悬架系统模拟测试的改善

1、悬架系统模拟测试的改善作者： 文章来源：点击数：161 发布时间：2010-07-13新浪微博qq空间人人网开心网更多操纵性和平稳性的矛盾车辆的操纵性和平稳性总是相互影响。欧洲轿车操纵性的改进大多是以牺牲平稳性为代价的，但是在一些 国家，因为道路状况得到了很大的改善，平稳性的下降并没有受到广泛关注。欧洲的顾客受媒体引导及工 业趋势的影响，期望灵敏的操纵性，就像运动型跑车一样。冇迹彖表明，汽年制造商目前正在改进平稳性 和操纵性z间的平衡，以便对操纵性最小的损失取得平稳性的改进。科技的发展及新蛀的应用加快了设计开发进程，帮助汽车制造商缩触了产品进入市场的时间。多年來， 平稳性和操纵性工程师一直使用

2、“seat of thepants'1经验方法，但最新的试验及测量技术使得悬架开发更加 科*。此技术可以分为两类：一种是通过数学模型分析预测操纵性，另一种是检测影响车辆操纵性的特性。耕确预测操纵性的能力依赖于预测程序使用的关于汽车特性的粘确信息。利用”前的技术，预测所粘耍的 大多数信息都必须经过检测。为了使预测方法更有效，车辆响应的梏确检测是非常必要的。操纵性预测所需的信息主耍來自丁以下儿个方面：轮胎制造商提供的轮胎特性，如侧向力偏离和曲线等； 减振器制造商提供的减振器特性；悬架的运动学特性和柔性（k&c）测试提供的悬架相对于车身的运动（运 动性）数据以及在车辆转弯、刹车、加速

3、时所施加到轮胎和道路之间的载荷如何使悬架弹性扭曲（平稳性） 的数据等。理论上的运动学特性可以在设计阶段计算，但是运动学特性和柔性的结介在设计阶段并不能可 靠地预测，因此冇必要使用k&c设备进行精确的检测。控制车辆操纵性是运动学特性和柔性的综合效果。柔性效果不仅仅局限于悬架横梁和垫套，车身的平稳性 同样会对柔性效果产生影响。最新的具冇优良操纵性能的汽车都特别注重车身强度的最人化，这对于平稳 性和噪声改善同样大冇益处。k&c试验基本的k&c试验是将车身用夹具固定在一个参考平面上，通过轮胎接触区与车身的相对偏转量來模拟车辆 悬架系统在真实工况卜的变形和扭曲。h前的k&

4、c试验台可做询态和准询态的试验，一些动态k&c试验 台也已经被研制出来了，但是在汽车研发过程中的作用还有待评估。k&c试验台的电源供应可以使用电力或液力。电力操纵具冇更清洁、易安装、易维护和低费用、不牺牲性 能等优点。想耍获得最佳的数据，在模拟车辆回转时，设备必须能够维持支撑轮胎的平而和车身平而z间 正确的角度关系。一种方法是将轮胎胎垫放置在水平面上，车身翻转或者水平垂直移动;另一种方法是车 身水平固定，轮胎胎垫水平或垂宜移动，但是轮胎胎垫必须可以倾斜，以表示车辆翻转角。无论使用哪种 方法，轮胎胎垫必须能够以一种可控制的方式进行水平或垂直移动。k&c试验台所配置的仪器必

5、须可检测轮胎接触面所冇的力和力矩以及车轮和车身z间的相对位移，同时， 必须保持高耕度的检测，因为微小的变化都会影响操纵性。在大的静载荷下，检测微小变化是一-种挑战， 因为这大约需要200个数据通道来采集车辆特性。为了降低成木，电力操纵的两轮spmm k&c试验台（见图1）只检测两个车轮，因此，如果要完成整个测 试，年辆需要检测两次。使用两个年轮的试验台不会损失试验数据的质量，只是用加了试验时间。图1两轮spmmk&c试验台（四轮试验台的车轮平台和后轮的参考平面与此类似）使川这台设备时，车身通过支架的水平部件被夹装在可以倾斜俯仰和跳动的刚件非常大的平台上。车身的 中间部分被假定为

6、具有足够刚性，不影响操纵性，但是车身的某些部件，如前悬架座，可能在实际工况引 入的载荷下发生局部扭曲，这些扭曲可以通过检测得到。这种试验台不适用于柔性底盘的车辆，因为底盘 的柔性对于车辆动力学特性冇很人影响。这类车辆通常比乘用车大很多，必须使用另一种不同设计的k&c 试验台来检测。spmm的屮央平台具冇6个h由度，它的位置由6个球形螺栓定位装置在计算机的控制下精确定位。轮胎 胎热置于车轮检测平台上（x-丫平台），它可以检测垂直、横向、纵向的力和扭矩。车轮平台可以在计算 机的控制下横向或纵向移动，并可以绕垂直轴旋转。车轮平台的表面摩擦系数很大，可防止车轮侧滑。车轮的变形可相对于每个车伦旁

