CN115372025B - 车辆悬架系统性能的自动化测试平台及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车辆摇臂式机电悬架系统性能自动化测试平台及方法，该平台由硬件系统，信号采集系统，数据存储与处理器，以及电动控制系统组成；其中硬件系统主要组成部分有：摇臂式机电悬架以及激励输出系统，完成悬架的激励输入以及悬架的运动测试；数据处理与存储系统将传感器采集的数据进行分析与计算；电动控制系统根据获得的数据以及系统的指令控制机电执行器的输出力矩，从而调整悬架的阻尼和刚度等参数。本发明使得车辆悬架系统性能测试与评价实现了自动化，省去了人工处理数据的繁琐程序，提高了汽车测试工作的效率与准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种悬架系统性能测试领域，具体的说是一种摇臂式机电悬架系统的性能测试平台及其方法。
背景技术
机电悬架是一种新型悬架，相比于传统悬架，其核心技术在于使用机电执行器代替传统的阻尼元件，通过电机输出主动力矩，实现悬架刚度与阻尼参数可实时调节，从而提高汽车行驶的平顺性、操稳性。
机电悬架一般由弹性元件(如螺旋弹簧、扭杆、板簧等)支撑车体静态重量，由执行器(机械部件与电机构成)产生主动力，或阻尼力。机电式悬架是一方面能够实现电能转换成机械能，实现悬架的主动调节，从而提高车辆行驶的平顺性和操作稳定性；另一方面能够将悬架的机械能转化成电能，以能量回收并存储的形式或者能量耗散。
悬架是汽车的重要组成部分，保证汽车车轮或车桥与汽车车架或承载式车身之间具有弹性联系，并能传递载荷、缓和冲击、衰减路面不平度产生的振动以及调节汽车行驶中的车身位置等。因此，对悬架系统性能的测试具有非常重要的意义。
当前悬架系统的测试主要针对1/4汽车模型的平顺性测试，并且测试的数据需要人为采集，再对数据进行一系列处理完成汽车悬架性能的评价，不仅效率底下而且提高了人力成本，不适合多次不同工况的重复实验。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种车辆悬架系统性能的自动化测试平台及方法，以期能够实现车辆摇臂式机电悬架系统性能的自动化测试，提高车辆摇臂式机电悬架系统性能测试与评价的效率和准确性，并通过调节悬架机电执行器输出力矩改善车辆悬架系统的性能。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种车辆悬架系统性能的自动化测试平台的特点在于，包括：硬件系统、信号采集系统、机电执行器控制器、数据存储与处理器、电动控制系统；
所述硬件系统包括：摇臂式机电悬架与激励输出子系统；
所述摇臂式机电悬架包括：平衡肘、连杆、摇臂、机电执行器、负重轮以及浮动墙；
平衡肘由一根扭杆弹簧制成，其一端铆接于浮动墙上，另一端通过负重轮与连杆的一端铰接；所述负重轮的转动中心在平衡肘与连杆的铰接处；所述连杆的另一端与摇臂铰接形成转动副，所述摇臂同时与机电执行器固结，所述机电执行器也固结于浮动墙；
所述信号采集系统包括：加速度传感器、可控电流电压源、位移传感器与信号调理单元；
所述激励输出子系统为一模拟路面输入的激振台，用于产生不同频率与振幅的正弦激励、多级随机路面激励，并作用在所述负重轮上，使其产生垂向的运动，并引起扭杆弹簧的弹性变形及各个杆件之间的相对运动与浮动墙的垂向运动；
所述加速度传感器和位移传感器分别实时采集浮动墙的加速度信号和激振台输出的位移信号并传递给信号调理单元，并由所述信号调理单元转换为离散数据后传递给数据存储与处理系统；
