（光学工程专业论文）基于多体动力学的车轮定位参数与平顺性仿真分析及优化.pdf

，j，一 f 岵l1 f ；静 i ，0 0 a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nw h e e la l i g n m e n t p a r a m e t e r sa n dr i d e c o m f o r tb a s e do nm u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c s p e n g x i o n g x i o n g b e ( t a iy u a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 4 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g i n a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rg u z h e n g q i a p r i l ，2 0 0 7 j 毒。 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 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后果由本 人承担。 作者签名： 日期沙夕年厂月厂矿日 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 留并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 l 、保密团，在童年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：加9 年厂月，跖 日期：旧 月罗日 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论l 1 1平顺性研究的意义和主要内容1 1 1 1 研究的意义l 1 1 2 研究的主要内容”2 1 2国内外汽车平顺性研究概况3 1 2 1 评价试验及评价方法3 1 2 2 汽车平顺性改进及仿真5 1 3 主要研究内容6 第2 章虚拟样机技术及多体系统动力学简介8 2 1 虚拟样机技术简介8 2 2 多体动力学简介9 2 2 1多刚体动力学l o 2 2 2 多柔体动力学”1 3 2 3多体系统动力学在汽车动力学中的应用1 5 2 4多体系统动力学分析软件a d a m s “1 6 2 4 1a d a m s 软件的特点1 6 2 4 2a d a m s 软件的应用1 7 2 4 3a d a m s 模块介绍”l7 2 4 4 解决a d a m s 软件数值发散的技巧1 8 2 5 小结l9 第3 章整车动力学模型的建立”2 0 3 1整车动力学模型的建立2 0 3 1 1 整车模型的简化原则”2 0 3 1 2 前悬架2 0 3 1 3 后悬架”2 2 3 1 4 转向系”2 3 3 1 5 车身2 4 3 1 6 制动2 5 3 1 7 动力总成2 6 基于多体动力学的车轮定位参数与平顺性仿真分析及优化 3 2 3 3 第4 章 4 1 4 2 4 3 4 4 第5 章 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 5 8 第6 章 3 1 8 轮胎2 8 3 1 9 驾驶员人一椅模型“2 9 3 1 10 整车系统3 0 模型实验验证3 l 小结3 2 车轮定位参数仿真分析与优化3 3 定位参数研究”3 3 车轮定位参数仿真分析3 4 4 2 1车轮同向跳动分析3 4 4 2 2 转向仿真分析“3 8 车轮定位参数优化”4 0 d 、结4 3 整车平顺性仿真分析4 4 汽车平顺性的定义4 4 汽车平顺性的评价方法”4 4 5 2 1 吸收功率评价法4 4 5 2 2i s 0 2 6 3l 评价法”4 5 随机路面的建立4 8 5 3 1随机路面不平度理论”4 8 5 3 2 随机路面的生成4 9 悬架偏频仿真试验”5 0 随机路面平顺性仿真试验5 3 5 5 1仿真标准与方法5 3 5 5 2 结果分析”5 3 5 5 3 结果评价5 9 脉冲输入行驶仿真试验5 9 5 6 1 仿真标准与方法”6 0 5 6 2 结果分析6 0 5 6 3 结论6 2 台架仿真试验“6 3 5 7 1车身垂直共振频率仿真试验6 3 5 7 2 车身俯仰共振频率仿真试验6 3 5 7 3车身侧倾共振频率仿真试验6 4 硝、结”6 4 提高平顺性的改进方案”6 5 1 一 硕士学位论文 6 1影响平顺性的因素分析6 5 6 1 1车速、路面状况、及簧载质量的影响6 5 6 1 2 悬架参数的影响6 5 6 1 3轮胎的影响6 7 6 2 改进方案6 8 6 2 1方案1 ，6 8 6 2 2 方案2 7 0 6 2 3方案3 7 l 6 2 4方案4 “7 2 6 3 小结7 4 结论7 5 参考文献7 7 致谢”8 0 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录8 l 硕十学位论文 摘要 随着社会的发展，人民生活水平不断提高，交通运输业蓬勃发展，人们对交 通运输的质量要求越来越高。