车辆工程硕士论文-参数匹配及优化对某半挂牵引车平顺性的影响.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 参数匹配及优化对某半挂牵引车平顺性的影响 姓名：李瑾宁 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：陈杰;何力 20071001 摘 要 i 上海交通大学工程硕士学位论文 参数匹配及优化对某半挂牵引车平顺性的影响 摘 要 随着我国国民经济出现了持续快速的增长，半挂牵引车集装箱运输 逐渐成为大型物流业务的主导。作为汽车生产厂家，汽车的平顺性指标 已成为影响产品销售的重要因素。 本文针对某 4x2 半挂牵引车的平顺性较差的问题，应用了国内外的 一些研究成果，参照 iso2631-1:1997(e)人体承受全身振动评价 第一部分：一般要求的评价方法，通过分析对 4x2 半挂牵引车平顺性 影响的因素，不仅分析了单一因素对 4x2 半挂牵引车的平顺性的影响， 而且进行了多参数的耦合分析。同时采用仿真计算和试验验证的方法， 对某 4x2 半挂牵引车的平顺性进行了有效改善。 首先依照卡车的整车坐标系，利用 adams 软件建立了 2d 简化模 型，具有 6 自由度，分别为：车架垂直运动、车架俯仰转动、驾驶室绕 前铰点转动、座椅垂直运动、前轴垂直运动和后轴垂直运动。 模型建立后，分别对尺寸参数、质量参数、和刚度参数进行了标定。 其中对于质量参数，为了模型简化，将发动机、变速器、油箱、蓄电池 等总成零部件转化为点质量，并且对点质量的坐标位置重新计算后进行 了标定，标定后的模型轴荷分配与样车实际值比较接近；对于刚度参数， 摘 要 ii 上海交通大学工程硕士学位论文 根据对样车的底盘前悬架、后悬架、驾驶室后悬置以及司机座椅减振系 统的刚度进行了试验测定，并输入模型。 对于地面的激励，选择了采集车桥上的加速度的方法来越过车轮对 地面激励的传递影响，可以进一步简化计算模型，提高计算精度。 在模型标定完成后，首先进行了尺寸参数、刚度参数、阻尼系数参 数对平顺性的单一影响计算分析。 然后进行了参数变化的敏感度分析，得出结论：在样车允许变化的 范围内，轴距和前置距两个尺寸参数对平顺性的影响不大，对平顺性影 响敏感度最大的参数为底盘前悬架的刚度和后悬架的刚度，驾驶室后悬 置的刚度和座椅减振系统的刚度对平顺性的影响存在不同的趋势。 再然后进行各刚度参数耦合分析，发现 (1) 按驾驶室悬置和座椅减振刚度单一向好趋势， 平顺性计算结果单 调向好； (2) 按前后悬架刚度单一向好趋势，平顺性计算结果单调向好； (3) 按前悬架、 驾驶室悬置和座椅减振刚度单一向好趋势， 平顺性计 算结果单调向好； (4) 按四个刚度参数单一向好趋势，平顺性计算结果单调向好。 最后制定样车平顺性改善方案，并进行试验验证，总体来看，试验 结果与计算结果的变化趋势基本吻合，证明前面的分析正确。 最终样车的平顺性改善幅度为 15.3%。 摘 要 iii 上海交通大学工程硕士学位论文 通过对某 4x2 半挂牵引车利用参数匹配及优化对平顺性的分析，建 立了通用的 4x2 半挂牵引车的计算模型， 总结出影响 4x2 半挂牵引车平 顺性的主要因素，并在以下方面有所创新： (1) 采用同一路面按同一试验方法对比国内外同类车型平顺性指标 进行背靠背测定比对的方法确定平顺性目标，使平顺性的评价目标更直 观、清晰，并且易于操作； (2) 不仅分析研究了各参数对平顺性的单一影响， 同时对影响平顺性 的刚度参数进行了耦合分析，为进一步进行参数匹配和优化提供了理论 支持； (3) 由于商用车轮胎的特性参数较少， 不具备建模条件， 采用直接采 集车桥上的加速度的方法来越过车轮对地面激励的传递影响，简化了计 算模型，提高了计算精度。 本课题紧密结合企业工程实际问题， 具有较强的针对性和现实意义。 利用本文的计算方法和分析结论，不仅改善了现有产品的平顺性，同时 对全新平台产品的平顺性指标进行了有效控制，并接近欧洲同类车型的 先进水平。平顺性指标的提升进一步促进了产品销售，为公司带来了很 大的效益。 关键词关键词：平顺性，参数匹配，优化 abstract iv 上海交通大学工程硕士学位论文 a research on ride comfort of semi-tractor from parameter matching and optimization abstract according to the rapid development of china economy, the transportation by semi-tractor will be leading the mass logistics in china market. the comfort performance is going to be very important index to the sale of truck manufacturers. this paper is referred from iso2631-1:1997, mechanical vibration and shock evaluation of