所述数据存储与处理器将接收的加速度信号和位移信号的离散数据进行存储，并根据位移信号的离散数据得到激振台的路面激励速度，用于评价所述摇臂式机电悬架的性能；
所述机电执行器控制器根据性能评价结果，输出可变的电压、电流来控制所述机电执行器的输出力矩，从而由所述机电执行器产生转动力矩并带动所述摇臂旋转，以改善所述摇臂式机电悬架的性能。
本发明一种车辆悬架系统性能的自动化测试方法的特点也在于是，应用于所述的车辆悬架系统性能的自动化测试平台中，并按如下步骤进行：
步骤1：所述激振台在当前周期内输出正弦激励、脉冲激励以及随机路面激励给所述负重轮，使得所述负重轮处于多工况随机输入；
步骤2：所述加速度传感器采集所述浮动墙在当前周期内的加速度信号同时，所述位移传感器采集激振台在当前周期内输出的位移信号，并得到路面激励速度/>
步骤3：所述数据存储与处理器根据当前周期内加速度计算所述浮动墙的垂向加速度RMS值，并判断垂向加速度RMS值是否超过所设定的加速度阈值，若超过，则表示所述摇臂式机电悬架平顺性较差，并执行步骤6，否则，表示所述摇臂式机电悬架平顺性较好，并执行步骤4；
步骤4：所述数据存储与处理器根据路面激励速度计算激励速度RMS值，并根据垂向加速度RMS值和路面激励速度RMS值得到车身加速度均方根值谱，从而生成关于频率与加速度的功率谱密度图像；
步骤5：若功率谱密度图像中的加速度功率谱密度取得最大值时所对应的频率属于人体敏感频率范围，则表示所述摇臂式机电悬架平顺性较差，并执行步骤6，否则，表示所述摇臂式机电悬架平顺性较好；
步骤6：搭建PID控制器，令所述PID控制器的输入包括：所述浮动墙的垂向加速度RMS值与设定的加速度阈值的误差、所述加速度功率谱密度最大值时所对应的频率与人体敏感频率范围的差值；所述PID控制器的输出为：机电执行器的转动力矩，从而利用所述PID控制器调整机电执行器的输出力矩，以改善所述摇臂式机电悬架的性能。
所述负重轮接收多工况路面随机输入，负重轮的垂向运动带动所述机电执行器的转子产生转动，当所述机电执行器处于馈能状态时，所述机电执行器作为发电机，并将所述负重轮接收到的路面振动能量转化为电能，从完成振动能量的回收。
将所述摇臂式机电悬架装配在四轮车上，并按如下过程进行性能测试：
步骤1：建立四轮车的七自由度模型，其中，悬架系统为摇臂式机电悬架，悬架主动力发生器为机电执行器；
步骤2：以四个轮子所接收的路面激励为所述七自由度模型的输入，并由七自由度模型得到一个周期内车身垂向加速度的RMS值，并判断车身垂向加速度/>的RMS值是否超过所设定的阈值，若超过，则表示四轮车的平顺性较差，并执行步骤4，否则，表示四轮车的平顺性较好，并执行步骤3；
步骤3：根据四轮车的垂向加速度与路面激励速度得到关于频率与四轮车的加速度功率谱密度图像；若所述四轮车的功率谱密度图像中的垂向加速度功率谱密度取得最大值时所对应的频率属于人体敏感频率范围，则表示所述四轮车的平顺性较差，并执行步骤4，否则，表示所述四轮车的平顺性较好；
步骤4：搭建PID控制器，令所述PID控制器的输入包括：四轮车的车身垂向加速度RMS值与设定的加速度阈值的误差、四轮车的加速度功率谱密度图像中车身加速度功率谱密度最大值对应的频率与人体敏感频率范围的差值；令PID控制器输出为：整个悬架系统的各机电执行器输出转动力矩；从而利用PID控制器调整机电执行器的输出力矩，以改善所述四轮车的平顺性。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明以新型摇臂式机电悬架作为硬件基础，该悬架创新点在于使用电机代替传统的阻尼元件，通过控制电机输出主动力矩，从而实现了悬架刚度与阻尼参数可实时调节的功能。同时，电机还可作为动能回收装置，将来自地面振动的冲击带动连杆机构驱动电机转子转动所产生的电能进行回收和储存，从而实现了动能回收，减少了能量的消耗。
