（化工过程机械专业论文）轻型载货汽车行驶平顺性建模仿真及试验研究.pdf

摘要 摘要 汽车工业是我国的支柱产业，其中轻型载货汽车占有相当大的比重。轻型载 货汽车的发展在汽车工业中起着很重要的作用，在能源、交通等基础行业中更是 不可替代。随着生活水平的提高，人们对汽车乘坐舒适性的要求也越来越高，汽 车行驶平顺性已经成为其在市场竞争中夺取优势的一项重要性能指标，平顺性的 好坏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“路面一人一车系统的操纵 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。 为了对轻型载货汽车进行行驶平顺性优化设计，本文首先运用拉格朗日方程 法建立了平面七自由度轻型载货汽车行驶平顺性动力学模型，推导出动力学模型 的运动微分方程，并讨论了方程中的质量、转动惯量、刚度、阻尼和各质量质心 位置间距等系统参数的试验测定方法及路面不平度输入确定方法。随后，讨论了 人对振动的反应及行驶平顺性评价方法，基于建立的行驶平顺性动力性模型对轻 型载货汽车进行动力学固有特性分析、频响特性分析和动态响应分析，给出了行 驶平顺性的评价指标一驾驶室座椅处垂直加速度的均方根值的计算方法，并以 w l 轻型载货汽车为例求出了其驾驶室座椅处垂直加速度的均方根值。为了验证 建立的行驶平顺性动力学模型的准确性和分析w l 轻型载货汽车的异常振动的原 因，对w l 轻型载货汽车分别做模态试验、空转试验和路面行驶试验。从固有特 性和动态响应两个方面验证了建立的动力学模型，并分析了w l 轻型载货汽车的 异常振动的原因，为轻型载货汽车的动态优化奠定基础。 由于前后悬架垂直刚度和前后减震器阻尼的不同匹配对汽车行驶平顺性影响 较大，本文建立了以驾驶室座椅处垂直加速度的均方根值为汽车行驶平顺性优化 山东大学硕士学位论文 目标值、以前后悬架垂直刚度和前后减振器阻尼作为设计变量的优化设计模型， 基于建立的行驶平顺性模型，分析各设计变量对载货汽车行驶平顺性的影响，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，得到各车速下驾驶室座椅处垂直加速度的均方根值，与优化前比 较，验证了优化的效果。 关键词轻型载货汽车；行驶平顺性；平顺性模型；平顺性评价；动态特 性；平顺性试验；动态优化 u a b s t r a c t a b s t r a c t t h el i g h t d u t yt r u c k sa c c o u n tf o ral a r g ep r o p o r t i o ni na u t oi n d u s t r yt h a ti so n eo f t h em o s ti m p o r t a n ti n d u s t r i e si nc h i n a a n dt h ed e v e l o p m e n to fl i g h t d u t yt r u c k sa l s o p l a y si m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fa u t oi n d u s t r y t h er i d ec o m f o r ti sr e q u i r e d m o r ea n dm o r es t r i c t l yw i t ht h ei m p r o v e m e n to fs t a n d a r do fl i f e i th a sb e c o m ea n i m p o r t a n tp e r f o r m a n c ei n d e xb yw h i c ht h ev e h i c l eg a i n i n ga d v a n t a g e i nt h ec o m p e t i t i o n i tc a ni n f l u e n c eb o t hp a s s e n g e r sa n dt h ev e h i c l e sd i r e c t l y 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 ，r e s p o n s et o t 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 ft h ed r i v e rw h e nt h e yh a v eb e e n e 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 et h es t a b i l i t y o 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 ei nk e e p i n gd r i v i n gs a f e t y 