为了保证交通运输的安全、高效和舒适性，对汽车 行驶平顺性的研究也越来越重要。汽车行驶平顺性是汽车的主要性能指标之一， 各汽车生产厂家都在不断努力改善汽车行驶平顺性，以便提高汽车的竞争力。 本文首先简要介绍了多体系统动力学的理论及用于多体系统动力学仿真分析 的大型软件：a d a m s 。然后将整车划分为前悬架、后悬架、人一椅系统、转向 系、传动系和轮胎等子系统，并用多体动力学软件a d a m s 分别建立了子系统的 动力学分析模型，将其与车身、副车架等组装到一起建立了整车的动力学分析模 型，通过样车试验，验证了模型的准确性。 文章通过对前悬架进行运动学仿真分析，得到了悬架结构对前轮定位参数的 影响规律。分析结果显示，该车前轮定位参数变化虽仍在允许范围之内，但前束 角、车轮外倾角和主销偏移距仍有可优化的地方。因此本文对车轮定位参数进行 了优化，使车轮定位参数的变化量更合理，更有利于整车性能的提高。 文章还介绍了汽车平顺评价指标和随机路面的建立过程，利用虚拟样机技术 对该车进行平顺性仿真分析，从不同角度了解了整车的平顺性，并对仿真结果进 行了相应的处理和评价，从总体上讲，该车的平顺性能较好。 最后，文章对影响平顺性的车速、路面状况和汽车悬架参数等因素进行了分 析，且着重分析了弹簧刚度、减振器阻尼和轮胎刚度对汽车平顺性的影响，并指 出各参数的增大或减少对整车平顺性影响的趋势。本文提出了4 种优化方案，对 每种方案的参数进行优化分析，得出每种方案下最优的平顺性参数，为提高平顺 性指明了方向。 关键词：平顺性；人一椅系统；多体系统动力学；汽车悬架；平顺性评价 董王玺圭垫左堂丝主丝壅垡查墼皇垩堡丝笾塞坌堑垦垡垡 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n dt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fp e o p l e s l i f e a n das w i f td e v e l o p m e n th a sh a p p e n e di nt r a f f i ca n dt r a n s p o r t a t i o n a tt h es a m e t i m e 。p e o p l eh a v eah i g h e rd e m a n df o rt r a f f i ca n dt r a n s p o r t a t i o n t oe n s u r et h es a f e t y ， h i g he f f i c i e n c ya n dc o m f o r to ft r a f f i ca n dt r a n s p o r t a t i o n t h er e s e a r c ho fa u t o m o t i v e r i d ec o m f o r ti sg e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t a u t o m o b i l er i d ec o m f o r ti so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp e r f c i r m a n c e so fa u t o m o b i l e m a n ya u t o m o b i l ec o m p a n i e sa r e r e s e a r c h i n gt h ea u t o m o b i l er i d ec 0 1 f o r ta n di m p r o v i n gi tt oe n h a n c et h ec o m p e t i t i v e p o w e ro ft h e i ro w na u t o m o b i l e f i r s t t h et h e o r yo fm u l t i b