CN117744332A - 一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试系统及其方法，该系统包括相互连接的虚拟仿真单元及硬件设备，虚拟仿真单元用于构建整车动力学模型以及针对悬架机构进行运动学分析和静力学分析；硬件设备用于控制减震器运动，并采集减震器受控后运动产生的力反馈给虚拟仿真单元。该方法为：根据测试需求，构建非线性整车动力学模型；基于整车动力学模型，对悬架机构进行运动学分析，确定出减震器速度，以相应控制减震器发生运动；采集减震器运动产生的力，对悬架机构进行静力学分析，并结合整车动力学模型，输出得到整车实时动态响应结果。与现有技术相比，本发明能对真实悬架系统进行实时精准的动态响应测试，并满足整车悬架系统多样性需求。

Description

一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试系统及其方法

技术领域

本发明涉及车辆在环测试技术领域，尤其是涉及一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试系统及其方法。

背景技术

车辆悬架是由弹簧、减震器和连杆组成的系统，其将车轮连接到车身并允许两者之间的相对运动，主要作用包括：1)提供垂向柔度吸收能量，达到隔振目的；2)动态工况下保持轮胎与道路接触，提高操稳性；3)保持车辆行驶高度；4)保证车轮相对于车身的正确运动；5)减小传递到车身上的最大动态力；6)传递轮胎产生的控制力；7)阻止车身侧倾；8)减少路面输入引起的噪声。悬架设计与调校直接影响车辆行驶动态性能特征，与车辆行驶平顺性和操控性密切相关。因此，对悬架系统进行准确有效的测试变得极为重要。

悬架系统测试的主要挑战在于如何精准描述悬架系统对整车空间实时动态响应的影响。目前的测试方案主要有：通过试验台架进行测试，需要制作测试样机，无法满足悬架类型多样性的要求；利用车辆动力学软件(如ADAMS、AMESim)对悬架系统进行测试，无法对悬架系统设计和调教提供理论支撑；利用简化车辆车辆四分之一、二分之一以及整车模型，对悬架系统进行测试，由于模型忽略悬架空间机构，无法精确描述悬架系统对车辆空间动态响应的影响。

公开号为CN112668102A的专利公开了一种汽车悬架系统分析方法及装置，该汽车悬架系统分析方法包括：建立悬架系统的有限元模型，并通过CAE分析软件对悬架系统进行应变分析，以获取悬架系统中各个位置点的主应变值，将各个位置点的主应变值与预设域值相比较，并将主应变值处于预设域值范围内的位置点确定为目标位置，获取台架系统对悬架系统的目标位置进行测试得到的实测应变值，判断将实测应变值与标准值的误差是否在预设误差范围内，若实测应变值与标准值的误差在预设误差范围内，则判定悬架系统的性能合格。尽管该发明的汽车悬架系统分析方法提高了现有技术中的汽车悬架系统测试的效率，但该方案未针对悬架系统的对车辆动态响应影响进行分析研究。

公开号为CN115097801A的专利公开了一种空气悬架系统硬件在环台架试验系统及试验方法，属于台架试验技术领域，包括四分之一悬架系统，簧上质量模拟系统，导向机构、加载设备、实时仿真系统、实车控制器、传感器、实车空气供给单元及供电系统；四分之一悬架系统按实车状态安装，簧上质量模拟系统用于模拟实车簧上质量状态，导向机构用于约束簧上质量模拟系统的运动状态，加载设备激励轮胎模拟实车垂向跳动，实时仿真系统用于搭建仿真模型及采集传感器数据，与实车控制器通信。通过将四分之一悬架系统硬件实物嵌入到实时闭环仿真系统中，将虚拟验证路面垂向激励信号在试验台架中对真实样件进行激励，将台架的测试结果用于虚拟仿真计算中，使样件的受力状态与实际更接近。然而，四分之一悬架系统无法精确描述整车实时动态响应影响，同时无法满足悬架机构多样性的要求。

公开号为CN105865812A的专利提供了一种用于商用车空气悬架系统的试验台架及其试验方法，试验台架主要包括用于固定商用车空气悬架系统的各种固定支架、模拟车桥和用于对商用车空气悬架系统施加载荷的四个伺服液压系统。因为前桥和后桥空气悬架系统结构不同，所以试验台架分为前悬试验台架和后悬试验台架。在试验时，四个伺服液压系统对商用车空气悬架系统施加竖向、侧向和纵向三个方向的载荷，其中两个伺服液压系统提供竖向方向载荷，可以模拟商用车空气悬架系统在实际路试过程中的竖向冲击、侧倾、制动和转弯制动等工况受力情况，用于测试空气悬架系统在各种工况下的疲劳特性，为空气悬架系统的设计开发和试验验证提供了可靠的试验手段。然而，该试验台架及试验方法忽略了悬架机构对整车动态响应的影响。

