（机械制造及其自动化专业论文）中型客车平顺性和操纵稳定性仿真及试验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 通过对国内外整车平顺性和操纵稳定性的相关研究成果的分析，总结出了针 对整车平顺性和操纵稳定性的虚拟评价方法。针对某中型客车，利用a d a m s c a r 建立了用于平顺性和操纵稳定性分析的整车模型，并进行了仿真与分析。 本文主要完成了下列工作： 1 、论文分析整理了平顺性和操纵稳定性的评价方法和评价指标。针对平顺 性，介绍了平顺性仿真数据的处理和评价方法，平顺性的虚拟评价指标：加速度 均方根值。针对操纵稳定性，分析了几种常见的操纵稳定性特性：急剧转向特性、 频率响应特性、转向回正性，以及各自相应的评价指标。 2 、基于多体系统动力学软件a d a m s c a r ，建立前悬架系统、后悬架系统、 转向系统、制动系统、车身、轮胎等子系统。在f o u r p o s t 试验台上装配整车， 进行平顺性的仿真研究；在m d is d it e s t r i g 试验台上装配整车，进行操纵 稳定性的仿真研究。 3 、在进行整车动力学模型进行平顺性的仿真后，并对仿真结果进行虚拟评 价分析：在低速的沥青路面和水泥混凝土路面有较好的平顺性，但在高速的沥青 路面和中高速水泥混凝土路面平顺性稍差。并通过沥青路面上仿真结果与实车试 验数据的对比，可知所建立的整车动力学模型是合理可行的。在脉冲输入仿真中， 最大加速度远小于法规值，因此，在此脉冲输入下对驾驶员的健康没有任何危害。 4 、在进行整车动力学模型进行操纵稳定性的仿真后，对仿真结果进行虚拟 评价分析：在蛇形工况下，可知平均方向盘转角的峰值在较理想的范围内，平均 横摆角速度峰值略大，但在许范围内，所以此车有较好的急剧转向特性。在角阶 跃输入工况下，可知谐振频率、谐振峰水平、相位滞后角评分值都比较好。在转 向回正工况下，可知低速回正、高速回正残留横摆角速度都比较小，所以该车具 有较好的转向回正特性。 关键词：中型客车多体动力学行驶平顺性操纵稳定性评价 a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h er e l a t e dr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d ，av i r t u a l e v a l u a t i o nm e t h o df o rt h ev e h i c l er i d ec o m f o r ta n dh a n d l i n gs t a b i l i t yw a ss u m m a r i z e d f o re v a l u a t i n gt h er i d ec o m f o r ta n dh a n d l i n gf l e x i b i l i t y , t h ef u l lv e h i c l em o d e lf o ra c e r t a i nm e d i u mb u sw a sb u i l tb a s e do na d a m s c a r , a n dt h e nt h es i m u l a t i o na n d a n a l y s i sw a sc o n d u c t e d t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 、t h ee v a l u a t i o nm e t h o da n de v a l u a t i o ni n d e xf o rr i d ec o m f o r ta n dh a n d l i n g s t a b i l i t yw a sa n a l y z e d i na c c o r d a n c ew i t hr i d ec o m f o r t ，t h ed a t ap r o c e s s i n ga n d e v a l u m i o nm e t h o dw e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h er i d ec o m f o r tv i r t u a le v a l u a t i o ni n d e x ，t h a t i sa c c e l e r a t i o nr m s ，w a sd i s c u s s e d f o rh a n d i n gs t a b i l i t y , s e v e r a lc o m m o nf e a t u r e s w e r e a n a l y z e d ，i n c l u d i n gr a p i ds t