o d yd y n a m i c sa n dt h es o f t w a r e a d a m sa r e i n t r o d u c e db r i e f l yi nt h ep a p e r s e c o n d l y ，t h ev e h i c l ei sd i v i d e di n t of r o n ts u s p e n s i o n ， r e a r s u s p e n s l o n ，p e r s o n c h a i rs y s t e m ，s t e e r i n gs y s t e m ，t i r e s a n dt r a n s m i s s i o n s u b s y s t e m s ，a n dt h e na d a m sw e r eu s e dt oe s t a b l i s ham u l t i - b o d yd y n a m i c ss o f t w a r e s u b s y s t e md y n a m i c sm o d e l t h e s es u b s y s t e mw e r ea s s e m b l e dt o g e t h e rt oe s t a b l i s ha f r a m eo ft h ev e h i c l ed y n a m i c sm o d e lw i t ht h eb o d ya n df r a m e ，w h i c hi sv e r i f i e d a c c u r a t et h r o u g ht h et r i a l t h ef r o n ts u s p e n s i o nk i n e m a t i c si ss i m u l a t e dw h i c hg a i n st h er u l eo fs u s p e n s i o n f r a m ea f f e c t i n gt h ef r o n tw h e e lo r i e n t a t i o np a r a m e t e r t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h e p a r a m e t e r so ft h ef r o n tw h e e la l i g n m e n ta r er e a s o n a b l e ，b u tt h et o ea n g l e ，c a m b e r a n g l ea n ds c r u br a d i u sn e e dt ob eo p t i m i z e d t h e r e f o r cw h e e lo r i e n t a t i o np a r a m e t e ri s o p t i m i z e dt om a k ei tr e a s o n a b l ew h i c hw i l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e t h ee v a l u a t i o no fr i d ec o m f o r ta n dt h ec o u r s eo fb u i l d i n gar a n d o mr o a da l s oa r e i n t r o d u c e d t h ec o m f o r tc h a r a c t e ro ft h ec a ri se v a l u a t e dw i t hv i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g yw h i c hi st ou n d e r s t a n dt h ep e r f o r m a n c eo fv e h i c l e sf r o md i f f e r e n ta n g l e s t h es i m u l a t i o nr e s u l ti sa n a l y z e da n de v a l u a t e da n d ，g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h i sc a r p e r f o r m sg o o dr i d ec o m f o r t f i n a l l y ，t h ef a c t o r st h a ta f f e c tv e h i