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浙江大学硕士学位论文 基于虚拟样机技术的汽车行驶平顺性仿真研究 摘要 汽车是一个由许多子系统组成的非常复杂的振动系统，如何建立 一个能更全面地描述汽车动态特性的模型，是进行平顺性研究的关 键。现有的通过振动微分方程方法建立的仿真模型对实际车辆做了不 同程度的简化，其自由度不多，难以准确全面地反映传到人体的振动 情况。本文通过对车辆系统结构及其所受的振动激励进行分析，根据 多体系统动力学理论，利用a d a m s 软件建立了某轿车的五十自由度 的虚拟样机模型，其中包括前悬架、后悬架、转向系统、动力总成悬 置系统、人椅系统、轮胎一路面模型、驾驶员模型等子系统。并分别 进行了随机输入路面平顺性仿真和脉冲输入典型路面平顺性仿真，通 过与实车道路试验结果对比，验证了虚拟样机模型的正确性和合理 性。 以随机路谱和发动机激励作为系统输入，利用a d a m s 仿真车辆 人椅系统垂向加速度响应在不同车速、不同路面等级下的变化规律。 仿真结果显示：振动响应随着车速的增加而增大，随路面状况的变差 而增大。这也就意味着车辆的行驶速度越高，路面等级越差，车辆的 行驶平顺性也越差。 逐项分析悬架及轮胎的刚度和阻尼等车辆参数变化对车辆行驶 平顺性的影响。并以悬架的刚度和阻尼为设计变量，人椅系统的垂向 加权加速度均方根值为目标函数，对模型进行了平顺性优化设计，结 浙江大学硕士学位论文 果显示：优化之后人椅系统的垂向振动加速度响应有了明显的降低， 车辆的行驶平顺性有了明显的改善。 整个研究过程以虚拟样机技术为核心，实现了在计算机上对整车 的行驶平顺性能的仿真研究。该研究对在车辆产品开发设计过程中提 高其行驶平顺性能、降低开发和制造成本及缩短产品开发周期有着一 定的现实意义。 关键词= 虚拟样机，平顺性，仿真，a d a m s 浙江大学硕士学位论文 v i r t u a lp r o t o t y p e b a s e dv e h i c l er i d ec o m f o r t s i m u l a t i o n a b s t r a c t v e h i c l ei sac o m p l e xs y s t e mt h a ti sc o m p r i s e do fm a n ys u b s y s t e m s s oh o wt oe s t a b l i s has i m u l a t i o nm o d e lt h a tc a l ld e s c r i b et h ew h o l e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev e h i c l ei st h ek e yo ft h er e s e a r c ha b o u t v e h i c l er i d ec o m f o r t m o s to f t h es i m u l a t i o nm o d e l sa r eb u i l tb ym e a n so f d i f f e r e n t i a le q u a t i o n sp r e s e n t l y s u c hm o d e l sa r es i m p l i f i e dw i t haf e w d o f s t h e yc a n te x p r e s st h ev i b r a t i o nt r a n s f e r r e dt oh u m a ne x a c t l y i n t h i sp a p e r , am u l t i - b o a yd y n a m i cm o d e lw i t h5 0d o f si se s t a b l i s h e db y m e a n so fa d a m s ，i nw h i c hs u s p e n s i o n s ，s t e e r i n gs y s t e m ，p o w e r t r a i n , p e r s o n c h a i rs y s t e m ，t i r e s ，r o a da n dt h ev e h i c l eb o d ya r ec o n s i d e r e d s i m u l a t i o n so ft h em o d e lu n d e rr a n d o mi n p u ta n dp u l s ei n p u ta r ec a r r i e d o u ts u c c e s s f u l l y a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t su n d e rr a n d o mi n p u ta g r e e w e l lw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u k s t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n ，t h em o d e l