在Simulink環(huán)境中對(duì)空氣彈簧進(jìn)行建模

懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)始終是車輛設(shè)計(jì)中的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，在設(shè)計(jì)過程中需要面對(duì)各種系統(tǒng)參數(shù)、考慮復(fù)雜的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在大范圍的工況下，懸架設(shè)計(jì)中的問題廣泛受到不同路面、車速與輪胎載荷的影響[1]，所以設(shè)計(jì)者對(duì)于懸架參數(shù)通常需要做各種權(quán)衡：通常來講，為了整車操穩(wěn)性與安全性，要求一套相對(duì)硬朗的懸架;而考慮到舒適性，又需要將懸架剛度與阻尼設(shè)置相對(duì)較小。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，這方面的挑戰(zhàn)更為嚴(yán)峻。

如今一共有三種類型的懸架系統(tǒng)：被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架與主動(dòng)懸架。每種懸架類型都存在各自的優(yōu)勢與劣勢。被動(dòng)懸架為了考慮滿足較大頻率帶寬的使用需求，需要在設(shè)計(jì)時(shí)做出各種妥協(xié)[2];半主動(dòng)懸架的劣勢在于懸架的運(yùn)動(dòng)只能在一個(gè)方向進(jìn)行控制：即減震器伸長的反方向[3];而主動(dòng)懸架的局限性在于較高的復(fù)雜度與較大的能量消耗。

使用空氣彈簧的懸架系統(tǒng)即可克服上述短板，并且相對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械彈簧，自身還有一些獨(dú)特的優(yōu)勢：通過改變空氣彈簧內(nèi)的氣壓即可迅速改變彈簧的剛度，因此也更容易應(yīng)用于機(jī)電系統(tǒng)中。同時(shí)相對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械彈簧，相同質(zhì)量下，空氣彈簧的儲(chǔ)能容量也遠(yuǎn)高于鋼制彈簧，通過這一特性，將空氣彈簧應(yīng)用于振動(dòng)隔離系統(tǒng)可以達(dá)到使用鋼制彈簧時(shí)十分之一的頻率[4]，于是便很好地應(yīng)用于低需要頻振動(dòng)隔離的系統(tǒng)中[5]?！?/p>

——H. J. Abid,1 J. Chen, A. Nassar:Equivalent Air Spring Suspension Model for Quarter Passive Model of PassengerVehicles

VI-CarRealTime是VI-grade旗下的高精度實(shí)時(shí)車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，為了將空氣彈簧加入VI-CarRealTime車輛模型的仿真中，滿足用戶對(duì)于搭載空氣彈簧車輛的虛擬仿真和基于駕駛模擬器進(jìn)行虛擬調(diào)校的需求，VI-grade技術(shù)團(tuán)隊(duì)參考上述論文，在Simulink環(huán)境中對(duì)空氣彈簧進(jìn)行了建模，具有如下特點(diǎn)：

1)基于物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并充分考慮滯回特性

該空氣彈簧懸架系統(tǒng)如模型下圖所示，包含下列零部件參數(shù)：

Reservoir 儲(chǔ)氣罐

Surge pipe and valve 緩沖管與控制閥

Bag 氣囊

環(huán)境與模型各部件均包含完整的參數(shù)：環(huán)境參數(shù)(大氣壓、氣溫)、氣囊參數(shù)(截面積、接觸面積等)、儲(chǔ)氣罐與緩沖管參數(shù)(容積、壓力等)等

空氣彈簧的滯回特性對(duì)車輛的動(dòng)態(tài)仿真至關(guān)重要，所以該模型充分考慮了容積阻尼、容積損失產(chǎn)生的滯回特性影響。

該模型中的參數(shù)均具有相對(duì)應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)、力學(xué)、熱力學(xué)定義，因此用戶可以輸入空氣彈簧的參數(shù)，進(jìn)行正向建模，預(yù)測空氣彈簧的不同設(shè)計(jì)帶來的外特性變化。這一方式非常適合于空氣彈簧供應(yīng)商和汽車主機(jī)廠進(jìn)行虛擬開發(fā)和虛擬調(diào)校工作。

2)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合、不同工況下準(zhǔn)確模擬

除了基于空氣彈簧的參數(shù)進(jìn)行正向建模之外，在沒有相關(guān)參數(shù)時(shí)，用戶也可以通過測量實(shí)際空氣彈簧的力學(xué)特性數(shù)據(jù)(測量F-X曲線)，對(duì)空氣彈簧模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，從而得到模型修改參數(shù)。數(shù)據(jù)擬合流程如下：

氣壓與受力圖像的回歸化

多向性系數(shù)估計(jì)

氣囊截面積估算

接觸面積估算

體積損失參數(shù)的調(diào)整

通過對(duì)比測量數(shù)據(jù)與擬合模型的仿真數(shù)據(jù)，可以看出擬合達(dá)到了較好的精度，圖示為不同預(yù)載和不同車輛離地高度下，空氣彈簧行程與氣囊氣壓圖像的實(shí)測與仿真對(duì)比：

3)支持VI-CarRealTime聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)校

將空氣彈簧模塊應(yīng)用VI-CarRealTime車輛模型，可以基于Simulink環(huán)境運(yùn)行聯(lián)合仿真，用戶只需要通過車輛模型s-function中的輸入通道禁用車輛模型內(nèi)置的彈簧模型，用空氣彈簧模塊進(jìn)行取代。該方法同樣適用于CDC阻尼器的聯(lián)合仿真。

用戶還可以使用Solver Plugin功能，將模型從Simulink進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)出，把空氣彈簧作為附加子系統(tǒng)添加到VI-CarRealTime車輛模型中，從而實(shí)現(xiàn)脫離Simulink仿真環(huán)境，在VI-CarRealTime進(jìn)行空氣彈簧參數(shù)調(diào)整，提高仿真效率。下圖為使用默認(rèn)彈簧(綠)，空氣彈簧聯(lián)合仿真(藍(lán))和Solver Plugin模型(綠)進(jìn)行的顛簸路面仿真結(jié)果(兩個(gè)使用空氣彈簧的模型使用了不同調(diào)校)。

4)支持實(shí)時(shí)仿真，應(yīng)用于駕駛模擬器環(huán)境

該模塊可以通過SimWorkBench ML Toolkit，下載到ConCurrent實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，通過SimulationWorkbench配置新的Test測試樣例，加入空氣彈簧模型和VI-CarRealTime等實(shí)時(shí)仿真動(dòng)力學(xué)模型運(yùn)行聯(lián)合仿真，以1ms仿真步長運(yùn)行在高精度的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中。通過VI-grade的動(dòng)態(tài)駕駛模擬器，對(duì)車輛的平順性進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，真正實(shí)現(xiàn)不依賴物理樣車和物理樣件，進(jìn)行虛擬調(diào)校和虛擬驗(yàn)收工作。

目前該模型可作為額外的增強(qiáng)插件提供客戶，同時(shí)VI-grade也能夠根據(jù)客戶要求，對(duì)空氣彈簧、主動(dòng)阻尼器、主動(dòng)橫向穩(wěn)定桿、四輪轉(zhuǎn)向、EPS、線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)、扭矩控制等主動(dòng)控制部件的提供建模、分析、優(yōu)化等工程服務(wù)。

原文標(biāo)題：VI-grade的空氣彈簧物理模型，并可與VI-CarRealTime聯(lián)合仿真

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審核編輯：湯梓紅