（光学工程专业论文）三轴平衡悬架载货汽车平顺性分析与优化.pdf

三轴平衡怂架载重汽”州m + 降行 l o 优化 摘要 平顺性是现代高速、高效率汽车的一个主要性能，汽车平顺性直接影响到人 和车辆两个方面。对于人而言，汽车平顺性的好坏直接影响到乘员的舒适性、工 作效能和身体健康，以及驾驶员在复杂的行驶和操纵环境下具有良好的心理状态 和准确灵敏的反应，它将影响到“路面人车”系统的操纵稳定性，对确保安全 行驶非常重要。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 保证到达目的地后以良好的身体和心理状态投入工作。对于车辆而言，平顺性的 好坏将影响车辆的动载荷和寿命，由于振动产生动载荷会加速零件的磨损，使某 些部件过早发生疲劳失效，同时通过轮胎车轮作用到路面上，使路面易于产生疲 劳损伤和宏观破坏，如果振动产生的动载荷由于峰值过大，还会造成结构产生失 稳破坏。 本文以某型装有全浮式驾驶室和平衡悬架的三轴载重汽车的平顺性提高为 研究内容。 本文根据汽车动力学原理建立平顺性动力学模型，通过对平衡悬架弹簧作为 整体的车辆模型和平衡悬架弹簧分开等效处理的1 4 、1 2 车辆模型作了比较分 析，得到与实际情况比较符合的简化模型。 利用随机响应计算方法中频域法的频率响应函数法进行仿真计算。根据模型 建立的实际情况，对车辆标准载荷情况下的平顺性指标进行了计算，对人体感受 到的振动采用了垂直方向和绕横轴转动方向的加权振级来评价，计算了车辆悬架 系统的动挠度均方根值和各车轮相对动载荷均方根值的情况，全面的评价了车型 的平顺性。 根据平顺性的评价指标，选取驾驶室座椅处的加权加速度均方根值作为优化 的目标函数，对悬架参数进行平顺性优化，利用惩罚函数优化方法，本着对原车 型改动最少的原则，提出了多种优化方案，对每种改进方案的平顺性情况作仿真 计算，分析其改进结果以及实际的工程意义。 关键词：载重汽车；平衡悬架；平顺性模型；随机响应计算；平顺性优化；仿真 儿 a b s t r a c t r i d ep e r f o r m a n c eh a sb e e nam a i nc h a r a c t e r i s t i co fm o d e r na u t o m o b i l e ；i th a s d i r e c ti n f l u e n c et ob o t hp a s s e n g e r sa n dt h ev e h i c l e s t ot h ep a s s e n g e r s ，r i d e p e r f o r m a n c ed i r e c t l yi n f l u e n c et h e i rc o m f o r t ，w o r k i n ge f f i c i e n c ya n dh e a l t h ，a l s o r e s p o n s et ot h ep s y c h o l o g i c a ls i t u a t i o na n da c c u r a t er e s p o n s eo f t h ed r i v e rw h e nh e h a sb e e ne x p o s e dt oc o m p l i c a t e dd r i v i n ga n dw o r k i n ge n v i r o n m e n t i tw i l li n f l u e n c e t h es t a b i l i t yo ft h e r o a d h u m a n v e h i c l e s y s t e m ；p l a yav e r yi m p o r t a n tr o l e i n k e e p i n gs a f ed r i v i n g t ot h ep a s s e n g e r ，ac o m f o r t a b l ev i b r a t i o ne n v i r o n m e n ti s i m p o r t a n tn o to n l yd u r i n gd r i v i n g ，b u ta l s og u a r a n t e et h e mw i t hh e a l t h yb o d ya n d e x c e l l e n tp s y c h o l o g i c a ls i t u a t i o nw h e na r r i v a l t ot h ev e h i c l e ，r i d ep e r f o r m a n c ew i l l i n f l u e n c et h es u s p e n s i o nw o r k i n gs p a c ea n dt h et y r e sd y n a m i cl o a d s t h ed y n a m i c l o a d sc r e a t e db yv e h i c l