[发明专利]基于虚拟样机的四轴重型货车悬架系统控制模拟方法

摘要

本发明涉及以改善车辆动力学性能为目标的虚拟样机、MATLAB控制系统联合仿真。本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一套耦合虚拟样机、MATLAB的四轴重型货车悬架系统改进天棚控制模拟技术，改善车辆的道路友好性、平顺性。本发明基于ADAMS/View平台构建四轴重型货车虚拟样机模型和各等级双轮辙多点随机激励路面模型；依据现代控制理论，提出一种改进天棚控制算法，采用ADAMS、Matlab/Simulink联合仿真的方法实现悬架系统阻尼的半主动、主动改进天棚控制。本发明的重要创新在于实现了四轴重型货车悬架系统的ADAMS/MATLAB联合仿真，设计的改进天棚控制算法适用于悬架系统的半主动、主动控制，能有效改善四轴重型货车的道路友好性、平顺性，并具有较强的鲁棒性。

主权项

1.一种基于虚拟样机的四轴重型货车悬架系统控制模拟方法，其特征在于：第一步、基于ADAMS构建四轴重型货车虚拟样机模型所述四轴重型货车虚拟样机模型包括车架模型、转向系统模型、车桥模型、轮胎模型、车身模型、普通钢板悬架和平衡轴平衡悬架模型，利用ADAMS软件在ADAMS/VIEW模块中构建车架模型、转向系统模型、车桥模型、轮胎模型及车身模型，再构建基于柔性体的ADAMS/VIEW模块下的普通钢板悬架和平衡轴平衡悬架模型，同时，构建基于ADAMS的双轮辙多点随机激励路面模型，所述的基于柔性体的ADAMS/VIEW模块下的普通钢板悬架模型的构建方法为：从设计图纸上获取钢板弹簧的夹紧弧高及弧长，计算出钢板弹簧的几何坐标；然后，将总体设计参数、几何参数、车轴参数、卡箍参数和力学参数分别输入ADAMS/Chassis模块，生成ADAMS/Chassis模块下的悬架模型；再将ADAMS/Chassis模块下的悬架模型导入ADAMS/VIEW模块中，得到ADAMS/VIEW模块下的初始悬架模型，由于将多片簧简化为单片簧，简化后每个Timoshenko梁的转动惯量是不正确的，弹簧的刚度也不正确，因此完成初始悬架模型的构建后，需要对刚度进行修正，具体方法如下：首先将钢板弹簧底部固定，在两端分别施加方向向下的力，大小分别为根据设计图纸查得的验证负荷的一半；然后修改每一个Timoshenko梁的beam力信息。在beam力的设置界面中，转动惯量的计算公式如下：Ix=kbh312---(2)]]>Iy=khb312---(3)]]>Iz=kab3[163-3.3ba(1-b412a4)]---(4)]]>其中，a、b、h分别为Timoshenko梁长度、宽度、高度的一半，k为设计变量。先设定k＝1，在ADAMS中测试钢板弹簧的刚度，将模型测试得到的刚度值与悬架设计图纸中给定的夹紧刚度值进行比较；根据比较的结果调整设计变量k的大小，重新测试模型中钢板弹簧的刚度值，直到模型中钢板弹簧的刚度等于给定的板簧的夹紧刚度。所述的基于柔性体的平衡轴平衡悬架模型的构建方法为：按照普通钢板悬架的方法构建平衡轴平衡悬架的初步模型，然后在平衡轴平衡悬架的初步模型上建立平衡轴，并将普通钢板悬架绕平衡轴旋转180度，其上端与底盘以旋转铰相连，下端放置在平衡轴上，再建立上、下导向杆以旋转铰连接底盘和平衡轴，即完成平衡轴悬架模型的构建。