p r o v e st ob er e a s o n a b l ea n da p p l i c a b l e t h er a n d o me x c i t a t i o no f t h ef o u rw h e e l sa n dt h ep e r i o d i ce x c i t a t i o n o ft h ee n g i n ea r eu s e d 船t h ei n p u t so ft h es y s t e m t h ec h a n g i n gr u l eo f v e r t i c a la c c e l e r a t i o np o w e rs p e c t r u md e n s i t yf u n c t i o no fp e r s o n c h a i r s y s t e mi nt h ef r e q u e n c yd o m a i ni nd i f f e r e n ts p e e da n dr o a di ss i m u l a t e d b ym e a n so fa d a m s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g h e rt h es p e e do ft h e i i i 浙江大学硕士学位论文 v e h i c l ei sa n dt h ew o r s et h er o a dc o n d i t i o ni s ，t h eg r e a t e rt h ev i b r a t i o n r e s p o n s eo f t h ep e r s o n - c h a i rs y s t e mi s t h ea f f e c to ft h ev e h i c l ep a r a m e t e r s ，s u c ha st h es t i f f n e s sa n d d a m p e ro ft h es u s p e n s i o na n dt h ef i r e s ，i sa n a l y z e d a n dt h e nt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no f v e h i c l er i d ec o m f o r ti se x e c u t e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ev i b r a t i o nr e s p o n s eo ft h em o d e la f t e ro p t i m i z a t i o ni sl o w e rt h a n t h a tb e f o r eo p t i m i z a t i o n t h ew h o l er e s e a r c hc o n c e n t r a t eo nt h ee x p l o r a t i o na n d a p p l i c a t i o no f v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y t h r o u g hi t ，t h ev e h i c l er i d ec o m f o r t p e r f o r m a n c ei ss i m u l a t e do nt h ec o m p u t e r i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n tt o i m p r o v et h ev e h i c l er i d ec o m f o r tp e r f o r m a n c e ，c u td o w nt h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r ec o s ta n ds h o r t e nt h et i m et od e s i g nt h en e wv e h i c l e k e t w o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p i n g , r i d ec o m f o r t , s i m u l a t i o n ， a d a m s i v 学号丕151 丝堕 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：考雄彬 签字日期：加坤年f 月朋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权堂姿盘鲎可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：缪 侈 签字日期：沙啼年月护日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 汽车行驶时，车辆系统本身的振动以及路面的不平度会激起汽车的振动， 使乘员处于振动环境中。