c l er i d et o m f o r ts u c ha sv e h i c l es p e e d ，r o a d c o n d i t i o n sa n ds u s p e n s i o n p a r a m e t e r sw h i c hi n c l u d e ss p r i n gs t i f f n e s s ，t h es h o c k a b s o r b e rd a m p i n ga n dt h et i r es t i f f n e s sa r ea n a l y z e d t h et r e n do fv e h i c l er i d ec o m f o r t a f f e c t e d b yr i s i n ga n dr e d u c i n go ft h e s ep a r a m e t e r s i s g a i n e d f o u rk i n d so f o p t i m i z a t i o nm e t h o d sa r ep r o p o s e da n dv a r i o u sp a r a m e t e r sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r f i n a l l yw eo b t a i nt h eb e s tr e s u l t sa n ds u p p l i e dab r i g h td i r e c t i o nf o ri m p r o v i n gt h e r i d ec o m f o r to fv e h i c l e s k e yw o r d s ：r i d ec o m f o r t ；p e r s o n - c h a i rs y s t e m ；m u l t i - b o d yd y n a m i c s ；v e h i c l e s u s p e n s i o n ；r i d ee v a l u a t i o n n 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 平顺性研究的意义和主要内容 1 1 1 研究的意义 汽车平顺性是保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定的舒适度 的性能，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能。由于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。随着高速公路的不断发展和车速的 提高，汽车平顺性日益显得重要，成为现代高速、高效率汽车的一个主要性能【l 】， 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。 随着生活水平的提高和生活节奏的加快，人们对汽车乘坐舒适性的要求越来 越高。汽车在行驶过程中要保证乘员舒适，要求乘员在到达目的地后能立即以充 沛的精力投入到工作中去。但有资料表明，6 0 以上的人在乘车到达目的地后， 不能立即投入到工作中去【2 】。汽车行驶平顺性的降低不仅使工作效率降低，严重 时还会影响人的身体健康，长期处于不舒适的振动环境中，不仅容易引起疲劳、 心慌，还容易引发各种心脏疾病。 汽车的各种性能是相互影响的，汽车行驶平顺性也影响着其他性能的发挥。 在汽车行驶过程中，如果行驶平顺性太差，路面激励对整车产生的动载荷会冲击 汽车的零部件，加速它的磨损，降低其疲劳寿命。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、加速度性以及操纵稳定性和安全性。因而 为了减少汽车振动，驾驶员必须放慢车速，这将使运输效率降低。但当汽车低速 行驶又会导致燃油燃烧不充分，使燃油经济性变差，排放性能也可能达不到要求。 而如果不放慢车速，汽车的强烈振动不仅降低零部件的疲劳寿命，使乘员晕车、 呕吐，还会使驾驶员疲惫、精力不集中，容易引发交通事故【3 】。 传统的汽车设计周期长、成本高，已经不能适应当今世界汽车市场竞争的需 要。为了提高产品的竞争能力，必须寻求新的产品设计与开发的方法。计算机的 出现及计算机技术的迅速发展，使汽车在设计技术上有了质的飞跃，计算机辅助 技术的广泛应用是汽车现代设计的显著特点之一。计算机不仅可以用于整车方案 的设计、车身造型、装配仿真、零部件强度刚度的计算、零部件绘图与加工等， 它与汽车动力学相结合，对汽车平顺性进行仿真研究，可以用来预测新产品的平 顺性状况，并对其进行及时的改进，同时还可以优化各参数之间的匹配关系，大 大缩短设计周期，节约设计成本。 