减振器硬件在环试验平台的研究与开发

2023-02-22

轿车减振器是车辆悬挂系统的关键部件, 其性能的好坏直接影响到车辆的操控性、稳定性、乘坐舒适性及整车的品质和性能。汽车悬挂系统的开发一般采用系统建模和实车实验相结合的方法。但是在建立悬挂系统模型时一般对机械构造进行了很多的简化, 这样虽然方便了建模与仿真、提高了仿真的速度, 但仿真模型跟实际模型相差很大, 降低了仿真的精度和对实际系统开发的指导作用。如果采用实车实验的方法来调教减振器, 能得到相对真实的实验数据, 但是其调教过程复杂、周期较长、难度大及成本高等因素都会对整车的成本起到比较大的影响。为了提高仿真的精度和减少实车实验, 加快减振器的开发与调教进度, 本文设计和开发了一种采用直线电机作为驱动件、适用于轿车减振器性能评价的硬件在环仿真试验平台。硬件在环仿真是指将被研究对象或不容易建模的部分用实际物理对象来代替, 将容易建模的部分或不易用实际物理对象的部分用仿真数学模型来代替, 这样通过“虚实”结合构成一个完整的仿真试验平台。硬件在环仿真试验平台提高了系统仿真的精度, 减少了实车实验的次数, 加快了开发流程并节约了开发成本。

1 轿车悬挂系统的基本原理

轿车悬挂系统如图1, 主要包括弹性元件、减振器和传力装置等三部分, 分别起缓冲、减振和受力传递的作用。对于轿车来讲, 弹性元件多指螺旋弹簧, 它只承受垂直载荷, 缓和及抑制不平路面对车体的冲击, 具有占用空间小、质量小、无需润滑的优点, 但由于本身没有摩擦而没有减振作用。减振器又多指液力减振器, 其功能是为加速衰减车身的振动, 它也是悬挂系统中最精密和复杂的机械件。减振器上端与车身或者车架相连, 下端与车桥相连。当轿车在不平坦路上行驶时, 车身会发生振动, 减振器能迅速衰减车身振动, 利用本身油液流动的阻力来消耗振动的能量。传力装置则是指车架的上下摆臂等叉形钢架、转向节等元件, 用来传递纵向力、侧向力及力矩, 并保证车轮相对于车架有确定的相对运动规律[1] (见图1) 。

2 试验台的组成

2.1 组成

如图2所示, 减振器硬件在环试验平台主要包括:减振器总成、直线电机加载系统、整车动力学模型以及数据采集部分。减振器总成由实际的减振器硬件组成, 提高了试验和仿真的精度。整车由运行在工控机中的整车动力学模型来模拟, 减振器的驱动由直线电机加载系统提供 (见图2) 。

2.2 硬件系统构成

2.2.1 上、下位机

硬件在环试验平台上、下位机由2台计算机组成, 一台工控机用于编制汽车动力学模型以及作为xPC Target开发环境下的上位机;一台普通桌面PC作为下位机负责向直线电机控制器发送位移指令及数据的采集, 下位机运行在xPC Target实时内核下, 可以保证整个硬件在环测试的实时性。

xPC Target提供了在普通PC机上运行的实时内核和丰富的I/O模块库, 它包括上位机和下位机。在xPC Target开发环境中, 选用工控机作为上位机, 利用Simulink/StateFlow图形化编程工具编写控制算法及仿真模型, 并利用Real-time Workshop工具将编写的算法和模型编译为xPC Targ e t格式的实时代码, 最终通过串口或Internet网络下载到下位机, 下位机必须具备必要的I/O板卡用于信号采集和控制信号的输出。在下位机中, 并不需要如DOS、Window s或Linux等操作系统, 它只有一个实时内核。当实时代码下载到下位机后, 下位机就可以在实时环境下实施控制[2]。

2.2.2 传感器和采集卡

硬件在环试验平台使用的传感器有:2个直线电机位移传感器、1个减振器压力传感器。位移传感器采用光栅尺, 当光栅尺移动时能传回位移信号;压力传感器采用应变片式压力传感器, 当压力变化时, 应变片能传回不同的电压值。采集系统采用研华PCL-818HG多功能采集卡。

2.2.3 驱动系统

硬件在环试验平台驱动系统采用两台IDAM L1C-400*150-WM的直线电机同时输出驱动力, 直线电机构造如图3, 电机在水冷的情况下能够提供连续推力6518N, 饱和峰值推力10342N。电机配套的驱动器为ARS2320, 额定电流40A, 使用三相380VAC。控制器采用RTIO可编程多轴运动控制器。目标机发出位移控制指令经控制器和驱动器后驱动直线电机动作, 通过光栅尺将电机位移信号传回控制卡, 实现两台电机的同步控制和驱动系统的闭环控制 (见图3) 。

2.3 整车动力学模型

为了简化问题的研究, 本试验平台采用四分之一车模型, 见图4。

此模型的动力学方程为:

写为矩阵形式:

式中:M为簧上质量;m为簧下质量;k悬架刚度;kt轮胎刚度;z簧上质量垂直位移;ξ簧下质量垂直位移;q路面位移输入;aF为减振器力, 拉力为正, 来自于减振器硬件。从上式中解出而减振器的输入分别为簧上质量与簧下质量的位移、速度和加速度的差, 所以:

式中:a为减振器上支点相对于下支点的加速度;v为相对速度;s为相对位移[3]。

3 结语

为了加快轿车减振器调教速度, 保证开发产品的质量, 降低产品开发的成本, 本文运用硬件在环仿真技术对所建立的四分之一车辆模型和减振器实物进行研究和试验, 设计了减振器硬件在环试验平台。该硬件在环试验平台可以方便地进行减振器系统的开发、性能检测和性能评价。由于该试验平台只利用到四分之一车模型, 所以还可以开发成二分之一车模型和整车模型的减振器硬件在环试验平台。

摘要：减振器是轿车悬挂系统的关键部件, 其性能的好坏直接影响到车辆的操控性、稳定性、乘坐舒适性及整车的品质和性能。运用硬件在环仿真技术对所建立的四分之一车辆模型和减振器实物进行研究和试验, 设计了减振器硬件在环试验平台。该硬件在环试验平台可以方便地进行减振器系统的开发、性能检测和性能评价。

关键词：减振器,硬件在环,车辆模型