振动影响了乘坐的舒适性、工作效能和身体健康。汽 车平顺性就是指避免汽车在行驶过程中所产生的振动和冲击使人感到不舒服、 疲劳甚至损害健康，或使货物损坏的性斛。汽车的振动舒适程度，在保证驾 驶员在长时间复杂的行驶和操纵条件下，对影响“人一车一道路”系统的操纵 稳定性、确保安全行驶是非常重要的。舒适的振动环境对于乘员，不仅在行驶 过程中很重要，而且可以保证乘员在到达目的地后，以良好的状态投入工作。 汽车行驶平顺性已经成为现代高速、高效率汽车的一个主要性能，也是同类汽 车在市场竞争中争夺优势的一项重要性能指标。所有新开发的车辆或者经过改 进的车辆都要进行平顺性试验。 2 0 世纪8 0 年代以来，汽车作为极其重要的工业产品，在交通运输领域和 人民的日常生活中的地位日益突出。国内、国际汽车市场的竞争变得空前激烈， 用户对汽车行驶平顺性、乘坐舒适性的要求越来越高。然而，汽车本身是一个 极其复杂的多体系统集合，外界载荷的作用更加复杂、多变，人、车、环境三 位一体的相互作用，致使汽车动力学模型的建立、分析、求解始终是一个难题。 对于传统的汽车开发过程，往往需要经过多轮样车试制，反复的道路模拟试验 和整车试验( 如图1 1 所示) ，这将花费大量的人力、物力，延长设计周期。广 大设计人员迫切希望找到一种能在图纸设计阶段全面、准确地预测车辆动力学 性能，并可对其性能进行优化分析的方法。 图i - i 传统汽车开发流程 浙江大学硕士学位论文 第i 章绪论 随着计算机技术的发展，虚拟样机技术逐渐被应用。数字化虚拟样机技术 是缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产品设计速度和质量的重要途径。 利用虚拟样机技术，可以实现在计算机上建立汽车产品的三维实体虚拟原型， 对虚拟原型的性能在虚拟的试验环境下进行试验分析：对外观、造型、动力学 特性进行评价、考察，以判断其性能和款式是否具有竞争力；对试验和分析中 发现的设计缺陷，在虚拟原型上进行修改、优化( 如图1 - 2 所示) 。也就是说， 通过在计算机上“再现”设计试验的全过程，使人们对新产品有一个更深入和 全面的了解，减少实物试验的次数，从而为减少产品开发过程中试验和制造费 用提供求解方案。 图l - 2 虚拟产品开发流程 从国外的统计材料表明，应用虚拟样机技术可降低工程设计成本 1 3 0 一3 0 ；可减少从产品设计到投产的时间3 0 - 6 0 ；提高产品质量5 1 5 倍； 增加分析问题的广度和深度3 - 3 5 倍；增加产品作业生产率4 0 7 0 ；增加投 入设备的生产率2 3 倍；减少加工过程3 0 - 6 0 ；降低人工成本5 也o 。由 此可以看出，虚拟样机技术产生的经济效益是巨大的，其社会效益也是无可估 量的【2 】。 1 2 汽车平顺性研究发展概况 汽车平顺性研究的是“人一汽车一路面”振动系统 3 1 ，如图1 3 所示。路 面不平度、车速及发动机激励形成了对振动系统的“输入”，此“输入”通过由 轮胎、悬架、动力总成悬置系统、座垫等弹性、阻尼元件和悬挂、非悬挂质量 构成的振动系统传递，得到振动系统的“输出”传至人体的振动加速度， 此加速度通过人体对振动的反应舒适性来评价汽车的平顺性。 2 浙江大学硕士学位论文 第i 章绪论 输入： 路面幂警魔 车速 发动机激髓 振动系统； 弹性元件 阻彪元件 隼身、牟轮质j 聂 输出； 振动加速度 悬絷动绕度 牟辆动裁舒 评价指标； 加权加速度均方冁值 撞击慧絮眼静概率 行驶安全搜 图1 3 “人一汽车一路面”系统框图 通常进行汽车平顺性研究的方法分为实验方法与理论方法。汽车平顺性的 实验方法包括室外道路试验、试验场试验和室内模拟试验。而理论研究方法是 力求建立能完全反应客观实际的动力学仿真模型，通过计算得到振动的基本规 律，求解出平顺性分析所需要的振动响应量，并将其进行数据处理，与相应的 平顺性评价指标想比较，从而预测和分析汽车平顺性。与实验方法相比，理论 研究方法具有下列优点： ( 1 ) 研究不受实验条件的限制，避免实验中的一些随机因素的影响，便于 比较分析。 ( 2 ) 建模、设计及分析均可在计算机中完成，可以缩短研究周期，节约费 用。 ( 3 ) 改变输入便可得到不同的输出，而用实验方法对于不同的输入需作不 同的实验。 ( 4 ) 可以指导产品的优化改进设计，并可在新产品生产之前预测其动力学 性能。 正是因为理论研究方法具有这么多优点，世界各国的工程技术人员在这方 面作了大量的研究工作，并取得了大量具有一定实用价值的研究成果，在汽车 工业上得到了广泛的应用。其研究成果主要体现在如下方面： 1 、平顺性评价指标 1 9 4 8 年，j a n e w a y 提出承受的人体舒适性评价指标，并给出了计算评价指 标j 值的计算公式；1 9 5 7 年，德国学者d i k m a n 提出了k 系数法；1 9 6 8 年，p r a d k o 等人提出了吸收功率( a p ) 法；1 9 7 2 年，德国米奇克提出用座椅垂直加速度 的均方根值和整车纵向加速度的均方根值评价汽车的平顺性。2 0 世纪6 0 年代， 国际标准化组织开始着手制定“人体承受全身振动的评价指标”，并于1 9 7 4 年 颁布了i s 0 2 6 3 1 1 9 7 4 ( e ) m 际标准，经过几次的补充和修订，成为国际标准 i s 0 2 6 3 1 1 1 9 8 5 。