（光学工程专业论文）基于adams的越野车独立悬架仿真研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其 它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了谢意。 签名：躲日期：- s i ) , 7 o 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：边丛点：彤 摘要 人们在关注轿车平顺性的同时，也越来越关注越野车的平顺性。悬架作 为轮胎和车身之间各种力和力矩的传递装置，其性能好坏是影响汽车行驶平 顺性性最重要、最直接的因素。汽车悬架系统的研究主要分为悬架系统动力 学研究和悬架的运动学与弹性运动学研究。其中悬架系统动力学主要研究的 是悬架的弹性元件与阻尼原件的力学特性，此方向主要目的就是为了改善汽 车平顺性。因此本文主要围绕越野车独立悬架系统动力学及越野车越台，越 沟及爬陡坡等特定工况的仿真分析进行一定阐述。 本文运用虚拟样机建模软件a d a m s 中的c a r 模块，建立包括双横臂前 悬架模型、双横臂后悬架模型、循环球式转向系模型、横向稳定杆模型、人 椅模型、车身、四轮驱动模型及u a 轮胎模型在内的整车多体动力学模型； 将该车前后悬架的下横臂及横向稳定杆按柔性体考虑，在a n s y s 软件中对 其进行柔性化处理，并通过与a d a m s 的接口在a d a m s 里面生成柔性体， 建立前后悬架为刚柔耦合模型的整车模型。 论文介绍了人体对振动的反应和汽车平顺性评价方法，运用 a d a m s c a r 提供的基于s a y e r s 数字模型的路面生成工具生成随机路面，对 刚性整车模型和刚柔耦合整车模型进行随机输入平顺性仿真，并将结果导入 m a t l a b 编制的平顺性评价程序，对二者平顺性进行评价分析；对两整车模型 分别进行脉冲输入仿真，进一步对比分析两模型平顺性；通过仿真结果验证 刚柔耦合模型中柔性体的弹性作用对整车平顺性的影响及整车模型精度的提 高。 针对越野车行驶工况的复杂性，本文对越野车整车动力学模型进行了通 过垂直台阶、壕沟、陡坡的特定工况仿真。 关键词：越野车，独立悬架，平顺性，特定工况仿真 a b s t r a c t p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h er i d ec o m f o r to ft h eo f f - r o a d v e h i c l e sa st h e yc a r ea b o u tt h er i d ec o m f o r to fc a r s t h es u s p e n s i o ns y s t e mw h i c h t r a n s f e r sa l lk i n d so ff o r c e sa n dt o r q u e sf r o mt i r e st ov e h i c l eb o d yi st h em o s t i m p o r t a n t a n dd i r e c tf a c t o rt h a ti n f l u e n t st h ev e h i c l e sf i d ec o m f o r t t h e s u s p e n s i o ns y s t e mr e s e a r c hi n c l u d e st w oa r e a s o n ei sc a l l e ds u s p e n s i o ns y s t e m d y n a m i c s a n dt h eo t h e ri sc a l l e d s u s p e n s i o ns y s t e mk i n e m a t i c s a n d c o m p l i a n c e t h e a r e ao fs u s p e n s i o n s y s t e md y n a m i c s r e s e a r c h st h ef o r c e c h a r a c t e r i s t i c so fs p r i n ge l e m e n t sa n dd a m p i n gc o m p o n e n t sf o ri m p r o v i n gr i d e c o m f o r t t h i sp a p e ri s s p e c i a l l yt os t u d yt h ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so fa n o f f - r o a dv e h i c l ei n d e p e n d e n ts u s p e n s i o ns y s t e ma n ds o m es p e