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浙江工业大学 硕士学位论文 汽车行驶平顺性建模及其仿真研究 姓名：沈晓安 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：谢伟东 20051230 浙江工业丈学工程硕士学位论文 汽车行驶平顺性建模及其仿真研究 摘要 汽车行驶平顺性是影响乘员乘坐舒适性或货物完好最重要的因素，并波及 汽车动力性和经济性，影响到零部件的使用寿命，因此行驶平顺性是同类汽车 在市场竞争中争夺优势的一项重要性能指标。因而有关改善行驶平顺性的研究 越来越受到重视。 本文按照当前最新的舒适性评价标准I s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( E ) 所推荐的平顺 性评价方法，对优尼柯旅行车N J 6 4 0 0 G H A 3 进行了平顺性分析。对该车进行了 简化，根据随机振动理论建立了二自由度单轮模型、四自由度单轨模型和七自 由度整车模型，在频率域内对汽车振动响应进行求解，对各模型的计算结果进行 对比分析。选用七自由度整车模型分析了车速、路面不平度、负载及悬架参数 对汽车行驶平顺性的影响，并对前、后悬架的刚度与阻尼进行了优化，提高了 综合振动舒适度。 关键词：平顺性，随机振动，频域分析，振动模型 堂婆三些查堂王堡堡主兰垡堡苎 M O D E U N GA N DS 玎垤U L A T I O NS T U D YO NV E H I C E LR I D E A B S T R A C T V e h i c l et i d ep e r f o r m a n c ei st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rt h a td e t e r m i n e st h er i d e c o m f o r to fd r i v e ra n dp a s s e n g e r sa n dt h e s a f e t yo fc a r g o ，h a si m p a c t so nt h e d y n a m i c a la n de c o n o m i c a lp e r f o r m a n c eo fv e h i c l e ，a n di n f l u e n c e st h es p a nl i f eo ft h e v e h i c l e Sp a r t s S o ，v e h i c l et i d ep e r f o r m a n c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d i c e si n t h eh e a t i n gm a r k e tc o m p e t i t i o n T h u s ，t h ei n v e s t i g a t i o nt oi m p r o v et h ev e h i c l er i d e p e r f o r m a n c ei sa t t a c h e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n T h i sp a p e ra n a l y z e st h et i d ep e r f o r m a n c eo fe s t a t ec a ro fN J 6 4 0 0 G H A 3w i t ht h e l a t e s te s t i m a t i o nm e t h o dd e m a n d e db yI S 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( E ) B a s e do nt h et h e o r yo f s t o c h a s t i cv i b r a t i o n ，t h ev e h i c l ei ss i m p l i f i e dt os i n g l ew h e e lm o d e lw i t h2f r e e d o m s ， s i n g l et r a c em o d e lw i t h4f r e e d o m sa n dw h o l ev e h i c l em o d e lw i t h7f r e e d o m s a n d t h ev i b r a t o r yr e s p o n s e sa r er e s o l v e di nf r e q u e n c y d o m a i n T h er e s u l t so ft h et h r e e m o d e l sa r ec o m p a r e da n dt h ew h o l ev e h i c l em o d e lw i t h7f r e e d o m si s a d o p t e dt o a n a l y z et h ee f f e c t so ft i d i n gv e