i s 0 2 6 3 1 推荐的1 3 倍频带分别评价方法、总加权值评价方法 及其评价指标目前被普遍采用1 4 1 。 我国在这方面的研究工作起步较晚，2 0 世纪8 0 年代初，长春汽车研究所、 清华大学等单位首先采用了i s 0 2 6 3 1 国际标准进行了汽车道路行驶平顺性的研 究；1 9 8 2 年的“汽车悬架系统固有频率和相对阻尼系数的测量方法”、1 9 8 5 年 制定的“汽车平顺性随机输入行驶试验方法”和“汽车平顺性脉冲输入行驶试 3 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 验方法一以及近几年的“客车平顺性评价指标及限值”等，初步构成了我国较 为完善的汽车平顺性评价方法体系。 2 、动力学建模与求解 在汽车行驶平顺性研究的初始阶段，由于受到数学理论、计算工具、测试 手段的限制，只能作些简单的研究工作。当时的理论计算是简单模型( 一、二个 自由度) 的解析方法，主要研究正弦、脉冲、阶跃等确定性激励下的振动特性。 刘成等人f 武汉汽车工业大学1 9 9 6 提出了用两自由度非线性汽车模型进 行平顺性评价的方法1 5 1 。 张庆才等人【同济大学1 9 9 9 采用多刚体系统动力学建立7 自由度振动模 型，并利用该模型对某汽车的平顺性进行了研究1 6 。 王国权等人中国农业大学2 0 0 2 建立了8 自由度的汽车乘坐动力学模型， 并利用m a 廿a b 对其在b 级随机路面上行驶的平顺性进行了仿真分析1 7 1 。 樊兴华等人f 重庆大学2 0 0 0 以3 种工况下人体垂直方向加速度加权均方 根值作为舒适性评价指标，建立了九自由度汽车振动模型 8 1 。 徐国宇等人西安交大，1 9 9 9 1 ，基于分析力学的基本原理并结合人体、车 辆、路面的实际状况，从动力学普遍方程推导出了人体一车辆一道路系统的1 2 自由度的振动力学模型例。 王连名等人哈工大，1 9 9 8 应用模态分析技术建立了1 3 自由度人体一座椅 一车辆系统的动力学模型，该模型可对汽车的行驶平顺性进行预测和评估【1 0 1 。 张建成1 1 9 9 6 应用系统动力学和随机振动理论，建立了包括发动机支承的 1 5 自由度的车辆线性针对模型，利用该模型求出了车辆各部位的振动特性【l 。 李智峰f 同济大学，2 0 0 0 1 应用虚拟样机技术建立了9 0 自由度的整车动力学 模型，对其进行了脉冲输入平顺性仿真【1 2 j 。 1 3 虚拟样机技术概论 近年来，在制造业剧烈竞争需求的牵引及相关学科技术发展的推动下，以 多体系统动力学建模仿真技术为核心的虚拟样机技术( 尤其是复杂产品虚拟样 机工程技术) 得以迅速发展。它是融合产品有关的专业领域技术与建模仿真技 术、信息技术、多媒体虚拟现实技术、人工智能技术、系统技术、管理技术等 多学科技术的一门综合性技术。虚拟样机工程技术可应用于产品构思、设计、 开发、制造、运行、评估州1 练，直至报废等产品全生命周期的各个阶段，它能 大幅度减少产品研制的t ( 上市时间) 和c ( 成本) ，提高产品的q ( 质量) 和 s ( 服务) 。 4 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 3 1 虚拟样机技术的概念 虚拟样机技术是上世纪8 0 年逐渐兴起，在产品开发的c a x ( c a d 、c a e 、 c a m 等) 技术和d f x ( d f a 、d f m 等) 技术基础上发展起来的基于计算机技 术的一个新概念。它进一步融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技 术，将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综合管理， 从系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下的复杂系统开发模式，利用虚拟 样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，以缩短产品开发周期，降 低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。从国 内外对虚拟样机技术的研究可以看出，虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段， 在不同应用领域中存在不同定义。 按照美国前m d i 公司总裁r o b e r ti l r y a n 博士对虚拟样机技术的界定，虚 拟样机技术是面向系统级设计的、应用于基于仿真设计过程的技术，包含有数 字化物理样机( d i g i t a lm o c k - u p ) 、功能虚拟样机( f u n c t i o n a lv m u a lp r o t o t y p i n g ) 和虚拟工厂仿真( 、，j r h l a lf a c t o r ys i m u l a t i o n ) 三个方面的内容l ”j 。数字化物理 样机对应于产品的装配过程，用于快速评估组成产品的全部三维实体模型装配 件的形态特性和装配性能；功能虚拟样机对应于产品分析过程，用于评价已装 配系统整体上的功能和操作性能；虚拟工厂仿真对应于产品制造过程，用于评 价产品的制造性能。