human exposure to whole-body vibration part 1: general requirements, analyses the parameters to impact comfort, both on the impact from single parameter alone and the parameters coupling effect. after the analyses, the comfort of some 4x2 semi-tractor has been improved through the simulations and test validations. first of all, a simplified 2d model with 6 freedom is been set up by adams. secondly, the parameters, such as dimensions, weight, stiffness, and damping, should be calibrated. to simplify the model, the big components such as engine, transmission, fuel tank, and so on, are abstract v 上海交通大学工程硕士学位论文 simplified dot masses, and meet the similar weight distribution between the two axles. the stiffness and damping value are from the bench test on the suspension components. to avoid the influence from the tyre, the acceleration on the axles are collected directly to take the place the impact from road. thirdly, after the calculations are focus on the comfort impact from single parameter alone, the sensitive analyses shows the result: the wheelbase and pin distance of the sample truck are less influence on comfort. the largest influence on comfort is from the front suspension stiffness and rear suspension stiffness, and cab suspension stiffness and chair suspension stiffness will get different trend of result. fourthly, the analyses on the stiffness parameters coupling effect shows the result: all the better trend by single parameter alone will lead better comfort. finally, according to the analyses result before, the improving draft is set up. after the test validation, the trend calculations and the test result is same, which proved the analyses. the comfort performance of sample truck is improved 15.3% finally. this paper is described some innovations: abstract vi 上海交通大学工程硕士学位论文 (1) the target of comfort targets is from the benchmark on the products from other competitors, and the evaluations are very directly and very easy to do; (2) the analyses are not only focus on the impact from single parameters alone, but also on the stiffness parameters coupling effect; (3) to avoid the influence from the tyre, the acceleration on the axles are collected directly to take