l o c i t i e s ，r o u g h n e s so fl o a ds u r f a c e ，l o a da n dt h e p a r a m e t e r s o fs u s p e n s i o nf o r k so nt h er i d e p e r f o r m a n c e ，a n dt h ep a r a m e t e r so f r i g i d i t ya n dd a m p i n go ft h ef r o n ta n dr e a l s u s p e n s i o nf o r k sa r eo p t i m i z e dt Oi m p r o v e t h ec o m b i n e dv i b r a t i o nc o m f o r t K E YW O R D S ：r i d ep e r f o r m a n c e ，s t o c h a s t i cv i b r a t i o n ，f l e q u e n c y d o m a i n a n a l y s i s ， v i b r a t i o nm o d e l 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。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。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：少豸谚墨日期易。萨Jz 月7 多日 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。本人授权浙江工业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 、不保密区 ( 请在以上相应方框内打“”) 黧掰亳 导师签名：矿1 7 肇 日期彦叫，年，z 月z ZE t 日期：弘叫年f 。侗；o 日 浙江工业大学工程硕士论文 T E 口一暴露极限 T F P 疲劳一工效降低界限 T c D 一舒适度降低界限 1 1 w - 加权加速度均方根值 I , P ( 卜频率加权函数 ，时间频率 嘞加。卜路面不平度系数 n 空间频率 ， o 为空间参考频率 W 1 、”2 、W - - 空间频率指数 C q ( n 卜路面不平度空间功率谱密度 G ( 伊一路面不平度时间功率谱密度 H 车速 c o b 6 9 左右轮迹相干函数的平方根 r 一一轮距 一一轴距 r 振动系统的总动能 u 一振动系统的总位能 月振动系统的总耗散函数 系统质量矩阵 C 一一系统阻尼矩阵 足一系统刚度矩阵 K r 轮胎的刚度矩阵 C r 轮胎的阻尼矩阵 月系统频率响应矩阵 m ，簧上质量 符号说明 簧上质量绕y 轴的转动惯量 o 前上质量绕x 轴的转动惯量 m 4 、m 5 、m 6 、小7 _ 一左、右前簧下质量及 左、右后簧下质量 z t 、，、8 一簧上质量的垂直位移、纵向 角位移及侧向角位移 x 4 、x 5 、x 6 、工广一左、右前簧下质量垂直位 移及左、右后簧下质量垂直位移 晦，c 广一前悬架刚度、阻尼系数 婚、C 后悬架刚度、阻尼系数 砀、C t f 前轮胎刚度、阻尼系数 j 0 、G 一后轮胎刚度、阻尼系数 1 1 、f P 簧上质量质心到前、后车轮中心 的纵向水平距离 Z 严左右前悬架的中心距的二分之一 ，产左右后悬架的中心距的二分之一 如距后板3 0 0 m m 处到质心的纵向水平距 离 z r 货厢中心到质心的纵向水平距离 ，产一司机座椅到质心的横向水平距离 z F 一司机座椅到质心的纵向水平距离 q i 车轮下的路面不平激励，i = 1 ，2 ，3 ，4 c 0 综合振动舒适度 彳1 _ 速度加权系数 爿卜位置加权系数 第1 贝 浙江工业大学工程硕士论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 1 8 8 6 年第一辆汽车问世至今，汽车工业己经过了一百多年的历程。这一百多年来，汽车 ：E 业使人类社会的生活发生了许多巨大的变化，是人类文明史不可缺少的篇章。在信息化高 速发展的今天，汽车作为方便、快捷、安全、舒适的代步工具和货运工具，是世界上使用最 广泛、数量最多的交通工具。随着科学技术的发展，新设计、新技术的不断开发与应用使汽 车工业的发展日新月异。同时，汽车也反映着时代变革和文化风貌。促进各技术领域的革新 创造。 安全、舒适、环保、节能是近半个世纪以来汽车工业发展所面临的重要课题，也是2 1 世 纪世界汽车工业发展的重要基点。制定越来越严格的技术规范，采用各种现代技术手段减少 交通事故、降低环境污染、开辟新能源将成为今后世界汽车技术发展的主题。智能化交通系 统f r r s l 的应用将成为进一步提高交通运输效率、保障安全的重要措旌。低污染和零污染的汽 车f 天然气汽车、电动汽车、太阳能汽车) 正在开发和推广。清洁、安全、舒适和智能化的汽 车正是2 1 世纪世界汽车工业追求的目标。 汽车行驶时，由路面不平及发动机、传动系和车轮等旋转部件激发汽车的振动。