一种悬架连杆位置以及衬套方向的计算方法及系统与流程

1.本发明涉及一种车辆部件位置的计算方法和系统，更具体地说，涉及一种悬架连杆位置以及衬套方向的计算方法及系统。


背景技术：

2.随着时代的发展，近年来对汽车的要求是乘坐舒适，操纵稳定，随着这些问题的研究，汽车上使用的悬架连杆设计与弹性元件种类逐渐增加。汽车底盘悬架系统的连杆方向与导向装置中所用的衬套方向，作为导向装置中控制臂或者杆系与车身连接的铰接点，以其隔震性、弹性及减振性等特点，成为悬架系统中不可缺少的重要部件。
3.目前连杆方向的定义技术是经过大量迭代或敏感性分析来最终定义最优的设计状态。衬套方面主要技术分支为液压衬套，液压衬套是指相对较于橡胶衬套，在橡胶内部封装了一部分液体，用处和橡胶衬套一样，主要用在杆件连接处如车辆悬架的横臂与车架相连的部分，液压衬套能在系统固有频率范围内获得较高的阻尼，同时内部阻尼的频率特性高于这些范围，除此之外，可以有效提升耐久性。
4.作为现有技术的一种实施方式，其大致通过以下的步骤来优化悬架与副车架的零部件结构：一、根据悬架、副车架的铰接点载荷，通过分段线性模型、欧拉角、坐标系变换等方法，分别计算不考虑衬套的悬架与副车架各铰接点的载荷，以及考虑衬套非线性的悬架与副车架各铰接点的载荷；二、将前述步骤中得到的不考虑衬套的悬架与副车架各铰接点载荷作为迭代的初始解，再利用迭代公式求解各衬套的预位移；三、将前述步骤中得到的不考虑衬套的悬架与副车架各铰接点载荷，以及上一步骤中求得的预位移大小，利用迭代公式求解悬架与副车架各铰接点载荷的数值解；四、将上一步骤中得到的各铰接点载荷的数值解作为悬架与副车架零部件强度分析的载荷边界条件，进而对零部件进行修改及优化设计。
5.通过上述步骤可见，目前连杆方向的定义技术需要经过大量迭代或敏感性分析，而这些迭代或敏感性分析需要消耗大量的算力，并且这样的方法非常繁琐和不便。因此，现有技术的缺陷在于未能系统性、有效地考虑悬架自身的跳动轨迹，仅仅根据布置的便利性、经验、以及大量手动迭代来布置连杆与衬套的方向。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的悬架连杆方向和衬套位置的定义繁琐的问题，本发明提供一种悬架连杆位置以及衬套方向的计算方法及系统，至少能简化悬架连杆和衬套位置定义的复杂度。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种悬架连杆位置以及衬套方向的计算方法，包括：预设悬架和车轮的瞬时侧倾
中心以及瞬时纵倾中心；预设悬架连杆的内点坐标和悬架连杆的长度；预设悬架连杆与水平面的夹角；根据悬架连杆的内点坐标、瞬时侧倾中心、瞬时纵倾中心构建第一平面；根据水平面的垂直向量和悬架连杆的方向向量构建第二平面；计算第一平面与第二平面的交线，并将交线作为悬架连杆的最优位置方向。
8.作为本发明的一种实施方式，还包括：计算悬架连杆的方向向量与第一平面的积向量，并将积向量作为衬套的最优位置方向。
9.作为本发明的一种实施方式，悬架连杆的内点坐标为(x1,y1,z1)，瞬时侧倾中心为(x2,y2,z2)，瞬时纵倾中心为(x3,y3,z3)，悬架连杆长度为l，悬架连杆与水平面的夹角为α，则：悬架连杆的内点到瞬时侧倾中心的向量为(x
1-x2,y
1-y2,z
1-z2)；悬架连杆的内点到瞬时纵倾中心的向量(x
1-x3,y
1-y3,z
1-z3)为；第一平面的向量(vx1,vy1,vz1)为：((y
1-y2)
*
(z
1-z3)-(z
1-z2)
*
(y
1-y3),(x
1-x2)
*
(z
1-z3)-(z
1-z2)
*
(x
1-x3),(x
1-x2)
*
(y
1-y3)-(y
1-y2)
*
(x
1-x3))。
10.作为本发明的一种实施方式，悬架连杆在水平面xy下的方向向量为(sinα,cosα,0)；水平面的垂直向量为(0,0,1)；则第二平面的向量(vx2,vy2,vz2)为(cosα,-sinα,0)。
11.作为本发明的一种实施方式，第一平面与第二平面的交线(vx3,vy3,vz3)为：(vy
1*
vz
2-vz
1*
vy2,vx
1*
vz
2-vz
1*
vx2,vx
1*
vy
2-vy
1*
vx2)。
12.作为本发明的一种实施方式，悬架连杆的外点坐标(x0,y0,z0)为：(x1 l
*
vx3,y1 l
*
vy3,z1 l
*
vz3)。
13.作为本发明的一种实施方式，衬套设置于悬架连杆的内点位置。
14.作为本发明的一种实施方式，衬套的轴向方向向量(vx4,vy4,vz4)为：(vy
1*
vz
3-vz
1*
vy3,vx
1*