c i a lc o n d i t i o n s s i m u l a t i o n si n c l u d i n gi n c l u d i n gd r i v i n gt h ev e h i c l et h r o u g hv e r t i c a ls t e p ，p o t h o l e a n d g r a d e t h i sp a p e ri sb a s e do nm u l t i - b o d yd y n a m i ct h e o r ys o f t w a r ea d a m s c a ra n d u s e st h i ss o f t w a r et ob u i l dar i g i dw h o l em u l t i - b o d ym o d e lw h i c hi n c l u d e sf r o n t a n dr e a rd o u b l ew i s h b o n e i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o ns y s t e m s ，p a r a l l e l l i n k s t e e r i n g , a n t i l r o l lb a r , s e a ts y s t e m ，b o d y ，f o u r - w h e e ld r i v ep o w e r t r a i na n du at i r e s c o n s i d e r i n gt h ef r o n ta n dr e a rd o u b l ew i s h b o n e s l o wa l m sa n dt h ea n t i r o l lb a ra s f l e x i b l ep a r t sa n du s i n gt h ea n s y ss o f t w a r ef l e x i n gt h e m ，t h e nt r a n s f o r m st h e f l e x i b l ep a r t si n t oa d a m sa n db u l i dar i g i d f l e x i b l ew h o l em u l t i - b o d ym o d e l t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep e o p l esr e a c t i o n st ov i b r a t i o na n de v a l u a t i o n m e t h o do fr i d ec o m f o r t t h i sp a p e ru s e st h ea d a m s c a r lsr o a d p r o f i l e g e n e r a t i o nt o o lw h i c hi sb a s e do ns a y e r sm a t h e m a t i c a lm o d e lt og e n e r a t et h er o a d p r o f i l e s ，d o e sr i d ec o m f o r ts i m u l a t i o n sf o rt h er i g i dw h o l em u l t i - b o d ym o d e la n d t h er i g i d f l e x i b l ew h o l em u l t i - b o d ym o d e l ，c a l c u l a t er e s u l t sb yt h em a t l a b p r o g r a mw h i c hi su s i n gf o re v a l u a t i n gt h e r i d ec o m f o r ta n dc o m p a r e st h et w o m o d l e ssr i d ec o m f o r tl a s t l y l e tt h et w ow h o l em u l t i b o d ym o d e le x p e r e n c e p u l s e i n p u t t i n gs i m u l a t i o n sa n dc o m p a r e st h et w om o d l e ssr i d ec o m f o r ta g a i n t h i s p a p e rp r o v e st h ee l a s t i ca c t i o no ft h ef l e x i b l ew h o l em u l t i b o d ym o d e l sf l e x i b l e n p a r t sst