7、边的参考平而检测到，它使用的是非常耕确的线性编码器。为了再现转弯 过程中车轮的转向，一个由计算机控制的转向电机可以和spmm连接起来。通过用计算机控制移动车身平 台以及车轮平台，真实载荷工况下任何方向的悬架几何变形及悬架刚度都可检测得到。检测所有悬架运动学和柔性特性的自动过程一般需要34h,而如果没有k&c试验台则需几周时间，h测 试精度较差。spmm可以检测的参数主要有：悬架刚度和迟滞、俯仰操纵、侧倾操纵、侧倾刚度、纵向柔性操纵、横向 柔性操纵、转向系统参数等。k&c试验台的输出结果可以以图表的形式查看，也町以导入操纵预测程序小。重心位置和转动惯量k&c试验台的另一个

8、附带功能是检测车辆（或其他零部件，如动力总成等）匝心位置、转动惯杲及惯性积 （见图2）。这是通过在车身和屮央平台z间装配非常精确的力传感器以及缓慢振荡试验台而得到的。操 纵性试验的计算机仿真模型需要此类数据。图2 spmm用于测屋重心位置、转动惯屋和惯性积对于什么是良好参数，没冇一个固定的标准，它依赖于车辆的型号。操纵性预测程序可用來预测受测车辆 的参数改变时将会发生的情况。经验丰富的操纵性工程师能够使用spmm数拯集来理解车辆状态变化的原 因。spmm的常用者可以建立一个数据库，它可以将道路上车辆持性的主观评价与客观检测联系起来，有 助于确定各种类型汽车的最佳期望特性。操纵性道路试验一辆车的

9、操纵性能是否可以被接受，最终由駕驶员来决定。数学预测方法是其中的一种工具,但其耍求验 证模型和理解主观印象，所以在试验道路上测试车辆的操纵件是很必耍的。许多操纵工作都与车辆的转弯方式和对动态输入的响应方式有关（如变道操作等）。稳态转弯试验可成功 地山经验丰富的驾驶员完成，但要得到好的结果重复性则需要花很长时间。试验结果可以山车速、横摆角 度、方向盘角度、轮胎侧偏角度等决定。使用试验仪器能够检测到这些参数，通过使用车轮六分力传感器 可以得到车轮上的载荷。汽年的动态特性通过很多动态操纵性试验來确定，要保证试验的成功，就要维持良好的试验输入重复性， 否则，在悬架部件改变后响应的变化不能精确量化。通常

10、，人类司机准确地、可重复地完成操纵性试验是比较闲难的，而使用计算机控制的转向机器人对完成 可重复性试验人冇帮助。转向机器人转向机器人（见图3）就是一个计算机控制下的动力方向盘。机器人的电机最好是能够安装在转向柱上， frl也可以安装在方向盘上，这时要求安全气囊必须停止作用，其优点是安装简便，缺点是増人了方向盘的 惯性。图3转向机器人及动力方向盘、反作用力连杆、触摸屏电脑和用于安全控制和司机输入的操纵杆机器人设备包含非常祷确的方向盘角度和转向扭矩等检测设备。通过笔记木或者触模屏电脑，电机就可以 控制完成方向盘的完全可重复性运动。方向盘的运动可以由数学两数生成或者记忆司机的转向动作。典型 的输入包

11、括突然转向、阶跃输入、变道、可变频率的正弦、梯形波等。利用这些试验可以检测得到很多车 辆的操纵性参数。下面将详细介绍-系列使用机器人可以高效率完成的突然转向试验。正弦扫描试验 在正弦扫描试验中，随频率増加的正弦位移波形被应用到方向盘上。理论上，车辆将沿着基本为直道的正 弦路径左右摆动前进，实际上，如果路径不够平坦或者有风在吹，乍辆将会有偏移。司机可以通过操纵杆 来纠正这种偏移，通过控制汕门保持恒定的前进速度。图4所示为e弦扫描试验中方向盘转角与时间的曲 线。()底羊赳盘h时间(»)图4正弦扫描试验中方向盘转角对时间的曲线，叠加的低频曲线是司机对风力造成的偏离车辆前进路线的修正转向作用

12、力试验 转向作用力试验耍求乍辆固定、刹乍关闭、方向盘连续向左或向右转动儿个周期。图5所示为转向作用力试验结果，由图可见，扭矩相对于方向盘转速曲线的可重复性不是很好，而且车辆 对于左转或右转的响应是不对称的。在这个项h中的试验环境并不完美，因为在试验道路上存在泥土或石 头。当方向盘雨复进行转弯操作时，路面上会留冇粘附轮胎的橡胶，因此，进行这项试验时必须小心。随 着转向周期数目的不断増加，路面的摩擦系数可能改变。试验同样可以在车辆的运动状态中完成。<)®挣胡世乂方向盘扭矩(nm)图5转向作用力试验结果转向俘获试验所有动力转向系统受限丁能提供的转向扭矩量，液压动力转向系统也受限丁转向