e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s f r e q u e n c yr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c ，s t e e r i n ga l i g n i n ga n dt h e i rc o r r e s p o n d i n ge v a l u a t i o ni n d e x e s 2 、b a s e do na d a m s c a r , t h ef r o n ts u s p e n s i o n ，r e a rs u s p e n s i o n ，s t e e r i n gs y s t e m ， b r a k i n gs y s t e m ，c a rb o d y , t i r e sa n do t h e r ss u b s y s t e mw e r eb u i l t t h ef u l lv e h i c l ew a s a s s e m b l e do nt h ef o u r p o s tt e s t - b e di no r d e rt os i m u l a t et h er i d ec o m f o r t ；t h ef u l l v e h i c l ew a sa s s e m b l e do nt h e 【d is d it e s t r i gt e s t b e di no r d e rt os i m u l a t et h e h a n d l i n gs t a b i l i t y 3 、a f t e rt h er i d ec o m f o r ts i m u l a t i o no ft h ef u l lv e h i c l ed y n a m i cm o d e lw a sd o n e ， t h er e s u l t sw e r ea n a l y z e du s i n gt h ev i r t u a le v a l u a t i o nm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ev e h i c l eh a sg o o dr i d ec o m f o r ti nt h ea s p h a l tp a v e m e n ta n dc e m e n tr o a dw i t hl o w s p e e d ，h o w e v e r , t h er i d ec o m f o r ti ss l i g h t l yi n f e r i o ri nt h ea s p h a l tp a v e m e n ta n d c e m e n tr o a dw i t hh i 曲s p e e d b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ev e h i c l e t e s td a t ao nt h ea s p h a l tr o a d ，t h ed y n a m i c sv e h i c l em o d e le s t a b l i s h e dp r o v e st ob e r e a s o n a b l ea n df e a s i b l e t h es i m u l a t i o no ft h ep u l s ei n p u ti n d i c a t e st h a tt h e m a x i m u ma c c e l e r a t i o ni sm u c hl e s st h a nl a wv a l v e ，t h e r e f o r e ，t h e r ei sn oh a r mt o d r i v e r sh e a l t hi nt h ep u l s ei n p u t i i 硕士学位论文 4 、a f t e rt h eh a n d l i n gs t a b i l i t ys i m u l a t i o no ft h ef u l lv e h i c l ed y n a m i cm o d e lw a s d o n e ，t h er e s u l t sw e r ea n a l y z e du s i n gt h ev i r t u a le v a l u a t i o nm e t h o d t h er e s u l t ss h o w t h a ti nf i s hh o o kc o n d i t i o nt h ep e a ko ft h ea v e r a g es t e e