ot h er i d ec o m f o r ta n dt h ei m p r o v e m e n to ft h em o d l e sp r e c i s i o na c c o r d i n g t ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h i sp a p e ra l s od o e ss o m es p e c i a lc o n d i t i o n s s i m u l a t i o n si n c l u d i n gi n c l u d i n g d r i v i n gt h ev e h i c l et h r o u g hv e r t i c a ls t e p ，p o t h o l ea n dg r a d ea i m i n ga to f f - r o a d v e h i c l esc o m p l e xd r i v i n gc o n d i t o n s k e yw o r d s ：o f f - r o a dv e h i c l e ，i n d e p e n d e n ts u s p e n t i o ns y s t e m ，t h ef i d ec o m f o r t ， s p e c i a lc o n d i t i o ns i m u l a t i o n 第1 章绪论 目录 l 1 1 选题的背景及意义1 1 2 汽车平顺性研究概况2 1 2 1 平顺性研究内容2 1 2 2 国内外平顺性评价方法研究现状3 1 2 3 欧雷准则5 1 2 4 车辆振动模型的发展概况。5 1 2 5 影响车辆平顺性的因素7 1 3 本课题研究的主要内容8 第2 章平顺性评价方法及本文平顺性评价指标1 0 2 1乘坐舒适性系数法( r c l 法) 1 0 2 2 吸收功率法1 1 2 3 总体乘坐值法1 2 2 4 i s 0 2 6 3 1 - 1 ( 1 9 9 1 ) j 1 ：1 2 5 i s 0 2 6 3 1 - 1 ( 1 9 9 7 ) 1 3 2 6 g b t 4 9 7 0 1 9 9 6 汽车平顺性随机输入行驶试验方法1 5 2 7g b 5 9 0 2 8 6 汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法1 7 2 8平顺性模糊评价法1 7 2 9 烦恼率评价法1 9 2 1 0 本文平顺性评价指标2 1 2 1 1 本章小结。2 1 第3 章基于a d 棚s c 从的越野车建模。2 2 3 1 劁附蝴s c a r 建模原理简介2 2 3 2 前双横臂悬架建模2 5 3 3后双横臂悬架建模2 7 3 4 轮胎模型2 9 3 5 转向系模型3 0 3 6 轮盘式制动系模型3 1 3 7 前横向稳定杆模型3 2 i v 3 8 车身和人椅系统模型3 2 3 9 四驱模型3 3 3 1 0 整车装配及模型验证3 6 3 1 1 刚柔耦合整车模型3 7 3 1 2 本章小结4 l 第4 章平顺性仿真分析 4 2 4 1a d a m s q 气rr i d e 模块简介4 2 4 2 路面轮廓的构造4 3 4 3 越野车平顺性随机输入仿真。4 4 4 3 1 随机沥青路面平顺性仿真。4 5 4 3 2 随机砂石路面平顺性仿真。4 8 4 4 越野车平顺性单脉冲输入仿真5 3 4 5 本章小结5 8 第五章越野车特定工况仿真5 9 5 1 越野车通过垂直台阶仿真5 9 5 2 越野车通过水平壕沟仿真6 3 5 3 越野车通过陡坡仿真6 6 5 4 本章小结7 0 第六章总结与展望 6 1 全文总结7 2 6 2 展望7 3 参考文献 致谢 v 7 5 7 8 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的背景及意义 随着工业化进程的飞速推进，汽车由奢侈品转变为必需品，正一辆接一 辆走进千家万户。越野车( o f f - r o a dv e h i c l e ) 由于往往需要行驶在坏路甚至无 路路面上，相比于其行驶平顺性，以往的汽车设计人员更加注重越野车的高 越野通过性和操纵稳定性；但随着国家高速公路和乡村公路建设里程飞速增 长，越野车行驶路况也愈加改善，人们在关注轿车的行驶平顺性时，也愈来 愈关注越野车的行驶平顺性。 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成 员舒适性的影响在一定界限之内的能力。车辆的一个很重要的性能指标就是 行驶平顺性。如果车辆行驶平顺性较差，对乘员、货物及车辆自身都有很大 影响，乘员容易疲劳甚至产生较强的不适反应，货物会产生溃损，整车零部 件会过早磨损和疲劳损坏。