汽车动力学研究Word格式文档下载.docx

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改造它的电子稳定控制系统、悬挂控制系统等子系统达到。

这些控制系统通过将汽车动力行为模拟成预先确定好的汽车数学模型来操作的。

因此，能够精确抓住汽车悬挂系统动动力性并能预测汽车行为的高精度的数学模型是很关键的。

任何汽车悬挂系统都有一个主要部件——减震器。

它在汽车水平和垂直方向上的运动骑着重要作用。

汽车模型的精确度很大程度依赖与减震器模型的精确度。

减震器也是建模最为复杂的非线性汽车悬挂部件之一。

有两种方法对减震器建立模型：

基于物理和几何上的物理建模和基于实验数据的非参数建模。

它们中的每一种都有各自特定的优点和不足。

A．减震器物理模型

物理模型，基于减震器内部结构和随后的操作动力性的详细描述，十分精确的描述了多种操作环境下减震器的行为（从理论角度上，是一种最为令人满意的模型）。

但是它们在计算上通常是很复杂的，当在全面的汽车仿真实施运用时，需要消耗长时间的计算。

它们包含的一些参数数值需要特殊测试装置经过高成本的测量才能得到。

并且减震器设计上的微小变化就可能会需要模型的调整和一套新的测试装置，这种模型一般只能在减震器制造商那里实现。

Lang在1977年开发了一个复杂的减震器物理模型。

这个模型包含大约80个参数，计算上很复杂，不适合用于复杂的汽车仿真研究和系统识别。

后来，Lang的模型被Morman简化。

Morman的模型已经被证明在研究特定冲击条件下设计结构的改变的影响是有用的。

Reybrouck在1994年开发了一个参数更少的模型，适用于频率在20Hz以下的冲击。

这个模型依赖半经验的系数，并且没有考虑内部结构的修改对减震器性能的影响。

Talbott在2002年开发了一个叫做Ö

hlinsNASCARNextelCupshock的模型，这一模型考虑了减震器调整参数如垫片堆刚度、垫片堆预加载荷、放气孔面积对减震器性能的影响。

Emmons扩展了Tabott的模型，使其包含了进来在Penske用到的置顶阀。

B．减震器非参数化模型

非参数化模型用纯粹了数学方法建立起了一个被测量之间的关系；

现存的参数没有直接的物理意义。

对于减震器，这个关系是冲击力和速度之间的关系。

在这种方法中，减震器在某一特定范围内的测试中充当黑盒作用。

与物理模型不同，非参数化的模型在某一限定的操作范围内精确描述了待测试系统的行为。

并且，这个方案建立了计算上有效的模型，能够很容易地移植到一套新的测试数据中。

从实验数据中运用系统识别技术建立非参数化模型已经被Alanoly完成。

基于恢复力表面映射的模型已经被开发出来。

这个模型认为冲击里是位移和速度的函数。

虽然这个模型只限于单频率激励，它还是作为一个识别系统非线性度一个有用的工具。

对与研究设计变化对减震器的影响和调整减震器使减震器达到理想的性能，一个复杂的减震器物理模型是有必需的。

然而，如果我们的目标是在全方面车辆仿真环境下描绘出减震器的性能特征，非参数化模型方案是合适的。

这篇论文建立了三个能够快速适用于实验数据和汽车仿真的减震器模型。

这些模型都是基于我们理解认为减震器是一个主要与速度相关的器件。

论文的内容如下安排：

在第二部分，我们介绍单柱震动测试台，并叙述减震器测试的实验程序。

在第三部分，我们展示出三种减震器模型，这些模型通过实验数据进行论证。

在第四部分，减震器模型对于汽车垂直动力学的影响被分析。

在第五部分，我们讨论未来加强并改进减震器的趋势和前景。

2．减震器测试

A．单柱震动测试试验台

为了建立起一个减震器模型，马自达CX—7的前端减震器在单柱震动测试台上测试。

这一试验台运用修改后的MTS单柱震动器，如图一所示。

带有集中载荷单元的框架被建立起来，以此来给减震器加载。

这个测试试验台由一个40kN的液压缸启动，行程能够达到10英寸。

这一系统有很出色的频率响应，最高频率到80Hz，最大速度到1.5m/s。

这个试验台装备有力、位移、加速度传感器。

在测试过程中，冲击位置、加速度和减震器阻尼力的测量数据被记录。

位移由墨斗线测量并且，一个线性差动变压器也安装在单柱震动器上。

众所周知，减震器特性随温度变化而变化。

考虑温度因素影响，减震器主体结构的外部上同样安装有热电偶。

减震器然后先在测试之前被激励并加热到30º

C。

图一：

在修改后的MTS震动试验台上的马自达CX-7减震器

B．数据采集

在每项测试中，冲击位置、加速度、冲击力和温度的测量数据被记录到SoMateDAQ系统中，如图二所示。

SoMateDAQ是一个便捷的独一无二的适用于广泛环境范围测试数

3．非线性减震器模型

减震器力—位移—速度模型在参考12里讨论。

然而，如果这个减震器模型只是能在试验条件下被论证，那么将这样的一个模型运用到在实际粗糙路面情况下的全方面汽车仿真是有问题的。

在粗糙路面的行驶过程中，减震器运用了它全部行程，而且偶尔能到减震器末端。

标准的减震器测试机器行程被认为要比减速器行程短。

虽然在某些情况下，当减震器测试仪器的行程可以被加大，为了避免测试仪器可能的损坏，它还是要必须比减震器行程知道短3-4mm。

这样，被最大谐波激励轨道限定的区域并没有延伸到减震器的整个行程长度。

对于这个研究，描述冲击速度和冲击力的关系的非参数化的力——速度减震器行为模型用最小平方乘法来建立，速度Vs是自变量，而冲击力是应变量。