r i n ga n g l ei si nt h ei d e a lr a n g e ， a n dt h ep e a ko ft h ea v e r a g ey a wi ss o m e w h a tl a r g eb u ts t i l lw i t h i nt h ea l l o w a b l er a n g e ， s ot h ev e h i c l eh a sag o o dr a p i ds t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c i ni m p u l s es t e e rc o n d i t i o n ，t h e s c o r ev a l u eo ft h er e s o n a n tf f e q u e n c y ，t h ep h a s el a ga n g l ea n dt h er e s o n a n tp e a k sa r e a l lw e l l i nt h ec o r n e r i n gw i t hs t e e rr e l e a s ec o n d i t i o n ，t h e y a wr a t er e s i d u a lo fa l i g n a r eg o o db o t hi nl o ws p e e da n dh i g hs p e e d ，s ot h ev e h i c l eh a sag o o dr a p i ds t e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s k 卫y w o r d s ：m e d i u mb u s ；m u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c s ；r i d ec o m f o r t ； h a n d l i n gs t a b i l i t y ；e v a l u a t i o n i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 车辆动力学国内外研究现状2 1 3 本文主要工作内容6 第2 章平顺性与操纵稳定性的评价指标概述8 2 1 汽车行驶平顺性的评价8 2 1 1 汽车行驶平顺性研究的意义? 8 2 1 2 汽车平顺性的评价方法9 2 2 操纵稳定性的评价一1 2 2 2 1 操纵稳定性的评价方法1 2 2 2 2 操纵稳定性的表征参数1 4 2 2 3 几种常见的操纵稳定性评价指标1 6 2 3 本章小结2 1 第3 章基于a d a m s c a r 的子系统建模2 2 3 1a d a m s c a r 建模基本原理2 2 3 1 1a d a m s 建模简介2 2 3 1 2a d a m s 的理论基础和求解方法2 3 3 2 汽车运动学参数2 5 3 3 前悬架模块的建立2 6 3 4 后悬架模块的建立2 7 3 5 悬架参数的设定2 9 3 6 轮胎模块的建立一2 9 3 7 转向模块的建立3 0 3 8 其它模块的建立31 硕士学位论文 3 9 子系统的建立3 2 3 10 本章小结3 2 第4 章平顺性仿真与分析3 4 4 1 整车装配3 4 4 2 随机路面的生成3 5 4 3 平顺性随机输入仿真与分析3 6 4 3 1 沥青路面平顺性分析j 3 7 4 3 2 平顺性道路试验4 0 4 3 3 水泥混凝土路面平顺性分析4 3 4 4 平顺性脉冲输入仿真4 3 4 5 整车传递特性分析4 6 4 6 本章小结4 8 第5 章操纵稳定性仿真与分析4 9 5 1 整车装配4 9 5 2 蛇形试验仿真分析4 9 5 2 1 仿真工况设定4 9 5 2 2 仿真结果5 0 5 2 3 结果分析5 2 5 3 转向盘角阶跃输入试验仿真5 3 5 3 1 仿真工况设定5 3 5 3 2 仿真结果5 3 5 3 3 结果分析5 4 5 4 转向回正性能试验仿真分析一5 5 5 4 1 仿真工况的设定5 5 5 4 2 仿真结果5 6 5 4 3 结果分析5 9 5 4 本章小结6 0 第6 章总结与展望6 1 目录 6 1 全文总结6 1 6 2 未来工作展望6 2 参考文献6 3 附录6 6 攻读硕士学位期间发表的论文6 7 致谢6 8 v i 硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 随着世界汽车工业技术的发展，汽车工业在经济中的地位也在不断地提高。 汽车产品的迅速发展，使得交通运输设备制造业成为2 0 多个主要工业行业排位 中仅次于石油和电子行业的第三大产业，成为拉动经济增长的主要力量。我国汽 车工业经过半个世纪的发展，特别是近几年的发展，在规模、产品层欢、企业经 营上都有了很大进步，在国民经济中起到愈来愈多的作用。