13、泵的锻人输出流虽，因此, 如果驾驶员试图在紧急状态下突然转向，或者无足够的可用流体，驾驶员将会需要很大的力量才能完成转 向。在一些悄形下，转向软管中的降噪设备也会产生液压流动的限制。该试验是用于探测转向输出不再跟 随输入的临界点。将梯形位移波形以不断用加的频率加载到方向盘上，这样就会得到一个速度随频率用加 而递进的步进波形，直到液压系统不能再提供足够的液流。时间(s)图6转向俘获试验结果图6所示为转向俘获试验结果，山图可见，15s之前转向柱扭矩的图像基本上是一个方波，振幅在每次转 向中也是相同的；从1517s,扭矩随速度变化，但在17s的时候，转向柱速度不再随位移和扭矩变化而 变化，且速度不再

14、与z相关，这表示转向泵屮缺乏足够的液体流动。试验证明，俘获极限人约在转向柱旋 转速度为800o/s°畔一l v曲*图1变道试验：人工操作（左）；机器人操作（右）先进试验仪器的使用、仿真蛀和结果的智能解释，必将缩煎车辆的丿i：发周期，改善车辆的操纵性能。同 时，也会让设计者更加了解自己的设计产品，从而促使新的设计日标尽快得以实现。汽乍悬架系统的模拟测试屮,在人工操作和转向机器人操作z间进行对比时，常用毎个测呈间隔结果的标 准方差來描述试验z间的偏差，通过障碍试验和变道试验來完成对比。图1至图3的每组曲线图中，上而 的曲线代表的是车辆横向位置，下面的曲线代表的是方向盘的输入。转向刹车综合

15、试验转向机器人单独使用只能对方向盘进行控制，但如果它和踏板操作机器人配合，用计算机控制车速，就可 进行刹车试验和转向刹车综合试验。转向刹乍综合试验是一个与安全相关的临界操作，据了解，这类试验忖前还没有制定相应的标准法规，用 户采用的都是自己制定的标准。进行刹车试验时，刹车机器人的可重复性要比人工操作好很多。比如司机突然施加刹车操作，踏板力范围 在3050n之间，保持4s后释放。一个有经验的司机需要至少27次的尝试才能够获到3次满意的结果, 但是踏板机器人能够保证每次操作都是正确的。刹车机器人徃保持一贯性上具有很大的优势，而司机每次 尝试操作的时候都会改变刹车鼓的温度.而这会影响刹车的性能。图3

16、障碍试验：机器人操作（左），人工和机誥人的对比（右）侧翻稳定性美国的nhtsa （美国国家高速公路交通安金部）己经设计出侧翻稳定性试验设备，用來比较车辆在躲避障 碍物时的安全性能。它是通过对suv或者类似车型的人最侧翻事故的模拟得以实现的。车辆以“血钩试验” 的速度來分级，而车轮并不离开地面。在试验中，一开始是-段直道，接着是一个快速左转弯，随后校正 车轮；z后，当车辆转到笔直位置时做同样一个右转弯并保持曲线前进。这样做可能会引起強烈的侧倾运 动，在第二次转弯的时间内侧车轮可能会被抬起。类似丁汽车销售商使川ncap （新车评估项|）的碰撞 试验标准作为碰撞屮纶存性的标准，nhtsa的“血钩试验

17、”标准町作为车辆侧翻安金的评定标准。图4刹车踏板机器人，半机器人安装好后司机仍可控制汽车路径跟踪机器人以一个高标准的精确度完成“鱼钩试验”的唯一可操作的方法就是使用路径跟踪机器人。路径跟踪机器人使 用普通机器人的转向电机，并附带导向能力。鉴于普通机器人对方向盘的输入具冇很高的可重复性，路径 跟踪机器人可操控汽车沿着一个可重复的路径前进。它通过将转向机器人和motion pack （运动包）和连 来完成，包插三轴的加速度传感器、三轴的陀螺仪和差分gps位置测量仪。此系统可操纵车辆沿着可垂复 的路径前进，精度达到2cm,如果需要可以随时修正转向方向。图5至图8是一次“低钩试验”的演示。为了保证安金

18、，在演示中车辆并没有接近转向力能够引起车辆侧翻的速度。当试验车辆符合nhtsa的标准, 需要安装安全支架以防止侧翩，并安装年轮高度传感器以检测年轮的初始离地。车辆操作测量一些仪器可以被用來测试车辆的运动，测量参数包括速度、侧倾角、侧偏角、纵向或横向加速度等。在一 些悄况下还可采用光学方法。路径跟踪机器人依赖于motion pack來保证精确的路径跟踪能力，motion pack同时m以提供很多同等的关 于车辆在试验屮任何时间点的状态数据。例如，它可以给出车辆的准确地而位登以及离地面的高度、车辆 行驶方向角、横摆角、侧偏角、侧倾角和横向加速度。关于方向盘角度和扭矩的转向机器人信息同样可知, 仪器组合可提供给操纵工程师所需要的所有信息。motionpack同样可以和不带有路径跟踪系统的普通转向 机器人联合使川。欧洲彖华轿车则使用带有motion pack的转向机器人进行试验，motion pack安