此外，车辆振动产生的振动噪声会传递至乘员舱， 降低人的主观舒适性；汽车行驶平顺性同时影响着诸于操纵稳定性、制动性 及动力性等其它性能的发挥，平顺性的优劣直接关系到车辆在汽车市场上的 竞争能力，因此，改善汽车行驶平顺性意义重大。 悬架是车轴( 或车轮) 与车架( 或车身) 之间传递一切力和力矩的载体， 它将二者弹性连接起来，从而起到削减路面传递给车架( 或车身) 的冲击载 荷，并使由此冲击载荷引起的簧载质量的振动效应得以减弱，最终使汽车平 顺性行驶，保证乘员的乘坐舒适性。悬架重要性可见一斑，因此，悬架参数 ( 悬架弹簧刚度和减震器阻尼) 的优化是改善平顺性最重要和最直接的方式。 试验法和仿真法是目前研究汽车平顺性最主要的方法。试验法需经反复 样车试制与试验，开发周期长，不仅耗时耗力，而且有的试验因具有一定危 险性而难以进行；相比于试验法，仿真法则主要依托电脑平台，利用多体动 力学软件建立比较精确的整车多体动力学模型，借助电脑强大计算能力进行 反复试验与优化，高效安全，广受青睐。国内很多科研机构及院校都先后利 用多体动力学仿真软件( 比较著名的如美国的a d a m s ) 建立了悬架模型及 整车模型，并进行了仿真分析，实践证明，仿真法能准确模拟出汽车的各种 武汉理工大学硕士学位论文 真实试验。仿真法的成功与否，很大程度上依赖于模型的精确度，很多多体 动力学整车模型都把悬架的控制臂、横向稳定杆及其他构件简化为刚体处理， 且忽略了橡胶衬套的弹性作用，导致仿真结果与试验结果存在较大差异。随 着汽车设计轻量化趋势的发展，在车辆系统动力学研究中，悬架及整车其他构 件的柔性变形不应被忽略，将这些构件简单作为刚性体处理的传统处理法已 不能满足科研的需要。因此，进行刚柔耦合悬架系统动力学性能研究非常有必 要；此外，橡胶件的弹性对整车的动力响应也有一定影响，建模时也应予以考 虑。 1 2 汽车平顺性研究概况 1 2 1 平顺性研究内容 汽车行驶时，路面不平以及发动机、传动系和车轮等几乎每个部件和系 统都会引起振动，进而引起悬上过大的振动和人体座椅系统的共振；振动对 人体作用不仅和人的心理和身体素质有关，也取决于振动的频率、强度、作 用力方向和持续时间，主要包括： ( 1 ) 振动同时传到整个身体表面或大部分表面，人体完全处于振动介质 中，如空气中高强度搜声波激起身体的振动。 ( 2 ) 振动通过支撑表面传到整个身体，如通过臀部和背部传到人体，这种 情况通常发生在人体处于车辆运行中。 ( 3 ) 振动施加于人体的某些特定部位，如振动通过操纵杆、踏板等制动设 备传到人的四肢。 当这些振动达到某种程度，可能引起内分泌系统、循环系统、消化系统 等一系列的改变，并能产生一系列的不良心理效应，会使乘坐人员感到焦虑、 疲劳和不舒服，导致劳动能力减退，或使运载的货物损坏，这些都是平顺性 问题。 汽车平顺性研究“路面一汽车一人”构成的系统 4 1 9 系统的输入是路面纵 剖面的变化，输入经轮胎、悬架、车身和座椅等构件传到人体，再由人的生 理、心理和机械等复杂因素综合，最后产生输出一人对振动的反应。通常主 要指路面不平度引起的汽车振动，频率范围约为0 5 2 5 h z 。平顺性直接影 响驾乘人员的乘坐舒适性，并涉及到汽车的动力性和经济性的发挥，同时还 2 武汉理工大学硕士学位论文 影响零部件的使用寿命，大的车身结构振动，不仅引起自身结构的疲劳损坏， 而且更是车内低频结构辐射噪声源。研究平顺性的目的主要是使汽车振动在 给定的“输入 下的“输出 不超过一定界限，以保持振动环境的舒适性， 以保持驾驶员在复杂行驶和操纵条件下，具有良好的心理状态和准确灵敏的 反应。 车辆作为一个复杂的多自由非线性动态系统，只对激振的输入产生振动 响应，这些响应特性确定加在乘员座舱振动的大小和方向，且最终决定乘员 对车辆的感受，分析平顺性主要从四个主题研究： ( 1 ) 人体对振动的反应和平顺性评价： ( 2 ) 振动“输入 一路面不平度的统计特征： ( 3 ) 车辆振动系统的简化，系统频响特性和系统参数对“输入 的分析： ( 4 ) 车辆平顺性测试试验。 汽车本身是一个极其复杂的系统，外界载荷作用更加复杂、多变，人、 车、环境三位一体相互作用，致使平顺性的分析始终是一个难题。汽车系统 本身一般假设为确定性的，而激励是随机的，因此，汽车平顺性分析本质上 属于随机振动响应分析。平顺性所要研究和解决的问题主要是车辆悬架系统 和座椅悬架系统动态参数的优化设计，以及他们与车辆整车性能参数、人体 特性参数之间的优化匹配。 对平顺性的影响因素是多方面的，广义上平顺性不仅包括振动，也包括 噪声和其它导致乘员不舒适的因素。 1 2 2 国内外平顺性评价方法研究现状 对平顺性的研究，已经进行了半个多世纪的努力，最早的研究文章发表 于1 9 3 5 年。