vz
3-vz
1*
vx3,vx
1*
vy
3-vy
1*
vx3)。
15.作为本发明的一种实施方式，衬套的轴向方向点的坐标为：(x0 l
1*
vx4,y0 l
1*
vy4,z0 l
1*
vz4)。
16.为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：一种计算悬架连杆位置以及衬套方向的系统，该系统执行本发明的方法。
17.在上述技术方案中，本发明能够避免迭代或敏感性分析等复杂的方法来计算悬架连杆和衬套的最优位置、方向，并且提供一种通过直接计算来确定悬架连杆和衬套的方式。
附图说明
18.图1是车辆所在位置的x轴、y轴、z轴定义的示意图；图2是瞬时侧倾中心的示意图；图3是瞬时纵倾中心的示意图；图4是本发明方法的坐标示意图；图5是本发明方法的流程图。
19.图中：11-车轮，12-悬架连杆，13-衬套，14-瞬时侧倾中心，15-瞬时纵倾中心，16-悬架连杆的内点，17-悬架连杆的外点。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例，对本发明实施例中的技术方案进一步作清楚、完整地描
述。显然，所描述的实施例用来作为解释本发明技术方案之用，并非意味着已经穷举了本发明所有的实施方式。
21.所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
22.参照图1，本发明首先将车辆所在的立体空间定义为xyz空间，其中x轴为车头朝向的方向，其定义了车辆的前后方向，y轴为车门朝向的方向，其定义了车辆的左右方向，z轴为车顶朝向的方向，其定义了车辆的上下方向。
23.如图1所示，在xyz空间中，xy平面为从上往下俯视的平面，即车辆所在的、与地面平行的水平面，xz平面为从左往右侧视的平面，即可以看到车门、车轮11方向的平面，yz平面为从后往前侧视的平面，即可以看到车辆尾部方向的平面。
24.本领域的技术人员可以理解，上述定义只是本发明用作说明之用，而并非本发明的限制。在本发明的其他实施方式中，本发明还可以对车辆所在空间做其他定义，均可以实现本发明的技术目的、达到本发明的技术效果。为便于说明，本发明后述的说明均以上述定义为参照。
25.参照图2和图3，车辆在行驶过程中存在侧倾和纵倾，图2示出了在xy平面下车辆侧倾的示意图，图3示出了在xz平面下车辆纵倾的示意图。
26.如图2所示，车辆在发生瞬时侧倾的情况下，其瞬时侧倾中心14位于车轮11的侧面位置，并且车辆的悬架连杆12会偏离车轮11的中心位置，且悬架连杆12与车轮11不再垂直。图2所示的箭头为车轮11的滚动方向，即车辆的前进方向。当车辆侧倾发生时，悬架连杆12的位置发生偏移，与其初始位置呈现一定的夹角。此外，由于悬架连杆12发生了偏移，安装在悬架连杆内点位置的衬套13的位置也相应跟随着发生偏移。
27.如图3所示，车辆在发生瞬时纵倾的情况下，其瞬时纵倾中心15位于车轮11侧面上方的位置，并且车辆的悬架连杆12会偏离车轮11的中心位置，且悬架连杆12的位置会高于车轮11的中心位置。图3所示的箭头为悬架连杆12的偏移方向，即在瞬时纵倾发生的情况下，悬架连杆12的位置平移到高于其初始位置。此外，由于悬架连杆12发生了偏移，安装在悬架连杆内点位置的衬套13的位置也相应跟随着发生偏移。
28.现有技术有采用球头(ball joint)来代替图2、图3所示衬套13的技术方案，球头通常也作为悬架中连接车架与车轴的装置。球头具有三个自由度，即可在连接点处可任意旋转，减小磨损。然而，球头的连接方式在受到不平路面冲击的时候，带给乘客的舒适性较差，因此球头在实际的产品应用过程中不能完全替代衬套13的作用。
29.如图2所示的xy平面下，衬套13的轴心方向的布置需与悬架连杆12方向垂直，而在如图3所示的xz平面下，衬套13的轴心方向需要与悬架连杆12方向平行布置。基于以上布置方式，衬套13在车轮11以及悬架连杆12上下跳动的过程中会围绕悬架连杆12的轴线旋转。与球头相比，设置在悬架连杆内点16位置的衬套13能够减小磨损、增加耐久性。
30.正因为球头不能代替衬套13的作用，因此本发明要在瞬时侧倾和瞬时纵倾发生的情况下计算悬架连杆12的最优位置，并进一步计算安装在悬架连杆内点位置处的衬套13的最优位置及方向。
31.参照图4和图5，本发明从悬架跳动原理的角度出发对悬架连杆12方向进行设计，
使得所有的悬架连杆12都能在预定的轨迹中移动，从而降低悬架连杆12之间过约束的影响。对于设置在悬架连杆内点16位置的衬套13(主要采用橡胶衬套)，本发明通过定义悬架连杆12与副车架之间衬套13的方向来尽量减小自身的摩擦，提升耐久与操稳性能。因此，本发明适用于任何悬架类型、悬架连杆与副车架、悬架连杆与转向节之间的衬套。