数字化物理样机( d m u ) 、功能虚拟样机( f v p ) 和虚拟 工厂仿真( v f s ) 联合起来，提供了有效的方法实现物理样机向软件虚拟样机 的转化，从而有效地支持了虚拟产品开发。虚拟样机技术的内容如图l - 4 所示 0 3 1 。 图l - 4 虚拟样机技术内容 在虚拟样机技术的三个主要内容中，狭义的虚拟样机技术及其实现功 能虚拟样机起着重要的作用，而功能虚拟样机的核心就是机械系统动力学分析 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 与仿真。 l j j 虚拟样机技术的特点 从2 0 世纪7 0 8 0 年电起，传统意义上的c a d c a e c a m 技术开始进入实 用阶段，它们主要关注产品零部件质量和性能，通过采用结构设计、工程分析 和制造过程控制的软件或工具，达到设计和制造高质量零部件的目的。具体地 说，传统的c a d 技术基于三维实体造型技术，支持产品零部件的详细结构设 计和形态分析。传统的c a e 技术主要指应用有限元软件，完成产品零部件的结 构分析、热分析、振动特性等功能分析问题。传统的c a m 技术旨在提高产品 零部件的可制造性，提供对机床、机器人、铸造过程、冲压过程、锻造加工等 方面更好的控制。 在过去的几十年里，传统的c a d c a e c a m 技术在主要的工业领域( 汽车、 航空、通用机械、机械电子等) 得到了广泛的应用，并且取得了巨大的成效。 以汽车工业来说，在1 9 9 5 1 9 9 9 的五年里，零部件故障率降低了4 0 ，与之 相伴的是产品开发和制造成本的相应降低【1 3 1 。 但是，产品零部件的优化并没有带来期望的系统的优化。继续上面汽车工 业的例子，在同样的周期内，虽然采用了优化的零部件，但整车制造商并没有 取得与之对应的效益的提升。这是因为产品零部件的形态特性、配合性、功能、 制造过程中的装配性等因素之间存在着依赖关系，其间的相互作用极大地影响 了产品的整体质量和性能。 虚拟样机技术与传统的c a d c a e c a m 技术最大的差别正在于这一点，即 前者是面向系统的设计，分析制造，以提高产品整体质量和性能并降低开发和 制造成本为目的，而后者是面向产品零部件的设计份析l l i | | 造、以提高零部件 的质量和性能为目的。两种的对照和比较如图1 5 所示【1 3 】。 。强巍 。一 侮辘一 一 。 挚礴 丽麻系绕瞬虚报样机搜术 虚拟物理样机。虚拟样机技来虚拟产爵 羹争化耪理佯扼l( 墙艟鏖掇样抚f 攮甜谤巍， 蔷向擘靠拌孵悻统豹c 柚收w 酗m 技术 c n “c a bc a j 垤 一 产品藏据管瑾襞鲢( i l v l ；i m 萨鼎全生奄周研髓暮境( 删 。 图i - 5 虚拟样机技术与传统c a d c a e c a m 技术比较 6 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 3 虚拟样机技术应用于汽车平顺性研究的意义 研究平顺性的目的就是控制振动的传递，使乘坐者不舒服的感觉不超过一 定的界限。在国内外汽车市场竞争日益激烈的今天，如何在汽车设计阶段就能 对汽车平顺性进行准确的预测和评价，缩短设计周期，降低生产成本，已成为 在市场中取胜的关键。在过去的许多情况下，在研究汽车平顺性的时候，不得 不把计算模型简化( 如两自由度模型) ，以便使用经典频域方法手工求解，对于 汽车系统中大多数非线性元件( 如轮胎、变刚度悬架、液压悬置等) 也只能采 用简易算法进行局部线性模拟，从而导致车辆的许多重要特性无法得到精确的 定量分析。 虚拟样机技术为汽车的设计开发开辟了一个新途径。根据汽车的实际参数 建立包括乘员在内的试验汽车的三维实体模型，根据道路试验的环境，建立虚 拟的试验场，在虚拟环境中进行汽车的行驶模拟，考察其平顺性指标，评价汽 车的平顺性能。而且在产品的设计开发过程中，可以随时随地的让产品用户及 销售维修人员了解、感受未来车辆产品的平顺性，参与评价产品性能，提出看 法。从而，可获得对产品多方面、多层次的意见，利于从全局上优化结构参数， 提高车辆的性能指标。可以预知，平顺性的虚拟试验研究技术可以实现设计组 成员在全球范围内同步工作、分享知识、工具及模拟试验的全部过程，支持并 行工程，使产品更新换代的各阶段交叉地进行，在网络环境下并行的完成各部 分的设计任务。平顺性的虚拟样机技术将更迅捷、更全面、更真实地预知汽车 的平顺性，将大大提高平顺性的研究水平。 1 4 本文研究的主要内容 本文利用虚拟样机技术，建立了更加接近于实际车辆的整车动力学模型， 对整车进行了平顺性仿真。仿真数据能更好地反映实际情况，为改进车辆的平 顺性提供了一定的理论依据。研究的内容如下： 1 、研究引起汽车振动的主要激励源。本文主要对发动机激励及随机路 面激励进行了研究。通过对发动机受力情况进行分析，将动力总成 简化为六自由度模型，并给出了其所受激振力的表达式。通过对随 机路面进行分析，确定按幂函数构造路谱，分析了频域内的四轮随 机输入模型，利用a d a m s 软件建立了不同等级路面的路谱文件。 2 、 确定汽车行驶平顺性的评价指标。