基于多体动力学的车轮定位参数与平顺性仿真分析及优化 1 1 2 研究的主要内容 汽车行驶平顺性研究的内容非常广泛，概括地说包括：时域或频域范围内路 面特性的研究、汽车行驶平顺性评价方法及评价指标的研究、汽车振动模型的研 究、汽车振动响应求解方法的研究、汽车行驶平顺性的试验研究和影响汽车行驶 平顺性各部件及各参数的研究等内容。 汽车的激励主要来自于路面，路面谱的研究是研究汽车振动和平顺性的重要 基础工作。目前，国内采用的是国际标准协会在文件i s o t c l0 8 s c 2 n 6 7 中提出 的“路面不平度表示方法草案和长春汽车研究所起草制定的“车辆振动输入一 路面不平度表示方法 两个标准【l 】，该标准用幂函数形式的路面功率谱密度来描 述路面特征，这两个标准可以反映实际路面的一般状况。目前我国利用计算机模 拟方法己设计和建造了海南、二汽等道路试验场。长春汽车研究所还成功研制了 具有国际先进水平的双轨迹真实路面。 汽车是一个复杂的多自由度振动系统，早期研究常把它简化为一单自由度、 双自由度或四自由度的若干个弹性质量系统。这些模型虽然没有考虑弹性体，不 能全面反映汽车振动系统的实际情况，但对平顺性理论的研究和定性分析都起了 很重的作用。 对于多自由度模型，当自由度数越多时，理论上就越接近真实系统，结算结 果也越精确，但自由度数增加也给建模和计算带来了很大的难度。而计算机则正 好为多自由度系统的复杂计算提供了快速而又准确的工具，因而国内外的学者们 又将汽车模拟成八自由度、九自由度、十自由度、七十二自由度甚至是超过一百 自由度等多自由度的各种三维空间模型，这些汽车的简化模型不但考虑了汽车的 垂直振动，也考虑了汽车的纵向和横向角振动，而且从平顺性角度出发，考虑了 人体的振动响应，在系统中增加了“人一椅系统”，同时对四轮汽车，考虑了四个 轮胎上由于路面的不平激励而作用的四个互相有一定联系而又不同的随机输入信 号。再者，对于某些车身刚度低而轴距又较大的汽车，对其车架及车身的弯曲振 动与扭转振动的考虑，这些研究将使得模型更加接近汽车的真实行驶状况。 系统自由度数的增加则要求计算中要测量的参数增多，而有些参数根本不能 准确测定，这必然给计算结果带来误差。另外，过分追求计算精度会使计算时间 延长，降低计算效率。总的来说，汽车振动模型的建立需根据计算精度和参数测 量工作来综合考虑，根据实际需要，对汽车振动系统进行适当的简化，研究其主 要因素，忽略其次要因素，使模型简单实用。 当路面特性模型与汽车振动模型建立后，就要求解汽车振动的响应。因此， 需要研究求解汽车振动响应的方法，对求解方法的基本要求是既要保证计算的准 确性又要提高计算效率。 2 硕士学位论文 一般来讲，影响汽车平顺性评价的因素有三个：客观的生理学因素、主管心 理学因素和评价方法的差异。目前平顺性评价方法大致可分为主观评价法和客观 测量法。主观评价法是由有经验的乘员组成的专家小组来完成汽车平顺性的主观 评价。这种评价法具有一定的缺陷：需要根据经验认真的规划、需要统计上的无 偏差采样、人们对振动的感觉的复杂性以及不同次或不同组人员给出的评价汽车 平顺性的比较定性的数据具有差异等。仅用定性的说明或描述不容易确定汽车平 顺性，而客观测量评价法是借助于测量仪器来完成对随机振动机数据的采样、记 录，再用专门的数据处理机进行处理，通过得到相关的分析值和相应的指标比较， 可较客观的确定汽车的平顺性【4 1 。 试验研究历来是科学研究必不可少的手段，汽车行驶平顺性的试验研究也是 如此，最初它是评价汽车行驶平顺性的唯一方法，即使是当前仿真技术有了极大 的发展，试验仍然是验证仿真结果的手段。 汽车平顺性的试验方法一般包括室外道路试验、试验场试验和室内模拟试验 三种。其中室内模拟试验结果的准确性取决于道路模拟台架模拟实际路面的准确 性，因而路面不平度的研究一直是平顺性研究的重点。室外道路试验与试验场试 验是使汽车行驶在特定的道路上，测量相应位置的振动加速度，通过专门的仪器 计算得出汽车行驶平顺性能。 由于汽车行驶平顺性不是孤立于汽车其他性能之外的，因此，在提高汽车行 驶平顺性的同时还要照顾到汽车其他性能的发挥，不能盲目提高行驶平顺性而忽 视其他性能的发挥，尤其是汽车行驶安全性与汽车行驶平顺性存在着很大矛盾， 要兼顾二者达到一个最优的折衷，这也在汽车行驶平顺性的研究范围之内。 1 2 国内外汽车平顺性研究概况 1 2 1评价试验及评价方法 平顺性评价方法上取得最突出进展的是汽车随机输入条件下的平顺性。由于 汽车行驶的路面具有随机不平度，并造成汽车复杂的随机振动响应。因此，研究 汽车平顺性，首先要研究在随机不平的路面上行驶时乘员的反应。 