32.如图4和图5所示，本发明的方法主要包括以下的步骤。
33.步骤s1：预设悬架和车轮的瞬时侧倾中心14以及瞬时纵倾中心15。
34.本发明首先定义主视图(图4)下悬架和车轮11的瞬时侧倾中心14(即虚拟侧倾中心)，以及侧视图下悬架和车轮11的瞬时纵倾中心15(即虚拟纵倾中心)。在本发明中，瞬时侧倾中心14为主视图下车轮11以及悬架在上下跳动过程中的虚拟旋转中心，而瞬时纵倾中心15为侧视图下车轮11以及悬架在上下跳动过程中的虚拟旋转中心。
35.步骤s1首先定义瞬时侧倾中心14的坐标为：(x2,y2,z2)，而瞬时纵倾中心15的坐标为：(x3,y3,z3)。
36.步骤s2：预设悬架连杆内点16的坐标和悬架连杆12的长度。
37.在步骤s1的基础上，对于任意连杆，进一步定义悬架连杆12的长度及其内点16或外点17的坐标。
38.作为本发明的一种优选实施方式，该内点16或外点17的坐标可以是与轮心或者其他点的相对坐标。为了便于说明，本发明的步骤s2及其后续各个步骤以预设悬架连杆12的长度及其内点16坐标为例。然而，本领域的技术人员可以理解，这样的选择只是本发明众多实施方式之一，而并非本发明的限制。在本发明的其他实施例中，步骤s2及其后续各个步骤还可以预设悬架连杆12的长度及其外点17坐标，同样可以实现本发明的技术目的、达到本发明的技术效果。
39.在步骤s2中，定义悬架连杆内点16的坐标为：(x1,y1,z1)，且悬架连杆12的长度为l。如图4所示，悬架连杆12的长度l为悬架连杆内点16和悬架连杆外点17之间的距离。
40.步骤s3：预设悬架连杆12与水平面的夹角。
41.在步骤s1和s2的基础上，进一步定义悬架连杆12在xy平面(即俯视图)下的角度α，该角度α可以为悬架连杆12与x轴或者y轴的夹角。
42.本发明的步骤s1-s3先后定义了瞬时侧倾中心14、瞬时纵倾中心15、悬架连杆内点16的坐标、悬架连杆12的长度、以及悬架连杆12与水平面的夹角。与现有技术的其他计算方法相比，本发明的方法所要预设的坐标/参数数量明显较少。此外，这些坐标/参数分别对应了特定的物理意义，因此上述坐标/参数可以通过特定的测量方式获取，或者在预设了上述坐标/参数之后，这些坐标/参数能够对应在车辆行驶过程中的具体数据上。
43.步骤s4：根据悬架连杆内点16的坐标、瞬时侧倾中心14、瞬时纵倾中心15构建第一平面。
44.步骤s1、s2和s3定义了本发明后续步骤所涉及的基本参数，步骤s4在步骤s1-s3的基础上，以悬架连杆内点16、瞬时侧倾中心14、瞬时纵倾中心15构建第一平面(即图4所示的平面1)，使得在平面1内的任意一条线都可保证在主视图(图4)与侧视图(xz平面)下分别交于瞬时侧倾中心14与瞬时纵倾中心15。
45.平面1的计算方法如下：悬架连杆内点16到瞬时侧倾中心14的向量为：
(x
1-x2,y
1-y2,z
1-z2)悬架连杆内点16到瞬时纵倾中心15的向量为：(x
1-x3,y
1-y3,z
1-z3)根据上述两个向量，平面1的向量(vx1,vy1,vz1)可以表示为：((y
1-y2)
*
(z
1-z3)-(z
1-z2)
*
(y
1-y3),(x
1-x2)
*
(z
1-z3)-(z
1-z2)
*
(x
1-x3),(x
1-x2)
*
(y
1-y3)-(y
1-y2)
*
(x
1-x3))。
46.步骤s5：根据水平面的垂直向量和悬架连杆12的方向向量构建第二平面。
47.在步骤s4的基础上，步骤s5以xy平面(俯视图)下悬架连杆12的角度与垂向向量构建第二平面(即垂直平面2)。
48.悬架连杆12在xy平面下的方向向量可以表示为：(sinα,cosα,0)。
49.在本发明中，悬架连杆12在xy平面下的方向向量位于xy平面内，如图4所示有悬架连杆12的延长线，因此悬架连杆12在xy平面下的方向向量为悬架连杆12延长线方向在xy平面下的投影。
50.此外，垂直于水平面的垂向向量可以表示为：(0,0,1)。
51.以xy平面下悬架连杆12的方向向量建立垂向平面2，则平面2的向量(vx2,vy2,vz2)可以表示为：(cosα,-sinα,0)。
52.步骤s6：计算第一平面与第二平面的交线，并将该交线作为悬架连杆12的最优位置/方向在步骤s4和s5的基础上，步骤s6求出平面1与平面2的交线，该交线即为悬架连杆12最优的布置位置/方向。
53.第一平面(平面1)与第二平面(平面2)的交线(vx3,vy3,vz3)为：(vy
1*
vz
2-vz
1*
vy2,vx
1*
vz
2-vz
1*
vx2,vx
1*
vy