公开号为CN114858489A的专利涉及一种车辆悬架性能分析实验平台，该系统包括存储器和处理器，处理器执行存储器存储的计算机程序，以实现如下步骤：根据获取到的同一时间周期内各待分析车辆对应的各车轮的弹力行程序列、各车轮的胎压变化序列和在各维度对应的倾角数据序列，得到该时间周期内各待分析车辆对应的悬架敏感度和悬架响应积极度；根据各待分析车辆对应的悬架敏感度，得到该时间周期内各待分析车辆对应的合群程度；根据预设个时间周期内各待分析车辆对应的悬架敏感度、合群程度和悬架工作响应程度，得到各待分析车辆对应的悬架性能指标。该发明仅通过数据分析，对汽车悬架性能进行检测，未涉及悬架系统相关数据的获取方法。

综上所述，现有技术难以对整车实时动态响应进行精确描述，导致测试结果准确性较差，也不能满足悬架系统多样性的要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试系统及其方法，能够对真实悬架系统进行实时精准的动态响应测试，同时满足整车悬架系统多样性需求。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试系统，包括相互连接的虚拟仿真单元以及硬件设备，所述虚拟仿真单元用于构建整车动力学模型以及针对悬架机构进行运动学分析和静力学分析；

所述硬件设备用于控制减震器运动，并采集减震器受控后运动产生的力，反馈给虚拟仿真单元。

进一步地，所述虚拟仿真单元包括整车动力学分析模块、悬架机构运动学分析模块和悬架机构静力学分析模块，所述整车动力学分析模块用于构建整车动力学模型、并分析得到车体和车轮垂直方向速度，以及计算整车动力学响应；

所述悬架机构运动学分析模块用于根据车体与车轮垂向速度，以分析得到减震器速度；

所述悬架机构静力学分析模块用于根据减震器运动产生的力，以分析得到车体与车轮之间垂向力。

进一步地，所述硬件设备包括伺服电机、减震器及力传感器，所述伺服电机分别与虚拟仿真单元、减震器相连接，以驱动减震器发生运动，所述力传感器用于采集减震器运动产生的力、并反馈给虚拟仿真单元。

进一步地，所述伺服电机控制减震器运动以及所述力传感器采集的减震器运动产生的力包括弹簧力和阻尼力合力。

一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试方法，包括以下步骤：

S1、根据测试需求，构建非线性整车动力学模型；

S2、基于整车动力学模型，通过对悬架机构进行运动学分析，确定出减震器速度，以相应控制减震器发生运动；

S3、采集减震器运动产生的力，通过对悬架机构进行静力学分析，并结合整车动力学模型，输出得到整车实时动态响应结果。

进一步地，所述步骤S1中非线性整车动力学模型包含前后两对悬架系统，在各车轮与车体之间，分别通过等效悬架系统相连接。

进一步地，所述步骤S1的具体过程为：

将轮胎视为垂向弹簧K_t和阻尼C_t，用于连接车轮和地面，当车辆行驶在不平路面上，地面干扰直接输入到车轮，定义为：

z_o＝z_omaxsin(2πft)

其中，z_omax为位移幅值，f为频率，对整车模型进行动力学分析，得到：

其中，m_s和m_w分别为车体和车轮质量，I_sx和I_sy为车体转动惯量，F_susi为悬架系统在垂直方向产生的力，l_i(i＝1，2)为左右轮到X轴的距离，l_i(i＝3，4)为前后轮到Y轴的距离，ψ和θ为车体绕X和Y轴的旋转，z_s和z_wi为车体和车轮垂直方向位移。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、基于整车动力学模型，确定出车体和车轮垂直方向速度，再通过对独立悬架进行运动学分析，确定出减震器速度；

S22、根据减震器速度，利用伺服电机相应驱动控制前后悬架中的减震器发生运动。

进一步地，所述减震器速度具体为：

其中，为悬架机构瞬时运动旋量，/>为单位垂直旋量，/>为悬架系统减震器单位方向旋量。

进一步地，所述步骤S3的具体过程为：

利用力传感器采集减震器运动产生的弹簧力和阻尼力合力，对独立悬架机构进行静力学分析，得到车轮和车体间悬架系统垂向力F_susi为：

其中，f_i为真实减震器产生的力；

之后将悬架系统产生的垂向力，代入到整车动力学方程中，输出得到整车动力学响应结果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明设计相互连接的虚拟仿真单元以及硬件设备，利用虚拟仿真单元构建整车动力学模型以及针对悬架机构进行运动学分析和静力学分析；利用硬件设备采集减震器受控后运动产生的力、并反馈给虚拟仿真单元。由此搭建出闭环的悬架系统测试系统，能够对真实悬架系统进行虚实融合动力学性能测试，避免由于忽略悬架机构导致的测试结果精确度低的问题，同时也解决了整车测试台架硬件费用高、四分之一测试台架无法精准描述车辆动态响应的问题。