自从1 9 31 年开始r e i b e r 和m e i s t e r d 通过对十名自愿者在振动台上的振动试 验，对评价方法进行了初步研究。后来，j a c k l i n 、l i d d e l l 、g o l d m a n 、d i e c k m a n 和j a n e w a y 等人先后做了大量的试验，总结出一些评价方法和准则，其中比较有 影响的是d i e c k m a n 的k 系数法和j a n e w a y 准则，但是这些试验都是振动台架上 以垂直的正弦振动形式输入下对人体进行的试验，因而很难用它们评价承受随机 振动的汽车平顺性。l9 6 8 年p r a d k o 等人在研究人体传递特性的基础上提出了吸 收功率( a b s o r bp o w e r ) ，日本和美国曾用该方法作为评价、改进整车平顺性和座椅 基于多体动力学的车轮定位参数与平顺性仿真分析及优化 性能的指标。“吸收功率是一数量值，输入给人体各方向的“吸收功率可以直 接相加，这也是它明显得优越性。1 9 8 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 教授在多年研究的基础上提出了“总体乘坐值法”，该方法是 一种较为全面的适用范围较广的评价方法，为1 9 9 3 年i s 0 2 6 3 l 新标准的产生做 出了贡献。目前，普遍被采用的是1 9 9 7 年国际标准化组织制定的i s 0 2 6 31 国际 标准推荐的两种评价方法一1 3 倍频带分别评价方法、总加权值评价方法及其评 价指标。但是应当指出，i s 0 2 6 3 1 是以短时间简谐振动的试验研究成果为基础， 所以目前对之应用于汽车的长时间随机振动环境以及其它一些冲击较大的振动环 境中仍有争议，还有必要继续进行研究以得到更适合评价汽车行驶平顺性的指标。 对我国而言，从2 0 世纪7 0 年代后期以来，随着概率论、随机振动理论、计 算机技术在汽车行业的普及与应用，以及一些先进试验测试设备、仪器的引进， 我国汽车行驶平顺性的试验研究工作有了突飞猛进的发展。八十年代初，长春汽 车研究所、清华大学等首先采用了i s 0 2 6 3 l “人体暴露在全身振动环境下的评价 指南”国际标准进行汽车在实际道路上行驶平顺性的评价研究。i s 0 2 6 3l 标准的 要点是指出人体振动的反应不仅与振动的强度，而且振动的频率、方向有关。这 样，就把以往只简单地统计汽车本身的机械振动响应进行平顺性评价的方法，发 展到“道路一车辆一人体 系统的综合评价更加科学的水平上。长春汽车研究所 还应用了数学统计方法组织人体群进行汽车平顺性的感觉评价，并将其结果与采 用i s 0 2 6 3 1 标准的评价结果进行了对比，两者大体相符。 在以上研究基础上，19 8 2 年制定了“汽车行驶平顺性随机输入试验方法国 家标准，该项标准已经在汽车行业中普遍推广应用。 除了随机输入平顺性评价外，为了评价汽车通过单个凸起或凹坑而受到突然 冲击时的平顺性，长春汽车研究所与清华大学于1 9 8 6 年又制定了“汽车平顺性单 脉冲输入行驶试验方法”国家标准，加上1 9 8 2 年清华大学起草地“汽车悬架系统 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g b t 1 2 4 7 7 9 0 客车平顺性评价指标及限值，初步构成了一个比较完善的 汽车平顺性评价方法体系。 1 9 8 8 年清华大学赵六奇【5 】应用国际标准i s 0 2 6 3 1 1 对汽车平顺性进行评价， 1 9 9 2 年吉林工业大学张洪欣和长春汽车研究所王秉刚等【6 j 对汽车平顺性进行了深 入地探讨和研究，1 9 9 7 年西安公路交通大学张玉芳等【7 j 利用模糊数学评价各因素 对汽车平顺性的影响研究，试验结果表明：对乘坐舒适性影响最大的因素是振动， 其次是上下颠簸，余下依次为噪音、前后摇摆：左右摇摆。因此，对汽车设计者 来讲，应设法降低车辆振动，而对道路设计者和管理者而言，应减小及改善道路 的纵向不平整度，这样才能有利于乘坐舒适性。2 0 0 0 年西南交通大学杜子学提出 4 硕士学位论文 了一种新的可用于乘用车的平顺性预测分析指标c 。并以长安车为例，给出了在获 取c 。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，使概念车平顺性更加合理。2 0 0 4 年东北林业大学的于学华首次把小波分 析技术应用到汽车平顺性振动信号的分析中，为汽车平顺性分析提供了更科学的 分析手段，并且为汽车振动本质的研究奠定了理论基础。 1 2 2 汽车平顺性改进及仿真 八十年代初，相关改进汽车平顺性的研究工作也取得了相当地进展，包括： 汽车结构动力学模型及平顺性计算机模拟的研究，汽车座椅振动特性及其改进的 研究，汽车悬架系统的结构分析与改进的研究。