the place the impact from road. so the model is simplified and the precision of calculation will be improved. the model and analyses method are explored to the new platform of semi-tractors. the comfort performance is under controlled before test validation by the simulations, and gets the level near the truck from europe. then, the sales of the products is boosting by the improvement of comfort performance. key wordkey word: ride comfort, parameter matching, optimization 符号说明 ix 上海交通大学工程硕士学位论文 符号说明 v a m/s/s 人体总加权加速度均方根值 wbdv _ mm 轴距变量 fxdv _ mm 鞍座前置距变量 h_ax mm/s/s 椅面 x 方向加权平均加速度 h_ay mm/s/s 椅面 y 方向加权平均加速度 h_az mm/s/s 椅面 z 方向加权平均加速度 b_ax mm/s/s 椅背 x 方向加权平均加速度 b_az mm/s/s 椅背 z 方向加权平均加速度 foot_az mm/s/s 脚部 z 方向加权平均加速度 payload_az mm/s/s 鞍座中心 z 方向加权平均加速度 stiff_frtsus n/mm 前悬架刚度 stiff_rearsus n/mm 后悬架刚度 stiff_cabsus n/mm 驾驶室后悬置刚度 stiff_chairsus n/mm 座椅减振刚度 damping_cab ns/mm 驾驶室后悬置阻尼系数 damping_chair ns/mm 座椅减振阻尼系数 damping_frt ns/mm 前悬架阻尼系数 damping_rear ns/mm 后悬架阻尼系数 上海交通大学工程硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：李瑾宁 日期： 2007 年 10 月 21 日 上海交通大学工程硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名：陈杰 李瑾宁 日期： 2007 年 10 月 21 日 日期： 2007 年 10 月 21 日 第一章 绪论 1 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 课题研究的工程需求和现实意义 近几年来，我国实施了积极的财政政策和稳健的货币政策，通过扩大内需，使 我国国民经济出现了持续快速的增长。 国家大型重点项目(如西部大开发、 西气东输、 西电东送、南水北调、北京奥运工程和上海世博会等)的实施，都加大了对重型载货 车的需求。此外，产业政策的调整、货运市场的整顿和政策法规的实施，都极大地 促进了我国重型载货车产品与市场的发展。 随着外国资本和技术的增多，我国重型载货车市场正在进入全面整合的关键时 期，我国重型载货车市场格局面临着重新洗牌的局面。这种竞争态势最终将极大地 推动我国重型载货车的技术升级、管理升级和产业升级，同时也会使重型载货车市 场逐步规范化和理性化，与此同时差异化会更加明显。 另外，我国公路货运事业日益发展，公路通车里程不断增加。目前，我国高速 公路己位居世界第二。 表 1-1 中国公路里程发展状况 年 度 1997 1998 199920002001200220032004 2005 公路里程 （万公里） 123 128 135 168 170 177 181 187 193 高速里程 （万公里） 0.48 0.87 1.161.631.942.513.1 3.42 4.1 根据交通部规划司各年度公路水路交通行业发展统计公报显示，如表 1-1，中 国公路里程在过去几年持续增长，发生了巨大变化，我国公路条件得到较大改善。 不仅如此，未来几年我国公路建设的数量和质量还将发生更大的变化，根据我国公 路建设规划，我国公路建设的未来目标是，国家高速公路网采用放射线与纵横网格 相结合布局方案，建成布局为“7918”的高速公路网，即 7 条射线、9 条纵线、18 条横线，预计 2020 年总里程将达到 8.5 万公里，同时建成村村通的公路网络。 第一章 绪论 2 上海交通大学工程硕士学位论文 与此同时，据交通部2005 年公路水路交通行业发展统计公报显示，公路货 运增势强劲。2005 年全社会完成公路货运量 134.18 亿吨，货物周转量 8693.19 亿 吨公里，分别比上年增加 9.68 亿吨和 852.33 亿吨公里，分别比 2000 年增加 30.30 亿吨和 2563.81 亿吨公里。公路货运量、货物周转量在综合运输体系中所占比重分 别为 72.3%和 10.9%。