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 sa l s oi m p o r t a n tt ot h ep a s s e n g e r si ng u a r a n t e e i n g t h e i rh e a l t h ya n de 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 e p e r f o r m a n c ei n f l u e n c e st h ew o r k i n gs p a c eo fs u s p e n s i o n sa n dt h ed y n a m i cl o a d so f t y r e s t h ed y n a m i cl o a d sc a u s e db yv e h i c l ev i b r a t i o nw i l la c c e l e r a t et h ew e a ra n dt e a r o fv e h i c l ea s s e m b l i e sa n dp a r t s ，w h i c hl e a d st ot o oe a r l yf a t i g u ef a i l u r eo ft h e a s s e m b l i e sa n dp a r t s w h e nt h ed 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 of a t i g u ed a m a g ea n dm a c r o s c o p i cd a m a g e d y n a m i ct y r e l o a d sw o u l da l s ol e a dt ot h ed e s t r u c t i o no fv e h i c l e si ft h ea m p l i t u d eo fi t sr e s p o n s e si s o u to fr a n g e i no r d e rt oa n a l y z ea n do p t i m i z et h er i d ep e r f o r m a n c eo fl i g h t d u t yt r u c k s ，as e v e n d e g r e eo ff r e e d o mr i d ep e r f o r m a n c em o d e li se s t a b l i s h e dw i t ht h el a g r a n g e se q u a t i o n m e t h o d t h em o t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o n so ft h er i d ep e r f o r m a n c em o d e la r ed e r i v e d ， t h em e a s u r e m e n tm e t h o d so fm a s s ，m o m e n to fi n e r t i a , s t i f f n e s s ，d a m p ，d i s t a n c e so ft h e m a s sc e n t e r sa n dr o a dr o u g h n e s si n p u t si nt h er i d ep e r f o r m a n c em o d e la n dt h ea r e d i s c u s s e ds u b s e q u e n t l y a f t e rt h a t ，t h ed y n a m i c sn a t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sa n d d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i sa r ec a r r i e do u tt og e tt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fn a t u r a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er i d ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nc r i t e r i o n ( t h er o o tm e a ns q u a r ev a l u e i i i 山东大学硕士学位论文 o fv e r t i c a la c c e l e r a t i o no nt h ed r i v e r s s e a t ) m o d a le x p e r i m e n t s ，i n d o o rr a c i n g e x p e r i m e n t sa n do u t d o o rr u n n i n ge x p e r i m e n t sa r ec a r d e do u tt h e nt ov a l i d a t et h er i d e p e r f o r m a n c em o d e la n da n a l y z et h ea b n o r m a lv i b r a t i o nc a u s e so fw ll i g h t d u t yt r u c k b e c a u s eo ft h el a r g ei n f l u e n c eo ft h ed i f f e r e n tm a t c h u po ft h ev e r t i c a ls t i f f n e s so f t h es u s p e n s i o n sa n dt h ed a m po fs h o c ka b s o r b e r s ，o p t i m a ld e s i g nm o d e lt h a tu s e st h e r o o tm e a ns q u a r ev a l u eo fv e r t i c a la c c e l e r a t i o no nt h ed r i v e r ss e a ta st h eo b j e c t i v e f u n c t i o n ，u s e st h ev e r t i c a ls t i f f n e s so ft h es u s p e n s i o n sa n dt h ed a m po fs h o c ka b s o r b e r s a si n f e c t i o nv a r i a b l e si se s t a b l i s h e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fi n f e c t i o nv a r i a b l e st ot h e r i d ep e r f o r m a n c eo fl i g h t - d u t yt r u c k s e v e r a lo p t i m i z a t i o ns c h e m e sa r ep r o p o s e db a s e d o nt h ea n a l y s i s ，a n dr o o tm e a ns q u a r ev a l u e so fv e r t i c a la c c e l e r a t i o no nt h ed r i v e r ss e a t u n d e rd i f f e r e n ts c h e m e sa r eo b t a i n e da n d c o m p a r e d t ov a l i d a t et h ee f f e c to f o p t i m i z a t i o n k e y w o r d sl i g h t d u t yt r u c k ；r i d ep e r f o r m a n c e ；r i d ep e r f o r m a n c em o d e l ；r i d e p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；r i d ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t ； d y n a m i co p t i m i z a t i o n ； i v 符号说明 符号说明 a o 一参考加速度均方根值，g 口一加速度自功率谱密度， a o = 10 6 m s 2 m e s 2 h z ： a j一中心频率为石的第( ，- l ，q 一路面功率谱密度，m ； 2 ，2 0 ) 个1 3 倍频带加速g v j b 一系统第i 个自由度的速度 度均方根值，m m ； 响应的自功率谱密度， a w 一加权加速度均方根值， m 2 s ； m s 2 ； q 而一振动系统第f 个自由度的位 c 1 一前减震器等效阻尼，n m s l 移响应的自功率谱密度， c 2 一后减震器等效阻尼，n m s ； m 2 s ： c 3 一驾驶室前橡胶垫等效阻尼， 一簧载质量绕其质心横轴转动 n r n s ； 惯量，k g m 2 ； c 4 一驾驶室后橡胶垫等效阻尼， 五一驾驶室绕其质心横轴转动 n r n s ； 惯量，k g m 2 ； c 5 一动力总成悬置等效阻尼，k 一轴向加权系数，无量纲； n m s ； 岛一前轮垂直刚度，n m ； 岛一系统的耗散能，j ； 