ev i b r a t i o na c c e l e r a t et h ew e a l a n dt e a ro fv e h i c l ea s s e m b l y a n dp a r t s ，r e s p o n s et oa s s e m b l ya n dp a r t s t o oe a r l yf a t i g u em a l f u n c t i o n w h e nt h e d y n a m i cl o a d sw o r ko nt h er o a ds u r f a c et h r o u g ht y r e s ，t h er o a ds u r f a c ei n c l i n e dt o b e i n gc r e a t e df a t i g u ed a m a g ea n dm a c r od a m a g e d y n a m i ct y r el o a da l s ow o u l d r e s p o n s et ot h es t r u c t u r ed e s t r u c t i o no fv e h i c l e si ft h em a x i m u ma m p l i t u d eo fi t s r e s p o n s e sb eo u to fr a n g e t h eo b j e e t i v eo ft h i sp a p e ri st os t u d yt h ei m p r o v e m e n to fr i d ep e r f o r m a n c eo f t r i p l e a x i s t r u c k sw h i c he q u i p p a dw i t ht h ed r i v e r s c a b - s u s p e n s i o n f u l l y a n d t r u n n i o ns u s p e n s i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r ，t r u c kr i d ep e r f o r m a n c em o d e l sw e r ef o u n d e db a s e do nv e h i c l e d y n a m i c 。b yc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n tq u a r t e r c a ra n dh a l f - c a rm o d e lw h i c hf o u n d e d b yt a k i n gt h et r u n n i o ns u s p e n s i o nl e a fs p r i n ga saw h o l eb o d ya n ds e p a r a t i n gt h e t r u n n i o ns u s p e n s i o nl e a fs p r i n gi n t ot w od y n a m i ce q u i v a l e n tp a r t s ，w eg a i n e dam o r e r e a s o n a b l es i m p l i f i e dm o d e l w h i c hc o m p l yw i t ht h ef a c t u a lp e r f o r m a n c e t h ev e h i c l er i d ep e r f o r m a n c ew a ss i m u l a t e db yu s i n gr a n d o ms p e c t r a lr e s p o n s e m e t h o d s b a s eo nt h em o d e lf o u n d e d ，t h i sp a p e ra s s e s s e dt h er i d ep e r f o r m a n c eb y a n a l y z e dt h er o o tm e a ns q u a r ev a l u eo fp o w e rs p e c t r a ld e n s i t yo fa c c e l e r a t i o no f z - a x i sa n dr o u n dy a x i sr o t m i o na c c e l e r a t i o na tt h ed r i v e r ss e a t t h er o o tm e a n s q u a r ev a l u eo fs u s p e n s i o nw o r k i n gs p a c e sa n dd y n a m i ct y r el o a d sw e r ea l s o a n a l y z e d b a