本发明首先根据测试需求，以构建非线性整车动力学模型，再考虑车辆悬架机构对整车动态特征的影响，对悬架机构进行运动学分析，以确定出减震器速度，从而相应控制悬架系统中减震器发生运动，之后通过采集减震器产生的力，对悬架机构进行静力学分析，以精准计算车轮与车体间相互作用力，最后进行整车动力学分析，能够精准描述整车实时动态响应，不仅考虑了悬架机构对车辆动态响应的影响，还能满足整车悬架系统多样性需求，实现更加灵活的整车悬架系统测试。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为实施例的应用框架示意图；

图3为实施例中整车动力学模型示意图；

图4a～4c为不同独立悬架机构示意图；

图5a～5c为不同独立悬架机构对应的运动学及静力学分析示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试系统，包括相互连接的虚拟仿真单元以及硬件设备，虚拟仿真单元用于构建整车动力学模型以及针对悬架机构进行运动学分析和静力学分析；

硬件设备用于控制减震器运动，并采集减震器受控后运动产生的力、并反馈给虚拟仿真单元。

其中，虚拟仿真单元包括整车动力学分析模块、悬架机构运动学分析模块和悬架机构静力学分析模块，整车动力学分析模块用于构建整车动力学模型、并分析得到车体和车轮垂直方向速度，以及计算整车动力学响应；

悬架机构运动学分析模块用于根据车体与车轮垂向速度，以分析得到减震器速度；

悬架机构静力学分析模块用于根据减震器运动产生的力，以分析得到车体与车轮之间垂向力；

硬件设备则包括伺服电机、减震器及力传感器，伺服电机分别与虚拟仿真单元、减震器相连接，以驱动减震器发生运动，力传感器用于采集减震器运动产生的力(包括弹簧力和阻尼力合力)、并反馈给虚拟仿真单元。

基于上述系统，实现一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、根据测试需求，构建非线性整车动力学模型；

S2、基于整车动力学模型，通过对悬架机构进行运动学分析，确定出减震器速度，以相应控制减震器发生运动；

S3、采集减震器运动产生的力，通过对悬架机构进行静力学分析，并结合整车动力学模型，输出得到整车实时动态响应结果。

本实施例应用上述技术方案，搭建如图2所示的应用框架，主要有：

(1)首先，根据测试需求，构建非线性整车动力学模型。

(2)考虑车辆悬架机构对整车动态特征的影响，对悬架机构进行运动学分析；根据车轮与车体动态响应，计算悬架系统减震器速度，并利用伺服电机系统对真实悬架系统减震器进行控制。

(3)通过力传感器，采集真实减震器产生的力；同时，对悬架机构进行静力学分析，精准计算车轮与车体间相互作用力，进行整车动力学分析，精准描述整车实时动态响应，形成闭环，完成真实悬架系统测试。

具体的，在构建非线性整车动力学模型时，如图3所示，整车动力学模型中，包含前后两对悬架系统，在车轮和车体之间，通过等效悬架系统连接。同时，轮胎可视为垂向弹簧(K_t)和阻尼(C_t)，连接车轮和地面。当车辆行驶在不平路面上，地面干扰可直接输入到车轮，可定义为：

z_o＝z_omaxsin(2πft)

式中，z_omax为位移幅值，f为频率。对整车模型进行动力学分析，可得：

式中，m_s和m_w分别为车体和车轮质量，I_sx和I_sy为车体转动惯量，F_susi为悬架系统在垂直方向产生的力，l_i(i＝1，2)为左右轮到X轴的距离，l_i(i＝3，4)为前后轮到Y轴的距离，ψ和θ为车体绕X和Y轴的旋转，z_s和z_wi为车体和车轮垂直方向位移。

之后根据实际测试车辆，确定整车前后悬架系统，如图4a～4c所示，目前常用的车辆独立悬架分为双叉臂独立悬架(如图4a所示)、麦弗逊独立悬架(如图4b所示)、多连杆独立悬架(如图4c所示)，通过整车动力学分析(如图5a～5c所示)，得到车体和车轮垂直方向速度，通过独立悬架机构运动学分析，可得减震器速度v_s：