2、本发明所提出的汽车悬架系统性能测试平台在满足测试要求的情况下实现了数据分析处理的自动化，即在硬件系统完成一个周期的运行之后，数据处理与存储器会自动得出评价悬架性能的参数，并自动对悬架性能完成定性评价，从而既省去了人工处理数据的繁琐过程，节约了人力成本，也提高了数据处理的效率和数据处理结果的准确性。
3、本发明所提出的悬架系统性能自动化测试平台不仅能满足二自由度单轮悬架的性能测试，也同样可以对七自由度整车模型进行平顺性、操稳性等性能的测试与评价。因此不仅扩大了该系统的应用范围，也提高了该系统在实际生产测试中的实用性。
附图说明
图1为车辆悬架系统性能自动化测试平台与系统原理图；
图2为悬架系统性能测试流程图；
图3为悬架系统性能评价流程图；
图中标号：1为加速度传感器，2为机电执行器控制器，3为可控电流电压源，4为数据处理与存储器，5为信号采集系统，6为位移传感器，7为激振台，8为摇臂式机电悬架，801为浮动墙，802为机电悬架平衡肘，803为机电悬架连杆，804为机电悬架摇臂，805为负重轮，806为机电执行器。
具体实施方式
本实施例中，如图1所示，一种车辆悬架系统性能的自动化测试平台是由硬件系统、信号采集系统5、机电执行器控制器2、数据存储与处理器4、电动控制系统组成；
硬件系统由摇臂式机电悬架8与激励输出子系统组成；
摇臂式机电悬架8由平衡肘802、连杆803、摇臂804、机电执行器806、负重轮805以及浮动墙801组成；激励输出子系统为一模拟路面输入的激振台7；
信号采集系统5由加速度传感器1、可控电流电压源3、位移传感器6与信号调理单元组成；
平衡肘802由一根扭杆弹簧制成，其一端铆接于浮动墙801上，另一端通过负重轮805与连杆803的一端铰接；负重轮805的转动中心在平衡肘802与连杆803的铰接处；连杆803的另一端与摇臂804铰接形成转动副，摇臂804同时与机电执行器806固结，机电执行器806也固结于浮动墙801；
激振台7用于产生不同频率与振幅的正弦激励、多级随机路面激励，并作用在负重轮805上，使其产生垂向的运动，并引起扭杆弹簧的弹性变形及各个杆件之间的相对运动与浮动墙801的垂向运动；
加速度传感器1安装在浮动墙801上，位移传感器6安装在激振台7上，可控电流电压源3能够产生稳定的低压与电流给传感器以及数据采集装置供电。两个传感器分别实时采集浮动墙801的加速度信号和激振台7输出的位移信号并传递给信号调理单元，并由信号调理单元转换为离散数据后传递给数据存储与处理系统；
数据存储与处理器4将接收的加速度信号和位移信号的离散数据进行存储，并根据位移信号的离散数据得到激振台7的路面激励速度，用于评价摇臂式机电悬架8的性能；
机电执行器控制器2根据性能评价结果，输出可变的电压、电流来控制机电执行器806的输出力矩，从而由机电执行器806产生转动力矩并带动摇臂804旋转，以改善摇臂式机电悬架8的性能。
具体关于悬架系统性能测试流程如图2所示，其步骤如下：
系统输入与输出均方根值谱之间的关系为：
由于路面速度谱为白噪声，响应的均方根值谱/>为响应量/>对速度输入/>的幅频特性/>乘以常数/>与/>图形完全相同。因此即可用响应量对速度输入的幅频特性来定性分析响应的均方根值谱。
步骤1：给激振台控制器输入指令，令激振台7在当前周期内输出正弦激励、脉冲激励以及随机路面激励给负重轮805，使得负重轮805处于多工况随机输入，以两分钟为一个周期，每种路面激励均运行一个周期；
步骤2：加速度传感器1采集浮动墙801在当前周期内的加速度信号同时，位移传感器6采集激振台7在当前周期内输出的位移信号，并得到路面激励速度/>