s eo nt h ea s s e s s i n gs y s t e mo fv e h i c l er i d ep e r f o r m a n c e ，t h er o o tm e a ns q u a r e l h 三垫兰墼耋銮辇耋耋耋兰璺丝盆堑，耋丝些 v a l u eo fp o w e rs p e c t r a ld e n s i t yo fa c c e l e r a t i o no fz - a x i sa n dr o u n dy - a x i sr o t a t i o n a c c e l e r a t i o no ft h ed r i v e r ss e a tw a ss e l e c t e da st h eo p t i m i z a t i o nt a r g e tf u n c t i o n b y u s i n gp e n a l t yf u n c t i o no p t i m i z a t i o nm e t h o d ，a n di n t e n d i n gt om i n i m i z em o d i f yt o t h ep a r a m e t e r so ft h ev e h i c l es t u d i e d ，s e v e r a lm o d i f i e dd e s i g np r o g r a m sa r e p r e s e n t e d t h er i d ep e r f o r m a n c eo fe a c hm o d i f i e dd e s i g np r o g r a m sh a sb e e n s i m u l a t e d ，w i t ht h e i ro p t i m a lr e s u l t sa n a l y z e da n de n g i n e e r i n gv a l u ea s s e s s e d k e yw o r d s ：t r u c k ；t r u n n i o ns u s p e n s i o n ；r i d ep e r f o r m a n c em o d e l ；r a n d o m v i b r a t i o na n a l y s i s ；r i d ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n ；s i m u l a t i o n 1 v 硕十学位沦文 插图索引 图2 1 7 自由度整车模型 图2 2 双轴汽车简化的平面模型 图2 3 双质量悬架系统的模型 图2 4 车身单质量系统模型 图2 5 线性系统框图 图3 1 目标设计的计算方法框图 1 0 1 1 1 2 1 2 1 5 1 9 2 1 2 2 2 6 2 6 2 7 2 8 2 8 2 9 3 1 3 1 3 2 4 2 - - - - - - - 4 4 4 4 - - - - - - 4 4 - - 4 5 4 5 4 6 4 6 - - - - - - - - - 4 7 4 8 4 8 5 5 5 7 5 7 图3 2 多体系统动力学分析软件计算方法框图 图3 3m a t l a b 软件包的建模与分析方法框图 图4 1 平衡悬架后桥模型1 图4 2 第一种模型的簧上质量垂直位移频响函数一 图4 3 第二种平衡悬架后桥模型l 图4 4 第二种平衡悬架后桥模型2 图4 5 第二种模型簧上质量垂直位移频响函数 图4 6 两种模型簧上质量垂直位移的频响函数 图4 7 第一种建模方法的1 2 车辆模型一 图4 8 第二种建模方法1 2 车辆模型 图4 9 两种建模方法的驾驶室座椅位置垂直位移频率响应函数 图5 1 驾驶室座椅位置垂直位移频率响应函数 图5 2 驾驶室座椅俯仰角频率响应函数 图5 3 驾驶室座椅位置垂直加速度功率谱密度 图5 4 驾驶室座椅位罱俯仰角加速度功率谱密度 图5 5 总加权振级和车速的关系曲线 图5 6 各车轮悬架动行程频率响应函数 图5 7 各车轮悬架动行程功率谱密度函数 图5 8 各轮动行程标准差与车速的关系曲线 图5 9 各轮相对动载荷的频率响应函数 图5 1 0 各轮相对动载荷的频率响应函数 图5 1 1 相对动载荷标准差与车速的关系曲线 图6 1 增加中后桥阻尼的车辆模型 图6 2 优化前后驾驶室座椅位置垂直位移频率响应函数 图6 3 优化前后驾驶室座椅位置俯仰角频率响应函数一 v i i 轴卜衡怂架载重汽车平顺性分析与优化 图6 4 优化前后驾驶室座椅位置垂直加速度功率谱密度函数 图6 5 优化前后驾驶室座椅位置俯仰角加速度功率谱密度函数 图6 6 优化后总加权振级与车速的关系曲线 图6 7 优化后的动挠度频率响应函数 图6 8 优化后的动挠度功率谱密度函数 图6 9 优化后的动挠度标准差与车速的关系曲线 图6 1 0 优化后的相对动载荷频率响应函数 图6 1 l 优化后的相对动载荷功率谱密度函数 图6 1 2 优化后的相对动载荷标准差与车速的关系曲线- v i 弼船锶曲矾 坝 学位论立 表4 1 两种模型的固有频率 附表索引 表5 1 各辘向振动分篷豹翻权数镇帮频率加权函数定义 表5 2l 。