1 9 4 8 年j a n e w a y 提出了j a n e w a y 准则，1 9 5 7 年d i e c k m a n 提出了 k 系数法3 1 ，这两者皆较具影响力，然而却难以用这两者来评价受随机振动 影响的汽车平顺性，主要原因就在于这两者的试验都是在振动试验台上以正 弦激振形式输入；1 9 6 8 年，p r a d k o 和l e e 提出的吸收功率法( a b s o r b e dp o w e r ) 也颇有影响，其中“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h 1 ；1 9 7 6 年，g r i f f m 教授提出的“总体乘坐值法 【5 1 ( 1 9 8 6 ) 较为 全面，适用范围也较广；目前广泛采用的评价方法为1 3 倍频程分别评价方 法和总加权值评价方法，这两种评价方法皆由国际标准化组织于1 9 7 4 年颁布 3 武汉理工大学硕士学位论文 的i s 0 2 6 3 1 最初版本一人体承受全身振动评价指南6 所推荐。这一标准经 过各国学者不断地修订与补充后，遂形成了于1 9 9 7 年发布的最新标准 i s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( e ) 一人体承受全身振动评价第一部分：一般要求巧1 。 此标准在评价多输入点多轴向振动环境及长时间振动激励的随机振动对乘员 身体影响方面，能更好地符合主观感觉。 我国在这一领域起步较晚，1 9 7 6 年长春汽车研究所郭孔辉院士发表在汽 车技术上的“汽车振动与载货的统计分析及悬挂系统参数选择一文 ，对单 输入两自由度汽车系统如何选择悬挂参数来改善汽车行驶平顺性问题进行了 定性讨论，是国内最早发表的应用随机振动理论讨论汽车平顺性问题的文章。 在接下来的2 0 年内，通过对国外评价标准的借鉴和分析( 主要借鉴的i s 0 2 6 3 1 国际标准) 我国初步形成了自己的汽车平顺性评价体系，主要包括：1 9 8 2 年 清华大学起草的“汽车悬架系统的固有频率和相对阻尼系数的测定方法”国家 标准，长春汽车研究所与清华大学于1 9 8 5 年制定的g b 5 9 0 2 8 6 汽车平顺性 脉冲输入行驶试验方法国家标准，长春汽车研究所制定的“汽车行驶平顺性 感觉评价试验方法”，还有1 9 9 0 年清华大学和长春汽车研究所共同制定的 q c t 4 7 4 1 9 9 9 客车平顺性评价指标及限值以及g b t 4 9 7 0 - 1 9 9 6 汽车平 顺性随机输人行驶试验方法等。 1 9 9 7 年西安公路交通大学张玉芳等利用模糊数学评价法对影响汽车平顺 性的各因素进行了深入的研究，结果表明：对乘坐舒适性影响最大的因素是 振动，其次是上下颠簸，余下依次是噪声、前后摇尾、左右摇摆。2 0 0 0 年西 南交通大学的杜子学提出了一种新的用于乘用车的平顺性预测分析指标 c g v ，并给出了在获取c g v 指标时所遇到的有关速度、位置、路面比例和人 机因素等诸项加权系数的确定方法，从而使概念车平顺性预测更加合理。 对于国内外汽车业不同学者和学术团体而言，他们对于平顺性评价所持 观点并不统一，这就导致到目前为止国际上还没有确认某一种评价法更为合 理；即使是已被广泛采用的i s 0 2 6 3 1 、g b t 4 9 7 0 - 1 9 9 6 也存在令人不尽满意之 处。近年来，国内外学者在已有评价方法的基础上，又提出了一些新的评价 方法，如模糊评价法、汽车综合振动舒适度评价法、烦恼率评价方法、层次 分析法和相对比较法b 1 3 们等。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 欧雷准则 在平顺性研究中，前人做出了巨大的努力并取得了丰硕的成果，现代汽车 动力学创始人之一欧雷( o l l e y ) 在研究著名的“k 2 车的实验【3 4 j 中发现有良 好平顺性的车辆需要满足以下准则，后人称之为雷准则( o l l e yc r i t e r i a ) 3 s l ： ( 1 ) 前悬架的刚度应比后悬架低3 0 ，或弹性中心应在重心后6 5 处。 ( 2 ) 俯仰与跳动频率应彼此接近，跳动频率比俯仰频率低1 2 倍，比率较 高时，由于两种运动的重叠可能产生干扰冲击。 ( 3 ) 前后频率不应超过1 3 h z ，车辆的有效静挠度必须超过6 英寸。 ( 4 ) 侧倾频率应大致和俯仰频率相等。 至今欧雷准则仍然是现代汽车设计的经验方法。有几种特殊情况需要考 虑： ( 1 ) 多数现代汽车动态指数占接近于1 ，一个悬架输入对另一个悬架没有 任何反作用，振动中心位于车轴处，若同时满足欧雷准则，即可获得良好的 平顺性。 ( 2 ) 对于垂直跳动和俯仰振动没有耦合的情况，即耦合系数卢- - - 0 ，若运动 不规则，平顺性反而变差，耦合倾向使平顺性改善。 ( 3 ) 动态指数大于1 ，跳动中心在重心之前，超过前轴，而俯仰中心在重 心和后轴之间，此时，俯仰固有频率比跳动频率低，若前乘适刚度小于后乘 适刚度，可使弹性中心位于重心后足够远的位置，可以得到良好的平顺性。 ( 4 ) 对于跳动和俯仰振动不耦合而动态指数大于1 的情况，俯仰和跳动频 率相等，由于基本没有路面产生运动的振型，平顺性难以预测。 1 2 4 车辆振动模型的发展概况 早期建立的车辆振动模型仅有单一自由度，这主要是受理论方法和计算 手段的制约，这种简化模型只能用于定性分析。