公路运输向集约化、集装箱化、专用化方向的逐步发展，更 是对重型载货车的发展起到了积极的带动作用。 2005 年全社会公路运输集装箱 2465 万 teu，货运量 27060 万吨，分别比上年增长 18.1%和 14.4%。纵观我国主要重型 载货车企业产品技术现状和近年来的市场发展特点，可以看出，用户对经济性、动 力性、安全性、舒适性和可靠性等综合技术性能的要求会更高；大吨位、大功率、 适于专业化运输的高端重型载货车，将是今后产品发展的主要方向，尤其是半挂牵 引车集装箱运输将逐渐成为大型物流业务的主导。 根据连续几年的市场调查结果，目前市场对半挂牵引车的舒适性要求呈现逐年 上升的趋势。国内几大主要重型卡车制造商都在整车平顺性方面开始加大投入，为 满足市场要求争取先机。 1.2 国内外研究现状 目前汽车行业内对平顺性的分析主要侧重于两个方面： 1.2.1 对汽车平顺性的分析 汽车车身振动系统包括车身的垂直振动、纵向角振动和侧倾振动、发动机振动、 座椅振动等。国内外对汽车车身振动特性的研究起步较早，在理论研究方面已取得 较大进展1，试验研究也较为成熟。目前对汽车车身振动特性的研究2，主要是针对 改善汽车的行驶平顺性而进行的，根据研究目的的不同，可将实际车辆系统进行不 同程度的简化，然后建立相应的模型，分析研究汽车车身振动特性。常见的振动分 析模型有三种：两自由度的四分之一车辆模型、平面五自由度的二分之一车辆模型、 三维整车模型。另外还有采用拓扑结构模型进行分析的3。 第一章 绪论 3 上海交通大学工程硕士学位论文 由一些分析方法4可知，车身上任一点垂直振动的谱密度5，不但取决于车速与 轴距，还取决于前、后端双质量系统参数的选取。合理选取前、后端双质量系统的 参数，避开敏感的振动频率范围；另外可以确定车身沿纵轴线任一点的垂直振动均 方根值与该点的位置关系，从而可以确定车身的最佳座位点；或依据所需的最佳座 位点的位置来确定前、后双质量系统的参数。 有研究6通过试验方法表明：的影响因素如驾驶员坐姿、驾驶员体重、座椅刚 度以及信号样本长度，对试验结果影响甚小。 目前汽车行业内对平顺性的分析主要通过仿真计算来进行。大部分分析都是通 过对汽车进行舒适性仿真7，找出底盘悬架系统、驾驶室悬置系统、发动机总成悬置 系统参数与整车平顺性之间动态关系，也有专门研究底盘悬架系统和座椅对平顺性 的影响8。由于目前客户越来越注重乘坐舒适性，对座椅的档次需求也越来越高，减 振座椅已经逐渐成为重型车辆的标准配置。因此本项目对底盘悬架系统、驾驶室悬 置系统、座椅系统、发动机总成悬置系统参数进行研究，探求对平顺性的影响。 1.2.2 地面激励的模拟和应用 有研究9建议采用下面的拟合公式来模拟各种路面的功率谱： )(/)()( 222 00 smfvnnsfs qq = (1-2) 式中：)( fsq路面不平度位移功率谱密度 f路面激励频率 v车速 0 n参考空间频率，)( 1 . 0 1 0 =mn )( 0 nsq路面不平度系数， 其数值大小 取决于路面等级。 有研究10利用 simulink 产生有限带宽白噪声的时域信号 )(tx。其功率谱密度 第一章 绪论 4 上海交通大学工程硕士学位论文 hzffs4 .10201)(= (1-2) 设另有一个平稳随机过程y的样本函数为)(ty，并假定 + =dthxthtxty)()()()()( (1-3) 式中，)(th为一确定性的实偶函数或是只有虚部的复数， 即只考虑)(tx与)(ty之 间的模的对应关系，而不考虑两者间的相位。 若)(tx、)(ty的功率谱密度分别为)(fsx和)( fsy，则必然满足 )()()( 2 fsfhfs xy = (1-4) 因1)(=fsx，故在只考虑数学上的意义时 )()(fsfh x = (1-5) 由于 2 )( f v cfs xpx = (1-6) 式中， xp c为与路面不平度有关的系数；v为车速。 可以推出 f vcfh xp 1 )(= (1-7) 在 adams 软件中，利用过程输入)(tx)2(fjh输出)(ty，即可得到时域 随机激励信号。 文献11研究了汽车通过小凹坑所激励的动力响应，并将汽车简化为单自由度系 统。 总之，上述这些方法一般根据 iso/tg108/sc2n67 标准和 gb7031-87 车辆振 动输入-路面平度表示方法的规定， 采用拟合表达式给出路面功率谱密度的频域输入； 然后采用伪白噪声法转化得到时域输入12。另外，也有采用时域脉冲输入的形式， 第一章 绪论 5 上海交通大学工程硕士学位论文 具有较单一的频率成分，是典型的输入形式，用于不同设计参数下车辆频率响应的 比较研究。 上述随机不平度路面输入形式虽然具有较丰富的频率成分22，能够更好地反映 实际车辆的频率响应特性，但是不可避免的是，路面输入对车辆的影响都必须通过 车轮传递给车身。而轮胎的动力学特性，目前较为普遍分析方法的是采用前人的经 验公式或参数曲线24。 但由于近几年国内对于轮胎的研究多倾向于轿车的高速轮胎， 对于由于重型车的轮胎研究较少。因此，对于重型卡车，轮胎对于整车平顺性的影 响目前鲜有倾向性意见。 对于仿真，目前比较广泛的做法是采用 adams 或 matlab12来建模计算。