但是，在与国外汽车 企业的对比中，很明显的看到，在规模化生产、技术水平、成本控制等方面存在 很大差距。 在我国民族汽车品牌的诞生和发展过程中，自主品牌的研发很重要。从2 0 世纪8 0 年代开始，c a d c a m c a e 等计算机技术逐渐深入汽车领域 1 】。“虚拟开 发”逐渐变革传统车辆的开发程序。传统的汽车设计模式是先进行汽车零部件的 设计，然后将零部件组装成物理样机，再进行试验研究。这种设计方法周期长， 成本高，成功率低，已经逐渐被虚拟样机技术所取代。虚拟样机技术( v i r t u a l p r o t o t y p et e c h n i q u e ) 简称v p t ，是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设 计和分析技术( 指在某单一系统中零部件的c a d 和f e a 技术) 揉合在一起，利用 计算机建立产品的整体模型，并针对其在使用后的各种工况进行仿真分析，预测 产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。虚拟样机技 术是虚拟制造的一个重要子集，它的侧重点在于如何利用三维几何造型、机构运 动仿真、优化等计算机技术，保证产品的性能，以实现产品设计的一次性成功， 缩短产品设计周期，从而赢得市场竞争。当今汽车工业发达的国家对虚拟样机技 术的研究已经取得了显著的成果，所开发的软件如a d a m s 、d a d s 、n e w e u l 等都为汽车设计水平的提高提供了有力的手段。 应用多体系统动力学的仿真模型，将汽车悬架系统的每一部分看作是刚性体 或弹性体。整个模型自由度可达上百个，更全面的描述了汽车各个子系统的运动 及相互祸合作用，可用于汽车操纵性、动力性、舒适性等研究。以多体系统动力 学理论为基础编写的大型通用软件为工程技术人员提供了方便快捷的建模手段。 第一章绪论 应用大型通用软件能自动生成运动学和动力学方程，并利用软件内部的求解器准 确求解，不需要人工建立求解方程，因而可以节省大量时间，提高工作效率。 1 2 车辆动力学国内外研究现状 汽车是一个复杂的机械系统，外界载荷的作用复杂、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。 传统的汽车系统动力学分析是将汽车系统中各部件、总成看作集中质量块，它们 之间的联系抽象为弹簧和阻尼器，即将汽车系统抽象为集中质量弹簧阻 尼系统 2 卅。这种模型有平面的也有三维的，其自由度从几个到十几个以至数十 个。然而，这种抽象显然只能满足特定工况下近似分析的需要，往往为模拟不同 工况需要建立不同的分析模型。因为事实上系统中各部件、总成本身是个分布质 量的物体系，它们不仅有移动自由度而且还应计算其转动自由度，并且各部件之 间的联结都是通过复杂的构件和运动副( 转动副、移动副、万向节、球铰等) 构成 的，它们在汽车运动中是相互制约、彼此耦合的，因此很难找到一种适合任意工 况的当量系统作为汽车系统的动力学分析模型。 车辆动力学是近代发展起来的- - f - j 新兴学科。有关车辆行驶振动分析的理论 研究，最早可追溯到1 0 0 年前。事实上，直到2 0 世纪2 0 年代，人们对车辆行驶 中的振动问题才开始有初步的了解；到2 0 世纪3 0 年代，英国的l a n c h e s t e r 、美 国的o u e y 、法国的b r o u l h i e t 开始了车辆独立悬架的研究，并对转向运动学和悬 架运动学对车辆性能的影响进行了分析。开始出现有关转向、稳定性、悬架方面 的文章。从2 0 世纪9 0 年代起，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定性在汽 车产品竞争中的重要作用，因而车辆动力学也得到了迅速发展。 行驶动力学研究中的首要问题是建立考虑悬架特性在内的车辆动力学模型， 分析这些动力学问题的最简单的数学模型是具有七自由度的整车模型 5 】。随着功 能愈来愈强大的多体动力学仿真软件的普及就用，包括衬套等复杂细节在内的车 辆模型也可以方便地得到。 在实际应用中，行驶动力学分为两类：一类是可通过数学建模来分析的行驶 动力学问题，也称之为“主要行驶舒适性问题”。另一类是“次级行驶舒适性问 硕士学位论文 题”，主要包括车身对1 5 h z 以上的高频振动的响应、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、对路面的阶跃凸起及凹坑等 路障的纵向冲击的响应以及人体对振动的响应等问题。目前，几乎还没有办法用 数学解析模型来准确地预测这些影响 7 】。 近年来，随着计算机技术、图形学技术及计算方法的不断提高，在机械系统 仿真( m s s ) 领域，国外研制了很多基于多体系统动力学理论开发的仿真分析软 件，如a d a m s 和d a d s 等。