懸架系統設計始終是車輛設計中的一個巨大挑戰，在設計過程中需要面對各種系統參數、考慮復雜的設計目標。在大范圍的工況下，懸架設計中的問題廣泛受到不同路面、車速與輪胎載荷的影響[1]，所以設計者對于懸架參數通常需要做各種權衡：通常來講，為了整車操穩性與安全性，要求一套相對硬朗的懸架;而考慮到舒適性，又需要將懸架剛度與阻尼設置相對較小。對于電動汽車而言，這方面的挑戰更為嚴峻。

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

使用空氣彈簧的懸架系統即可克服上述短板，并且相對傳統的機械彈簧，自身還有一些獨特的優勢：通過改變空氣彈簧內的氣壓即可迅速改變彈簧的剛度，因此也更容易應用于機電系統中。同時相對傳統的機械彈簧，相同質量下，空氣彈簧的儲能容量也遠高于鋼制彈簧，通過這一特性，將空氣彈簧應用于振動隔離系統可以達到使用鋼制彈簧時十分之一的頻率[4]，于是便很好地應用于低需要頻振動隔離的系統中[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旗下的高精度實時車輛動力學仿真軟件，為了將空氣彈簧加入VI-CarRealTime車輛模型的仿真中，滿足用戶對于搭載空氣彈簧車輛的虛擬仿真和基于駕駛模擬器進行虛擬調校的需求，VI-grade技術團隊參考上述論文，在Simulink環境中對空氣彈簧進行了建模，具有如下特點：

1)基于物理結構進行建模，并充分考慮滯回特性

該空氣彈簧懸架系統如模型下圖所示，包含下列零部件參數：

Reservoir 儲氣罐

Surge pipe and valve 緩沖管與控制閥

Bag 氣囊

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

空氣彈簧的滯回特性對車輛的動態仿真至關重要，所以該模型充分考慮了容積阻尼、容積損失產生的滯回特性影響。

該模型中的參數均具有相對應的物理結構、力學、熱力學定義，因此用戶可以輸入空氣彈簧的參數，進行正向建模，預測空氣彈簧的不同設計帶來的外特性變化。這一方式非常適合于空氣彈簧供應商和汽車主機廠進行虛擬開發和虛擬調校工作。

2)實測數據進行擬合、不同工況下準確模擬

除了基于空氣彈簧的參數進行正向建模之外，在沒有相關參數時，用戶也可以通過測量實際空氣彈簧的力學特性數據(測量F-X曲線)，對空氣彈簧模型進行數據擬合，從而得到模型修改參數。數據擬合流程如下：

氣壓與受力圖像的回歸化

多向性系數估計

氣囊截面積估算

接觸面積估算

體積損失參數的調整

通過對比測量數據與擬合模型的仿真數據，可以看出擬合達到了較好的精度，圖示為不同預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測與仿真對比：

3)支持VI-CarRealTime聯合仿真，實現虛擬調校

將空氣彈簧模塊應用VI-CarRealTime車輛模型，可以基于Simulink環境運行聯合仿真，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置的彈簧模型，用空氣彈簧模塊進行取代。該方法同樣適用于CDC阻尼器的聯合仿真。

用戶還可以使用Solver Plugin功能，將模型從Simulink進行自動導出，把空氣彈簧作為附加子系統添加到VI-CarRealTime車輛模型中，從而實現脫離Simulink仿真環境，在VI-CarRealTime進行空氣彈簧參數調整，提高仿真效率。下圖為使用默認彈簧(綠)，空氣彈簧聯合仿真(藍)和Solver Plugin模型(綠)進行的顛簸路面仿真結果(兩個使用空氣彈簧的模型使用了不同調校)。

4)支持實時仿真，應用于駕駛模擬器環境

該模塊可以通過SimWorkBench ML Toolkit，下載到ConCurrent實時仿真環境，通過SimulationWorkbench配置新的Test測試樣例，加入空氣彈簧模型和VI-CarRealTime等實時仿真動力學模型運行聯合仿真，以1ms仿真步長運行在高精度的實時仿真系統中。通過VI-grade的動態駕駛模擬器，對車輛的平順性進行主觀評價，真正實現不依賴物理樣車和物理樣件，進行虛擬調校和虛擬驗收工作。

目前該模型可作為額外的增強插件提供客戶，同時VI-grade也能夠根據客戶要求，對空氣彈簧、主動阻尼器、主動橫向穩定桿、四輪轉向、EPS、線控轉向、線控制動、扭矩控制等主動控制部件的提供建模、分析、優化等工程服務。

原文標題：VI-grade的空氣彈簧物理模型，并可與VI-CarRealTime聯合仿真

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審核編輯：湯梓紅