汽车平 顺性主要是指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，对载货汽车还包括保持货物完好的性能。车辆振动不仅可导致车上乘员疲劳和货物的 破损，还会使整车零部 牛过早磨损和疲劳损坏，影响车辆的正常使用寿命。此外，车辆的平 顺性不好，还会限制汽车动力性和经济性的发挥。保证汽车振动在一定程度，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，平顺性影响着货物保持完好的程度。所以，平顺性是现代高速、高效率汽车 的一一个主要性能指标。研究如何使汽车具有良好的平顺性，已荦导到汽车设计人员的高度重视。 中国作为发展中国家，在过去2 0 多年里，国民经济持续、健康、快速发展，汽车工业也 取得了跨越式的发展，我国的汽车生产能力得到很大的提高。近几年来，我国私人汽车拥有 量快速增长，高速公路积高等级公路迅速建设，汽车行驶量程越来越远，乘客乘坐时间越来 越长，汽车的平顺性更加受至0 汽车生产厂家及用户的关注。因此，对汽车平顺性的研究其有 第2 酊 浙江工业大学工程硕士论文 很强的现实意义。 1 - 2 国内外研究现状 汽车的平顺性主要研究“输入”一“系统”一“输出”三者之间的关系，著进行符合实际的评 价。它可由图1 1 所示的汽车振动系统框图【1 l 来分析。系统的“输入”主要由汽车以一定车速驶 过随机的路面不平度所引起，因此产生的振动也是随机的。此“输入”经过轮胎、悬架、座垫 等弹性元件、阻尼元件及悬挂质量、非悬挂质量构成的振动系统，传递到悬挂质量或人体， 这两部分的加速度就是“输出”的振动物理量。然后根据人体对振动的反应乘坐者的舒适 程度来评价汽车的平顺性。总的讲，就是把路面不平度的统计规律作为汽车振动系统的输入， 然后用一定的算法求出与事实一致的响应，并进行符合实际的评价。有时汽车振动系统的“输 出”还要同时考虑车轮与路面间的动载。研究平顺性的目的就是要控制振动的传递，使乘坐者 的不舒适的感觉控制在一定的界限以内。 i 输入 1 振动系统 输出 评价指标 J 路面不平度 一。 弹性元件 车身传至人体的加速度 加权加速度均方根值 l 车速 I 阻尼元件 悬架弹簧动挠度 撞击悬架限位概鏖 l 车身，车轮质量 车轮与路面之间的动截 行驶安全性 图1 - 1 汽车振动系统图 1 2 。1 研究方法的分类 目前，人们在平顺性研究方面积累了大量的研究方法。总的来讲，分为两大类：试验研 究方法【2 叫和理论研究方法【5 1 ( 见图1 - 2 ) 。 ( 1 ) 试验研究方法 新设计或改进的汽车，在试制出来以后要对它进行平顺性试验，以便对这些车辆的平顺 性进行评定。通过试验可以发现在平顺性方面存在的问题，探索产生问题的原因t 并找出结 构参数( 轮胎、悬架、座垫的刚度和阻尼) 对平顺性的影响。所以对汽车进行试验研究是必须 的。近年来，由于计算机和信号处理技术的发展为汽车实验提供了先进的测试工具和测试手 段。汽车平顺性试验研究按试验方法分为三类： 室外道路试验：在实际道路上进行试验，可全谣考核、评价车辆的技术性能，主要用于 实年评价试验和验证试验，目前采用较多。但由于道路条件难于控制，行车受到交通情况和 毓3I “ 新江工业大学工程硕士论文 其它条件的限制，实验结果的重复性、可比性差。 倒1 - 2 汽车振动系统研究方法 试验场试验：由各种试验道路、试验场地、实验室以及各种辅助设施组成，用来测定汽 车的结构参数及基本性能参数来评价汽车的各种性能，例如：动力性、经济性及行驶平顺性等。 按照预先确定的试验项目和试验规范在规定的条件下进行试验，实验场内的试验路段模拟汽 车实际使用工况，与实际使用情况基本相同，因面可在短的试验里程内获得试验结果，缩短 试验时间，提高试验效率且不受外界交通条件等因素的影响，能保证试验条件的一致性。 室内模拟试验：室内模拟试验是在实验室内利用专用试验设备( 如M T S ) 模拟路面情况对 汽车进行激励，因此可以控制试验条件，试验重复性好，但试验设备价格昂贵。这种试验结 果的准确性依赖于道路模拟实际路面的准确性，因此，对路面不平度的研究一直是平顺性研 究的一个热点问题。早期研究路面的试验方法其一是用路面计直接测试实际路面而来获得路 面不平度；其二是用传感器和磁带记录仪记录汽车所测部位在真实路面上行驶时的振动加速 鹕4n l 浙江工业大学工程硕士论文 度信号，然后在道路模拟机上换算得到，此法耗时、不经济。近十几年来，随着计算机与数 字技术的发展，室内模拟试验采用随机加载、数据自动记录和采集处理系统来模拟车辆使用 工况，提商试验精度。比如A R M A ( n m ) 模拟法、M o n t e C a r l o 法等等，此法节省了实际测试的 工作量、且较好地反映了真实路面不平度统计特性的要求，为进一步用计算机模拟整个汽车 振动系统的时频特性打下了坚实了基础。 ( 2 ) 理论研究方法 传统的理论研究方法就是力求建立能完全反映客观实际的振动模型，用精确的算法求出 与实际一致的响应。对应于简化系统模型的微分方程有线性和非线性之分，其解法也有时域 和频域之分。近年来，人们在平顺性研究上提出了各种各样的简化模型和求解过程。对平顺 性的理论研究工作，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，但平顺 性研究工作取得较大进展还是在6 0 年代后期。