其 中 matlab 建立的模型较简单，但对自由度有限制，而且界面不够直观。adams 对多自由度的计算比较擅长，虽然建模略微复杂，但界面直观。本文最终决定采用 adams 软件进行建模计算。 1.3 本文的研究内容 为了适应国内商用车产品市场的需要，东风汽车有限公司近两年不断推出新的 重型汽车产品，尤其对半挂牵引车产品非常重视。某二轴半挂牵引车就是其中的代 表，并且一举夺得 2003 年度东风商用车公司半挂牵引车销量第一，并且在 2004 2005 年度继续延续产销两旺的局面。 某二轴半挂牵引车整车参数见表 1-2。 表 1-2 某二轴半挂牵引车整车主参数 驱动形式 4x2 gvw 16,000kg gcw 32,000kg 发动机功率 245ps 前桥 5t 后桥 12t 悬架系统 椭圆形钢板弹簧（多片簧） 车轮 11.00r20 第一章 绪论 6 上海交通大学工程硕士学位论文 然而，随着该车型的销售量上升，从市场上反映了一些问题。主要体现在该车 型在某些运输条件下的平顺性不好。与此同时，市场上也传回了一些其它 4x2 半挂 牵引车的平顺性问题。为了维护东风 4x2 半挂牵引车型的市场形象，进一步扩大市 场份额，东风汽车有限公司商用车研发中心决定对该车型的平顺性进行重新审核， 加以改善，以满足市场需要。 在重新研究样车平顺性改善之前，选取了与样车相近的国内外竞品车型，并进 行了背靠背的平顺性对比试验，具体试验结果见图 1-1。可见本文样车的平顺性表现 确实不佳。 1.100 1.350 2.300 1.715 2.006 2.229 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 av(m/s/s) 总乘坐值 av(m/s/s) 1.100 1.350 2.300 1.715 2.006 2.229 volvo fm12renault 350本文样车国内竞品1国内竞品2国内竞品3 图 1-1 样车与国内外车型平顺性指标对比 fig 1-1 comfort index compare between the sample and other trucks 经过对整车的各系统设计参数分析，一切都符合相关的设计规范，并没有发现 问题。后来车型部门发现，在东风现有的商用车整车开发中，底盘和车身是分别由 两个部门进行设计开发的，其中底盘部门负责前后悬架的设计，车身部门负责驾驶 室悬置和座椅的设计。由于两个部门各自按照自己的设计规范和设计经验进行设计 开发，虽然各自的设计规范和设计经验都是经过实际考验的，但是双方缺乏在参数 第一章 绪论 7 上海交通大学工程硕士学位论文 匹配上的统一考虑，所以在近两年开发的 4x2 半挂牵引车车型中出现了个别的平顺 性较差的问题。 在进行汽车平顺性设计时，由于缺乏专用设计工具，相关参数通常要经过经验 估参、样车试制和试验修正等几个过程才能最后确定，耗时多，费用大，给设计人 员带来诸多不便，因此本文还将模拟方法进行仿真分析，以期提高平顺性设计水平。 目前业内对平顺性的分析主要通过仿真计算来进行25。大部分分析都是通过对 汽车进行舒适性仿真28，找出底盘悬架系统、驾驶室悬置系统、发动机总成悬置系 统参数与整车平顺性之间动态关系，也有专门研究底盘悬架系统和座椅对平顺性的 影响。由于目前客户越来越注重乘坐舒适性，对座椅的档次需求也越来越高，减振 座椅已经逐渐成为重型车辆的标准配置。因此本项目对底盘悬架系统、驾驶室悬置 系统、座椅系统、发动机总成悬置系统参数进行研究，探求对平顺性的影响。 所以，要解决 4x2 半挂牵引车的平顺性问题，就要从参数的匹配和优化入手， 改变两个部门各自为战的局面，在产品定义阶段就对相关参数提出要求，协调两个 部门的设计开发工作，并且加强虚拟计算，提高对产品性能的预知能力，降低开发 成本和周期，最终达到控制平顺性的目的。 第二章 平顺性分析的理论基础和评价方法 8 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 平顺性分析的理论基础和评价方法 2.1 平顺性分析的理论基础 2.1.1 汽车平顺性的基本概念 路面车辆的振动环境实际上非常复杂，影响乘员舒适性的振动分量频率范围分 布也很宽。就车辆乘坐舒适性来说，通常是以噪声(noise)、振动(vibration)和高频噪 声(harshness)或称之为啸鸣，即 nvh 来描述。一般将车辆振动频率范围大致划分 如下13： 015hz，刚体运动； 15150hz，结构振动，板件共振； 150hz 以上，噪声及啸鸣。 平顺性主要指路面不平引起的汽车振动， 频率范围约为 0.580hz。 汽车的平顺 性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定 界限之内，因此平顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价，对于载货汽车还包 括保持货物完好的性能，平顺性也是现代高速汽车的主要性能之一。 汽车的平顺性可由图 2-1 所示的“路面汽车人”系统的框图来分析。 