所谓m s s 技术，即把分散的零部件设计与分析技 术结合在一起，以提供一个全面了解产品性能的方法，并通过仿真分析中的反馈 信息、来指导设计【8 j 。其中由美国机械动力公司开发的a d a m s 软件最有代表性， 它采用虚拟样机技术，将大位移、非线性分析求解与使用方便的用户界面相结合， 并提供与其他c a e 软件如控制分析软件m a t l a b 、有限元分析软件a n s y s 等的 集成扩展设计手段。a d a m s 是当前求解机械系统空间位移运动学的主要软件， 在汽车、航空、机器人等领域有广泛应用。其在汽车行业的使用率达到了4 3 ， 该软件在为客户提供的通用平台( a d a m s w ) 同时，还专门提供了用于车辆 分析的专门模块( a d a m s c a r ) ，使用起来非常方便。 国外早就开始应用虚拟样机技术，并形成了一系列商用化和功能化的虚拟样 机仿真系统软件，这就是汽车领域运用功能化虚拟样机新技术的大趋势。美国福 特公司早在2 0 世纪7 0 年代就己在其开发的轻型车上采用了这样的技术，之后， 通用公司、克莱斯勒公司以及德国、日本等国的汽车公司，都纷纷开始研究与运 用虚拟样机技术。各大汽车公司己经拥有二次开发的a d a m s c a r 系统用于整 车的设计与开发。目前，这些先进的汽车设计公司都己将虚拟样机技术广泛应用 在新产品开发，该技术己从研究和支持发展成为产品开发中的成熟技术【l 0 1 。 近二十多年的发展起来的多体系统动力学理论为建立多自由度模型提供了 一个有的工具。建模研究过程中，国内外众多的学者和研究人员提出了许多方法， 并建立了大量数学模型，用来仿真悬架的运动学和动力学特性。目前，在汽车悬 架建模理论中，最为典型的是基于侧倾中心或力矩中心的建模方法，和基于多体 动力学的建模方法。 基于侧倾中心或力矩中心的建模方法，其主要思路是由试验测定整车的侧倾 中心，通过做实车试验，确定各系统机构对车身的六种作用力及悬架变形，从而 第一章绪论 确定这二者之间非线性系数的数据库，再将之用于整车动力学仿真，同时分析悬 架系统对整车动力学的影响。作用于车身的六种作用力分别为弹簧力，阻尼力， 附加侧倾刚度力，抗俯仰力，抗侧倾力和举升力。弹簧力与阻尼力是由于汽车悬 架减振器运动产生的，其弹性系数和阻尼系数都是非线性函数。附加侧倾刚度力 是由于车身相对于路面侧倾时，前后悬架安装的横向稳定杆的扭转效应产生的， 其前、后悬架附加侧倾刚度系数也是非线性的。抗俯仰力和抗侧倾力是当车轮受 到驱动或制动力矩以及侧向力作用时，由于悬架导向机构的布置而产生的，其抗 俯仰效应系数和抗侧倾效应系数也是非线性的。举升力是当车轮受到驱动或制动 力以及侧向力作用时，车轮产生举升效应引起的，其举升力系数也是非线性的。 这种理论实际上是对悬架作了大量的简化，较少考虑各系统构件的具体结构 和尺寸，而是从悬架整体上从车轮与车身的相互作用效果的角度进行研究，它最 大的优点就是所建立的模型计算速度快，具有良好的实时性，能够满足要求实时 仿真的情况，尤其是有驾驶员作用的整车驾驶模拟器对实时性的要求，所以得到 了广泛的应用。当然，这种分析方法也存在有很大的弊：( 1 ) 这些非线性系数的 测定与确定非常不方便，并且由于以上数据的测量是在各系统静态下得到的，没 有考虑到在实际驾驶情况下，整车的运动也会对悬架系统产生影响，因而造成得 到的这些数据库非常不可靠；( 2 ) 由于这种方法对建立的模型做了大量的简化， 而且不直接面对具体结构参数，使模型对悬架的具体尺寸、弹性件的弹性特性等 参数的分析很不方便，对于准确的计算动态下的悬架特性参数也不方便；( 3 ) 这 种方法建立的悬架模型不适用于大位移运动的汽车动力学仿真。 所以，以上所建的多自由度非线性模型，虽将悬架系统的运动特性等效考虑 为悬架刚度的非线性，考虑轮胎侧偏特性等的非线性，但仍无法将车辆悬架、转 向系统的实际结构参数、橡胶衬套刚度等具体设计细节参数与车辆的动态特性相 联系。 国内从七十年代初，长春汽车研究所和清华大学同时开展了汽车动力学的研 究，研究工作集中在平顺性、操纵稳定性能指标的评价方法、试验方法及操纵稳 定性的模型建立、模型的计算、性能预测和优化设计方法等。力学模型从七十年 代研究汽车侧偏和横摆运动的二自由度线性模型，发展到包括侧倾和转向在内的 三至五自由度乃至十三自由度的非线性模型，其功能也从对汽车操纵稳定性的稳 硕士学位论文 态和瞬态响应的分析，发展到汽车转向制动性能的分析。 从八十年代中后期开始，我国的部分高等院校相继将多体系统动力学方法， 引入到汽车运动学和动力学研究中。至今为止，研究领域也从开始的刚体系统的 运动学研究扩展到包含柔体的多体系统动力学研究，许多学者的研究成果为我国 的汽车制造企业在开发具有自主知识产权的汽车中起到了指导性作用。 应用多体系统动力学的仿真模型将汽车的各个部件看成刚性体或弹性体，同 时也包括刚体的所有节点。整个模型自由度非常多，能更全面的描述汽车各个子 系统的运动及相互耦合作用，可用于汽车操纵性，平顺性等研究 m 】。 