基于横摆角速度响应特性的汽车振动性能分析

基于横摆角速度响应特性的汽车振动性能分析包凡彪北京理工大学珠海学院，广东519085【摘要】汽车横摆角速度是衡量汽车稳定性的一个重要指标。文章建立了汽车双质量振动系统的数学模型，结合汽车的悬架分析，应用控制系统的时域分析和频域分析方法，综合分析研究了横摆角速度对汽车振动性能的影响规律。【ABSTRACT】VEHICLEYAWRATEISANIMPORTANTMEASUREINDEXOFVEHICLESTABILITYINTHISPAPER，ATWOMASSVIBRATIONSYSTEMMATHEMATICALMODELOFVEHICLEISESTABLISHEDCOMBINEDWITHTHECARSSUSPENSIONANALYSIS，APPLICATIONCONTROLSYSTEMINTIMEDOMAINANALYSISANDEQUENCYDOMAINANALYSIS，THEPAPERHASCOMPREHENSIVEANALYSISEDOFTHEYAWRATEOFVEHICLEVIBRATIONCHARACTERISTICS【关键词】动力学横摆角速度振动特性汽车DOI103969JISSN10074554201211060引言汽车由复杂的多自由度“质量一刚度一阻尼”振动系统组成，它包含多个具有固有振动特性的振动子系统，主要包括车身的垂直振动、纵向角振动和侧倾振动、发动机曲轴的扭转振动、传动系统轴系和不平衡的振动、轮胎不平衡的振动等，振动子系统之间还存在一定程度的振动耦合，当这些激励源产生的振动频率接近或一致时，就有可能导致汽车产生共振，对整车振动性能产生影响。准确而实时地获取汽车行驶过程中的状态信息和振动特性是汽车电子控制系统研究的关键问题，也是实现闭环反馈控制的前提和必要条件。汽车行驶时前轮在一定工况下会发生绕主销摆振的现象，会影响汽车的行驶稳定性和操纵性，同时也会加剧轮胎和转向系统零部件的磨损，摆振达到一定程度时还会影响汽车的平顺性。收稿日期20120716上海汽车2012111车辆车身车轮双质量振动系统的振动分析汽车在行驶中的振动激励源主要是路面不平度激励和动力传动总成产生的激励。路面不平度激励是引起汽车行驶振动的主要激振源。图1是分析车身车轮振动的双质量系统模型，基于双轴汽车的四自由度振动模型，它由车身M、车轮M和弹簧刚度、车轮刚度系度、减振器阻尼系数C的悬架组成。Q是输入的路面不平度函数。车轮与车身垂直位移坐标为Z。、Z，坐标原点选在各自的平衡位置。此系统具有车身的动态特性，对汽车平顺性和车轮的接地性有很大的影响，接近实际汽车的悬架情况。11悬架垂直刚度设计计算随着对汽车性能要求的日益提高，悬架的主要性能参数越来越趋向非线性化。在空气弹簧的23_J曰口_J曰J口图1车身和车轮两个自由度振动系统设计计算中，有效面积A是其主要参数，A竹尺，因此弹簧上所受的载荷F为FAP,RRRP，式中，P为空气弹簧的内压力。空气弹簧轴向刚度的精确计算难以用解析法处理，只能用图解法。下面是空气弹簧轴向风度的一般近似计算式42JIMPP。7APA1R式中，M为多变指数，其值的大小决定于空气变化过程的流动速度。对于等温过程，即热交换充分，温度保持不变时，M1。对于绝热过程，M14，一般实际情况时，10时，进一步简化为0，艿OI606000J当T0时，进一步简化为，2CJOO2，BO6O7这是二阶常系数非齐次微分方程，其通解等于一个特解与对应的齐次微分方程的通解之和。22振动系统的控制模型分析根据汽车运动模型可得M2Z2CZ2一Z1KZ2一Z10MLZCZ1一Z2KZLZ2KZ1一Q0化简系统Z2M2SCSKZ1CSKZ1M2LSCSKKTZ2CSKKTQZ2半M2SCSK术M2S2CSKKTCSK一CSKKTQ_GSKTCSKM2SCSK半M2SCSKKT一CSK系统传递函数特征方程如下GSMLM2S4MLM2CSM2LKM2KTKML、SKTLCSKKT根据四阶系统的特点，求出，S3，S2，S1，S0，前面的系数通过MATLAB画出波形图在MATLAB输入GFFKTC，KTK，S4，S3，S2，SL，S0前系数。