图 2-1 “路面汽车人”系统的框图 fig. 2-1 “road vehicle human” system 输入 路面不平度 车速 振动系统 弹性元件 阻尼元件 车身，车轮质量 输出 车身传至人体的加速度 悬架弹簧动挠度 车轮与路面之间的动载 评价指标 加权加速度均方根值 撞击悬架限位概率 行驶安全性 第二章 平顺性分析的理论基础和评价方法 9 上海交通大学工程硕士学位论文 研究平顺性的主要目的就是控制汽车振动系统的动态特性，使振动的“输出” 在给定工况的“输入”下不超过一定界限，以保持乘员的舒适性。对于载货汽车自 然对于保持货物的完好性能也不能忽视。 2.1.2 多自由度系统的动力响应问题 根据随机振动理论，在考虑车辆多自由度运动工况下，其运动方程可以写作如 的矩阵方程 )()()()(tftzktzctzm=+ & & (2-1) 式中 m、 c、 k分别为惯量矩阵、阻尼系数矩阵和刚度矩阵，它们都是nn 阶对称矩阵。 过去一般认为15，即使对于确定性激励，一个多自由度的阻尼系数系统，其一 般相应也是难以得到的。问题在于，经典的模型分析通常不能用来使方程解耦；一 般只是在比例阻尼系数，或者是把一般阻尼系数进行某些特定的简化处理之后，才 能使系统的特征矩阵 m、 c、 k同时对角化，从而使式转化为一组彼此独立的线 性方程组(解耦方程组)。 索性的是，随着近几年计算技术的迅猛发展，数学方程不仅不需要手工解算， 而且随着工程应用的大量需要，汽车行业内出现了很多关于多体动力学仿真的计算 软件，设计工程师不再需要花过多的精力在经典的模型分析上，而是借助于相关的 仿真计算软件，建立分析模型后进行解算，即可得到相关的结果。 2.2 平顺性的评价方法 机械振动对人体的影响，取决于振动的频率、强度、作用方向和持续时间，而 且每个人的心理与身体素质不同，故对振动的敏感程度有很大差异。 目前， 汽车行业对于汽车平顺性的评价多采用国际标准 iso2631-1:1997(e) 人 体承受全身振动评价第一部分：一般要求16。此标准对于评价长时间作用的 第二章 平顺性分析的理论基础和评价方法 10 上海交通大学工程硕士学位论文 随机振动和多输入点多轴向振动环境对人体的影响时，能与主观感觉更好地符合。 我国也对相应标准进行了修订，公布了 gb/t4970-1996汽车平顺性随机输入行驶 试验方法。 iso2631-1:1997(e)标准规定了图示人体坐姿受振模型。在进行舒适性评价时， 它除了考虑座椅支承面处输入点 3 个方向的线振动，还考虑 3 个方向的角振动，以 及座椅靠背和脚支承面两个输入点各 3 个方向的线振动， 共 3 个输入点 12 个轴向的 振动。 iso2631-1:1997(e)采用了基本的评价方法加权加速度均方根值来评价振 动对人体舒适和健康的影响。在实际的整车道路平顺性试验中，一般采用对记录的 加速度时间历程)(ta， 对记录的加速度时间历程( )a t进行频谱分析得到功率谱密度 函数( ) a gf，按式 2-3 计算 1 80 2 2 0.5 ( )( ) wa awf gf df = (2-3) 频率加权函数)( fw可用以下公式表示，式中频率f的单位为 hz。 = )805 .12(/5 .12 )5 .124(1 )42(4/ )25 . 0(5 . 0 )( ff f ff f fwk = )802(/2 )25 . 0(1 )( ff f fwd 1(0.58) ( ) 8/(880) c f wf ff = 1(0.51) ( ) 1/(180) e f wf ff = iso2631-1:1997(e)认为人体对不同频率振动的敏感程度不同，又考虑不同输 入点、不同轴向的振动对人体影响的差异，还提出了各轴向振动的轴加权系数k。即 第二章 平顺性分析的理论基础和评价方法 11 上海交通大学工程硕士学位论文 2 1 2 )( = viiv aka (2-4) 式中， v a为人体总加权加速度均方根值(下文称为“人体总乘坐值”)； i k为第i 轴向振动的轴加权系数； iv a为第i轴向振动的加速度均方根值。 一般情况，频率加权函数、轴加权系数k见表 2-1。 表 2-1 频率加权函数、轴加权系数表 位置 坐标轴名称 频率加权函数 轴加权系数k s x d w 1.00 s y d w 1.00 s z k w 1.00 x r e w 0.63 y r e w 0.40 座 椅 支 承 面 z r e w 0.20 b x c w 0.80 b y d w 0.50 靠 背 b z d w 0.40 f x k w 0.25 f y k w 0.25 脚 f z k w 0.40 由表 2-1 上各轴向的轴加权系数可以看出，椅面输入点 s x、 s y、 s z三个线振动 的轴加权系数1k =，是 12 个轴向中人体最敏感的，其余各轴向的轴加权系数均小于 0.8。另外，iso2631-1:1997(e)标准还规定，当评价振动对人体健康的影响时，就 第二章 平顺性分析的理论基础和评价方法 12 上海交通大学工程硕士学位论文 考虑 s x、 s y、 s z这三个轴向，且 s x和 s y两个水平轴向的轴加权系数取4 . 1=k，比垂 直轴向更敏感。 