基于单振动台悬架测试获取整车振动性能的模拟方法与流程

本发明涉及汽车控制领域，尤其涉及一种基于单振动台悬架测试获取整车振动性能的模拟方法。

背景技术：

汽车振动性能一直依赖于整车实地测试，虽然数据准确可靠，但是也带来成本费用、场地人员等付出，可作为新型汽车定型后的测试调整环节采用。为研究方便，许多科研与技术人员在汽车设计时采用四分之一悬架、半车悬架或整车悬架进行测试或模拟，但由于底盘动力学非线性的复杂影响，采用各自悬架系统的实验或仿真结果不能相互量化验证。在当前汽车振动控制技术高速发展的今天，采用新型作动器或控制策略可以在四分之一悬架模型基础上搭建单自由度或二自由度悬架系统并借助在低频振动台上进行测试而获得其效果，但是其结果只能定性而不能定量地说明整车效果，因此在彻底研究清楚汽车底盘振动力学基础上得到整车与四分之一车辆悬架间的耦合定量关系，才能在单个振动台搭建的单自由度或二自由度悬架系统测试结果基础上推导得到整车定量效应，这样的实验加仿真模拟系统将大大加快汽车振动性能设计与测试过程，推动汽车测控技术的发展。

中国发明专利：汽车分层建模振动控制方法(专利号：ZL2009101108493)，实现了对四轮汽车每个轮系(1#轮系、2#轮系、3#轮系和4#轮系)进行并行振动控制，其核心在于理清了整车悬架簧载质量与四个四分之一悬架簧载质量在垂向与侧向间的耦合定量关系，如此可将整车悬架从垂向和侧向视为四个四分之一悬架系统的组合。根据该专利思想，可以在其基础上发展一种整车振动性能评估方法，即由特定搭建的四分之一悬架系统测试数据经合成后得到整车悬架质心处垂向、侧向、俯仰角、侧倾角、横摆角的振动特性。

技术实现要素：

本发明的目的是针对以上不足之处，提供了基于单振动台悬架测试获取整车振动性能的模拟方法，得到整车悬架质心处垂向、侧向、俯仰角、侧倾角、横摆角的振动特性。

本发明解决技术问题所采用的方案是：一种基于单振动台悬架测试获取整车振动性能的模拟方法，包括以下步骤：

步骤S0：获得目标车型的悬架基本参数；

步骤S1:根据整车前轮轴、后轮轴、右轮侧、左轮侧与悬架质心的距离l_f、l_r、l₁和l₂，得到四个四分之一悬架的簧载质量：

其中m_c1、m_c2、m_c3、m_c4为四个四分之一悬架的簧载质量，m_c为整车的簧载质量；

步骤S2：输入每个四分之一悬架轮底路面激励与簧载质量振动加速度，并且分别将每个四分之一悬架系统在低频振动台上进行测试；

步骤S3：通过将四个四分之一悬架轮底路面激励合成得到整车悬架质心处五种振动加速度的预估值；

步骤S4：根据步骤S3中的整车悬架质心处五种振动加速度的预估值，得到整车悬架簧载质量四个轮系正上方处的加速度预估值；

步骤S5：根据整车与四个四分之一悬架的耦合定量关系，获取解耦后的各个四分之一悬架簧载质量加速度预估值；

步骤S6：将各个四分之一悬架簧载质量实测值与预估值进行比较，获得最接近实测值的四个四分之一簧载质量的预估值，得到整车簧载质量的振动值。

进一步的，在步骤S2中，轮底路面激励包括路面垂直激励z_ej和路面侧向激励y_ej，z_ej和y_ej表示四个四分之一悬架路面垂直激励和路面侧向激励；簧载质量振动加速度包括簧载质量垂向振动加速度和侧向振动加速度其中j＝1,2,3,4。

进一步的，在步骤S3中，通过四个四分之一悬架的路面垂直激励和路面侧向激励计算得到整车悬架簧载质量五种振动加速度预估值，其中五种振动加速度预估值分别为垂向振动加速度预估值侧向振动加速度预估值俯仰角振动加速度预估值侧倾角振动加速度预估值横摆角振动加速度预估值具体计算如下：