其中一些研究成果已经应用到产 品种，使国产汽车平顺性得到了改善。 1 9 7 6 年长春汽车研究所郭孔辉【8 】曾就如何改善汽车平顺性对单输入2 自由度 汽车系统进行了定性地探讨及分析了如何选择悬挂参数的问题。1 9 7 8 年武汉工学 院提出了9 自由度汽车振动模型，并在电子计算机上模拟四轮随机输入下预测车 身上加速度响应。长春汽车研究所与吉林工业大学合作进行的1 0 个自由度模型计 算机模拟工作中，利用了先进的m t s 电子液压振动台进行了c a l 4 1 汽车振动参 数的动态识别，获得了与实际结果十分吻合的模拟结果。长春汽车研究所李承德 等在应用模态分析理论对汽车平顺性方面进行了深入地分析研究，运用系统模态 与模态分析综合技术相结合的方法，建立整车系统模型，该方法可以用来研究提 高汽车性能及解决工程实际问题。吉林工业大学张洪欣【9 l 等对大客车平顺性的研 究方面都取得了很好的效果。1 9 9 3 年东风汽车工程研究院谢卫国【l o l 对半挂汽车列 车平顺性分析进行了探讨，该文介绍了18 个自由度的半挂汽车列车振动模拟模 型，利用该模型和计算机软件分析了各种结构参数对半挂汽车列车行驶平顺性的 影响。1 9 9 7 年辽宁工学院石晶就乘龙l z 6 4 0 0 轻型小客车行驶平顺性不十分理想 的问题进行了探讨，并对乘龙 l z 6 4 0 0 轻型小客车行驶平顺性不十分理想的问 题，进行了原车的道路试验，且查明了原因，通过计算机模拟，对后悬架进行了 改进设计。1 9 9 9 年内蒙古工业大学段志信对多工况下汽车悬挂参数优化进行了改 进研究，该文采用了多自由度汽车振动模型，对多种情况下对悬架参数进行了优 化，克服了以往单一工况的不足，得到了最优悬架参数的特性曲线。 八十年代对汽车座椅的试验分析工作中，说明座椅是影响汽车平顺性的重要 因素。清华大学、长春汽车研究所进行了许多有关座椅传递特性、“人一椅 系统 动态参数识别、座椅特性与汽车底盘振动特性的合理匹配等方面的研究。1 9 9 4 年 重庆大学徐中明等对汽车座椅系统的动力分析进行了研究。1 9 9 6 年吉林工业大学 林逸等对汽车座椅计算机辅助设计方法进行了广泛的探讨研究，该文通过建立7 合自由度汽车动力学模型，对汽车座椅平顺性进行了仿真计算，并对座椅刚度、 基于多体动力学的车轮定位参数与平顺性仿真分析及优化 阻尼进行了优化，提出了汽车座椅外观尺寸的选择原则和汽车座椅强度计算的一 般途径：阐述了基于a u t o c a d r l 2 0 的汽车座椅参数化绘图软件的开发方法。 在汽车悬架部分性能与结构的研究工作方面，华南工学院和中国汽车技术研 究中心利用统计线性化防范对汽车2 个自由度悬架非线性系统进行了当量线性化 处理，提出了非线性参数的工程估计方法。1 9 8 4 年北京工业大学章一鸣等对车辆 悬挂系统优化设计进行了研究：1 9 9 0 年章一鸣等对车辆悬挂阻尼的微机控制进行 了深入的研究，该文在自适应控制理论的基础上，提出了一种车辆悬挂阻尼自动 调节的微机控制方法。结果表明：该控制系统是可靠的，能使车辆行驶平顺性得 到明显得改善。1 9 9 8 年重庆大学韩西【1 2 】等对汽车半主动悬挂系统的动态优化方法 研究进行了探讨，该文建立了具有4 个自由度的半汽车模型，研究了汽车半主动 控制的动态优化方法。利用基于线性二次控制理论和考虑前后轮的路面扰动输入 的时间延迟性对其进行了仿真，结果表明，此优化方法能较大地改善悬架系统的 动态性能。 2 0 0 0 年同济大学刘岩【l3 】等对汽车高速振动仿真与试验进行了研究。该文系统 介绍应用a d a m s 软件建立多自由度汽车振动模型的方法，并且建立与实际悬架 系统和转向系统结构相对应并考虑内外激励的4 3 个自由度整车动力学模型，研究 汽车高速行驶时影响平顺性、操纵稳定性的主要原因。 2 0 0 2 年江苏理工大学罗雁【1 4 】等对车辆悬架系统的能控性能观测性分析与仿 真进行了研究。该文建立了被动悬架与主动悬架系统的模型，通过状态空间法， 运用m a t l a b 语言对系统的状态量和输出量能控性和能观测性进行了计算分析， 并提出了当状态不完全能控时，判断哪一个状态量不能控的方法。 1 3主要研究内容 本文以某公司提供的某轿跑车三维模型为研究对象，将其进行适当的简化并 分成多个子系统，应用a d a m s c a r 建立该车的整车多体动力学模型。分析了该 车的平顺性能和前轮定位参数的变化趋势及悬架参数对整车平顺性的影响，并对 其进行了优化。主要内容包括： 1 根据提供的某轿跑车设计模型，将其划分为车身、前后悬架、转向、轮胎、 动力传动和制动等子系统，并对各个子系统进行了适当的简化，并通过测量和试 验得出各子系统物理参数和力学参数，如质量、转动惯量、弹簧刚度、减振器阻 尼、横向稳定杆刚度和橡胶衬垫刚度等。