如 一后轮垂直刚度，n m ； 风一系统总动能，j ； 岛 一前悬架垂直刚度，n m ； 廓一系统总势能，j ；缸 一后悬架垂直刚度，n m ； 厂一时间频率，h z ；砖 一驾驶室前橡胶减震器垂直 几一1 3 倍频带的中心频率为石的 刚度，n m ； 下限频率，h z ； 一驾驶室后橡胶减震器 石一第妒1 ，2 ，3 ，2 0 ) 个l 3垂直刚度，n m ； 倍频带中心频率，h z ； k 7 一动力总成悬置垂直刚度， 五，一系统第，阶固有频率，h z ；n m ： 局一l 3 倍频带的中心频率为石的 ， 一轮距，m ； 上限频率，h z ； ，l 一前桥总成质心至簧载质量 g o , q 一系统第f 个自由度的加速度质心水平距离，m ； 响应的自功率谱密度， 如一后桥总成质心至簧载质量 m 2 s z h z ； 质心水平距离，m ； v 山东大学硕十学位论文 如驾驶室前橡胶减震器至驾驶 室质心水平距离，m ； 厶驾驶室后橡胶减震器至驾驶 室质心水平距离，m ； l s驾驶室前橡胶减震器至簧载 质量质心水平距离，m ； 氏 一驾驶室后橡胶减震器至簧载 质量质心水平距离，m ； ，7 一动力总成质心至簧载质量 质心水平距离，m ； i s驾驶室座椅至驾驶室质心 水平距离，m ； m l 前桥总成质量，k g , m 2 一后桥总成质量，k g ； m 3 簧载质量，k g ； m 4 一驾驶室质量，k g ； 聊5 一动力总成质量，k g ； g 一路面不平度函数，m ； q 一除保守力以外的旌加力，n ； z 一驾驶室座椅垂向位移，m ； 三 一驾驶室座椅垂向速度，m s ； 三 一驾驶室座椅垂向加速度， n s ： 厂一1 3 倍频带带宽，h z ； f 一减震器阻尼比，无量纲； 一圆周频率，r a d s ； ，一系统第r 阶固有角频率， r a d s ； 口】一系统自由振动时的振幅 矩阵，m ； 【c 】一系统阻尼矩阵，n r n s v i 【圈一系统刚度矩阵，n m ； m i 一系统质量矩阵； x ) 一各自由度的位移组成的 列向量，m ； 力) 一各自由度的速度组成的 列向量，m m 膏 一各自由度的加速度组成的 列向量，m s 2 ； 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科研 成果。对本文的研究作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责任由本人承担。 论文作者签名：鲫贝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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：本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：疹次r导师签名：乏邀日期：丝墨：生：三f 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题背景和意义 汽车工业是我国的支柱产业，其中轻型载货汽车占有相当大的比重。轻型载 货汽车的发展在汽车工业中也起着很重要的作用，在能源、交通等基础行业中更 是发挥着不可替代的作用。 本文研究的轻型载货汽车是指总质量为1 8 6 t 的货物运输汽车，其中包括轻 型载货汽车、皮卡以及目前中国特定发展时期依然存在的四轮农用运输车。该车 型主要承担城乡间中短途运输任务，市场需求量大，是仅次于轿车的第二大市 场。从1 9 5 8 年南京汽车制造厂生产出第一辆跃进2 5 t 轻型载货汽车以来，中国 轻型载货汽车工业已经走过了近5 0 年的发展历程，改革开放以后，随着中国国 民经济的快速发展，轻型载货汽车行业也得到了巨大的发展【l 】。 汽车的行驶平顺性是指汽车能吸收行驶时所产生的各种冲击和振动的能力， 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。它是评价汽车使用性能的一项重要指标。行驶平顺性主要是根据驾驶员的舒 适程度来评价，因此又称为乘坐舒适性【2 】。车辆的行驶平顺性差不仅可导致车上 乘员疲劳和货物的破损，还会使整车零部件过早磨损和疲劳损坏，影响车辆的正 常使用寿命。此外，车辆的行驶平顺性不好，还会限制汽车动力性和经济性的发 挥。将汽车振动在限制一定程度以下，以保证驾驶员在长时间复杂的行驶和操纵 条件下，具有良好的心理和生理状态、准确灵敏的反应，对影响“人一汽车一道 路 系统的操纵稳定性，确保行驶安全是非常重要的。舒适的振动环境对于乘 员，不仅在行驶过程中很重要，而且可以保证乘员到达目的地后，以良好的状态 投入工作。对于载货汽车来说，行驶平顺性影响着货物保持完好的程度。因此， 行驶平顺性是现代高速、高效率汽车的一个主要性能指标。研究如何使汽车具有 良好的行驶平顺性，是产品开发过程中不可缺少的一个重要环节，已得到汽车设 计人员的高度重视【3 ，4 】。