2-vy
1*
vx2)在此基础上，结合悬架连杆内点16的坐标，可以计算出悬架连杆外点17的坐标(x0,y0,z0)为：(x1 l
*
vx3,y1 l
*
vy3,z1 l
*
vz3)本领域的技术人员可以理解，上述步骤求解得到了至少一个悬架连杆12的最优布置方向，本领域的技术人员可以依照相同的方法来求解悬架上各个连杆的最优布置位置和/或方向。
54.步骤s7：计算悬架连杆12的方向向量与第一平面的积向量，并将该积向量作为衬套13的最优位置方向。
55.步骤s6求解得到了平面1和平面2的交线、以及悬架连杆外点17的坐标。步骤s7在此基础上，进一步求出悬架连杆12的方向向量与平面1的积向量，该积向量即为衬套13布置的最优方向，并以此类推其它衬套。
56.衬套13设置于悬架连杆内点16位置，衬套13的轴向方向向量(vx4,vy4,vz4)可以表示为：(vy
1*
vz
3-vz
1*
vy3,vx
1*
vz
3-vz
1*
vx3,vx
1*
vy
3-vy
1*
vx3)根据轴向方向向量(vx4,vy4,vz4)，进一步计算衬套13轴向的方向点坐标为：(x0 l
1*
vx4,y0 l
1*
vy4,z0 l
1*
vz4)注：上公式引入l1用来定义衬套13轴向点的坐标，该值可以为任意数字来表明方
向。
57.本发明的步骤s4-s7利用步骤s1-s3所预设的坐标/参数进行计算，从而获得悬架连杆和衬套的最优布置位置/方向。通过步骤s4-s7可见，本发明的计算方法不涉及迭代、敏感性分析、或者其他复杂的矩阵运算。由此可见，本发明的方法相较于现有技术而言，至少在计算复杂度上有明显的降低。
58.本发明的方法确保悬架连杆在预定的轨迹中不受过多约束的干扰下移动，并且衬套在悬架跳动过程中都工作在主轴线，有利于提升耐久性能。本发明解决了现有技术未完全考虑最优的衬套方向，从而加速衬套的损坏、极大地降低了衬套的使用寿命的缺陷。
59.根据本发明的又一方面，本发明还公开一种计算悬架连杆位置以及衬套方向的系统。
60.本发明的该系统可以是一种计算机程序产品，其中，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如以上各方法实施例中的方法的部分或全部步骤。
61.本发明的该系统可以是一种应用发布平台，其中，应用发布平台用于发布计算机程序产品，其中，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如以上各方法实施例中的方法的部分或全部步骤。
62.在本发明的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
63.本发明的各个系统、单元若以软件功能单元的形式实现时，可以存储在一个计算机可获取的存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案的部分或者全部，可以通过软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干请求用以使得一台或多台计算机设备(例如个人计算机、服务器或者网络设备等，具体可以是计算机设备中的处理器)执行本发明的各个实施例上述方法的部分或全部步骤。
64.本领域的技术人员可以理解，本发明所列举的各个实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，这些计算机程序可以集中或分布式地存储于一个或多个计算机装置中，例如存储于可读存储介质中。上述计算机装置包括只读存储器(read-only memory，rom)、随机存储器(random access memory,ram)、可编程只读存储器(programmable read-only memory,prom)、可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read only memory,eprom)、一次可编程只读存储器(one-time programmable read-only memory,otprom)、电子抹除式可复写只读存储器(electrically-erasable programmable read-only memory,eeprom)、只读光盘(compactdisc read-only memory,cd-rom)或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。
65.本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。