后来，在两自由度模型基础 上加入一个自由度，即“座椅一人体 系统，构成三自由度模型，这种模型 可以用来研究“座椅一人体”系统的振动对于整车振动系统的作用以及二者 之间的相互影响。 2 0 世纪7 0 年代以来，计算机技术发展迅速，多刚体系统动力学理论也日 趋完善，车辆振动模型的研究也有了质的飞跃。8 0 年代中后期，在汽车平顺 性研究方面，国外已广泛采用多体动力学模型作为研究手段。c h a c 等人研究 5 武汉理工大学硕士学位论文 的4 2 自由度的多刚体动力学整车模型1 1 5 1 英国b r a d f o r d 大学的h e g a z y 等人 建立的9 4 个自由度的多体动力学整车模型u 卯皆为杰出代表。 我国在多刚体系统动力学方面的研究发展迅速，虽起步较晚。我国将多 刚体系统动力学这一有效方法引入到汽车平顺性研究中是始于2 0 世纪8 0 代 中后期。1 9 9 3 年，谢卫国对半挂车列车平顺性进行了初步探讨，搭建了1 8 个自由度的半挂汽车列车振动激励分析模型，并利用计算机软件和该模型探 讨了各种影响半挂汽车列车平顺性结构参数的变化趋势 1 0 1 01 9 9 8 年，王连明 利用模态分折技术构建了1 3 自由度“人体一座椅一车辆”系统的多体动力学模 型，利用随机振动理论，给出了传递函数、座椅加速度、振动形态、车轮动 载荷等参变量的计算方法，该模型可预测和评估汽车的行驶平顺性。2 0 0 0 年， 重庆大学的樊兴华等人建立了九个自由度的汽车振动模型，以3 种工况下人 体垂向加速度加权均方根值来评价汽车舒适性n 铂；2 0 0 5 年，合肥工业大学的 乔明侠利用多体动力学软件建立了具备7 6 个自由度的瑞风商务车整车模型， 并在此基础上评价分析该车平顺性1 1 0 1 尽管车辆平顺性模型由单自由度简谐 输入发展为多自由度多输入的随机激励空间模型，但是它们都是基于多刚体 动力学，都是刚体线性振动模型。 自上世纪8 0 年代末9 0 年代始，国外在汽车技术领域引进了多柔体系统 动力学理论及方法，这就使得汽车多体动力学研究领域进一步扩展，既包含 多刚体动力学，也包含多柔体动力学2 2 1 。汽车振动分析技术的快速发展使模 态综合技术在汽车振动分析中被率先引用，汽车的振动分析模型也从以前的 多自由度刚体模型发展成为二维子结构模型，这些二维子结构模型是建立在 汽车车架等部件有限元分析基础之上的、并且对弹性变形加以考虑。这种模 型的广泛应用尤其表现在汽车车架强度分析中。国外早已将振动理论应用在 汽车平顺性研究方面，并早已在汽车研究及设计中运用了功能强大的大型计 算机软件，这些软件能实现模态综合技术分析、平顺性结构参数优化设计等 多方面的功能。 我国近几年在这方面的研究也出了不少成果。2 0 0 6 年，朴英花、马天飞 等以m s c n a s t r a n 软件为平台，搭建了某轻型客车的车身有限元柔性模型， 通过m s c a d a m s 的接口将其导入，并与该车其他子模型相结合完成了整车刚 柔耦合模型的建立，最后将刚柔耦合整车模型与刚性整车模型进行仿真比较 并探讨了刚柔耦合模型对整车振动响应结果的影响，结果表明刚柔耦合模型 响应的频率信息更加丰富详尽，并使整车振动幅值减小2 7 1 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 7 年，杨柳青等借助多系统动力学仿真分析软件a d a m s 建立了悬架 多刚体和多柔体运动学仿真模型，并分别对两种模型进行了仿真分析，其结 果表明基于多柔体系统的仿真结果更接近实际试验情况嗡。 2 0 0 8 年，张立军等基于多体动力学理论通过有限元软件和a d a m s 建 立了包括悬架下横臂在内的整车多体动力学模型。论文分析了车身和悬架下 摆臂垂向加速度功率谱密度、轮胎动位移以及悬架动行程，与多刚体动力学 模型仿真结果进行比较后发现：刚柔耦合作用对车身和悬架下摆臂垂向加速 度功率谱密度、轮胎动位移以及悬架动行程作用明显，其中前两者峰值分别 下降2 1 5 和7 1 3 ，轮胎动载荷减小约1 0 ，悬架动行程则增大1 5 一2 0 。 车速提高，刚性模型和刚柔耦合模型之间差异越大，由以上可见，悬架构件 的柔性在汽车平顺性分析中应给予足够重视啪1 。 随着汽车多体动力学模型的日趋精确，非线性模型在汽车仿真分析中应 用也越来越受到重视。由于非线性问题较线性问题更为复杂，所以汽车振动 非线性平顺性问题的研究起步较晚。但随着计算机技术快速发展，汽车振动 领域中非线性振动问题的研究也得以顺利开展。在汽车非线性模型方面，最 早的是m e t e a l f 、v a n d e n s e n 、l i n s 等引入钢板弹簧干摩擦等非线性因素模型 啪1 。进入9 0 年代，许多专家都投身到车辆悬架非线性特性的研究中，这也 使得各种非线性悬架应运而生，这些悬架刚度和阻尼皆可变。汽车悬架振动 非线性性明显，用多自由度非线性数学模型来描述其振动比较合理。