随着我国经济建设的迅猛发展，高速公路和高等级公路里 程也在高速增长，汽车运输业务因其无可比拟的灵活性成为了货物传递的首选。 近几年来，我国汽车拥有量快速增长，高速公路和高等级公路迅速建设，汽车行 驶里程越来越远，乘客乘坐时间越来越长，汽车的行驶平顺性更加受到汽车厂家 山东大学硕士学位论文 及用户的关注【5 1 。因此，对汽车行驶平顺性的研究具有很强的现实意义。 1 2 国内外研究现状 汽车的行驶平顺性可由图1 1 所示的“路面一汽车一人 系统的框图来分 析。其中，振动系统由轮胎、悬架、座椅等弹性、阻尼元件和悬挂、非悬挂质量 构成。路面不平度和车速形成了对汽车振动系统的“输入 ，振动系统的“输 入”经过振动系统的传递，得到系统的“输出 悬挂质量或进一步经座椅传 至人体的加速度。此加速度通过人体对振动的反应舒适性程度来评价汽车的 行驶平顺性伫1 。 n 、 输出：评价指标 啦，1 汽车兰= = 车身传至人体的加速度u加权加速度均方根值 撞击悬架限位概率 竺罐萨 人体i 车轮与路面之间的动载| i 行驶安全性 车 速i 悬架弹簧动挠度厂r 叫 2 图1 - 1 “路面汽车一人”系统框图 目前，汽车平顺性研究的主要方法可分为试验方法与理论方法( 如图1 2 ) 。 图1 2 汽车振动系统研究方法 第1 章绪论 试验方法包括室外道路试验、试验场试验和室内模拟试验，而理论研究是力求建 立能完全反映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 出行驶平顺性分析所需要的振动响应量，并将其进行数据处理，与相应的行驶平 顺性评价指标相比较，从而预测和分析汽车行驶平顺性。与试验相比，理论研究 不受试验条件的限制、可缩短研究周期、节约研究开发费用、指导产品的优化设 计和预测新产品的性能等方面具有明显的优势，因而各国的工程技术人员更多在 理论方法方面做了大量的研究【6 】。 1 2 1 汽车动力学模型研究 研究行驶平顺性的目的是要控制振动的传递，使乘坐者不舒适的感觉不超过 一定界限，这就要求掌握汽车振动各环节的特性，即人对振动的反应、汽车振动 系统的传递特性和作为振动“输入”的路面不平度的统计规律。要准确地预测汽 车的振动响应，首先应建立合理的动力学模型。汽车行驶平顺性研究广泛采用的 动力学模型大致有三种：二自由度四分之一模型、四自由度半车模型、七自由度 全车模型【7 1 。r o b s o n t 8 1 ，y a n g 等人9 1 ，w i l l i 锄s 【1 0 】分别用两自由度四分之一车模 型来分析汽车的垂直振动。z h u 1 1 】等建立了带非线性弹簧和阻尼的4 自由度半车 动力学模型，并分析了振动响应的分岔和混沌现象。m y a m a s h i t a 等 1 2 a 3 建立了 七自由度全车动力学模型。此外，国内研究者还建立了二维五自由度【1 4 1 7 】，三维 七自由度【1 8 2 0 1 、三维八自由度 2 1 2 4 】、整车三维十三自由度模型【2 5 2 8 1 、整车三维十 五自由度模型 2 9 , 3 0 1 等，汽车行驶平顺性动力学建模研究现状汇总于表1 1 。理论 上讲，如果自由度的选择符合汽车的力学特性，自由度数目越多，其仿真结果就 越接近汽车的实际振动规律，但实际情况并非如此，随着自由度增多需要确定的 参数也增多，而确定较多的参数困难也增大，并且参数越多，误差也越大，因此 自由度数目应根据实际情况而定。全车模型能全面描述汽车的运动状况，较四分 之一车模型、半车模型较为准确，但模型太过复杂，而且设计出的控制器阶数较 高，结构复杂，参数难于确定，不便实现。四分之一模型虽然结构简单，便于控 制，但是只能表征车身的质心加速度和速度的变化，因而效果也不理想。半车模 型既能表征车身的质心加速度和速度的变化，又能表征车身绕其质心轴的俯仰角 加速度和角速度的变化，结构也不太复杂，不失为一种既方便计算又能表征汽车 悬架特性的较为理想的模型【3 1 1 。 山东大学硕十学位论文 表1 1 汽车动力学建模研究现状 研究者研究内容 r o b s o n t ，y a n g 等，w i l l i a m s 用两自由度1 4 车模型来分析汽车的垂直振动 z h u 等 带非线性弹簧和阻尼的4 自由度半车动力学模型 m y a m a s h i t a 等，k h a y a k a w a 等 七自由度全车模型 阚萍，陈步达等，左卓等，邹晓华等二维五自由度模型 于翔，张洪欣等，申永军等三维七自由度模型 张立军等，李丽莉等，刘建中等三维八自由度模型 宋辉，高红华等，王连明等，杜翔等整车三维十三自由度模型 谢卫国等，郭孔辉等整车三维十五自由度模型 1 2 2 汽车行驶平顺性评价方法研究 汽车行驶平顺性的评价方法，通常根据人体对振动的生理反应及对保持货物 完整性的影响制订，并用振动的物理量，如频率、振幅、加速度、加速度变化率 等作为行驶平顺性的评价指标【3 2 。 目前，常用汽车车身振动的频率和振动加速度评价汽车的行驶平顺性。试验 表明，为了使汽车具有良好的行驶平顺性，车身振动的频率应为人体所习惯的、 步行时身体上、下运动的频率。