然后输入BODEG3仿真结果分析选择某车型实例进行双自由度的平顺性仿真分析。表1为车型的主要参数。表1车型主要参数最大功率整备质量KG，145811OO5700KWRMIN质心至前轴轴距LM27【X】1488距离AM质心至后轴1217前轮总侧偏距离BM刚度KLN。一48956后轮总侧偏刚度K2N。一85434上海汽车20121131横摆角速度时间响应特性分析横摆角速度是指汽车绕垂直轴的偏转，该偏转的大小代表汽车的稳定程度。将各已知量代入，并取30MS，得到横摆角速度时域响应曲线车速U108KMH，如图2所示。圭援|图2横摆角速度时域响应特性分析转向盘角阶跃输入下的瞬态响应特征参数主要包括横摆角速度波动的固有频率、阻尼比、反应时间、达到第一峰值的时间。由图分析可知，横摆角速度时域响应峰值出现在331S，峰值为151。S，系统的超调量为255，在30以内，符合系统一般要求。稳态时间大约在833S处出现。32横摆角速度频率响应特性分析幅频特性反映了驾驶员以不同的输入频率输入情况下，汽车驾驶员指令的效度情况。频率特性曲线响应分为低频段、中频段和高频段3个区域。在低频段区域幅频特性接近一条水平线，随后幅值随着频率上升。频率特性曲线低频段幅值LCDB，相位0女图3。在中频段，反映了系统的稳定性，会出现谐振峰值而达到谐振频率OT，此时系统处于共振状态。此区域反映了系统的动态特性。频率再升高，幅值将减小，高频段表示了系统的抗干扰能力。25之I010。L0010。1010频率RS图3横摆角速度频域响应特性分析相频特性反映了横摆角速度滞后于转向盘转角的失真程度。为了保证汽车的操纵稳定性，需要幅频特性能平缓些，谐振频率较大，频带宽增大，来保证汽车不同工况下失真较小。为了保证汽车具有角速度频率特性的主要参数可以表征汽车的操纵稳定性能。横摆角速度频率响应特性包括稳态增益、谐振峰频率、共振时振幅比、相位滞后角。1初始幅值比，此时频率为零，即为稳态增益；2谐振峰值MR，谐振频率MR，谐振频率越大，操纵稳定性越好；3共振时的幅值比，要求较小；4低频段的相位滞后角，可取频率为01HZ和06HZ进行计算，表征不同速度转动转向盘时响应的快慢，要求其值较小。由图3可得，汽车的谐振频率为0825HZ，其幅值增加为139DB相位滞后角为268。33不同车速的对比分析分别取U30KMH、60KMH、120KMH，作WRWRO的曲线，不同车速情况下的横摆角速度响应曲线如图4。综合不同速度分析计算出系统的阻尼系数，当M30KMH时，0837；当“60KMH时，0692；当120KMH时，0537。从图可看出，阻尼比越大，横摆角速度衰减越快，汽车的操作稳定性越好。但是反应的速度会下降，因此在合适的速度下才能保证汽车的良好操纵性能的同时又有较好的响应速度。26图4不同车速横摆角速度响应对比4结语根据上述的车辆简化模型，运用MATLAB语言编程，可以将各平顺性分析量对车身质量和对路面的输入速度的幅频特性曲线绘制出来，由这些幅频特性曲线可分析悬架性能和操纵性能。对于车身车轮二自由度的振系，当激振频率接近两阶固有频率和时，都会产生共振，车身位移和车轮位移的幅频特性都有高频和低频两共振峰。符合理论计算结果，所以该方法可以方便地进行汽车多自由度模型的仿真。参考文献1余志生汽车理论第5版；M北京机械工业出版社，20092宋健导向轮轮胎和定位参数对汽车摆振影响的研究及整车横向动力学优化分析D北京清华大学，198978833刘刚，程勉宏，王文竹基于ADAMS的汽车主动悬架控制策略与仿真研究J沈阳航空工业院