其中，σ_i(i＝1,2,3,4,5)为加权系数，取值范围为[0,1]，t_s为采样间隔时间。

进一步的，在步骤S4中，整车悬架簧载质量四个轮系正上方处的加速度预估值包括垂向与侧向振动加速度预估值z_cj和y_cj，具体计算如下：

z_c1＝z_c-l_fθ_c+l₁φ_c，

z_c2＝z_c-l_fθ_c-l₂φ_c，

z_c3＝z_c+l_rθ_c+l₁φ_c，

z_c4＝z_c+l_rθ_c-l₂φ_c，

z_cp＝-z_c+l₄θ_c+l₃φ_c；

其中，z_cp为整车悬架簧载质量上在驾驶员系统连接处的垂向位移；

z_c为整车悬架簧载质量质心处垂直位移；

θ_c为整车悬架簧载质量俯仰角位移；

为整车悬架簧载质量横摆角位移；

y_c为整车悬架簧载质量质心处侧向位移。

进一步的，在步骤S5中，各个四分之余悬架簧载质量的垂向和侧向振动加速度预估值分别表示为z₁、z₂、z₃、z₄和y₁、y₂、y₃、y₄；具体计算如下：z₁＝z_c1+Δz_c1，z₂＝z_c2+Δz_c2，z₃＝z_c3-Δz_c3，z₄＝z_c4-Δz_c4，y₁＝y_c1+Δy_c1，y₂＝y_c2-Δy_c2，y₃＝y_c3+Δy_c3 y₄＝y_c4-Δy_c4；

其中：

在上式中，F₁、F₂、F₃、F₄分别为拟合得到的整车四个轮系的支撑合力。

进一步的，在步骤S0中，所述目标车型为四轮车辆被动悬架系统或可控悬架系统。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

(1)可以借助四分之一悬架系统测试数据定量推导得到整车振动的五种性能。

(2)该方法适用于四轮车辆被动悬架或可控悬架系统，适用于悬架装置(弹簧和减振器)的垂直安置和倾斜安置。

通过本发明提供的振动性能获取方法，可大幅减少悬架系统设计工作量，降低成本，实现对四轮车辆悬架系统设计与测试过程的融合，进一步提高设计精准度。

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1为本发明实施例的获取整车悬架振动性能的流程图。

图2四个轮系中1#轮系的垂向和侧向路面激励；

图3四个轮系中2#轮系的垂向和侧向路面激励；

图4四个轮系中3#轮系的垂向和侧向路面激励；

图5四个轮系中4#轮系的垂向和侧向路面激励；

图6四个轮系中1#轮系所承载的簧载质量在解耦前、后的垂向加速度；

图7四个轮系中2#轮系所承载的簧载质量在解耦前、后的垂向加速度；

图8四个轮系中3#轮系所承载的簧载质量在解耦前、后的垂向加速度；

图9四个轮系中4#轮系所承载的簧载质量在解耦前、后的垂向加速度；

图10是整车悬架垂向加速度和驾驶员系统垂向加速度的时域图。

图11是整车悬架垂向加速度和驾驶员系统垂向加速度的频域图。

图12是整车悬架俯仰角和侧倾角加速度时域图。

图13是整车悬架俯仰角和侧倾角加速度频率图。

图14是整车悬架侧向加速度的时域图。

图15是整车悬架横摆角加速度的频域图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1～15所示，本实施例的一种基于单振动台悬架测试获取整车振动性能的模拟方法，包括以下步骤：