根据国际标准i s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( e ) 人体承受全身振动的评价指南，以座椅垂向加权加速度均方根值 对车辆进行平顺性评价，然后根据该值与人的主观感觉间的对应关 7 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 3 、 5 、 系进行乘坐舒适度评价。 建立整车动力学模型。通过对整车系统进行分析、简化，利用 a d a m s 软件建立了整车的动力学仿真模型，其中包括动力总成系 统、前后悬架系统、转向系统、人椅系统、轮胎一路面模型、车身 等。并利用控制工具箱建立了驾驶员模型，保证车辆保持直线行驶 状态。 平顺性仿真与试验研究。通过选择合适的积分算法及其控制参数， 对整车动力学模型进行了随机输入行驶平顺性仿真及脉冲输入行驶 平顺性仿真，研究了不同车速下人椅系统垂向加速度功率谱密度的 变化规律，并分析了不同等级路面对整车平顺性的影响。 平顺性优化设计。研究了车辆的一些主要参数对车辆平顺性的影响， 并以前后悬架的刚度及阻尼为设计变量，以人椅系统的垂向加权加 速度均方根值为目标函数对车辆的平顺性进行了优化设计。 8 浙江大学硕士学位论文 第2 章整车振动激励分析及平顺性评价 第2 章整车振动激励分析及平顺性评价 2 1 汽车行驶平顺性振源分析 汽车是一个综合运动体，不仅路面不平会引起车体的振动，而且汽车本身 的部件也会引起车体振动；同时，汽车的车身、车架及其他主要部件，其固有 振动频率也会严重影响汽车的平顺性。因此，在进行汽车平顺性分析时必须对 各种振源充分考虑。引起汽车振动的基本振源如图2 1 所示。由图上可以看出， 引起汽车振动的振源主要有路面不平度激励、发动机激励、轮胎激励等。路面 的不平对汽车产生的激励属于随机激励，其统计特性通常主要采用路面功率谱 密度函数来描述。发动机也是汽车产生振动的主要激励源之一，汽车行驶时， 气缸内的燃气压力和运动件的不平衡惯性力周期性的变化，都会使曲轴系统和 发动机整机产生振动。其中曲轴系统的扭振比较重要，而且与整车传动系统有 关。轮胎的不均匀度、车轮和轮胎的垂直跳动、不平衡度是轮胎产生振动的影 响因素。在这些激励中，影响汽车行驶平顺性的激励主要为发动机激励和路面 不平度激励，故在模型的建立中做了适当的简化模型的振源输入主要考虑 发动机激励和随机路面的不平度激励【1 4 1 。 2 2 发动机激振力 图2 - 1 汽车行驶平顺性振源分析 2 2 1 单缸发动机激振力 发动机是一种复杂的动力机械，运行时受到各种激励的作用。导致发动机 稳态振动的最主要的原因是气缸内周期性变化的气体压力和曲柄连杆活塞机构 9 浙江大学硕士学位论文 第2 章整车振动激励分析及平顺性评价 运动时产生的惯性力。 2 2 1 1曲柄连杆活塞机构惯性力 ( 1 ) 连杆的动态等效模型 在发动机的三大运动件中，活塞作往复运动，曲轴作旋转运动，只有连杆 的运动比较复杂。它一方面绕活塞销中心摆动，同时又随活塞销作往复运动。 在进行动力学分析时，通常可以将其进行简化。进 行动力学模型的等效简化时，必须满足以下三个条 件嘲： 1 ) 模型的质量必须等于原物体的质量。 2 ) 模型的重心位置必须与原物体的重心位置相 同。 3 ) 模型的转动惯量必须等于原物体的转动惯量 通常把连杆简化为两质量加一力偶( 连杆力偶) 的等效模型，如图2 - 2 所示。将连杆的质量m 。分解 鬻冷 图2 - 2 连杆等效模型 分解为两个质量m e l 、m 以。质量耽l 集中在连杆小端中心作循环往复运动，而 质量m e 2 集中在大端中心随曲柄作旋转运动。质量分配按两质量m c l 、m c 2 之和 等于连杆总质量慨，两离散质量重心与连杆重心相同的原则进行，即： 一， m a 2 t ， 所c 2 2 z 小c 式中，上为连杆长度，为连杆小端中心至连杆重心倪的距离。 按上述方法简化的两质量系统与简化前实际连杆相比，前者的惯性效应比 后者多了一个转动惯量，该转动惯量在连杆摆动角加速度作用下产生一个惯 性力矩必。 m c = m c t ( l 1 0 p 式中，为连杆小端至连杆撞击中心p 的距离。 按动力学模型的等效条件，应该从简化的两质量系统中减去该力偶。但由 于该力偶的值较小，常常忽略不计。这样，发动机的曲柄连杆机构最终便可以 等效为一个往复质量和一个偏心旋转质量。往复质量位于活塞销中心位置， 大小等于活塞组件质量加连杆小端等效质量m c l ，即垆缈l 。偏心旋转 质量坼位于曲柄中心位置，其大小等于曲柄等效偏心质量m r l 加连杆大头等效 质量m c 2 ，即嘲f 聊。l 切乜。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第2 章整车振动激励分析及平顺性评价 ( 2 ) 往复惯性力 当曲柄以m 的速度作等速圆周运动时，活塞处等 效质量磅作上下循环往复运动，如图2 3 所示。其沿 ：轴的运动方程为： ， z = o c + c b = r c o s q + l e o s f l = ，( c o s 口+ c o s 励 式中：，为曲柄半径，工为连杆长度，a = r l l 。 二。