它约为6 0 8 5 次分( 1 h z - 1 6 h z ) ，振动加速度极 限值为0 2 0 3 9 。为了保证所运输货物的完整性，车身振动加速度也不宜过大。 如果车厢加速度达到1 9 ，未经固定的货物就有可能离开车厢底板。所以，车身及 车厢振动加速度的极限值应低于o 6 o 7 9 【3 3 】。 由于行驶平顺性评价涉及到人的感觉，而人的感觉又是一个主观因素，所以 评价起来就非常复杂。根据优化准则和目标函数选择不同，总结出的评价方法和 准则中较有影响有：d i e c k m a n 的k 系数法和j a n e w a y 准则，他们的试验都是在 振动台上以正弦振动形式输入的，由于与实际路面输入相差较大，难以用它们较 为真实地评价承受随机振动的汽车行驶平顺性；p r a d k o 和l e e 提出的吸收功率 法，“吸收功率 为一数量值，输入给人体各方向的吸收功率可以直接相加； g r i f f i n 教授【3 4 】的“总体乘坐值法 ( 1 9 8 6 ) ，该法较为全面，适用场合较广；日本 国营铁道推荐的“乘坐舒适性系数法”；美国宇航局莱利研究中心提出的“单一 不舒适性指数法”等。国际标准化组织1 9 7 4 年颁布了的最初版本一人体承受 全身振动评价指南 3 5 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3 6 , 3 7 】。这一标准被不断地修改和完善。当前最新的舒 4 第1 章绪论 适性评价标准为1 9 9 7 年公布的i s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( e ) 人体承受全身振动评价一 第一部分：一般要求。此标准对于评价长时间作用的随机振动和多输入点多轴 向振动环境对人体的影响时，能更好的符合主观感觉。我国也根据国际标准制定 了相应的国家标准，如g b t1 3 4 4 2 1 9 9 2 人体全身振动暴露的舒适性降低界限 和评价标准、g b4 9 7 0 1 9 9 6 汽车平顺性随机输入行驶试验方法和g b t 5 9 0 2 19 8 6 汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法等。 1 2 3 路面不平度统计特性的研究 汽车的主要激励来自于路面，路谱的研究是进行汽车行驶平顺性研究的重要 基础工作。国内目前采用的是国际标准i s o8 6 0 8 1 9 9 5m e c h a n i c a lv i b r a t i o n r o a d s u r f a c ep r o f i l e s r e p o r t i n go fm e a s u r e dd a t a 和我国标准g b t7 0 3 1 - 2 0 0 5 机械振 动道路路面谱测量数据报告，用幂函数形式的路面功率谱密度来描述路面特 性。在路面特性方面展开的研究有：研制出了多种比较接近真实路面的道路谱， 特别是各种不同路面对四轮汽车输入谱矩阵按路面不平度谱特性建设试验道路； 张亚欧、刘献栋等【3 8 , 3 9 人依据国标给定的等级路面不平度数据计算出目标功率 谱，结合f o u r i e r 逆变换法计算并生成路面不平度随机序列。目前我国利用计算 机模拟方法己设计和建造了海南、襄樊等道路试验场，长春汽车研究所还研制成 功具有国际先进水平的双迹真实路形计【4 们。 1 3 本课题的提出及主要研究内容 汽车行驶平顺性是评价汽车的一个重要性能指标，如何提高汽车的行驶平顺 性已成为汽车设计人员越来越关心的问题。在进行新车型的开发过程中，就必需 对所开发车型的性能做出必要的预测、评价，确认是否达到了所预期的开发设计 要求。正是出于此目的，本课题所研究的内容即为对某公司设计开发的w l 轻型 载货汽车的行驶平顺性进行分析评估，评价设计车型所达到舒适度水平，并进行 结构优化设计。本课题得到了山东省交通科技计划项目( 批准号：2 0 0 6 y 0 2 3 ) 的 资助。 本文结合国内某公司轻型载货汽车的开发设计，通过建立包括悬架、动力总 成悬置等系统的多自由度动力学模型，以减小轻型载货汽车振动，提高汽车行驶 平顺性，保障公路交通安全为研究目标，对载货汽车行驶平顺性的建模、仿真及 试验问题进行深入研究和探讨研究，主要开展以下研究工作，研究内容的总体框 山东大学硕十学何论文 架如图1 - 3 所示。 第1 章绪论 够 r、厂、 第2 章 ，燃。黝，卜 轻型载货汽车平 顺性模型的建立 第4 章 蟛 鸯 第5 章 维 轻型载货汽车平 轻型载货汽车行 顺性试验方法研 第3 章 驶平顺性动态优化 究 轻型载货汽车 固有特性及振动 响应分析 。 女g 帮缵$ $ # 籀 l 够 总结与展望 图1 3 研究内容总体框架 ( 1 ) 轻型载货汽车行驶平顺性建模及结构动态特性分析：从复杂系统、动态 分析的观点出发，建立包括驾驶室、车架、悬架、动力总成悬置系统及车轮的七 自由度动力学模型。