和a 。与人的主观感觉之间的关系 表5 3 率型原始参数， 表6 + 1 车辆悬架系统原参数的优化方案 表6 2 增加了平衡桥阻尼器的优化方案一 i x ”钙弘硒 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所星交的论文是本人在导师豹指导下独立进行磷究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献豹个人； 匿集体，均已在文中汉明确方式标暖。本人完全意识到本声明| ；勺 法律后果由本人承担。 作者签名：伊目喝日期：扣以年y 月心，曩 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 学校保警共向匿家有关郝门或枫构送交论文的复印件寒电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不 采密团。 ( 请在以上相应方框爽打“”) 作者虢锶。邕 隰滞f 胃帅 导师签名：1 妙t 捧易舀期垂r 月，j 自 顺 学位沦文 1 1 汽车平顺性简介 第1 章绪论 1 1 1 率辆动力学与汽车平顺性 汽车作为最重要的陆上交通工具之一，在现代生活中占据着十分重要的位 置。汽车可以实现方便快捷的运输，比其他的陆上运输方式在翻常生活中应用更 广泛，对社会的发展有着熏要的意义。人们和汽车的关系由于社会的快速发展同 盏亲密，汽车瓣成为社会缀济生活翡重要组成部分，发达国家虽然是以汽车生产 厂商作为汽车生产的主体，但是其政府也是不遗余力的制定国家规划，指导和帮 助本国汽车产业的发展，我国受是把汽车产效作为圈民经济的支柱产业，把它作 为今后相当长时间内的经济增长点。 提高汽车的使用性能，是人们一童追求的目标，现代汽车随着社会的不断进 步露进步，其技本含量随着科学技术的提裹两不断提高，汽车豹制造者总题尽一 切能力满足使用者的要求。从动力性、燃油经济性、操纵稳定性、通过性到乘坐 的舒适性，无不尽其所能，上述的几个性能是评价现代汽车动力学特经的最根本 指标。其中汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽 车能遵循驾驶者通过转向系及转向轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽 车能抵抗于扰丽保持稳定行驶的能力；汽车的平腰性是指保持汽车在行驶过程中 乘员所处的振动环境具有一定舒适度的性能，对于载货汽车还包括保持货物完好 豹性能【。在汽车行业中习惯上把对汽车的操纵稳定性和汽车豹平j 羲性的研究统 称为车辆动力学研究【2 1 ，车辆动力学是近代发展起来的一门新兴学科，最早的有 关车辆行驶振动分析的理论研究可以追溯到1 9 0 0 年，事实上，车辆动力学在一 个世纪以前并没有被世人所承认。直剽2 0 世纪2 0 年代，才开始出现有关转向、 稳定性、悬架方面的文章，从此随着汽车在社会生活中和人们的关系日益密切， 车辆动力学锝到了较快豹发聂。严格地说，车辆动力学是研究专车辘系统运动有 关的学科，它涉及的范围很广，尽管有很多其他方面的因素影响着车辆或其他子 系统的动力学响应( 如发动机、传动系、加速、制动、防抱死和牵弓i 力控翻系统 等) ，但是汽车动力学的主要研究领域仍然是行驶动力学稠操纵动力学两个分支， 其中行驶动力学也就是车辆平顺性有关的主要性能指标是指在有限的悬架工作 空闻内，设诗人员必须为驾驶员和乘客提供良好的乘坐舒适性、可戬接受的车身 姿态以及对车轮动载荷的合理控制。也就是常在国内众多文献巾提及的座椅平顺 性、动挠度、动载荷三大评价指标。 三轴半衡悬架载重汽车平顺件分析l 优化 汽车平顺性直接影响到人和车辆两个方面。对j ：人f f l 】啬，汽车平顺性的好坏 蠢援影响到乘员的舒适性、工作效能和身体健康，好韵振动环境能保证驾驶员在 复杂的行驶和操纵环境下其有良好的心理状态和准确灵敏的反应，它将影响到 “路面人车”系统的操纵稳定性，对确保安全行驶非常薰要。舒适的振动环境 对于乘员，不仅在雩亍驶过程中很熏要，霹且可以保证到达鼹款地质以良好的身体 和心理状态投入工作。对于车辆丽言，平顺性的好坏将影响车辆的动载荷和寿命， 由于振动产生动载荷会加速零件豹痞损，使菜些部件过早发生疲劳失效，同时遂 过轮胎车轮作用到路面上，使路面易于产生疲劳损伤和宏观破坏，如果振动产生 的动载荷由于峰值过大，还会造成结构产生失稳破坏。 汽车乎顺性的评价体系涵盖了对人的主观感受秘对车辆的客观作用两个方 面，评价体系本身是一个相互关联的有机体，时车辆的客观作用指标如悬架动挠 度和车轮与路鬣闰穗对动载荷会影响到人在廉椅上感受到的振动，如动挠度和悬 架允许的限位行程不匹配，就会增加行驶中车桥撞击限位块的概率，从而使人感 受到的振动强度增大，使平顺性交坏；同样的入感受到的振动强度也在一定程度 上体现出车辆的动挠度和动载荷。