在Simulink环境中对空气弹簧进行建模

悬架系统设计始终是车辆设计中的一个巨大挑战，在设计过程中需要面对各种系统参数、考虑复杂的设计目标。在大范围的工况下，悬架设计中的问题广泛受到不同路面、车速与轮胎载荷的影响[1]，所以设计者对于悬架参数通常需要做各种权衡：通常来讲，为了整车操稳性与安全性，要求一套相对硬朗的悬架;而考虑到舒适性，又需要将悬架刚度与阻尼设置相对较小。对于电动汽车而言，这方面的挑战更为严峻。

如今一共有三种类型的悬架系统：被动悬架、半主动悬架与主动悬架。每种悬架类型都存在各自的优势与劣势。被动悬架为了考虑满足较大频率带宽的使用需求，需要在设计时做出各种妥协[2];半主动悬架的劣势在于悬架的运动只能在一个方向进行控制：即减震器伸长的反方向[3];而主动悬架的局限性在于较高的复杂度与较大的能量消耗。

使用空气弹簧的悬架系统即可克服上述短板，并且相对传统的机械弹簧，自身还有一些独特的优势：通过改变空气弹簧内的气压即可迅速改变弹簧的刚度，因此也更容易应用于机电系统中。同时相对传统的机械弹簧，相同质量下，空气弹簧的储能容量也远高于钢制弹簧，通过这一特性，将空气弹簧应用于振动隔离系统可以达到使用钢制弹簧时十分之一的频率[4]，于是便很好地应用于低需要频振动隔离的系统中[5]。”

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

VI-CarRealTime是VI-grade旗下的高精度实时车辆动力学仿真软件，为了将空气弹簧加入VI-CarRealTime车辆模型的仿真中，满足用户对于搭载空气弹簧车辆的虚拟仿真和基于驾驶模拟器进行虚拟调校的需求，VI-grade技术团队参考上述论文，在Simulink环境中对空气弹簧进行了建模，具有如下特点：

1)基于物理结构进行建模，并充分考虑滞回特性

该空气弹簧悬架系统如模型下图所示，包含下列零部件参数：

Reservoir 储气罐

Surge pipe and valve 缓冲管与控制阀

Bag 气囊

环境与模型各部件均包含完整的参数：环境参数(大气压、气温)、气囊参数(截面积、接触面积等)、储气罐与缓冲管参数(容积、压力等)等

空气弹簧的滞回特性对车辆的动态仿真至关重要，所以该模型充分考虑了容积阻尼、容积损失产生的滞回特性影响。

该模型中的参数均具有相对应的物理结构、力学、热力学定义，因此用户可以输入空气弹簧的参数，进行正向建模，预测空气弹簧的不同设计带来的外特性变化。这一方式非常适合于空气弹簧供应商和汽车主机厂进行虚拟开发和虚拟调校工作。

2)实测数据进行拟合、不同工况下准确模拟

除了基于空气弹簧的参数进行正向建模之外，在没有相关参数时，用户也可以通过测量实际空气弹簧的力学特性数据(测量F-X曲线)，对空气弹簧模型进行数据拟合，从而得到模型修改参数。数据拟合流程如下：

气压与受力图像的回归化

多向性系数估计

气囊截面积估算

接触面积估算

体积损失参数的调整

通过对比测量数据与拟合模型的仿真数据，可以看出拟合达到了较好的精度，图示为不同预载和不同车辆离地高度下，空气弹簧行程与气囊气压图像的实测与仿真对比：

3)支持VI-CarRealTime联合仿真，实现虚拟调校

将空气弹簧模块应用VI-CarRealTime车辆模型，可以基于Simulink环境运行联合仿真，用户只需要通过车辆模型s-function中的输入通道禁用车辆模型内置的弹簧模型，用空气弹簧模块进行取代。该方法同样适用于CDC阻尼器的联合仿真。

用户还可以使用Solver Plugin功能，将模型从Simulink进行自动导出，把空气弹簧作为附加子系统添加到VI-CarRealTime车辆模型中，从而实现脱离Simulink仿真环境，在VI-CarRealTime进行空气弹簧参数调整，提高仿真效率。下图为使用默认弹簧(绿)，空气弹簧联合仿真(蓝)和Solver Plugin模型(绿)进行的颠簸路面仿真结果(两个使用空气弹簧的模型使用了不同调校)。

4)支持实时仿真，应用于驾驶模拟器环境

该模块可以通过SimWorkBench ML Toolkit，下载到ConCurrent实时仿真环境，通过SimulationWorkbench配置新的Test测试样例，加入空气弹簧模型和VI-CarRealTime等实时仿真动力学模型运行联合仿真，以1ms仿真步长运行在高精度的实时仿真系统中。通过VI-grade的动态驾驶模拟器，对车辆的平顺性进行主观评价，真正实现不依赖物理样车和物理样件，进行虚拟调校和虚拟验收工作。

目前该模型可作为额外的增强插件提供客户，同时VI-grade也能够根据客户要求，对空气弹簧、主动阻尼器、主动横向稳定杆、四轮转向、EPS、线控转向、线控制动、扭矩控制等主动控制部件的提供建模、分析、优化等工程服务。

原文标题：VI-grade的空气弹簧物理模型，并可与VI-CarRealTime联合仿真

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　　审核编辑：汤梓红