采用动态试验方法识别模型中的质量、转动惯量、刚度、阻 尼等效动力学参数，并利用模态试验测试结果修正模型各参数，获得接近真实工 况的结构动态特性数值计算结果，为结构动态优化提供依据。 ( 2 ) 轻型载货汽车行驶平顺性仿真分析：基于所建的动力学模型，以某型轻 型载货汽车为例，利用m a t l a b 程序，进行行驶平顺性仿真分析，得到了该型车的 固有特性及驾驶室座椅处的加速度均方根值，为轻型载货汽车结构优化提供理论 基础和方法。 ( 3 ) 轻型载货汽车行驶平顺性试验方法研究：以w l 轻型载货汽车为例，探 讨此类型汽车动态试验的方法。通过模态试验、室内架空试验和随机行驶试验， 识别载货汽车整车及各主要结构的各阶固有频率，验证结构动态特性分析结果。 基于不同参数匹配下的室内架空试验和随机行驶试验的振动响应分析，验证行驶 平顺性分析结论。此外，针对试验测得的故障频率及其规律的分析，获得消除故 障频率的减振方法。对所研究车型的行驶平顺性进行了仿真分析、预测和评价并 与目标车型进行对比分析。 6 第1 章绪论 ( 4 ) 轻型载货汽车行驶平顺性动态优化：研究悬架系统的动力学特性及悬架 参数对整车行驶平顺性的影响，基于结构动态特性分析、平顺性理论研究及动态 试验，对本文所研究的载货汽车各平顺性相关部件进行了优化设计，以改善载货 汽车的动态特性，减弱和消除该车行驶过程中振动响应过大的现象，提高汽车的 行驶平顺性。 7 第2 章轻型载货汽车平顺性模型的建立 第2 章轻型载货汽车平顺性模型的建立 车辆的行驶平顺性是评价车辆性能的重要指标之一。车辆行驶平顺性的好坏 不仅直接影响到乘员的舒适性和运输货物的安全，而且影响着汽车零部件的使用 寿命，因此优化车辆行驶平顺性的研究工作具有重要意义。进行汽车的行驶平顺 性分析与优化，首先必须建立合适的行驶平顺性动力学模型。汽车是一个复杂的 多自由度系统，理论上讲，建立的模型自由度越多越接近汽车的实际情况，但实 际情况并非如此，自由度增多需要确定的参数也随之增多，参数确定的难度也增 大，并且可能导致误差增大。因此自由度数目应根据实际情况而定。本章针对轻 型载货汽车行驶平顺性要求主要考虑驾驶员舒适度，对货箱平顺性要求不高【4 ， 以及发动机激励较大等特点，在四自由度半车模型的基础上，考虑驾驶室橡胶减 震器和动力总成悬置的影响，建立轻型载货汽车七自由度行驶平顺性动力学模 型，并研究了模型求解所需的汽车质量、刚度和阻尼等系统参数及路面不平度输 入的确定方法，为载货汽车动态特性分析及优化奠定基础。 2 1 载货汽车行驶平顺性动力学模型的建立 建立轻型载货汽车的平面七自由度行驶平顺性动力学模型，须作以下假设： 1 ) 假设汽车左右对称且左右轮所受的路面激励相同； 2 ) 将车身视为具有集中质量的刚体，仅考虑车身的垂直振动和俯仰振动对 汽车行驶平顺性的影响，忽略车身的前后振动和横向振动； 3 ) 假设车身在平衡位置附近做微幅振动，悬架的刚度和阻尼都看成常数， 从而把它当成一个线性系统来处理； 4 ) 将轮胎简化为弹簧，因为轮胎阻尼很小，故假设轮胎为零阻尼，不考虑 轮胎阻尼对振动的影响； 基于以上假设，从计算精度及参数测量工作综合考虑，主要考虑悬架、轮 胎、驾驶室橡胶减震器和发动机悬置等的参数对驾驶室振动响应的影响，将载货 汽车简化成如图2 1 所示的平面七自由度行驶平顺性动力学模型。图中，m l 、m 2 前、后桥总成质量，m 3 簧载质量( 不含驾驶室) ，m 4 驾驶室质量，m 5 动力总成 质量， 簧载质量( 不含驾驶室) 绕其质心转动惯量，以驾驶室绕其质心转动惯 量；k l 、恕前、后轮胎垂直刚度，岛、肠前、后悬架垂直刚度，如、驾驶室 9 山东大学硕士学位论文 前、后橡胶减震器垂直刚度，岛动力总成悬置刚度，c l 、q 前、后减震器阻尼， c 3 、c 4 一驾驶室前、后橡胶减震器阻尼，c 5 一动力总成悬置阻尼，x l 、x 2 m l 、m 2 垂向 位移，x 3 、0 1 - m 3 质心垂向位移和绕质心角位移，x 4 、o z m 4 质心垂向位移和绕质心 角位移，x 5 一m 5 垂向位移，爪如、l s 、1 6 、1 7 m l 、m 2 、驾驶室前、后橡胶减震器和 m 5 到m 3 质心的水平距离，如、如、如驾驶室前、后橡胶减震器、驾驶室座椅到m 4 质心的水平距离。 岛 如如l c j o l x 4 ， m 4 ， 晓j 以 卜、 l 晰3 t j 岛；十c 3 飞；十c 4 小彳7 赢7 屯萋+ c ，岛萎十五缸；+ c 2 x i 十毒i ；1i 聊5i ，i 专2 i 1 个】 l，l ll 扔 ； 恕 后t 萎 l ， l ，l厶 2 图2 - 1 载货汽车七自由度行驶平顺性动力学模型 令驾驶室座椅处垂向位移为z ，驾驶员座椅处的垂直位移、速度和加速度分 别为 z = x 4 一磊o zl 三= 文一毛0 2 ( 2 - 1 ) 三= i 一，8 0 2j 建立动力学模型的运动微分方程的方法有两种：牛顿法和拉格朗日法。