步骤S0：获得目标车型的悬架基本参数；

步骤S1:根据整车前轮轴、后轮轴、右轮侧、左轮侧与悬架质心的距离l_f、l_r、l₁和l₂，得到四个四分之一悬架的簧载质量：

其中m_c1、m_c2、m_c3、m_c4为四个四分之一悬架的簧载质量，m_c为整车的簧载质量；

步骤S2：输入每个四分之一悬架轮底路面激励与簧载质量振动加速度，并且分别将每个四分之一悬架系统在低频振动台上进行测试；

步骤S3：通过将四个四分之一悬架轮底路面激励合成得到整车悬架质心处五种振动加速度的预估值；

步骤S4：根据步骤S3中的整车悬架质心处五种振动加速度的预估值，得到整车悬架簧载质量四个轮系正上方处的加速度预估值；

步骤S5：根据整车与四个四分之一悬架的耦合定量关系，获取解耦后的各个四分之一悬架簧载质量加速度预估值；

步骤S6：将各个四分之一悬架簧载质量实测值与预估值进行比较，获得最接近实测值的四个四分之一簧载质量的预估值，得到整车簧载质量的振动值。

在本实施例中，在步骤S2中，轮底路面激励包括路面垂直激励z_ej和路面侧向激励y_ej，z_ej(j＝1,2,3,4)和y_ej(j＝1,2,3,4)表示四个四分之一悬架路面垂直激励和路面侧向激励；簧载质量振动加速度包括簧载质量垂向振动加速度和侧向振动加速度大部分车辆左右对称，然而悬架质心距前后轴不同，因此前轴两个解耦后的四分之一悬架簧载质量相同，后轴两个解耦后的四分之一悬架簧载质量相同，可以搭建两种四分之一悬架测试系统。路面垂直激励按照设计标准选定，侧向激励可选定某一轮胎效应算法确定。后轮激励可按照前轮激励滞后Δt时间考虑。

在本实施例中，在步骤S3中，通过四个四分之一悬架的路面垂直激励和路面侧向激励计算得到整车悬架簧载质量五种振动加速度预估值，其中五种振动加速度预估值分别为垂向振动加速度预估值侧向振动加速度预估值俯仰角振动加速度预估值侧倾角振动加速度预估值横摆角振动加速度预估值具体计算如下：

其中，σ_i(i＝1,2,3,4,5)为加权系数，取值范围为[0,1]，t_s为采样间隔时间。

在本实施例中，在步骤S4中，整车悬架簧载质量四个轮系正上方处的加速度预估值包括垂向与侧向振动加速度预估值z_cj和y_cj，具体计算如下：

z_c1＝z_c-l_fθ_c+l₁φ_c，

z_c2＝z_c-l_fθ_c-l₂φ_c，

z_c3＝z_c+l_rθ_c+l₁φ_c，

z_c4＝z_c+l_rθ_c-l₂φ_c，

z_cp＝-z_c+l₄θ_c+l₃φ_c；

其中，z_cp为整车悬架簧载质量上在驾驶员系统连接处的垂向位移；

z_c为整车悬架簧载质量质心处垂直位移；

θ_c为整车悬架簧载质量俯仰角位移；

为整车悬架簧载质量横摆角位移；

y_c为整车悬架簧载质量质心处侧向位移。

在本实施例中，在步骤S5中，各个四分之余悬架簧载质量的垂向和侧向振动加速度预估值分别表示为z₁、z₂、z₃、z₄和y₁、y₂、y₃、y₄；具体计算如下：

z₁＝z_c1+Δz_c1，z₂＝z_c2+Δz_c2，z₃＝z_c3-Δz_c3，z₄＝z_c4-Δz_c4，y₁＝y_c1+Δy_c1，y₂＝y_c2-Δy_c2，y₃＝y_c3+Δy_c3 y₄＝y_c4-Δy_c4；

其中：

在上式中，F₁、F₂、F₃、F₄分别为拟合得到的整车四个轮系(分别标记为1#、2#、3#和4#轮系)的支撑合力。其中F₁、F₂、F₃、F₄的具体计算如下：

首先按照下式先计算解耦前整车悬架四角处各轮系垂向支撑力F_zj(j＝1,2,3,4)、和侧向支撑力F_yj(j＝1,2,3,4)，同时拟合得到合力F_j(j＝1,2,3,4)与垂向支撑力F_zj的夹角γ_j(j＝1,2,3,4)，

其中，F_P、I_x、I_y和I_z分别表示：

F_P：驾驶员系统对簧载质量的作用力

I_x：侧倾转动惯量；

I_y：俯仰转动惯量；

I_z：横摆转动惯量；

并且上式中系数如下：

λ＝sinγ₁sinγ₃cosγ₂cosγ₄l(l₃-l₂)+sinγ₁sinγ₄cosγ₂cosγ₃(l₂(l_r+l₄)+l₁(l₄-l_f)-ll₃)