汽车中的弹簧、阻尼器、缓冲块、橡胶衬套以及轮胎等均具有非线性特性， 同时悬架、转向系统的空间运动也具有典型的几何非线性特性。能够全面精确表 达和预测汽车各种非线性特性的多体模型是进行汽车的动态性能设计的先进手 段。多体动力学方法己成为车辆动力学研究的一种高效率、高精度的分析方法。 从上可以看出国外在工程界，特别是汽车工程领域，在多体系统动力学方面 的研究己比较广泛和深入。我国在这方面的研究虽然起步较晚，但发展很快，并 且在汽车工程领域也出了不少成果。1 9 8 9 年，吉林工业大学的林逸教授利用r w 方法，建立了对汽车独立悬架中的单横臂及摆柱式悬架进行空间运动分析 的通用计算程序。1 9 9 1 年，第二汽车制造厂的上官文斌等人，采用自然坐标的 概念，利用虚功原理建立汽车转向系统和悬架运动学分析方法。北京农业工程大 学的周一鸣教授等研制了广义机构计算机辅助设计软件g m c a d s ，用于分析平 面和空间机构的运动学及动力学性能。1 9 9 2 年，清华大学的张海岑采用多刚体 力学中的牛顿欧拉方法，建立了汽车列车7 4 个自由度的非线性数学模型， 其中包括多种轮胎模型、悬架系统模型、转向系统模型及带有比例阀、防抱死装 置及考虑制动热衰退的制动系统模型，深入研究了汽车列车操纵稳定性和制动 性。1 9 9 4 年，清华大学的刘红军 1 l 】用虚拟刚体结构方法和弹性子机构法把弹性 问题纳入整车多体系统动力学的分析中，对汽车摆振系统进行了建模和计算。 1 9 9 7 年，清华大学的张越今【1 5 】在其博士论文中建立了含柔性元素的8 0 自由度整 车多体系统模型，并利用该模型对汽车动力学进行了全面的仿真分析和优化。 关于弹性元件的作用，1 9 9 3 年，吉林上业大学的林逸教授对悬架系统中广 泛采用的橡胶铰链的特性作了阐述，并对汽车平顺性的影响做了分析。1 9 9 9 年， 第一章绪论 同济大学的温强等人对悬架中的橡胶支撑的动、静刚度的实验研究方法作了研 究。 轮胎侧偏模型是车辆动力学的重要研究内容，在以往的悬架运动研究中，大 都将轮胎弹性视为线性的，而轮胎的弹性非线性因素对汽车的动力学行为有很大 的影响，建立精确的非线性模型成为必然。 轮胎侧偏模型是车辆动力学的重要研究内容，工程上m a g i cf o r m u l a 模型应 用十分广泛；国内学者在轮胎力学方面作了大量研究上作，并建立了自己的侧偏 力学模型 1 6 】。 国内有吉林大学、清华大学、上海交通大学、同济大学、华中科技大学、武 汉理工大学等单位进行了“数字化虚拟样车”方面的理论研究，还有长春汽车研 究所、东风汽车工程研究院、上海汽车集团、北京汽车集团等单位引进国外软件 进行了“数字化虚拟样车”方面的仿真分析和局部应用，但因缺乏整车及零部件 基础数据积累、实车试验验证及仿真建模方面的经验积累，在仿真模型精确程度、 建模与仿真分析的效率等方面都不足以完全满足产品设计的要求，“数字化虚拟 样车 还不能成为替代传统汽车设计方法的实用化手段。 1 3 本文主要工作内容 本文所研究课题属于汽车系统动力学领域，来源于工程实际项目，主要应用 多体系统动力学理论和机械系统动力学仿真软件a d a m s ，针对某中客建立整车 动力学模型并进行平顺性与操纵稳定性仿真试验。整个研究工作以汽车产品的虚 拟设计、虚拟分析为核心，对减少产品开发过程中物理样机的制造成本和工作量， 缩短开发时间具有现实意义。 本文的主要内容如下： 1 、整车平顺性与操纵稳定性评价指标研究。针对平顺性，从底盘横向、纵 向、垂向三个方向振动得到的驾驶员座椅处总加权加速度均方根值，然后根据该 值与人的主观感觉的对应关系进行乘坐舒适度评价。针对操纵稳定性，提出了几 种常见的操纵稳定性特性：急剧转向特性、频率响应特性、转向回正性，并给出 了各自相应的评价指标。 硕士学位论文 2 、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 软件建立了整车动力学仿真模型，其中包括前后悬架系统、转向系统、轮胎一路 面模型、车身车架等。 3 、对整车动力学模型进行平顺性仿真与分析。通过对整车动力学模型进行 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、不同路 面下驾驶员所受三个方向的加速度功率谱密度、加权加速度均方根值的变化规 律。 4 、对整车动力学模型进行操纵稳定性仿真与分析。根据国家操纵稳定性标 准，对整车进行操纵稳定性试验仿真分析，包括蛇形试验、方向盘角阶跃输入试 验、转向回正性能试验，并得到各个工况的评价指标。 第二章平顺性与操纵稳定性的评价指标概述 第二章平顺性与操纵稳定性的评价指标概述 车辆动力学是研究所有与车辆系统运动有关的学科，它涉及的范围很广， 但主要从两个方面来对其进行研究，即平顺性和操纵稳定性。平顺性主要研究由 路面的不平激励，经由悬架和轮胎传递的垂向力引起的车身跳动和俯仰以及车轮 的运动；而操纵稳定性研究车辆的操纵特性，主要与轮胎侧向力有关，并由此引 起的车辆侧滑、横摆和侧倾运动。 