对图 2 1 所示的系统，采用建立拉格朗日方法来建立其运动微分方程，利用拉格朗日方 程【4 2 】 旦(薏卜o却ekdt，+ 鲁+ 豢= g c 2 国 a 4 j1a q ja q j8 q j v 一 式中，最( 系统总动能； l o 第2 章轻型载货汽车平顺性模型的建立 e 广系统总势能； e b - _ 系统的耗散她f j v ； q 厂除保守力以外的施加力 = 三2 ( 茸+ 聊：+ 鸭豸+ 以卯+ + 以彰+ 聊，) = 丢 毛彳+ 乞+ 包( 毛一_ 一q ) 2 + 心( 坞一而+ 乞b ) 2 + 屯( 心一x 3 一毛色+ 毛q ) 2 + 吃( 五- x 3 + 包+ 名q ) 2 + 岛( 恐一x 5 一易b ) 2 】 = 丢 q ( 岛一毫一厶包) 2 + c ：( 岛一岛+ 乞馥) 2 + 巳( 矗一岛一毛幺+ ，5 包) 2 + q ( 囊一岛+ 晓+ 毛包) 2 + 岛( 毫一南一易岛) 2 】 建立系统的动力学方程 确茸+ c l 毫+ ( 岛+ 毛) 五一q 岛+ c a o , 一恕恐+ k a o , = k , q 1 岛+ 乞毫+ ( 如+ 向) 恐一岛毫一乞乞q 一心为一k d ：o , = 如9 2 ，冀+ ( q + 乞+ 巳+ 白+ 岛) 岛+ ( 屯+ 缸+ 屯+ 屯+ 岛) 恐一q 毫一巳岛+ ( 一c 。+ c ：乞一巳，5 - c a c ，易) 馥一( 巳+ 白) 五十( q 毛一q ，4 ) 晓一6 南一岛五一 心恐+ ( 一包+ 颤乞一色，5 一包乇一1 , 7 4 ) o , 一( 也+ 吃) 知+ ( 屯- k j , ) o ：一岛赡= 0 以反+ ( q 彳+ 乞学+ 巳学+ q 譬+ g 弓) 哇+ ( 屯彳+ 颤学+ 岛学+ k 层+ 岛辟) q + q 毫一c 2 乞岛+ ( 一q + c ：乞一巳毛一q 乇一c ，乃) 岛+ ( 巳毛+ 气气) 以+ ( 一巳毛乇+ q 乇) 见+ c ，7 岛+ 屯葺一心乞而+ ( 一包厶+ 屯乞一屯毛一吃气一岛易) + ( 岛毛+ 吃乇) + ( 一包毛厶+ 氏气) 包+ 岛易恐= 0 m 4 曩+ ( 巳+ q ) 南+ ( 屯+ 甑) 一( 巳+ 白) 南+ ( 巳厶+ q 乇) 馥+ ( 一乞厶+ c d a o ：一( 岛+ 吃) 屯+ ( 屯毛+ 氏乇) q + ( 一岛毛+ 心厶) 已= o ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 乡哦，+ ( 巳望c 4 巧) 皇+ 多+ 锚) 吼+ ( g 卜气厶) 南+ ( 一巳，5 己+ q 乇) 谚+ ( 2 _ 1 1 ) ( 一乞厶+ c 4 ，4 ) 矗+ ( 屯，3 一心厶) 而+ ( 一颤毛，3 + 吃，6 厶) q + ( 一恕厶+ 吃，4 ) 矗= 0 、 m s x s + c 5 i s 七k l x 5 一c 5 支3 + c 0 ，9 l k ，x 3 + k l l l 9 i = 0 将式( 2 6 ) n 式( 2 1 2 ) 以矩阵形式表示为3 2 】 m x ) + c 】 x ) + 【k x ) 叫k 】 q ) 式中，幽= m d 7 7 一系统质量矩阵( 式( 2 1 4 ) ) ； 陶2 岛】7 7 一系统刚度矩阵( 式( 2 1 5 ) ) ； ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 1 1 山东大学硕十学位论文 入。 其中 其中 1 2 q = 铴】7 x 7 一系统阻尼矩阵( 式( 2 - 1 6 ) ) ； x ) 、 岩) 、 碧) 一位移、速度、加速度组成的列向量； k t = k i j 7 2 一轮胎刚度矩阵( x - - ! | ：( 2 - 1 7 ) ) ； q ) = g l ，q 2 l 路面不平度矩阵，q 1 和q 2 分别为前轮和后轮路面不平度输 【m 】= k 】_ 【c 】= 局+ 岛0一毛岛0 也+ 缸一屯一致乞0 毛。 屯。一( 也+ 屯) k 址k o s + k 6 1 6 屯+ 丸 0 乞 对称 对称 0 0 oo k 乒3 一k 6 1 4一k 1 一k 0 0 3 + k 6 1 0 4k l l ， 一也毛+ 7 4 0 k 咒k 蠢0 乜 岛3 = 岛+ 颤+ 屯+ 吃+ 岛 包。= 一屯+ 颤乞一恕，5 一丸气一岛易 k = 包彳+ k f l 2 + k s l 2 + k d + k 7 1 2 7 - q啪0 0 0 - - c 2 - - c 2 1 2 00 0 乞3巳4一( 巳+ q ) 巳，3 一q 一c 5 c 蚺c 乒5 + c d 6 - c d f l 3 + c 4 1 6 1 4c f l l c 3 + c 4 一c 3 1 3 + c 4 1 4 0 c 是+ c 4 l ：0 岛 c 3 32c l + c 2 + c 3 + c 4 + 岛 c 3 4 = - c t l l + c 2 ，2 一巳毛一q 气一6 易 c 4 4 = c l l ? + c 0 ；+ c j + c l