对座椅平顺性的评价主要是从人感受到的振动 能最的角度出发的，人对振动能最的反应取决于振动频率与强度、作用方向和暴 露时闰，也取决予入的心理、生理状态，因此人体对振动佟用鲍反应是一个十分 复杂的过程，而且心理品质和身体素质不同的人，对振动的敏感程度有很大的差 异，所以尽管3 0 年代以来在这个方面作了许多实验研究工作，侄是难以得到非 常一致的结论，这里除了不同的学者采用的实验条件和方法不同以外，更重要的 是人体对振动的反应的评价和衡照是非常困难和复杂的问题，目前对采用客观的 心理物理鼍来评价的方法进行广泛研究，但是还是没有公认的和理想的评价指标 和界限，故人体对振动的反应的评价主要靠艨觉判断，以主观感觉为最终依据。 丽动载荷和动挠度豹响应对车辆豹影响与汽车的设计参数有关，一般会壤据其概 率分布提出，如果只在线性范围内分析平顺性，当输入时是正态分布的，那么输 出也是磁态分布的，大量测试表明，路面的随机输入和汽车的振动响成都基本符 合正态分布，那么，只要设定正态分布的标准差、界限值和概率僮，粥么振动引 起的动载荷和动挠度就可以在给定的上述3 个参数中加以评判i ：。 从上述的平颓性研究的内容看，它是现代离速、褒效率汽车的一个主要性能， 追求更离的平顺性是社会发展和技术进步的必然趋势。 1 1 2 汽车平顺性研究的发展和现状 作为车辆动力学的一个分支，要提翔汽车平顺往研究的发鼹和现状，必然是 和车辆动力学研究的发展和现状紧密联系的。 正如在汽车的平顺性概述中所提到的，平顺性研究不是汽车一出现就被人们 侦t 学位沦文 所重视的，它魅随着社会的发展和人们对生活质量的提高而愈显重要，它的发展 是伴随汽车动力学的发展两发展，车辆行驶振动分柝的基本理论可逡溯到1 9 0 0 年，当时l a n c h e s t e r 设计了他自己的1 0 1 2 马力汽车，他对该车的悬架参数，包 括所谓的“s t a t i cy i e l d ”( 静态产生) 的垂直振动和俯仰频率等有了初步的认识， 揭示了熬架几何尺寸及定能对控制车身侧倾的重要性，瓤车身魄但4 倾又会使驾驶 员感受到侧向干扰的影响。进入到2 0 世纪3 0 年代，人们对车辆行驶平顺性的研 究主要是基于经验设计箍a 数学计算，那时，人们对橡胶衬套在专审制蔫频振动中 的作用已有所认识，以o l l e y 为核心人物的脊关行驶平顺性问题的讨论一直持续 到3 0 年代末，其中的焦点问题是车身振动固有频率、车身俯仰固有频率及其与 前后悬架刚度疆配关系等重要问题。 2 0 世纪3 0 年代平顺性的大讨论结束以后，出现大量的各种各样的独立悬架 的动机是试图尧服与前援设计相关的周期栏摆振，西实际上前挢转向系统豹设计 真接影响着行驶动力学和操纵动力学两个方丽，工程师们在设计汽车时没有能从 全局的角度出发考虑动力学的问题。程随后的2 0 年时阔里，汽车动力学的进展 甚微，进入到5 0 年代以质，汽车动力学的发展进入了一个黄盒时期。s e g e l 在 1 9 9 3 年对这一早期阶段的动力学发展做了一个总结，其中关于平顺性的有以下 三个阶段：第一除段( 至2 0 世纪2 0 年代拐矮) ，认识到乘坐的舒适 生是车辆性 能的一个重要方面；第二阶段( 从3 0 年代到1 9 5 2 年) ，了解了简单的轮胎力学， 弓l 入了独立悬架，对搡纵稳定性和平颓性之阔豹协调关系有了初步的认识；第三 阶段( 1 9 5 2 年以后) ，开始采用随机振动理论对行驶平顺性进行性能预测1 3 1 。随 后豹几十年，汽车制造厂商们意识到行驶平顺性和操纵稳定性在车辆产品竞争中 豹重要佟愿，因瓤车辆动力学锝到迅獯发展。在试验方蘑，车鳜行驶振动分毒厅仪、 路面测爨、转向信号传感装置、变车道、j 转向等试验方法和测试技术日趋完善。 大约在这个对期，行驶平顺惶和操缴稳定性之闯豹协调关系的重要往也开始棱入 们认识，也是在这一时期，出现了各种各样的独焱悬架设计。 在对车辆动力学的两个方面进行研究时，长期以来，人们大都是分别独立研 究平腰性和操纵稳定性耀个方露问题。面事实上，实际运行中的车辆同时会受到 行驶和操纵两方面的输入，分别研究两个方面的合理性是否存在呢? 我们知道， 转囱过程中，路露程给车辆提供侧囱力的同时，瞧给悬架提供垂直输入干扰，车 辆的行驶特性和操纵特性必然魁相互作用的，悬架元件的作用除支撑车辆、隔离 路面干扰外，还将控制转向时的车身姿态，并传递来自轮胎的力，同样的车身运 动可由籍驶输入引起，如路面不平弓l 起车身侧倾，也可由操纵方覆引起，女眭转向 时引起的车身侧倾，是否j 煦该分别研究行驶和操纵这两个方面的内容? 对此问题 一壹存在不嗣的看法。一耱观点认为，既然行驶和搡缴实际上是同时发生豹，那 么这两个方面的研究也要和实际一致：而支持分别处理的主要理由是：那些主要 三轴平衡醛粜裁，虬l ”m 性分析与优化 影响行驶行为的力和运动对操纵稳定悄- 0 i 产生显著影响，反之，那蝗主导操纵稳 定性的力和运动对行驶特性也无照著影响。行驶振动主要与悬絮和轮胎的垂赢方 向的力引起车囊跳动和俯仰运动有关，而操纵稳定性主要和轮胎的侧向力有关， 并由于侧向力而弓j 起车辆的侧滑、横摆、侧倾，因此，将行驶与操纵动力学分别 处理的动机可以解释为一种实用主义观点，主要是为了减少其分析工作量，易于 处理。