步骤3：数据存储与处理器4根据当前周期内加速度计算浮动墙801的垂向加速度RMS值，并判断垂向加速度RMS值是否超过所设定的加速度阈值，若超过，则表示摇臂式机电悬架8平顺性较差，并执行步骤6，否则，表示摇臂式机电悬架8平顺性较好，并执行步骤4；
步骤4：数据存储与处理器4根据路面激励速度计算激励速度RMS值，并代入频率响应特性函数/>根据/>得到车身加速度均方根值谱，从而生成关于频率与加速度的功率谱密度二维函数图像；
步骤5：若功率谱密度图像中的加速度功率谱密度取得最大值时所对应的频率属于人体敏感频率范围，则表示摇臂式机电悬架8平顺性较差，并执行步骤6，否则，表示摇臂式机电悬架8平顺性较好；
步骤6：搭建PID控制器，令PID控制器的输入包括：浮动墙801的垂向加速度RMS值与设定的加速度阈值的误差、加速度功率谱密度最大值时所对应的频率与人体敏感频率范围的差值；PID控制器的输出为：机电执行器806的转动力矩，从而利用PID控制器调整机电执行器806的输出力矩，以改善摇臂式机电悬架8的性能。
关于车辆悬架系统性能的评价具体流程及指标如图3所示：以一分钟为一个完整周期，每种不同级别路面激励输入运行一个周期，第一个评价指标为簧载质量垂向加速度RMS值，若垂向加速度RMS值小于1.5倍最优值，则平顺性可定性评价为良好，反之则较差；第二个评价指标为加速度功率谱密度峰值所在频率范围，依据国标中人体振动敏感率范围，在Z轴方向该范围为4-12.5HZ，若测得的车身加速度避开了人体敏感频率范围，说明悬架系统对振动和冲击的过滤在人体所能承受范围之内，该车平顺较好，反之则该车的平顺性较差。
除此之外，该悬架的主动力发生器为一个具有能量回收性能的机电执行器，因此振动能量回收性能也是悬架综合性能评价指标之一。负重轮805接收多工况路面随机输入，负重轮805的垂向运动带动机电执行器806的转子产生转动，当机电执行器806处于馈能状态时，机电执行器806作为发电机，并将负重轮805接收到的路面振动能量转化为电能，从完成振动能量的回收。若最大能量回收效率≥20％，且能量回收电压输出范围28V±4V，则该机电悬架系统能量回收性能合格。
对于安装有摇臂式机电悬架的四轮车，其悬架系统性能测试过程如下：
步骤1：建立四轮车的七自由度模型，其中，悬架系统为摇臂式机电悬架8，悬架主动力发生器为机电执行器806，建模过程如下
ms为车身质心的质量，zs为车身质心的垂直位移，mwf1、mfw2、mwr1、mwr2分别为右前轮质量、左前轮质量、右后轮质量和左后轮质量，zwf1、zwf2、zwr1、zwr2分别为右前轮位移、左前轮位移、右后轮位移和左后轮位移，Kwf1、Kwf2、Kwr1、Kwr2分别为右前轮胎刚度、左前轮胎刚度、右后轮胎刚度和左后轮胎刚度，Ksf1、Ksf2、Ksr1、Ksr2分别为右前弹簧刚度、左前弹簧刚度、右后弹簧刚度和左后弹簧刚度，csf1、csf2、csr1、csr2分别为右前轮阻尼系数、左前轮阻尼系数、右后轮阻尼系数和左后轮阻尼系数，zsf1、zsf2、zsr1、zsr2分别为右前簧载质量位移、左前轮簧载质量位移、右后轮簧载质量位移和左后轮簧载质量位移，qf1、qf2、qr1、qr2分别为右前轮路面位移、左前轮路面位移、右后轮路面位移和左后轮路面位移，a和b分别为质心到前轴和后轴的距离，Ll和Lr分别为质心至左、右侧车轮的距离。
以汽车的纵向为x轴，侧向为y轴，垂直方向为z轴，建立汽车坐标系，为绕y轴的俯仰角，Isy为绕y轴的俯仰转动惯量，θ为绕x轴的侧倾角，Isx为绕x轴的侧倾转动惯量。
车身质心的垂直运动方程为：
车身俯仰运动方程为：
车身侧倾运动方程为：