但是由 于非线性分析比较复杂，现有的汽车悬架振动研究仍多讨论线性结构。非线 性悬架是以后悬架研究的一个趋势。 1 2 5 影响车辆平顺性的因素 路面是汽车的主要激励源，开展汽车平顺性研究的一项重要基础工作就 是研究路谱。国内目前采用的是“车辆振动输入一地面不平度表示方法 和“路 面不平度表示方法草案”两个标准，前者由由长春汽车研究所提出制定，后者 由国际标准协会在文件i s o t c l 0 8 s c 2 n 6 7 中提出制定。这两个标准中的路面 特性都是用幂函数形式表达的路面功率谱密度来进行描述的。对于实际路面 的一般状况，这两个标准能较好反映，但仍需进一步发展与完善。在路面特 性方面也展开了诸多研究，主要有t 开发出了多种与真实路面状况相接近的 路面谱，其中比较具有代表性的是各种不同路面对四轮汽车输入谱矩阵1 1 7 1 | 7 武汉理工大学硕士学位论文 按路面不平度谱特性建设试验道路( 目前我国利用计算机模拟方法已设计和 建造了海南、襄樊等道路试验场) 1 7 1 。 影响汽车平顺性主要部件包括汽车悬架、座椅、轮胎以及发动机悬置等。 悬架方面，半主动悬架、主动悬架及复合悬架等多种悬架已相继问世，研究 人员在悬架阻尼元件和弹性元件的设计上倾注了大量心血，以便对悬架阻尼 参数和刚度参数进行合理匹配，以此来减小传递函数。汽车开发人员提出了 各种参数匹配法，将模糊控制、鲁棒控制、最优控制等控制理论应用于汽车 悬架系统的研究开发中。近几年研究发现，对人体振动影响比较大的的诸因 素之一就是座椅的振动传递函数，合理的选取座椅的刚度和阻尼对改善汽车 行驶平顺性意义重大。合理地建立汽车轮胎模型能较好的改善汽车行驶平顺 性，主要包括轮胎气压、轮胎种类以及轮胎包容性。随着车速的提高，发动 机对汽车的激励研究也在汽车平顺性研究之列。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题是结合某越野汽车展开的，该越野车前后悬架皆为双横臂式，驱 动形式为全时四轮驱动。主要研究工作包括以下几个方面： 1 以虚拟样机软件a d a m s 为平台，利用其c a r 模块，建立此越野车前后 双横臂悬架动力学模型、循环球式转向系模型、前横向稳定杆模型、车身模 型、轮胎模型、人椅系统模型、四轮盘式制动系模型，修改c a r 模块自带的 p o w e r t r a i n 模板，建立全时四轮驱动动力模型，最后组装成越野车整车多体动 力学模型。 2 本文介绍了常用的平顺性评价方法，包括主观评价与客观评价，重点 介绍了i s 0 2 6 3 1 1 标准及我国的汽车平顺性试验方法( 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验方法) 。本文在此基础上确定了 随机输入试验法和脉冲输入实验法下的汽车平顺性评价指标。 3 将该车前后悬架的下横臂及横向稳定杆按柔性体考虑，在a n s y s 软 件中对其进行柔性化处理，获得其模态，并通过与a d a m s 的接口在a d a m s 里面生成柔性体，建立整车刚柔耦合多体动力学模型。 4 按照g b 厂r 4 9 7 0 - 1 9 9 6 汽车平顺性随机输入行驶试验方法的要求， 对上述刚性整车模型和刚柔耦合整车模型分别进行沥青路面和砂石路面下随 机输入平顺性仿真，将两组仿真结果输入到基于平顺性评价指南编制的 8 武汉理工大学硕士学位论文 m a t l a b 评价程序中，计算出椅面处总加权加速度均方根值，评价对比两组 模型的平顺性。按照g b t 5 9 0 2 8 6 汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法的 要求，对两整车模型进行脉冲输入平顺性仿真，按照脉冲输入平顺性评价要 求对两组仿真结果进行对比评价分析。验证刚柔耦合整车模型较之于刚性整 车模型的准确性及柔性体的弹性作用对整车平顺性的影响。 5 、越野车特定工况仿真分析与评价。针对越野车行驶工况的特殊性，对 所建立的刚性整车动力学模型进行特定工况仿真，包括通过垂直台阶、壕沟、 爬陡坡仿真试验， 评价此越野车的越野通过性。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章平顺性评价方法及本文平顺性评价指标 上章根据a d a m s c a r 建模方法建立了刚性整车多体动力学模型和刚柔耦合 整车多体动力学模型。本章将着重介绍平顺性评价方法及本文选用的平顺性 评价指标，为接下来的越野车平顺性仿真及评价做好准备，提供依据。 汽车行驶平顺性的研究离不开评价方法和评价指标，这就牵涉到评价方 法和评价指标研究的问题。汽车行驶平顺性最终反映为人的主观感觉，而人 的感觉又是一个主观性因素，人的感觉也存在个体差异，不同的人对于同一 辆车平顺性的感觉与评价也会不尽相同，因而，汽车行驶平顺性评价起来就 非常复杂。平顺性评价法分为主观评价和客观评价两种方法，其中，主观评 价法最直接。