2 1 汽车行驶平顺性的评价 2 1 1 汽车行驶平顺性研究的意义 汽车行驶平顺性主要是保持汽车在行驶过程中所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，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能。 由于行驶平顺性主要根据乘坐者的舒适程度来评价，所以也称为乘坐舒适性【l 】。 汽车作为一个复杂的多质量振动系统，其车身通过悬架的弹性元件与车桥连 接，而车桥又通过弹性轮胎与道路接触，其它如发动机、驾驶室等也是以橡胶垫 固定于车架上。汽车行驶时，由于路面不平度以及发动机与传动轴等激振作用时， 将激起汽车的振动，使乘员处于振动环境之中，影响着乘员的舒适性、工作效能 和身体健康。 汽车的各项性能是相互影响的，汽车行驶平顺性也影响着其它性能的发挥。 在汽车行驶过程中，如果行驶平顺性太差，强烈振动产生的动载会冲击汽车的零 部件，加速零部件的磨损，降低零部件的疲劳寿命。汽车的强烈振动还会使车轮 跳离地面，影响汽车的动力性、制动性以及操纵稳定性。为了减小汽车振动，驾 驶员必须放慢车速，使得运输效率降低。汽车的低速行驶又会导致燃油燃烧不充 分，使燃油经济性变差，排放性能也变差。 因此，改善汽车行驶平顺性，减少汽车行驶时的振动，具有十分重要的现实 意义。 硕士学位论文 2 1 2 汽车平顺性的评价方法 1 ) 、人体对振动的响应 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， 而且每个人的心里和身体素质不同，故对振动的敏感程度有很大差异。尽管上世 纪3 0 年代以来在这一方面进行了许多试验研究工作，但难以得到公认的评价方 法和指标。直到1 9 7 4 年，国际标准化组织( i s o ) 在综合大量有关人体全身振 动研究成果的基础上，制定了国际标准i s 0 2 6 3 1 ：人体承受全身振动评价指南， 后来对它进行修订、补充。从1 9 8 5 年开始进行全面修订，1 9 9 7 年公布了 i s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( e ) 人体承受全身振动评价第一部分：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， 能与主观感觉很好的符合。许多国家都参照它进行汽车平顺性评价。 当前最新的标准为1 5 0 2 6 3 1 一l ：1 9 9 7 ( e ) ，该标准规定了如图2 1 所示的人体 坐姿受振系统。在进行舒适性评价时，它考虑了座椅支承面处的3 个方向的线振 动、3 个方向的角振动以及座椅靠背和脚支承面各3 个方向的线振动，共1 2 个 轴向振动分量。该标准规定对不同轴向分量及不同频率的振动有不同的敏感程 度。椅面垂直轴向z 。频率加权函数的最敏感频率范围为4 1 2 5 h z ，其中小4 - 8 h z 频率范围内，人体内脏器官最易产生共振，而8 1 2 5 h z 范围的振动对人体脊椎 系统影响最大。椅面水平轴向x ，、y ，的频率加权函数的最敏感频率范围均为 o 5 2 h z ，约3 h z 以下，水平振动比垂直振动更敏感。 我国参照i s 0 2 6 31 1 ：1 9 9 7 进行汽车平顺性评价，公布了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，该方法评价汽车平顺性只考虑了椅面x ，、y ，、 z 。这三个轴向。椅面垂直轴向z 。的频率加权函数q 最敏感频率范围标准规定为 4 1 2 5 h z ，在4 - 8 h z 这个频率范围，人的内脏器官产生共振，而8 1 2 5 h z 频率 范围的振动对人的脊椎系统影响很大。椅面水平轴向的、儿频率加权函数最 敏感频率范围为0 5 2 h z ，大约在3 h z 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，故应对水平振动给与充分重视。 2 ) 、平顺性的评价算法 第二章平顺性与操纵稳定性的评价指标概述 15 0 2 6 31 ：19 9 7 ( e ) 标准规定，当振动波形峰值系数 9 ( 峰值系数时加权加速度 时间历程口( f ) 埘的峰值与加权加速度均方值的比值) 时，用基本的评价方法一加 权加速度均方根值来评价振动对人体舒适和健康的影响 2 1 。 用基本的评价方法来评价时，先计算各轴向加权加速度均方根值。具体有两 种计算方法： 对记录的加速度时间历程a ( t ) ，通过相应频率加权函数f d ( d 的滤波网格得 到加权加速度历程口( f ) 脚，按下式计算加权加速度均方根值： = 吾了2c r ，出 j c 2 ， 式中，t 为振动的分析时间。 h z 。 