四个车轮质量的垂直运动方程为：
其中：
Fcuf1＝Kuf1×If1 (14)
Fcuf2＝Kuf2×If2 (15)
Fcur1＝Kur1×Ir1 (16)
Fcur2＝Kur2×Ir2 (17)
设四个悬架挠度分别为：
zswf1＝zsf1-zwf1 (18)
zswf2＝zsf2-zwf2 (19)
zswr1＝zsr1-zwr1 (20)
zswr2＝zsr2-zwr2 (21)
设四个轮胎动变形分别为：
zqwf1＝qf1-zwf1 (22)
zqwf2＝qf2-zwf2 (23)
zqwr1＝qr1-zwr1 (24)
zqwr2＝qr2-zwr2 (25)
机电主动悬架状态空间表达式为：
其中，状态变量为：
输入变量为：
UA＝[If1 If2 Ir1 Ir2 qf1 qf2 qr1 qr2]T (28)
输出变量为：
步骤2：以四个轮子所接收的路面激励为七自由度模型的输入，并由七自由度模型得到一个周期内车身垂向加速度的RMS值，并判断车身垂向加速度/>的RMS值是否超过所设定的阈值，若超过，则表示四轮车的平顺性较差，并执行步骤4，否则，表示四轮车的平顺性较好，并执行步骤3；
步骤3：根据四轮车的垂向加速度与路面激励速度得到关于频率与四轮车的加速度功率谱密度图像；若四轮车的功率谱密度图像中的垂向加速度功率谱密度取得最大值时所对应的频率属于人体敏感频率范围，则表示四轮车的平顺性较差，并执行步骤4，否则，表示四轮车的平顺性较好；
步骤4：搭建PID控制器，输入分别为：(1)四轮车的车身垂向加速度RMS值与设定的加速度阈值的误差；(2)四轮车的加速度功率谱密度图像中车身加速度功率谱密度最大值对应的频率与人体敏感频率范围的差值；PID控制器输出为：整个悬架系统的各机电执行器输出转动力矩；通过PID控制器调整机电执行器的输出力矩，从而改善四轮车的平顺性。
Claims (4)
1.一种车辆悬架系统性能的自动化测试平台，其特征在于，包括：硬件系统、信号采集系统(5)、机电执行器控制器(2)、数据存储与处理器(4)、电动控制系统；
所述硬件系统包括：摇臂式机电悬架(8)与激励输出子系统；
所述摇臂式机电悬架(8)包括：平衡肘(802)、连杆(803)、摇臂(804)、机电执行器(806)、负重轮(805)以及浮动墙(801)；
平衡肘(802)由一根扭杆弹簧制成，其一端铆接于浮动墙(801)上，另一端通过负重轮(805)与连杆(803)的一端铰接；所述负重轮(805)的转动中心在平衡肘(802)与连杆(803)的铰接处；所述连杆(803)的另一端与摇臂(804)铰接形成转动副，所述摇臂(804)同时与机电执行器(806)固结，所述机电执行器(806)也固结于浮动墙(801)；
所述信号采集系统(5)包括：加速度传感器(1)、可控电流电压源(3)、位移传感器(6)与信号调理单元；
所述激励输出子系统为一模拟路面输入的激振台(7)，用于产生不同频率与振幅的正弦激励、多级随机路面激励，并作用在所述负重轮(805)上，使其产生垂向的运动，并引起扭杆弹簧的弹性变形及各个杆件之间的相对运动与浮动墙(801)的垂向运动；
所述加速度传感器(1)和位移传感器(6)分别实时采集浮动墙(801)的加速度信号和激振台(7)输出的位移信号并传递给信号调理单元，并由所述信号调理单元转换为离散数据后传递给数据存储与处理系统；
所述数据存储与处理器(4)将接收的加速度信号和位移信号的离散数据进行存储，并根据位移信号的离散数据得到激振台(7)的路面激励速度，用于评价所述摇臂式机电悬架(8)的性能；