该法主要靠经验丰富的试车人员来完成，试车人员将对汽车振 动的主观感觉与自己经验库中的平顺性结果进行对比分析，并以此来评价车 辆平顺性，然后根据评价结果简单地改变汽车诸如悬架弹簧刚度和减震器阻 尼等参数来提高汽车的平顺性；然而对评价结果描述的模糊性和不确定性会 导致工程技术人员难以对汽车平顺性进行定量及准确的评价分析。客观评价 方法是以具体客观的数值对汽车平顺性进行鉴定分析的方法。该法以车辆的 隔振性能为出发点，以机械振动的振幅、频率、加速度等物理量作为评价指 标，通过监测传递到乘员身体振动量的大小，而后确定影响人体舒适感的程 度，最后以此评价汽车的平顺性。该评价方法将人的个体差异性排除在外， 从而使汽车平顺性的评价分析更精确合理。 汽车平顺性常用的评价法有乘坐舒适性系数法、吸收功率法、总体乘坐 值法、i s 0 2 6 3 1 国际评价标准、g b f r 4 9 7 0 1 9 9 6 汽车平顺性随机输入行驶 试验方法、模糊评价法及最近国内一些学者提出的烦恼率评价法等。下面将 分别介绍。 2 1 乘坐舒适性系数法( r c l 法) 这个方法建立在j a n e w a y 建议的基准容许临界曲线的基础上，主要应用 于车辆及其它交通工具乘坐舒适性评价。振动信号与基准曲线相比的倍数就 是r c l 系数，r c l 系数与人体的感觉之间的关系见表2 1 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1r c l 系数与人体感觉之间的关系 2 2 吸收功率法 1 9 6 8 年由美国机动系统实验室的p r a d k o 和l e e 提出的吸收功率法是根据 人的解剖学特性并建立在人体的能量输入率的基础之上的。该法认为人体是 有阻尼的弹性体，在输入为o - 3 2 k g ，人体变形为0 - 1 1 0 1 6 m 时，人体为一线 性系统。当人受到振动时，振动能量被人体接受并沿全身传递，能量流动率 可用来评价人体振动特性，这些能量的时间耗散功率表被定为吸收功率( a p ) 。 吸收功率在时间上可表示为： 1 _ r 织一三砌瓤f ( t ) v ( t ) d t ( 2 - 1 ) 式中，f o ) 为激励的时间函数；v ( t ) 为速度值 吸收功率表在频域上可表示为： 织一k i ( a i r m s ) 2 ( 2 2 ) 石d 式中，( a i r m s ) 2 为个频率段上的加速度均方根值，k 为考虑了人体特性 的频率的函数，它在一定的频率上是常数，是不同研究人员多次实验的平均 值。 吸收功率法有两个特点：其一是这种方法是用物理量( 瓦特) 来表示指标， 有明确的物理意义；其二是对多点多方向的振动输入可以不考虑各输入之间 的相位关系而直接相加综合成一个单值，便于工程上的应用。吸收功率法可 以进行时域分析，这对于建立非线性系统模型是十分重要的。但是吸收功率 武汉理工大学硕士学位论文 法没有明确的规定舒适界限，它只能评价已有车辆，而对产品的开发预测及 汽车具体结构参数的改进不能提出指导意见。 2 3 总体乘坐值法 1 9 7 6 年，英国南安普敦大学声振动研究所人体工程研究室的g r i f f i n 提出 把人体在振动环境中的持久时间与人体舒适水平相对应的方法。至1 9 8 6 年， g r i f f i n 在多年试验研究的基础上提出对各种情形下比较适用的“总体乘坐值 法。此方法被国际标准化组织采纳，并以此为依据发布了i s 0 2 6 3 1 c d 一1 9 9 1 委员会草案。该方法有以下特点： ( 1 ) 该标准使用具有1 2 个振动输入的人体坐姿受振模型，除考虑座椅 支承面处的3 个方向的线振动，还考虑该处的3 个角振动以及座椅靠背处和 支承处3 个方向的线振动，三个输入点及1 2 个轴向振动，认为人体对不同频 率的敏感程度不同； ( 2 ) 该标准不但规定了“舒适性评价方法一，而且规定了“健康的评价 方法一、“运动病评价方法； ( 3 ) 该标准认为，暴露时间的长短对人体舒适性的影响程度没有原标准 那么严重。 总体乘坐值法是迄今为止较全面、适用场合较广的振动舒适性评价方法。 我国有些学者在这方面也进行了二些研究工作，但由于它涉及到的自由度数 目较多，具体考察时需要的要素也较多，因此它的普及还需要一段时间。 2 4 ls 0 2 6 3 1 - 1 ( 19 9 1 ) i s 0 2 6 3 1 1 ( 1 9 9 1 ) 以试验数据作为其标准推荐值依据，被试验者需要承受 来自横向、纵向和垂向的正弦波振动，这些正弦波频率范围不同，最后以所 得试验数据为依据，通过3 个推荐指标对加速度界限值进行表征，即： ( 1 ) 暴露界限：当人体承受的振动强度处于此范围内，即表示人体处于安 全或健康范围。人体承受的振动能量应处于这个界限之下，它是人体承受的 振动能量的上限。 ( 2 ) 疲劳一工作效能降低界限：这个界限密切关系到工作效能的保持状 武汉理工大学硕士学位论文 态。当人体承受到的振动强度处于这个这个界限内时，驾驶员的反应准确灵 敏，驾驶操