+sinγ₂sinγ₃cosγ₁cosγ₄(l₂(l_f-l₄)-l₁(l_r+l₄)-ll₃)+sinγ₂sinγ₄cosγ₁cosγ₃l(l₁+l₃)；

λ₁₁＝[sinγ₃cosγ₄(l_rl₃+l₂l₄)+sinγ₄cosγ₃(l₁l₄-l_rl₃)]sinγ₂；

λ₁₂＝sinγ₃cosγ₂cosγ₄l_r(l₂-l₃)+sinγ₄cosγ₂cosγ₃[ll₃-l₂(l_r+l₄)+l₁(l_f-l₄)]l_r/l-sinγ₂cosγ₃cosγ₄l_f(l₁+l₂)(l_r+l₄)/l；

λ₁₃＝sinγ₂sinγ₃cosγ₄(l₂-l₃)+sinγ₂sinγ₄cosγ₃(l₁+l₃)；

λ₁₄＝(sinγ₃cosγ₄-sinγ₄cosγ₃)sinγ₂(l_r+l₄)；

λ₁₅＝sinγ₂cosγ₃cosγ₄(l₁+l₂)(l_r+l₄)/l+sinγ₃cosγ₂cosγ₄(l₂-l₃)+sinγ₄cosγ₂cosγ₃(l₁(l_f-l₄)-l₂(l_r+l₄)/l+l₃)；

λ₁₆＝sinγ₂sinγ₃cosγ₄(l_rl₃+l₂l₄)+sinγ₂sinγ₄cosγ₃(l₁l₄-l_rl₃)；

λ₂₁＝sinγ₁sinγ₃cosγ₄(l₂l₄+l_rl₃)+sinγ₁sinγ₄cosγ₃(l₁l₄-l_rl₃)；

λ₂₂＝sinγ₃cosγ₁cosγ₄[l₂(l_f-l₄)-ll₃-l₁(l_r+l₄)]l_r/l+sinγ₄cosγ₁cosγ₃l_r(l₁+l₃)

-sinγ₁cosγ₃cosγ₄(l₁+l₂)(l_r+l₄)l_f/l；

λ₂₃＝[sinγ₃cosγ₄(l₂-l₃)+sinγ₄cosγ₃(l₁+l₃)]sinγ₁；

λ₂₄＝(sinγ₃cosγ₄-sinγ₄cosγ₃)sinγ₁(l_r+l₄)；

λ₂₅＝sinγ₁cosγ₃cosγ₄(l₁+l₂)(l_r+l₄)/l+sinγ₄cosγ₁cosγ₃(l₁+l₃)+sinγ₃cosγ₁cosγ₄[l₂(l_f-l₄)-l₁(l_r+l₄)/l-l₃]；

λ₂₆＝sinγ₁sinγ₃cosγ₄(l₂l₄+l_rl₃)+sinγ₁sinγ₄cosγ₃(l₁l₄-l₃l_r)；

λ₃₁＝sinγ₁sinγ₄cosγ₂(l₂l₄-l_fl₃)+sinγ₂sinγ₄cosγ₁(l_fl₃+l₁l₄)；

λ₃₂＝sinγ₁cosγ₂cosγ₄l_f(l₃-l₂)+sinγ₂cosγ₁cosγ₄[l₂(l_f-l₄)-l₁(l_r+l₄)-ll₃]l_f/l

+sinγ₄cosγ₁cosγ₂(l_f-l₄)(l₁+l₂)/l；

λ₃₃＝sinγ₁sinγ₄cosγ₂(l₂-l₃)+sinγ₂sinγ₄cosγ₁(l₁+l₃)；

λ₃₄＝[sinγ₂cosγ₁-sinγ₁cosγ₂]sinγ₄(l_f-l₄)；

λ₃₅＝sinγ₁cosγ₂cosγ₄(l₂-l₃)+sinγ₂cosγ₁cosγ₄[l₃+l₂(l₄-l_f)+l₁(l_r+l₄)/l]+sinγ₄cosγ₁cosγ₂[(l₁+l₂)(l_f-l₄)]/l；