式中，为悬架机构瞬时运动旋量，/>为单位垂直旋量，/>为悬架系统减震器单位方向旋量。确定减震器速度后，即可利用伺服电机控制前后悬架中真实减震器发生运动。

再利用力传感器采集真实减震器产生的弹簧力和阻尼力合力，对独立悬架机构进行静力学分析(如图5a～5c所示)，可得车轮和车体间悬架系统垂向力F_susi：

式中，f_i为真实减震器产生的力。将悬架系统产生的垂向力，代入到整车动力学方程中，即可精确描述整车动力学响应，完成对测试过程。

综上可知，本方案先构建整车车动力学模型，考虑悬架机构对车体动态响应的影响，对悬架系统进行运动学分析，描述各个车轮与车体间相对运动关系，计算减震器速度，并利用伺服电机系统控制前后悬架中真实减震器发生运动；同时，通过力传感器获取减震器产生的作用力，通过悬架机构静力学分析，作用在整车动力学模型中，进行整车动力学虚拟仿真，形成闭环，完成整车悬架系统硬件在环测试。本方案考虑悬架机构运动学和静力学特征，能够对整车实时动态响应进行精确描述；同时，能够快速高效配置整车系统中前后悬架类型，满足整车悬架系统多样性需求。

Claims (10)

1.一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试系统，其特征在于，包括相互连接的虚拟仿真单元以及硬件设备，所述虚拟仿真单元用于构建整车动力学模型以及针对悬架机构进行运动学分析和静力学分析；

所述硬件设备用于控制减震器运动，并采集减震器受控后运动产生的力反馈给虚拟仿真单元。

2.根据权利要求1所述的一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试系统，其特征在于，所述虚拟仿真单元包括整车动力学分析模块、悬架机构运动学分析模块和悬架机构静力学分析模块，所述整车动力学分析模块用于构建整车动力学模型、并分析得到车体和车轮垂直方向速度，以及计算整车动力学响应；

所述悬架机构运动学分析模块用于根据车体与车轮垂向速度，以分析得到减震器速度；

所述悬架机构静力学分析模块用于根据减震器运动产生的力，以分析得到车体与车轮之间垂向力。

3.根据权利要求2所述的一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试系统，其特征在于，所述硬件设备包括伺服电机、减震器及力传感器，所述伺服电机分别与虚拟仿真单元、减震器相连接，以驱动减震器发生运动，所述力传感器用于采集减震器运动产生的力、并反馈给虚拟仿真单元。

4.根据权利要求3所述的一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试系统，其特征在于，所述伺服电机控制减震器运动以及所述力传感器采集的减震器运动产生的力包括弹簧力和阻尼力合力。

5.一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据测试需求，构建非线性整车动力学模型；

S2、基于整车动力学模型，通过对悬架机构进行运动学分析，确定出减震器速度，以相应控制减震器发生运动；

S3、采集减震器运动产生的力，通过对悬架机构进行静力学分析，并结合整车动力学模型，输出得到整车实时动态响应结果。

6.根据权利要求5所述的一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试方法，其特征在于，所述步骤S1中非线性整车动力学模型包含前后两对悬架系统，在各车轮与车体之间，分别通过等效悬架系统相连接。

7.根据权利要求6所述的一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试方法，其特征在于，所述步骤S1的具体过程为：

将轮胎视为垂向弹簧K_t和阻尼C_t，用于连接车轮和地面，当车辆行驶在不平路面上，地面干扰直接输入到车轮，定义为：

z_o＝z_omaxsin(2πft)

其中，z_onax为位移幅值，f为频率，对整车模型进行动力学分析，得到：

其中，m_s和m_w分别为车体和车轮质量，I_sx和I_sy为车体转动惯量，F_susi为悬架系统在垂直方向产生的力，l_i(i＝1,2)为左右轮到X轴的距离，l_i(i＝3,4)为前后轮到Y轴的距离，ψ和θ为车体绕X和Y轴的旋转，z_s和z_wi为车体和车轮垂直方向位移。

8.根据权利要求7所述的一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、基于整车动力学模型，确定出车体和车轮垂直方向速度，再通过对独立悬架进行运动学分析，确定出减震器速度；

S22、根据减震器速度，利用伺服电机相应驱动控制前后悬架中的减震器发生运动。

9.根据权利要求8所述的一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试方法，其特征在于，所述减震器速度具体为：

其中，为悬架机构瞬时运动旋量，/>为单位垂直旋量，/>为悬架系统减震器单位方向旋量。

10.根据权利要求9所述的一种虚实融合的整车悬架系统硬件在环测试方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程为：

利用力传感器采集减震器运动产生的弹簧力和阻尼力合力，对独立悬架机构进行静力学分析，得到车轮和车体间悬架系统垂向力F_susi为：

其中，f_i为真实减震器产生的力；

之后将悬架系统产生的垂向力，代入到整车动力学方程中，输出得到整车动力学响应结果。