崖 图2 1 人体坐姿受振系统 f i g 2 1v i b r a t i o ns y s t e mf o rh u m a ns i t t i n gp o s t u r e 频率加权函数c o ( f ) ( 渐近线) 可以用下列的公式表示，式中频率f 单位为 c o k ( f ) = o 5 ( 0 5 f 2 ) ( 2 厂 4 ) 1 ( 4 f 1 2 5 ) 1 2 形( 1 2 5 厂 8 0 ) ( 2 2 ) 硕士学位论文 f1 ( 0 5 f 2 ) 纵门_ i 乃( 2 n 。) q 3 f 1 ( o 5 厂 8 ) 纵门= i 髟( 8 n 。) 4 f l ( o 5 厂 1 ) 纵伽t 肜( 1 。，当车速达到特征车速= 去时，汽车的转向灵敏度詈 。达到 最大值。即在方向盘转角一定，以不同车速作等速圆周行驶时，汽车的横摆角速 度并不一直随车速的增大而增大，而是在某个车速处达到最大值后呈下降趋势。 特征车速是表征不足转向量的一个参数。 过多转向 此时k r ，即汽车的转向效果受到抑制。由于( 口。- 口：) 将随侧向加速度的提高而增大，因此这种抑制作用将随口。的增大而增加，这就 是不足转向特性。反之若( - 口：) 为负值，行驶圆的半径r r 。汽车的转向 效果加强，而且这种加强作用随侧向加速度的提高而增加，这就是过多转向特征。 因此，( 口。- ) 可以作为表征汽车稳态响应的评价指标。 2 ) 、表征瞬态响应的参数 ( 1 ) 、横摆角速度q 波动时的因有( 圆) 频率 舻刮瓮叶肼， 眨 值是评价汽车瞬态响应的一个重要参数，h 为车辆的实际速度。c o o 值应 高些为好，这样可以减少谐振的倾向。车速增加时c o o 值减小，汽车质量、转动 惯量增加，c o o 值减小；轴距增加，c o o 值增加；在稳定性因数k 不变的情况下， 增加后轮侧偏刚度及相应的前轮侧偏刚度，c o o 值增加，所以提高轮胎的侧偏刚 度能改善汽车的操纵稳定性。 ( 2 ) 阻尼比f f ：上：二坐：垡丝巡型 ( 2 1 1 ) 2 c o ，r h 2 l 、m i k l k 2 ( 1 + k u 2 ) 阻尼比孝决定了汽车横摆角速度达到峰值后衰减到稳态值速度的快慢。随着 车速的提高，f 值减小；汽车质量、转运惯量和轴距减小，孝值有所增加。 第二章平顺性与操纵稳定性的评价指标概述 ( 3 ) 反应时间丁和峰值反应时间s 反应时间是指角阶跃转向输入后，横摆角速度第一次到达稳态值国，。所需的 时间。是评价汽车瞬态响应的另一个重要参数。反应时间短，则驾驶员感到转向 响应迅速、及时；反应时间长就会觉得转向反应迟钝。一般r 值应小些为好。车 速增加，反应时间减小；汽车质量和轴距增加，反应时间也有所缩短；而转动惯 量增加，反应时间增加。通常也用横摆角速度到达第一峰值国，时的时间占，作 为评定汽车瞬态横摆响应反应快慢的参数。 2 2 3 几种常见的操纵稳定性评价指标 1 ) 、急剧转向特性： 蛇行试验属于驾驶员一汽车一外界环境组合而成的闭路系统性能试验方法 之一。这种试验方法可考核车辆的急剧转向能力，考核汽车在接近侧滑或者侧翻 工况下的操纵稳定性，综合评价汽车行驶稳定性、舒适性及其安全性，也可以作 为对比不同车辆操纵稳定性的主观评价的一种感性试验 4 5 1 。 评价指标包括：平均转向盘转角峰值、平均横摆角速度峰值、平均车身侧倾 角峰值、平均侧向加速度峰值。 表2 2 不同车型标桩间距及基准车速 t a b 2 - 2t h ed i s t a n c eo fs t a k ea n dr e f e r e n c es p e e da m o n gd i f f e r e n tv e h i c l e s 第i 次试验的蛇行测速按下式确定： = 3 6 l ( n 一1 ) t i u 第i 次试验的蛇行车速，( k m h ) ； l 标桩间距，m ： 1 6 ( 2 1 2 ) 硕士学位论文 n 有效标桩区起始至终了标桩数，n = 6 ； t 第i 次试验通过有效标桩区时间，( s ) ； 第i 次试验平均横摆角速度按下式确定： 以= 禧以j 乃第i 次试验平均横摆角速度，( 。s ) ； 九，在有效标桩区内，横摆角速度时间经历曲线峰值，( 。s ) ； 第i 次试验平均车身侧倾角按下式确定： 卟滴钆 ，第i 次试验平均车身侧倾角，( 。) ； 。，在有效标桩区，车身侧倾角时间历程曲线峰值，( 。) ： y ，0 的下限值r 5 。，0 5 。与上限值以o o ，幺0 0 ，如表2 - 3 所示 表2 - 3 不同车型，- ，目的下限值蚝o ，0 5 0 与上限值乃o o ，只0 0 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) t a b 2 - 3 以o ，包o ( 1 0 w e rl i m i to fy ，秒) a n d 以0 0 ，岛0 0 ( u p p e r l i m i t