λ₃₆＝sinγ₁sinγ₄cosγ₂[l₂l₄-l_fl₃]+sinγ₂sinγ₄cosγ₁[l₁l₄+l_fl₃]；

λ₄₁＝sinγ₁sinγ₃cosγ₂(l_fl₃-l₂l₄)-sinγ₂sinγ₃cosγ₁(l_fl₃+l₁l₄)；

λ₄₂＝sinγ₁cosγ₂cosγ₃{[l_fl₂(l_r+l₄)+l_fl₁(l₄-l_f)]/l-l_fl₃}+sinγ₂cosγ₁cosγ₃l_f(l₁+l₃)+sinγ₃cosγ₁cosγ₂(l₄-l_f)(l₁+l₂)l_r/l；

λ₄₃＝sinγ₃[sinγ₁cosγ₂(l₃-l₂)-sinγ₂cosγ₁((l_f-l_r)l₁/l-l₃)]；

λ₄₄＝(sinγ₁cosγ₂-sinγ₂cosγ₁)sinγ₃(l_f-l₄)；

λ₄₅＝sinγ₁cosγ₂cosγ₃(l₃+[l₁(l_f-l₄)-l₂(l_r+l₄)]/l)-sinγ₂cosγ₁cosγ₃(l₁+l₃)+sinγ₃cosγ₁cosγ₂(l₁+l₂)(l₄-l_f)/l；

λ₄₆＝sinγ₁sinγ₃cosγ₂(l_fl₃-l₂l₄)-sinγ₂sinγ₃cosγ₁(l_fl₃+l₄l₁)；

λ₅₁＝sinγ₁sinγ₃cosγ₂cosγ₄ll₂+sinγ₂sinγ₃cosγ₁cosγ₄(l_rl₁-l_fl₂)+sinγ₁sinγ₄cosγ₂cosγ₃(l_fl₁-l_rl₂)

+sinγ₂sinγ₄cosγ₁cosγ₃(l_r-l_f)l₁；

λ₅₃＝[sinγ₁sinγ₄cosγ₂cosγ₃l₂-sinγ₂sinγ₃cosγ₁cosγ₄l₂](l₁+l₂)；

λ₅₆＝l₂lsinγ₁sinγ₃cosγ₂cosγ₄+sinγ₁sinγ₄cosγ₂cosγ₃(l_fl₁-l_rl₂)

+sinγ₂sinγ₃cosγ₁cosγ₄(l_rl₁-l_fl₂)-ll₁sinγ₂sinγ₄cosγ₁cosγ₃。

在步骤S6中，比较各个四分之一悬架簧载质量实测值与预估值尤其四个四分之一悬架簧载质量垂向加速度比较误差可采用最优、蚁群、遗传、模糊等算法进行均衡考量。若误差较大，可返回进行补偿，进行下一轮试算，最终获得最接近实测值的四个四分之一悬架簧载质量的预估值。然后将此次试算过程中得到的整车悬架质心处的五种振动状态输出，同时得到驾驶员系统振动状态。

在本实施例中，在步骤S0中，所述目标车型为四轮车辆被动悬架系统或可控悬架系统。

本发明的具体实施过程：本发明利用振动台搭建的四分之一车辆悬架系统所得到的测试数据，借助于整车与四分之一车辆悬架在垂向、侧向的耦合定量关系，可以快速便捷地拟合出整车垂向、侧向、俯仰角、侧倾角和横摆角的振动，以此形成一种通过单振动台悬架测试而快速获取整车振动状态的半实物模拟方法。

如下表一为目标车型的悬架参数：

表一 目标车型的悬架参数

路面垂向不平度采用C级路面，为简化计算，侧向不平度取A级路面标准，见图2-5所示。从整车悬架频域结果看，如图6-14所示，在人体敏感的1-10Hz范围内PSD幅值很低，符合乘坐舒适性要求。从模拟结果看，本专利提出的利用四分之一悬架测试数据得到整车振动性能的方法是可行的，适用于新车型设计阶段或新型作动器与控制策略的验证。

综上所述，本发明提供的一种基于单振动台悬架测试获取整车振动性能的模拟方法，可大幅减少悬架系统设计工作量，降低成本，实现对四轮车辆悬架系统设计与测试过程的融合，进一步提高设计精准度。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。