总之，车辆动力学学术领域对分开处理的方式基本上一致认同1 2 l ，虽然功 能强大的计算机技术的发鼹正在唤起将两者结合分拆的兴趣，但是将行驶稆操纵 响应混在一起处理的仍然不多。国内较早进行车辆动力学研究的学者，如庄继德 4 1 、郭孔辉5 1 等在车辆操纵动力学方面的研究，罗明廉【6 ， 、赵六奇1 8 , 9 , 1 0 1 等对汽 车平顺性方蘑的研究，都是采用分别处理。基于这样个认识，本文在擐讨平顺 性时只考虑路面垂直方向的不平度作为输入时的车身振动响应，而没有把由于侧 疑力作惩戆晌缎考虑在内。 关于汽车平顺性的研究随着年代的不同体现出不同的研究侧重面，早期的汽 车焉悬架比前懋架软，因为最重瑟的入物一一车主，通常是坐在车豹焉部，在随 后的发展中，由于车主本人通常也成了驾驶者，故前悬架通常也做的比后悬架软， 以提高乘坐的舒适性。直至今天货车由于总布置上的原因，驾驶员的位置是在车 辆的蘸部，再加上载重后汽车的重心质移，教翦悬紧比后悬架软，这个移一囊以 来形成的观念和经验是相一致的。平顺性的研究在早期是基于经验设计而不是数 学计算。那时，人们对橡胶衬套在辛审制高频振动的作用已经有所认识，并对车身 的振动固有频察、车囊俯仰固有频率及其与前后悬架刚度匹配等重要问题有了进 一步的认识。随后车辆动力学的进一步发展是在完善的测羼和计算手段出现毗后 才褥以实现，键于英国n u n e a t o n 镇的夔国汽车研究所( m i r a ) 对该领域的发鼹功 不可没，所做的贡献包括路面特征的测量、主观评价和客观测试的关系、行驶平 颓性测薰仪豹开发，以及率先采用了计算机器在动力学领域进行了计算研究等 1 1 a 2 1 。还有一些车辆动力学研究的先驱，包括美国的c l a r k 、b u t k u n a s 、h e a l y 和德国的m i t s c h k e 等人，他们在车辆建模与分析中，均采用了以轮胎接地点处 的随枧路砸输入作为激励输入的集中质量模溅( l u m p e dm a s sm o d e l ) ，在路垂 特性的描述方面较早取得成果的还有东京大学的高桥安人，他在1 9 5 3 年曾经将 测定豹到的路露起伏数据进行统诗处瑾，得到了路嚣不平度功率谱1 1 ”。 与动力学有关的标准和法规的制定是一个不断发展的过程，不论何时，总 会有一些草案在拟订之中，并作为下一个即将颁布标准的基础。在行驶振动方面， 描述人体对振动响应应用最为广泛的标准是i s o2 6 3 1 ，路面表达的国际通用标 准格式为i s o8 0 0 2 ，有关平顺性测试仪器的标准为i s o8 0 4 1 ，这些评价标准随 着对汽车振动与久的主观感受的认谚 不叛深入雨褥到发展，空噩入体对振动响应的 标准从原来i s o2 6 3 l ：1 9 7 4 发展到目前的最新版本i s o2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( e ) 。 坝十学位沧丈 在动力学发展的同时，主动控制理论与技术也开始应用于车辆的控制系统， 甚至可以说，主动控制技术代表了车辆动力学发展的另一个里程碑。尽管在2 0 世纪6 0 年代早期，已经有人开始进行了些这方面的基础性研究工作，但是首 先使用主动悬架的基本思想和控制律设计得以完善的应该是t h o m s o n 【l ”。更有 实际意义的是，l o t u s 公司在8 0 年代制作了第一辆装有主动悬架的原形样车【2 j 。 以往的车辆动力学研究都是针对被动元件( 如弹簧、阻尼、轴套等) 的设计而言， 而采用主动控制来改变车辆的动态性能的理念，则为车辆动力学开辟了一个崭新 的研究领域。特别是关于旨在开发先进的控制律以及预测其控制效果等方面的理 论研究，更成为人们广泛关注的研究热点。然而，这些理论的应用还将取决与实 际执行机构和相关控制元件的设计。关于主动控制在早期发展阶段主要是在高档 轿车和工程车辆中有较多的应用，在载货汽车的应用只是近年来才得以有所发 展，主要的问题归根结底是车辆的成本因素。 计算机技术及应用软件的开发，使建模的复杂程度不断提高，可以体现出两 种发展趋势。第一种发展趋势中，计算机充当着传统的角色，即求解描述车辆性 能的运动微分方程，或者赢接积分产生时间历程的仿真结果，或者通过线性化模 型进行稳定性分析和频率响应分析。第二种发展趋势是利用计算机方法产生方程 本身，这种被成为多体系统分析的方法在动力学分析中得到了广泛的应用，它把 动态系统看作是由铰链和内力连接起来的刚体组合，在外力作用下产生运动。有 许多方法可以将这种描述转化成一组运动方程组，众多的程序也就应运而生。 现代汽车动力学研究中可以采用分析方法及软件可以分为以下几类 2 】： 1 目标设计仿真软件，如h v o s m 、l v d s 等。 2 产生仿真结果的多体程序，如a d a m s 、d a d s 等。 3 产生代数方程的多体软件，如a u t o s i m 、n e w e u l 等。 