其次，确定各子系统内部和各子系统之 间的铰接关系，建立各系统多体动力学模型，并将测量或试验得到的物理参数和 力学参数输入到模型中，以保证模型的准确性。将建立好的各子系统模型组装起 来构成一整车模型，经过调试后即可进行仿真。 2 建立的前悬架、转向系统的装配模型，对悬架转向系统进行仿真，得出车 6 硕士学位论文 轮定位参数在随车轮跳动与转向过程中的变化规律及变化增量。从仿真结果看， 本车的前悬架变化比较合理，但仍有参数变化较大。在原有模型硬点的基础上进 行了前悬架优化，并对前轮定位参数进行调整，优化结果指出，前轮定位参数比 优化前有所改进。 3 组装整车模型，并对整车模型进行了平顺性分析，且采用一种全面具体的 评价标准：国际标准i s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( e ) ，对整车的平顺性进行了评价。国际标准 i s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( e ) 规定了人体坐姿受振模型，在进行舒适性评价时，它除了考虑 座椅支承面处3 个方向的线振动，还考虑该点3 个方向的角振动，以及座椅靠背 和脚支承面两个输入点的3 个方向的线振动，共3 个输入点1 2 个轴向的振动。此 标准认为人体对不同频率振动的敏感程度不同，还给出了各轴向0 5 8 0h z 的频 率加权函数( 渐进线) ，又考虑不同点、不同轴向的振动对人体影响的差异，可全 面评价整车的评价平顺性能。 4 对影响平顺性的主要因素进行了分析，其主要因素有路面不平度、车速、 轮胎刚度、前后悬架刚度和减振器阻尼，其中着重分析了轮胎刚度、前后悬架刚 度和减振器阻尼的增大或减小对本文所研究汽车平顺性的影响趋势。从成本、位 置布置及结构方面出发，针对该车的平顺性提出了4 种优化方案，为该车平顺性 的提高指明了方向。 7 基于多体动力学的车轮定位参数与平顺性仿真分析及优化 第2 章虚拟样机技术及多体系统动力学简介 2 1虚拟样机技术简介 虚拟样机技术又可称为动态仿真技术，是2 0 世纪8 0 年代随计算机技术的发 展而迅速发展起来的一项新技术，其核心是机械系统运动学和动力学仿真技术， 同时还包括三维c a d 建模技术、有限元分析技术、机电液控制技术、最优化技 术等。虚拟样机技术是指在产品设计开发阶段，工程设计人员利用c a d 系统所 提供的各零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系 并对产品进行虚拟装配，获得产品的虚拟样机，并对其在各种工况下的运动和受 力情况下进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性 能的新技术。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设 计。在设计完成后，为验证设计是否合理，通常要制造样机进行试验，有时这些 试验甚至是破坏性的。当通过试验发现缺点时，又要修改设计方案并在进行样机 试验。只有通过周而复始的设计一试验一设计的过程，产品才能达到设计要求的 性能。这一过程时冗长的，尤其对于复杂的系统，无法缩短设计周期，更不能说 对市场的灵活反映了。这样的单机制造增加了成本，在大多数情况下，工程师为 了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有了先天不足。在 竞争的市场背景下，基于物理样机的设计验证过程严重制约了产品的质量的提高、 成本的降低和对市场的占有率。 虚拟样机技术时从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传 统的设计与制造过程弊端的高新技术。虚拟样机技术可以多次进行对物理样机而 言难以进行或根本无法进行的试验，直接获得系统的优化设计方案。虚拟样机技 术的应用贯穿在整个设计过程中，它可以用在概念设计和方案论证中，工程师可 把自己的经验与想象结合在计算机内的虚拟样机上。当虚拟样机用来代替物理样 机验证设计时，不但可以缩短开发周期、大量减少产品开发费用和成本，而且提 高了产品质量和产品的性能。因此，该技术一出现，立即受到了工业发达国家的 一些科研机构、大学和公司的极大重视，许多著名制造厂商纷纷将虚拟样机技术 引入各自的产品开发中，取得了很好的经济效益。根据国际权威认识对机械工程 领域产品性能试验和研究开发手段的统计和预测，传统的机械系统物理试验研究 方法，将在很大程度上会被迅速发展起来的计算机数字化仿真技术代替。 机械系统动态仿