所述机电执行器控制器(2)根据性能评价结果，输出可变的电压、电流来控制所述机电执行器(806)的输出力矩，从而由所述机电执行器(806)产生转动力矩并带动所述摇臂(804)旋转，以改善所述摇臂式机电悬架(8)的性能。
2.如权利要求1所述车辆悬架系统性能的自动化测试平台，其特征在于，所述负重轮(805)接收多工况路面随机输入，负重轮(805)的垂向运动带动所述机电执行器(806)的转子产生转动，当所述机电执行器(806)处于馈能状态时，所述机电执行器(806)作为发电机，并将所述负重轮(805)接收到的路面振动能量转化为电能，从完成振动能量的回收。
3.如权利要求书1所述车辆悬架系统性能的自动化测试平台，其特征在于，将所述摇臂式机电悬架(8)装配在四轮车上，并按如下过程进行性能测试：
步骤1：建立四轮车的七自由度模型，其中，悬架系统为摇臂式机电悬架(8)，悬架主动力发生器为机电执行器(806)；
步骤2：以四个轮子所接收的路面激励为所述七自由度模型的输入，并由七自由度模型得到一个周期内车身垂向加速度的RMS值，并判断车身垂向加速度/>的RMS值是否超过所设定的阈值，若超过，则表示四轮车的平顺性较差，并执行步骤4，否则，表示四轮车的平顺性较好，并执行步骤3；
步骤3：根据四轮车的垂向加速度与路面激励速度得到关于频率与四轮车的加速度功率谱密度图像；若所述四轮车的功率谱密度图像中的垂向加速度功率谱密度取得最大值时所对应的频率属于人体敏感频率范围，则表示所述四轮车的平顺性较差，并执行步骤4，否则，表示所述四轮车的平顺性较好；
步骤4：搭建PID控制器，令所述PID控制器的输入包括：四轮车的车身垂向加速度RMS值与设定的加速度阈值的误差、四轮车的加速度功率谱密度图像中车身加速度功率谱密度最大值对应的频率与人体敏感频率范围的差值；令PID控制器输出为：整个悬架系统的各机电执行器输出转动力矩；从而利用PID控制器调整机电执行器的输出力矩，以改善所述四轮车的平顺性。
4.一种车辆悬架系统性能的自动化测试方法，其特征是，应用于权利要求1所述的车辆悬架系统性能的自动化测试平台中，并按如下步骤进行：
步骤1：所述激振台(7)在当前周期内输出正弦激励、脉冲激励以及随机路面激励给所述负重轮(805)，使得所述负重轮(805)处于多工况随机输入；
步骤2：所述加速度传感器(1)采集所述浮动墙(801)在当前周期内的加速度信号；同时，所述位移传感器(6)采集激振台(7)在当前周期内输出的位移信号，并得到路面激励速度/>；
步骤3：所述数据存储与处理器(4)根据当前周期内加速度计算所述浮动墙(801)的垂向加速度RMS值，并判断垂向加速度RMS值是否超过所设定的加速度阈值，若超过，则表示所述摇臂式机电悬架(8)平顺性较差，并执行步骤6，否则，表示所述摇臂式机电悬架(8)平顺性较好，并执行步骤4；
步骤4：所述数据存储与处理器(4)根据路面激励速度计算激励速度RMS值，并根据垂向加速度RMS值和路面激励速度RMS值得到车身加速度均方根值谱，从而生成关于频率与加速度的功率谱密度图像；
步骤5：若功率谱密度图像中的加速度功率谱密度取得最大值时所对应的频率属于人体敏感频率范围，则表示所述摇臂式机电悬架(8)平顺性较差，并执行步骤6，否则，表示所述摇臂式机电悬架(8)平顺性较好；
步骤6：搭建PID控制器，令所述PID控制器的输入包括：所述浮动墙(801)的垂向加速度RMS值与设定的加速度阈值的误差、所述加速度功率谱密度最大值时所对应的频率与人体敏感频率范围的差值；所述PID控制器的输出为：机电执行器(806)的转动力矩，从而利用所述PID控制器调整机电执行器(806)的输出力矩，以改善所述摇臂式机电悬架(8)的性能。
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