l s i n = ，s i n 盯 c o s p = l s i n 2 = 4 1 一刀如2 0 t 以：，( c o s 口+ 正虿：雨 利用二项式定理将l - 名s i n 2 口展开，其中二项 式定理的一般形式为： ( 口+ 6 ) 一= 办? l a 一1 b + 掣a - 2 b 2 + 图2 - 3 活塞连杆机构 l + 刀s i n 2 口= 1 一喜名s i n 2 球一一1 刀s i n 4 口一一1 s i n 6 口一 2 81 6 在实际发动机中，为了能够使曲柄连杆机构很好地平稳的运转，其曲柄连 杆比a 通常在1 3 l 5 之间。将此值代入上式发现，该式为收敛很快的级数， 因此，可以将式中第二项以后的所有项忽略，这样仅会带来很小的误差( 1 左 右) 。由此可以得到： z “，e o s a + l 【l 一寺) 咖2 口】= ，一鲁+ r s 研+ 云c o s 2 耐) 对上式微分司求得活塞的速度： 2 2 一m ( s i n r o t + r 到e o s 2 c o t ) 三- r m 2 ( s i n c o t + r c o s 2 c o t ) 由此可得到活塞的往复惯性力为： 弓2 一哆；2 7 m 2 c o s 研+ m j a r ( 2 0 j ) 2c o s ( 2 d o t ) = 易+ 易 式中：只l = 埘r f 0 2e o s a x t 一阶往复惯性力 弓2 = m , a r ( 2 0 ) ) 2c o s 2 c o t 二阶往复惯性力 ( 3 ) 离心惯性力 曲轴以角速度等速旋转时产生的离心惯性力p ，为： 浙江大学硕士学位论文 第2 章整车振动激励分析及平顺性评价 只= 脚，r r 0 2 2 2 1 2气体压力 发动机工作过程具有间歇循环作功的特点，气缸中气体压力b 在一个循环 内变化强烈。气体压力一方面作用在气缸盖上，并通过气缸盖传到机体上；另 一方面，它通过活塞、连杆、曲轴与主轴承，最终也作用在机体上。两个作用 力大小相等，方向相反，因此，它不会在气缸中心线方向激发整机振动，然而， 因它产生的倾覆力矩、交变切向力和法向力会激起机体的横摆振动、轴系扭转 振动和纵向振动。 2 2 1 3 单缸曲柄连杆中的作用力和力矩 气体压力和活塞的往复惯性力均通过活塞传递至活塞销中心，即连杆小端 中心上，其合力p 为： p = 名一c = 三d 2 以一( r a p + 坍。t ) r o j 2 ( c o s r o t + 2 c o s 2 0 x ) 式中，以为单位活塞面积气体压力 合力p 分解为连杆推力只和侧推力p h ( 如图2 4 所示) ： 只= p c o s p = e t a n p 连杆推力只经连杆作用在曲柄销中心，在该处分 解为切向力t 和法向分力，后者与离心惯性力合成法 向力n 。 t = 只s i n ( 耐+ ) = p s i n ( 耐+ 励c o s p n = 只c o s ( r o t + ) 一p = p c o s ( r o t + , b ) c o s f l m ，r r 0 2 由此可以求得发动机的扭矩为： m = t r = p s i n ( r a + p ) r c o s p 活塞侧推力如形成倾覆力矩p 柑，它使发动机 绕曲轴轴线转动，其大小为： p h h = p h ( l e o s p + r s i n c t ) = , r s i n ( c r + = t r 7 笔 i 尸b 畦 、丹 。z j ? 图2 4 单缸曲柄连杆 机构受力分析图 浙江大学硕士学位论文 第2 章整车振动激励分析及平顺性评价 上式表明倾覆力矩在数值上和扭矩完全相同。事实上，倾覆力矩就是扭矩 的反力矩，两者大小相等方向相反。扭矩m 的特性也就是倾覆力矩的特性。 传到曲轴主轴承上的力为： n y = e t a n p + p , s i n a 札= p 一只c o s 口 发动机对主轴承的铅垂压力肥中，只有往复惯性力只和离心惯性力的铅 垂分量- p , r 。o s a 才传到汽车副车架或车身上，而气体压力部分与作用在气缸顶部 的压力互相平衡。在发动机对主轴承的水平压力v 中，旋转质量的离心惯性力 在水平方向的分量p , s i n a 传到车架上，使汽车产生水平振动。 2 2 2 多缸直列发动机激振力 多缸直列发动机可以视为由曲轴连接起来的几个单缸发动机，其激振力可 以由单缸发动机的激振力合成而成，如图2 5 所示。 图2 5 多缸直列发动机机体受力情况 本课题研究的汽车发动机为四缸直列汽油机，其发火次序为1 3 _ 4 2 ，曲柄 夹角为1 8 0 。，因此合成后该发动机其它干扰力和力矩均被消除，只存在二阶 往复惯性力。其表达式为1 5 】： 只= m r 2 a ，2 c o s 2 ( a t + q , , ) = 4 m r 2 c 0 2 c o s 2 a ) t 本课题汽车的发动机布置倾角较小，视为0 。，将其所受激振力简化到汽 车动力总成质心处，其表达式为： f = i f x f y f z m x m y m l 4 式中c = p ，s i n ( 耐+ 仍) = o t = l 1 3 浙江大学硕士学位论文 第2 章整车振动激励分析及平顺性评价 c = 0 = 啊，m 2 s i n ( o d t + 0 。) + s i n ( o x + 3 6 0 。) + s i n ( c o t + 1 8 0 。) + s i n ( c o t + 5 4 0 。) = 0 只= = 4 m r _ x 0 2 c o s 2 a t t t m ( 1 + 1 3 s i n 2 a x ) m ，= 只彳 m z = e 4 = 0 式中，m 为单缸活塞及往复运动部分质量，r 为曲柄半径，且为曲柄半径与 连杆长度之比五= ；，彩= 暑为发动机曲轴转动的角速度，4 为二三缸中心线 至动力总成质心的距离，l 为发动机输出扭矩。 