标准还规定靠背水平轴向 b x、 b y可以由椅面 s x、 s y水平轴向来代替， 此时轴加权系数取4 . 1=k。因此，我国在修订的相应标准 gb/t4970-1996汽车平 顺性随机输入行驶试验方法时，评价汽车平顺性就考虑椅面 s x、 s y、 s z这三个轴 向。 椅面垂直轴向 s z的频率加权函数 k w最敏感频率范围标准规定为 412.5hz，在 48hz 这个频率范围，人的内脏器官产生共振，而 812.5hz 频率范围的振动对人 的脊柱系统影响最大。椅面水平轴向 s x、 s y的频率加权函数 d w最敏感频率范围为 0.52hz，大约在 3hz 以下，水平振动比垂直振动更敏感，且汽车车身部分系统在 此频率范围产生共振，顾应对水平振动给予充分重视。 第三章 数学模型的建立 13 上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 数学模型的建立 3.1 模型的建立 目前业内使用的多体动力学仿真的计算软件很多，但知名度和置信度较高的是 msc 公司的 adams(automatic dynamic of mechanical system)软件。其建模原则 是，尽可能地建立与真实系统本身接近的动力学模型。表面上看，其建模的理念非 常具有吸引力，但就总的输入数据量、生成的方程数量以及所需的计算能力要求而 言，建模的复杂程度难免过于繁杂。如要有效地利用 adams 软件17，系统中每一 处连接均需要定义六个自由度(三个平动和三个转动)。 为了建立描述系统的运动方程，adams 软件所需的详细信息包括以下几个方 面： (1)相对参考坐标系和绝对参考坐标系； (2)质量、转动惯量和惯性积； (3)完整的空间结构几何尺寸； (4)铰接类型，如球铰、平面铰等； (5)力元，如弹簧。阻尼系数等； (6)外力，如轮胎力、重力、加速度输入等。 因此，用户必须依次考虑系统的每个元件，并相应输入大量的数据。建模中， 一个最难处理的问题其实就是系统的自由度是否适当，既不可将系统建成为一个过 约束系统， 也不可建成为一个欠约束系统。 过约束系统意味着所建模型不能 “运动” ， 欠约束系统则表现为模型不能“支承”其自身。 adams 建模采用自下而上的建模顺序，即整车模型和系统总成模型建立于子 系统模型基础之上，而子系统则需要在模板中建立。因此，在模板中建立于系统是 首要的关键步骤，其具体过程18介绍如下： 第三章 数学模型的建立 14 上海交通大学工程硕士学位论文 (1)物理模型的简化：根据子系统中各个零件之间的相对运动关系，定义各零件 的“topological structure”(拓扑结构)，对零件进行整合，把没有相对运动关系的 零件定义为一个“general part”(整合零件)以下我们简称为“零件”。 (2)确定“hard point”(硬点)：这里的硬点是指各零件间连接处的关键几何定位 点，确定硬点就是在子系统坐标系内给出零件之间连接点的几何位置。 (3)确定零件的动力学参数：计算或测量整合零件的质量、质心位置以及绕质心 坐标系 3 个坐标轴的转动惯量。需要指出的是，这 3 个坐标轴方向必须分别与绝对 坐标系的 3 个坐标轴平行。 (4)创建零件的 “geometry” (几何模型)： 在硬点的基础上建立零件的几何模型。 由于零件的动力学参数已经确定，因此几何模型的形状对动力学仿真分析结果实际 上无任何影响，但在运动学分析中，零件的外轮廓直接关系到机构运动校核。而且 考虑到模型的直观性，零件的几何形状还是应尽可能地贴近实际结构。 (5)定义“constrain”(约束)：按照各个零件间的运动关系确定约束美；型，通 过约束将各零件连接起来，从而构成子系统结构模型。定义约束时，要注意约束剐 的方向 c 为清楚显示约束关系，可通过修改“icon setting”(图标设置)和约束副的 “appearance”(显示)来获得合适的约束副的尺寸和颜色。定义约束是正确建模的 重要步骤，它直接关系着系统自由度的合理性。 (6)定义“mount”(组装)：在子系统模型(包括外部环境)之间的连接处定义组装 命令。 最后，将建好的子系统模型转人标准模式中，即可将若干个子系统组装成系统 总成或整车，这样就完成了整个建模过程。于是，在标准模式下即可对系统总成或 整车进行不问工况下的仿真分析，从而获得所需要的计算结果。 3.1.1 整车坐标系的定义 本文对于整车坐标系为固结在整车上的oxyz右手直角坐标系，如图 3-1。 第三章 数学模型的建立 15 上海交通大学工程硕士学位论文 图 3-1 整车坐标系示意图 fig. 3-1 vehicle coordinate system 具体定义如下： xoy平面为车架上平面； xoz平面处于整车左右对称的平面内； yoz平面为通过前轮中心线，垂直于xoy平面和xoz平面的平面； x轴指向汽车向前行驶的反方向；y轴指向司机的右侧；z轴指向上方。 3.1.2 二维模型的建立 如果车辆相对于纵垂面完全对称， 并且左右车轮下的路面不平度变化完全一样， 则可认为车辆在纵垂面上振动14，就可以将车辆简化为代表二分之一车辆的平面五 x z y o x z y o 第三章 数学模型的建立 16 上海交通大学工程硕士学位论文 自由度模型。