模型函数的形式是f（Vs，β），向量β包括m个调整变量。

β被调整来使目标函数达到最小值。

残差平方和的定义由方程

（1）和

（2）来完成。

每一种模型形式将会在接下来的篇章中讨论。

A．线性减震器模型

这是在仿真分析中最为简单的模型。

它仅仅考虑了线性行为，如（3）式所示：

运用实验数据，线性阻尼系数可以被确定。

线性减震器模型的力——速度曲线如图5所示

B．幂函数减震器模型

减震器模型的第二个选择是简单的幂函数，如式子（4）和（5）所示。

对于反弹阶段：

对于压缩阶段：

幂函数式的减震器模型的力—速度曲线如图六所示。

C．分段多项式减震器模型

多项式被用于拟合不同速度范围的减震器。

这种方法只有在三次或者四次多项式的情况下才会产生很好的拟合，如式子（6）和式子（7）所示：

多项式函数的减震器模型的力—速度曲线如图七所示。

D．模型论证

为了论证这些模型的正确性，振幅同为30mm的各种不同频率正弦测试函数被运用。

模型的均方根误差如图八所示。

幂函数模型和多项式函数模型抓住了减震器的非线性模型，同线性模型相比较，这两种模型有更小的均方根误差。

在时域范围内，模型的冲击力与实验冲击力的比较如图9所示。

这两种模型和实验数据之间的接近程度表明了这些模型的高度的精确度。

4.四分车模型仿真

将减震器模型集成到全车垂直方向上的模型中去是有主要利益的。

然而，在这一阶段之前，这一模型鼻血要经历简单的四分车模型检测。

运用简单的四分车模型，更为全面的扩充了的减震器对弹簧质量模型垂直方向上加速度、主要舒适度标准可以被估计出来。

在四分车模型中，运用弹簧部件和之间定义好的减震器模型，弹簧质量模型和非弹簧质量模型之间的悬挂系统的模型被建立，如图十所示。

四分车典型的参数数值如表2所示。

从0.1Hz到50Hz与峰—峰值为0.01m的随机信号被用于激励四分车的路面输入，如图十一所示。

弹簧质量模型加速度的频率分析表明了减震器模型对于弹簧质量模型动力性能的影响。

图十二表明了三个被分析模型弹簧质量模型功率谱密度。

多项式函数和幂函数模型有着相近的峰值，但是除了1Hz附近的功率谱密度，线性函数模型的峰值较小，

这一频率可能是弹簧质量系统的固有频率。

在时间域内，线性模型弹簧质量模型的均方根误差要比幂函数模型的均方根误差少30%。

幂函数模型和分段多项式函数模型的均方根误差的差别少于1%。

图十三分别在三个减震器模型中表明四分车了弹簧质量模型垂直加速度数值。

图十四表明了三个减震器模型的阻尼力数值。

这两个图表明幂函数模型和多项式函数模型展示的是相似的减震器行为，而线性模型偏离很大。

5．结论和未来前景

这篇论文归纳了起来就是建立了两个有效的经验性的非线性减震器模型。

这些模型通过运用从单柱震动测试试验台获得的实验数据来被建立和证明。

减震器模型对汽车垂直方向上的动力性能的影响被分析，仿真的结果表明两个非线性模型显示了相似的行为。

实验发现幂函数模型和多项式函数模型在广泛操作条件下有着小于100N的均方差误差。

误差在高频率时较大是因为减震器的滞后特点。

论证结果表明在高频条件下我们建立的模型需要增加一个额外的延迟来追踪减震器的滞后特性。

能追踪非线性性能和滞后性能的减震器模型将会被集成到全方面的垂直方面上的汽车仿真中。

6.参考文献

1]M.C.Smith,“汽车活动悬挂系统动力性能响应”汽车系统动力学,

vol.1,pp.1-34,Jan.1995

[2]H.Peng,R.StranthearnandA.G.Ulsoy,“新型活动悬挂系统设计方法仿真和实验结果”Proc.of美国控制协会,June1997.

[3]W.Gao,N.Zhang,J.Dai,“其实动力非确定参数的随机四分车模型”

汽车动力学研究,vol.46,No.12,pp.1159–1169,December2008.

[4]M.Weigel,W.Mack,andA.Riepl,“基于标准测试数据非参数化的减震器建模.”汽车系统动力学,2002.38（6）:

p.415-432.

[5]H.Lang,“高冲击频率下的汽车减震器.”1977,Michigan大学.

[6]K.Morman,“液压减震器模型的性能分析和仿真

第一部-理论发展（SR-83-043）,第二部分–参数识别和模型验证研（SR-86-61）,”福特发动机公司研究报告.

[7]K.Reybrouck,“汽车减震器非线性参数模型”SAE论文No.940869.

[8]M.Talbot,andJ.Starkey,“实验论证的高性能减震器物理模型

”SAE论文No.2002-01-3337.

[9]S.Emmons,B.Boggs,andM.Ahmadian,“高调整性减震器参数话建模

”inASME国际机械工程会议博览会.2006.

[10]J.Alanoly,P.Kuber,C.Rubio-Ratton,“大挠度非线性耐用性仿真组件模型”Proc.第七届世界汽车动力会议.FordMotorCo.,Dearborn,MI,Oct.1993

[11]G.BelingardiandP.Campanile,“通过恢复力映射方法的减震器仿真提高”

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[12]R.Basso,“恒速度激励下减震器阻尼力的实验特性”汽车系统

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