第二步、基于ADAMS构建各等级双轮辙多点随机激励路面模型所述的基于ADAMS的双轮辙多点随机激励路面模型的构建方法为：通过滤波白噪声法，计算并得到双轮辙多点随机激励时域数据，并将所述的时域数据输入至ADAMS软件的Road-builder模块，得到基于ADAMS的双轮辙多点随机激励路面模型，第三步、采用改进天棚控制算法以及ADAMS、Matlab/Simulink联合仿真的方法对悬架系统减震器的阻尼力进行模拟控制所述的基于改进天棚控制算法以及ADAMS、Matlab/Simulink联合仿真的悬架系统减震器的阻尼力模拟控制方法为：在ADAMS/View中定义半主动、主动悬架系统的输入变量和输出变量，所述输入变量为簧载质量垂直运动速度、非簧载质量垂直运动速度，所述输出变量为减震器的阻尼力，生成MATLAB/Simulink格式的车辆系统仿真文件，再以MATLAB/Simulink格式车辆系统仿真文件为基础，在MATLAB/Simulink环境中组建控制模块，用于对作为输出变量的减震器的阻尼力进行改进天棚控制，并反馈到输入变量中，所述改进天棚控制算法为：Fdem=C[α(Z·w-Z·b)-(1-α)Z·b]---(16)]]>其中，F_dem为理想阻尼力，C为最大阻尼系数；α为被动控制的权重，范围为0-1，α为0时代表天棚控制，α为1时代表被动控制；为非簧载质量的垂直运动速度；为簧载质量的垂直运动速度，如果改进天棚控制算法得到的主动悬架系统中的减震器的阻尼力大于该主动减震器的最大作动力，则以最大作动力作为主动悬架系统中的减震器的阻尼力，改进天棚控制算法得到的半主动悬架系统中的减震器阻尼力遵从以下约束：ifFdem(Z·w-Z·b)≥0andFmin≤Fdem≤Fmax,Fsup=Fdem;ifFdem(Z·w-Z·b)≥0andFdem<Fmin,Fsup=Fmin;ifFdem(Z·w-Z·b)≥0andFdem>Fmax,Fsup=Fmax;ifFdem(Z·w-Z·b)<0,andZ·w-Z·b>0,Fsup=Fmax;ifFdem(Z·w-Z·b)<0andZ·w-Z·b<0,Fsup=Fmin;]]>式中，F_dem为理想阻尼力，F_sup为实际阻尼力，F_max、F_min分别为半主动悬架系统中的减震器阻尼力的上、下限，除上述区别外，半主动、主动改进天棚控制在ADAMS中的实现方法是相同的：对于本发明所述的四轴重型货车，控制模块中包含四个变量：转向轴减震器的最大阻尼系数C₁、被动控制权重α₁、驱动轴减震器的最大阻尼系数C₂、被动控制权重α₂。采用正交试验分析C₁、α₁、C₂、α₂、C₁α₁交互(转向轴减震器总体参数)、C₂α₂交互(驱动轴减震器总体参数)对车辆性能的影响，正交试验表头设计见表3：表3 L₂₇3¹³正交试验表头设计注：各因素分别为：A-α₁，B-C₁，C-α₂，D-C₂；3个试验指标为：J-道路破坏系数，a₁-驾驶员座椅垂直加速度均方根，a₂-货物质心垂直加速度均方根，P-综合性能指数。表3中，道路破坏系数J由下式得出：式中，A⁴为单侧车轮对路面作用力(动载荷与静载荷之和)的四次幂之和，本发明中采用左侧车轮进行计算；和分别为A⁴的标准偏差和均值，又可近似表达为下式：mA4=Σj=1NF‾j4---(19)]]>为单侧第j轴车轮对路面某点载荷的静态分量。表3中，P为道路友好性、平顺性指标加权处理后的车辆综合性能指数。计算公式如下：P＝0.58×(a₁+a₂)+0.42×J                (20)每次正交试验仿真结束后，将后缀为.res格式的文件导入ADAMS，在ADAMS自带的后处理模块“Post processor”中查看、处理货车各测点的垂直振动和轮胎力时域数据，从而计算每次正交试验的综合性能指数P的值，对试验结果进行极差、方差分析，找出使车辆综合性能最优的控制变量值。