该模型反映了车身的垂直振动和纵向角振动，路面的不平激励输入包 括前轮和后轮。五自由度模型分析得到的结果精度高于二自由度模型，因此，在车 辆振动预测与平顺性模拟分析、悬架参数优化设计等研究中，平面五自由度模型得 到更广泛的应用。 由于本文主要试图研究底盘的减振系统与车身的减振系统间的参数匹配问题， 而且原始车辆的平顺性差主要体现为司机在受到x方向和z方向的振动不舒适。 为了 简化系统模型， 本文将整车模型参照平面五自由度模型简化为平面二维模型， 对y方 向的振动加以忽略。 另外，有研究19表明，在路面激励下，悬挂质量的 3 个刚体模态、非悬挂质量 的 4 个刚体模态及人椅系统的一个刚体模态在整个系统的总能量中占 98%以上。 此外，车架弹性对座椅振动的影响甚微。因此，可以将车架简化为刚体对待。 本文采用平面 6 自由度的二分之一车辆模型。某二轴半挂牵引车的拓扑结构模 型如图 3-2 所示。 图 3-2 二轴车辆的拓扑结构模型 fig.3-2 the topological model of two axle vehicle 第三章 数学模型的建立 17 上海交通大学工程硕士学位论文 图 3-2 所示拓扑结构模型中，驾驶室前端铰接在车架上，后端通过减振元件与 车架相连。货物载荷简化为通过鞍座中心的点载荷。 建模过程中的假设： (1) 对于理想铰链，除转动铰、滑移铰外，皆未考虑内部摩擦及阻尼系数。 (2) 整车零部件中，除钢板弹簧、螺旋弹簧、等悬置(挂)弹性元件外，其余均按 刚体考虑。 从而，通过 adams 软件进行模型建立，如图 3-3。 图 3-3 二轴半挂牵引车 adams 模型 fig. 3-3 adams model of two axle semi-tractor 图 3-3 所示模型具有 6 自由度，分别为： 车架垂直运动 车架俯仰转动 驾驶室绕前铰点转动 第三章 数学模型的建立 18 上海交通大学工程硕士学位论文 座椅垂直运动 前轴垂直运动 后轴垂直运动 3.1.3 模型的参数 本次模型的建立主要采用了参数化建模的方式。首先模型涉及的所有参数分为 尺寸参数、质量参数和刚度参数，然后将参数赋给模型。 尺寸参数主要包括： (1) 轴距； (2) 鞍座前置距。 质量参数主要包括： (1) 为了模型简化，将发动机、变速器、油箱、蓄电池等总成零部件转化为点 质量；负载质量也简化为通过鞍座中心的点质量载荷； (2)车架、驾驶室、座椅等质量； (3)前后车轮、前后桥等簧下质量； 刚度参数主要包括： (1)前后悬架的刚度、阻尼系数； (2)前后轮胎的刚度、阻尼系数； (3)驾驶室后悬置的刚度、阻尼系数； (4)司机座椅的刚度、阻尼系数。 3.2 模型的标定 3.2.1 尺寸参数的标定 根据原样车的尺寸参数， (1) 轴距：mmwbdv3500_=； 第三章 数学模型的建立 19 上海交通大学工程硕士学位论文 (2) 鞍座前置距：mmfxdv340_=。 3.2.2 质量参数的标定 为了模型简化，将发动机、变速器、油箱、蓄电池等总成零部件转化为点质量， 因此，需要对点质量的坐标位置进行计算后重新标定。 具体总成零部件的质量和坐标见表 3-1。 表 3-1 点质量简化表 质量名称 质量(kg) 坐标 x(mm) 坐标 z(mm) 发动机 868 213 28.9 变速器 354 1063 -93.8 蓄电池和贮气筒 125 1540 -98 燃油箱 405 1825 -347 负载质量 payloaddv _ (10000) fxdvwbdv_ (3160) fzdv _ (251) 根据上述总成和零部件的质量分配，最终模型的轴荷分配与样车实测值对比结 果如表 3-2。 表 3-2 轴荷分配结果对比表 模型值 实测值 前轴负荷（kg） 4653 4560 后桥负荷（kg） 11441 11580 同时，针对模型的固有频率进行计算，计算结果如表 3-3。 表 3-3 固有频率计算结果 模态 固有频率(hz) 车架垂直运动 1.62 车架俯仰转动 2.02 驾驶室绕前铰点转动 3.03 座椅垂直运动 4.63 前轴垂直运动 9.32 后轴垂直运动 13.35 第三章 数学模型的建立 20 上海交通大学工程硕士学位论文 3.2.3 刚度参数的标定 根据对样车的底盘前悬架、后悬架、驾驶室后悬置以及司机座椅减振系统的刚 度进行了试验测定，具体参数见表 3-4。 表 3-4 各系统的刚度特性 系统 刚度(n/mm) 底盘前悬架 197.86 底盘后悬架 796.87 驾驶室后悬置 83.3 司机座椅减振系统 67.0 3.2.4 地面激励的输入 有研究表明20，发动机刚度、阻尼系数，后轮胎刚度、阻尼系数，前轮胎阻尼 系数，后桥阻尼系数对驾驶员座椅处的振动影响虽然不大，但是如前所述，对于重 型卡车，轮胎对于整车平顺性的影响很难估计，因此必须考虑如何减少轮胎对地面 激励的传递影响。 在本次道路地面激励的采样试验中，选择了直接采集车桥上的加速度的方法来 越过车轮对地面激励的传递影响。 试验在襄樊国家质检中心汽车试验场的二环道路进行。在样车的前轴上采集了 振动加速度)(tafront，如图 3-4。 第三章 数学模型的建立 21 上海交通大学工程硕士学位论文