以使空气悬架的姿态传感器角度A的相对变化值小于阈值A₀，并获取满足整车姿态要求的空气悬架气囊安装长度D；

根据悬架的轴荷G计算当前气囊达到静平衡所需的预载力F，并结合气囊的安装长度D和刚度数组K插值计算出气囊当前工作状态的刚度曲线，以仿真空气悬架刚度和姿态的动力学特性。

2.根据权利要求1所述的汽车空气悬架动力学仿真方法，其特征在于，在测量气囊在不同压力下的力与位移的关系曲线，以获取气囊部件在不同气压下的气囊刚度数组K的步骤包括：

以气囊的设计高度D₀作为初始条件，调整气囊的初始空气压力，测量气囊在不同工作气压P下的位移X与载荷Y的对应值，得到刚度数组K：

式中，X₀为气囊设计高度值，X_i为气囊压缩时的高度值，X_j为气囊拉升时的高度值；Y₁₀为空气压力为P₁时且气囊在设计高度值时气囊两端的载荷值，Y_1i空气压力为P₁时气囊压缩时对应的载荷值，Y_1j空气压力为P₁时气囊拉升时对应的载荷值；同理，Y_2i、Y₂₀、Y_2j分别为气囊在空气压力为P2时对应的载荷；Y_3i、Y₃₀、Y_3j分别为气囊在空气压力为P3时对应的载荷；

其中，P1、P2、P3为以气囊的设计状态气压为测试中值，分别测量低压、中压、高压三种状态的气囊刚度所对应的压力。

3. 根据权利要求1所述的汽车空气悬架动力学仿真方法，其特征在于，根据悬架的轴荷G计算当前气囊达到静平衡所需的预载力F的步骤包括：

△D=K_S﹒△F

式中，△D为空气弹簧两端长度变化量，△F为空气弹簧两端载荷变化量，K_S为空气弹簧的实时刚度。

4.根据权利要求1所述的汽车空气悬架动力学仿真方法，其特征在于，通过调整空气弹簧的安装长度以使空气悬架的姿态传感器角度A的相对变化值小于阈值A₀的步骤包括：

在多体动力学模型中含有空气弹簧的悬架上设置悬架的姿态传感器，对整车模型进行静平衡仿真，检测悬架姿态传感器的角度A；

其中，检测悬架姿态传感器的角度A的方法包括：

姿态传感器的两端分别通过一连杆与车身系统模型中的车身、以及车桥悬架连接，通过车身与悬架连杆之间的角度A大小实现对当前悬架姿态的高低进行检测判断；当车身姿态升高时，则车身与悬架连杆之间的角度A将增大；当车身姿态降低时，则车身与悬架连杆之间的角度A将减小，以根据角度A的大小检测判断当前悬架姿态。

5.根据权利要求1所述的汽车空气悬架动力学仿真方法，其特征在于，通过调整空气弹簧的安装长度以使空气悬架的姿态传感器角度A的相对变化值小于阈值A₀的步骤包括：

根据实车空气悬架的控制原理，检测当前悬架姿态传感器的角度A与初始值的相对变化值是否超出阈值A₀；

若超出，则调整空气弹簧的安装长度，以使悬架姿态升高或者降低，并重新带入模型进行静平衡分析，直至使姿态传感器角度A的相对变化值小于阈值A₀。

6.根据权利要求1所述的汽车空气悬架动力学仿真方法，其特征在于，根据悬架的轴荷G计算当前气囊达到静平衡所需的预载力F，结合气囊的安装长度D和刚度数组K插值计算出气囊当前工作状态的刚度曲线的步骤包括：

结合气囊的安装长度D、预载力F以及刚度数组K插值计算出气囊当前工作状态的刚度曲线值；

其中，在气囊的刚度曲线数组中，横坐标为气囊的长度变化X，纵坐标为气囊两端的载荷力Y，通过气囊的安装长度D和预载力F分别确定刚度曲线初始点的横坐标值和纵坐标值，刚度曲线的其它数值可使用Akima插值方法得到。

7.根据权利要求1所述的汽车空气悬架动力学仿真方法，其特征在于，获取满足整车姿态要求的空气悬架气囊安装长度D的步骤包括：

当空气悬架的姿态符合整车姿态控制要求时，气囊的安装长度D为空气弹簧的安装长度；

其中，满足整车姿态要求时的整车姿态为：前后车轮的上点与车身轮眉的垂直间隙符合设计预设值。

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