2 2 3 其它振动激励源 实际上，除上述主要激振力外，发动机的其他所有运动部件，例如增压器， 起动机，水泵等，都是潜在的激振源，它们大多是因为运动件失衡或是管道内 液体波冲击所引起的，它们一般不会对整机的振动产生太大的影响，在本课题 的研究中，将这些激励忽略掉。 2 3 路面激励和路谱函数的确定 当把汽车近似作为线性系统处理时，掌握了输入的路面不平度功率谱以及 车辆系统的频响函数，就可以求出各响应物理量的功率谱，用来分析振动系统 参数对各响应物理量的影响和评价平顺性。 1 路面不平度的功率谱 通常把路面相对基准平面的高度g ，沿道路走向长度，的变化口( d ，称为路 面纵断面曲线或不平度函数，如图2 - 6 所示。 口i 基推早胃 图2 - 6 路面纵断面曲线 在测量不平度时，可以用水准仪或专门的路面计测量得到路面纵断面上的 1 4 浙江大学硕士学位论文 第2 章整车振动激励分析及平顺性评价 不平度值。测量得到的大量路面不平度随机数据，通常在计算机上进行处理， 得到路面不平度的功率谱密度q ( 功或方差蠢等统计特性参数。 作为汽车主要振动激励源之一的路面不平度，主要采用路面功率谱密度描 述其统计特性。在1 9 8 4 年国际标准化组织在文件i s o t c l 0 8 8 c 2 n 6 7 中提出的 “路面不平度表示方法草案”和国内由长春汽车研究所起草制定的g b 7 0 7 3 车 辆振动输入一路面平度表示标准之中，均建议路面功率谱密度g ) 用下式 表示：1 3 ，1 6 1 g q ( n ) = g g ( n o x n 。) 9 ( 嘞s ，l 甩。) 式中，行空间频率，它是波长的倒数，表示每米长度中的波数，单位为m 一； n l 、分别表示路面谱的空间频率的上、下限； n o 参考空间频率，n o = o 1 m 一； g ( 珊卜一参考空间频率n o 下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数， 单位为m 2 m 一； 为频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率，通常取形= 2 。 路面不平度的标准差( 均方根值) 吒可由下式计算： = r g 加) a n = g q ( n o ) ( d n = g q ( n o ) n 2 0 ( n ；i - 一) 上述两个文件还提出了按路面功率谱密度把路面的不平程度分为8 级，表 2 - 1 规定了各级路面的平度系数数值范围及其几何平均值。我国高等级公路路 面谱基本上在a 、b 、c 三级范围之内，其中b 、c 级路面占的比重比较大。 表2 - 1 路面不平度8 级分级标准【1 6 】 路面等级 路面平度系数g q ( n o ) 1 0 。6 m 2 m 1 下限 几何平均上限 砣m m 獬毗一一一 5 m甜猫蚴撕一一一 。笼m m 粼耋| 一一 a b c d e f g h 浙江大学硕士学位论文 第2 章整车振动激励分析及平顺性评价 上述路面功率谱密度g “吣指的是垂直位移功率谱密度，还可以采用不平度 函数g 对纵向长度，6 【勺一阶导数，即速度功率谱密度g ( 打) 和二阶导数，即加 速度功率谱密度g ( 行) 来补充描述路面不平度的统计特性q ( 功( 单位为 1 m = 小) 和g ( 单位为脚。2 m = 脚_ 1 ) 与q ( 打) 的关系如下： g ( 疗) = ( 2 石刀) 2 q ( 拧) g ( 功= ( 2 a q ( 力 2 四轮输入功率谱【3 】 车辆行驶时路面不平度对每个车辆都有一个随机输入。每个车轮自身随机 输入的功率谱密度称为“自谱”，各个车辆随机输入相互作用的功率谱密度称为 “互谱”。图2 7 为四轮汽车的示意图。 图中们、舶表示左右两个轮迹的不平 度，是路面长度坐标。x ( o 、y q ) 的自谱、互谱 分别为g 文功、g 从功、g 钛，0 和g 。四个车 轮所遇到的不平度函数用g l 、9 2 、9 3 、 9 4 表示，两个前轮遇到的不平度为q l ( o - - x ( 1 ) 、 q 3 ( 1 ) - - y ( 1 ) ；后轮由于滞后距离工，所以 9 2 ( d 叫二正) 、q 4 ( 1 ) - - - - y ( i - l ) ，l 为汽车的轴距 图2 - 7 四轮汽车示意图 在分析汽车有q l 、q 2 、q 3 和9 4 四个输入的振动传递时，要掌握四个车轮输 入的自谱和四个车轮彼此间的互谱共1 6 个谱量g ，“坊( f ，k = - i ，2 ，3 ，4 在功率谱中 以腩顺序表示i 车轮对k 车轮的作用) 。谱量g ，文呐可按下式计算： 1 g 碡( 即) = 她素只伽) 最( 聆) 式中，日( 玎) 、以h ) 为g 正d 、g _ 的傅里叶变换，f ( 咒) 、( ，1 ) 为联玎)