4 由用户提供模型的软件包，如v d a s 、m a t l a b 等。 对车辆动力学而言，上述方法各有其优缺点，最大的困难在于如何选择适合 于某一特定问题的计算工具，还有其他的一些实际因素要考虑，如软件的成本、 可用性、用户对该软件的使用经验、所提供的计算硬件设施等，这些也可能成为 选择软件的主要因素。 1 2 课题研究的现实意义 国内汽车产业的发展趋势是根据用途和车型的不同产生了两种态势，乘用汽 车的发展趋势是经济型的轿车走入家庭，微型轿车和小型轿车在近两年的发展是 有目共睹的，这个和大部分的发达国家的现阶段的趋势有所不同，这是和我国的 基本国情相一致的；而载货汽车的发展趋势是随着高级别公路特别是高速公路的 发展产生了新的发展趋势，长途公路货运不再是以中小吨位汽车为主，专业化， 轴半衡悬架载重汽牛平顺忤分 _ j j 1 i _ _ _ 化 瞢型化的货车成为主要的发展方向，即使是日前莉：j i l 的：琶流车型中型货车，也在 使用中采用加长，拖挂列车，改装成半挂牵引车的形式，来提高运输效率【15 l 。 在国内众多的汽车生产厂家中，涉及中型以上货车生产的都投入了很大的力 案对产品进行了升级换代，或者对产品进行改进，对汽车性能也是不遗余力地进 行了提高，以适应越来越激烈的国内外竞争。但是由于现阶段我国的汽车研发是 制约我国汽车行业发展的薄弱环节，有很多产品是引进技术生产或是仿制，对汽 车基础理论和核心技术的研究的投入不够，以至于相当多的车型在生产后存在着 比原型车或是国外的原装车在性能上有很大的不足，特别是在竞争激烈的市场环 境下，提高自己产品性能的要求变得极为迫切。 本研究是在某汽车厂和湖南大学机械与汽车学院及力学系合作，为其生产的 系列货车平顺性的提高而进行的研究。在前一阶段的研究中，课题组对三种型号 的载重货车进行了平顺性的评价和参数优化，提出了多种优化方案，由于受汽车 厂提出的不对汽车的底盘参数进行大改动这一条件的限制，实际的性能提高有 限。本文是基于前一阶段工作的基础上进行的，考虑到算法是很成熟方法，把研 究的重点放在汽车振动力学模型和优化方案的改进上，车型只考虑采用了全浮驾 驶室的平衡悬架三轴自卸式载重汽车。 1 3 本论文研究内容 由于研究的是全浮驾驶室平衡悬架三轴自卸式载重汽车的平顺性的提高，根 据实际车型建立合理的动力学模型，采用m a t l a b 进行编程计算，分析现有参 数下的平顺性，对各种改进方案进行优化计算，得到比较满意的结果。 具体研究的内容如下： 1 对中后桥为平衡悬架的载重汽车的振动模型做出深入的分析，根据实际 的平衡悬架工作原理和实际情况，对平衡悬架弹簧分开等效以及整体等效的情况 进行评估，得到了比较合理的模型。 2 根据建模分析的结果，建立全浮驾驶室的平衡悬架三轴自卸式载重汽车 的平顺性1 2 车辆振动模型，利用频域方法求解汽车的随机响应，计算驾驶室座 椅位置的垂直方向和绕y 轴方向响应的总加权加速度均方根值，为评价现有车型 的平顺性提供定量依据，也为改进车型的平顺性提供定量预测。 3 以驾驶室座椅位置垂直方向和绕y 轴方向响应的总加权加速度均方根 值为目标函数，用m a t l a b 软件编程计算，对车型的悬架系统参数进行优化， 并根据实际的要求，分析了各种可能方案的优劣，用最小的改动来获得平顺性提 高的最好效果。 4 针对优化前后参数的变化，给出了各桥动载荷和动挠度的变化情况，为 实际的设计改动提供有意义的参考。 硕士学位论文 本文的特色和创新体现在以下方面： 1 从工作原理的角度出发，充分论证了汽车平衡悬架在建立平顺性模型时 弹簧作为整体考虑比分开等效处理更加符合实际情况，并且探讨了这两种处理方 式对分析平顺性所带来的影响。 2 采用1 2 车辆模型来评价汽车的平顺性时，大量文献中一般只采用垂直 方向的加权加速度均方根值来评价，在本文中把车辆的俯仰振动也加以考虑。 3 在优化方案选择中，就改动最小的原则，对各种方案进行了详细的探讨， 对方案的可行性从工程实际和实际效果上做出了详细的说明。在优化的基础上对 该车型的平顺性改进提出了改进意见，为实际的生产提供了有意义的改进依据。 轴平衡怂驰放忆i 午平脓性分析与优化 第2 章平顺性模型的建立及其计算方法 2 1 引言 作为车辆动力学的一个分支，汽车的平顺性研究首先要建立合理的动力学模 型。由于功能强大的计算机及软件的出现，使得细节非常复杂详细的模型可咀方 便地得到和计算，但是建立一个“万能”的模型的设计思想至少在现阶段是不可 行也是不经济的。目 j 在行驶动力学的研究中，有的规律是可以用数学建模方法 来描述的，实际中仍然有大量其他的因素影响着乘员对乘坐舒适性的主观评价， 它们还没有能够用数学模型来准确地预测，作了简化的模型在研究这些方面用来 了解系统内在的复杂关系，井提供性能趋势的预估。 由于路面的输入是一个随机过程，汽车的振动响应自然也是一个随机过程。 随机振动理论发展，对汽车平顺性研究起了极大的推进作用。我国学者在随机振 动领域的研究工作在2 0 世纪7 0 年代中后期才开始发展，近1 0 年恻得到了迅速 发展，在车辆工程方面得到广泛运用，一般可分为频率域解法和时间域解法。 2 2 汽车平顺性模型的建立 车辆动力学的首要问题是是动力学模型的建立，而分析平顺性最简单的数学 模型应该是具有7 个自由度的整车系统模型i l “，也就是4 个车轮加上车身的垂 商，俯仰，侧倾3 个自由度：如果把模型建立得再详细一些，可以把座椅作为对 平顺性影晌较大的因素考虑到系统中去，同时考虑发动机和传动系以及轮胎在运 转过程中的不均匀性与不平衡性，那么汽车的动力学模型将增加到1 3 个自由度 1 1 7 1 ，随着功能强大的仿真软件的普及和应用，包括衬套等复杂细节在内的车辆 模型也可以方便得到l l7 1 。 通常，我们可以把这样的动力学建模问题分为两大类，一类是可以通过数学 建模分析的问题，可以称为“p r i m a r yr i d e ”( 主行驶) 问题。然而，对于主行驶 问题的研究还无法将汽车中所有的行驶振动特性完整而真实的描述出来，实际中 还有大量其他因素影响着乘员对乘坐舒适性的主观评价，包括1 5 赫兹以上的结 构振动的响应、更高频率范围内的振动噪声问题( h a r s h n e s s ) 、悬架系统中橡胶 衬套的影响、对路面阶跃及凹坑等路障的纵向冲击的响应、人对振动的响应等。 目前几乎还没有办法来用数学模型准确地预测这些影响，通常将这些问题划归 “s e c o n d a r yr i d e ”( 二级行驶问题) 。比如说。对路面凹坑这样的离散输八，对 悬架系统振动噪声响应的评价，一般会涉及到3 个方面的问题，包括轮胎在路面 输入处变形时的动态响应、纵向和垂直的悬架非线性动力学性能、驾驶员的响应 输入处变形时的动态响应、纵向和垂直的悬架非线性动力学性能、驾驶员的响应 硕士学位论文 特性。围绕其每方瑟，有众多不确定的因素，因而生产厂商必须依赖经验丰富 的测试驾驶员来进行主观评价。这并不排除数学分析在解决动力学问题中作用， 设计人员仍然需要通过模型来了解系统内的复杂关系，并提供性能趋势的预佶 2 1 。 在理论上复杂的模型建立以后，针对根据掰分析问题的侧重点、进行分柝时 所采用的工具对模型进行相应的简化，否则对分析的成本和周期不利，最终影响 到产品的生产。那么，模型建立复杂程度是用什么原则去衡量的? 首先要明确什 么是最关心、最需要的信息，这个是选择模裂复杂程度的基本原则。例如，在考 虑轿车悬架和阻尼的基本设计阅题的时候，选择一个双质量单轮模型应该是合理 的，然而它对探讨悬架树套刚度等细节问题就是不合理的。现在对于车辆动力学 最关注的闽题是，耍突出建立模型的开始帮结尾，开始阶段茁先要考虑的是模型 对实际问题的反映程度；结尾阶段则是对应于这一实际问题，如何解释你的模型 的计算结果；中间那些环节仪仅是涉及一些数学计算箍已。 2 。2 1 振动频率范围对建模的影响及动力学模型的建立 车辆在路武上彳亍驶时的振动环境实际上j e 常复杂，影响乘员舒适性的振动分 量频率分布也很宽，就车辆乘坐舒适性而言，通常是以噪声( n o i s e ) 、振动 ( v i b r a t i o n ) 和高频噪声( h a r s h n e s s ) 或称之为啸鸣，即n v h 来描述。一般将 车辆振动频率范围大致划分如下： 0 1 5h z ，剐体运动； 1 5 1 5 0 h z ，结构振动，板件共振： 1 5 0 h z 以上，噪声及啸鸣。 典型的共振频率范围通常为： 车身共振频率，1 1 5 h z ( 当阻尼比约为临界值的o 3 倍的时候) ； 车轮跳动，1 0 1 2 h z ； 座椅上的乘客，4 6 h z ； 悬矍的发动枫和变速器，1 0 2 0 h z ； 结构共振频率， 2 0 h z ； 轮黔共振频率，3 0 5 0 h z 和8 0 l o o h z 【2 】。 由于是针对悬架系统的动力学建模，如何协调各个相互矛盾的性能指标，以 便达到某种意义上的悬架系统最优设计的目的是必须认真考虑的问题，这也决定 了所建数学模型的复杂程度。问对，也要考虑在实际悬架设计中什么是设计者可 以确定的参数，这些参数有：悬架刚度( 包括弹簧和导向元件) 、阻尼、防撞缓 冲块的性质、衬套刚度等。其他一些参数如簧上质量和簧下质量之比( 一般会给 定) 、轮胎特性、簧下旗爨、重心的布受等一些重要的参数，悬架的设计者无法 9 轴、严莉姓架载霞汽车平顺性分析与优化 控制1 2 , 18 ，这一般是由总体设汁和零部件配套等原因造成的。在悬架系统中，衬 套的刚度主要是影响高频响应的传递特性，它对低频下的振动特性影响很小，缓 冲块在悬架达到极限位置时造成的冲击响应，属于典型的非线性响应的范围 1 9 1 。 对于汽车平顺性而言，对人体振动感受最敏感最主要的频段是在低频段【2 2 扪， 参照上述的车辆振动范围，研究的重点主要应该放在悬架的刚度和阻尼参数的设 计方面，而缓冲块的极限位置的情况放到动挠度设计时规定的撞击概率中去限 制，同时也受到汽车车身布置的影响。 针对要研究的人体受到的振动这一问题，明确了平顺性模型所要考虑悬架的 参数后，就可以建立模型了，这个模型当然应该包括对刚体运动模态产生控制作 用的所有参数，包括簧上和簧下的质量，弹簧刚度和阻尼系数，簧上质量和簧下 质量的转动惯量，