6 0 年代后期，随着电子计算机应用的逐步推广， 随机振动理论的发展及对汽车基本性能研究的深入，国外对汽车性能的计算机模拟广泛开展。 我国在这一领域起步比较晚，1 9 7 6 年长春汽车研究所郭孔辉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的参数选择”文，就如何改善汽车平顺性对单输入两自由度 汽车系统定性地讨论了如何选择悬挂参数的问题，在我国这是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f 6 】。1 9 8 2 年北京工业学院章一鸣教授等首先把优化设计用于汽车 平顺性研究【7 】 将上述问题定量化，获得了一些悬挂参数影响车身平顺性的规律和定量结果。 目前汽车行驶平顺性的计算机模拟计算，已发展到较高的水平，它不仅能模拟车身的振动情 况，而且能同时模拟汽车系统的其他各种振动，并己能通过计算机模拟来确定汽车在随机路 面l 不平激励下的振动响应特性。丽路面谱的研究成果使设计人员掌握了路面激励的真实资料， 这为预测行驶平顺性提供了可能性，国外在这方面己取得了进展。 1 2 2 汽车动力学模型研究 研究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秘作为振动 “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，目前主要建立的汽车平顺性模型有三维八自由度 s - l o l 、二维五自由度【8 , 1 1 - 1 4 j 、三维七自 由度【1 51 、整车三维十三自由度模型阻19 1 、整车三维十五自由度模型m2 ”，二维十五自由 度梭型吲及将汽车简化为十自由度【2 3 】的动力学模型等。通常，如果自由度的选择符台汽车的 第5 负 浙江工业大学工程硕士论文 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。并且整车模型由于 考虑了整车所有轮胎、悬架等元件之间的耦合作用较四分之一车模型、二分之一车模型较为 准确。然而，系统自由度越多，计算所需测定的有关参数就越多，困难的是有些参数在新车 的设计阶段不能准确测定( 如结构刚度，结构阻尼等1 ，这就会给计算结果带来误差。此外就 研究行驶平顺性而言，由路面不平激起的各种振动成分的作用也有大小和主次之分。在试验 的基础上得知，车身地板左右或前后的振动很小，对平顺性的影响不到3 ，所以在构造模型 时略去这些自由度所引起的误差不会比用粗略参数代入的更多自由度的数学模型要大【2 4 】。而 在应用中却节省了参数测定工作。因此从实用观点出发确定力学模型的自由度时，应比较几 种不同模型以便找到既能满足工程精度又不至于太复杂的一种。国外在研究牵引车一挂车振 动问题时曾用3 、6 、1 9 - - 三种不同自由度模型进行比较，最后认为6 自由度模型已有足够精度， 比较实用。另外在国内研究中文献 矧使用五自由度、八自由度、十自由度的力学模型进行了 训算，发现八自由度的模型已经足够准确。国外对轿车的分析 2 62 8 1 表明，最简单的单轮模型 也能较为准确地反应车辆的基本行驶特性。 1 2 3 平顺性评价方法和指标的优化 由于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较有影响的是D i e c k m a n 的K 系数法【2 9 1 ，J a n e w a y 准则跚l ，前两者的试验都是在振动台上以正弦振动形式输入的，难 以用它们评价承受随机振动的汽车平顺性；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 d P o w e r ) t 3 ”，“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 授的“总体乘坐值法”【3 2 J ( 1 9 8 6 ) ，该法较为全面，适用场合较广；国际标准化组织1 9 7 4 年颁 布了I S 0 2 6 3 1 的最初版本人体承受全身振动评价指南1 3 3 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 ”科。这一标准被不断地修改和完 善。当前最新的舒适性评价标准为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f 3 7 】。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，能与主观感觉更好地符合。我国也根据国际标准制定了相应的国 家标准，如G B T 1 3 4 4 2 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 9 6 汽车平顺性随机输入行驶试验方法、汽车平顺性脉冲输入试验方法、汽车平顺性感觉 评价试验方法。 第6 贝 浙江工业大学工程硕上论文 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。并且整车模型由于 考虑了整车所有轮胎、悬架等元件之间的耦合作用较四分之一车模型、二分之一车模型较为 准确。然而，系统自由度越多，计算所需测定的有关参数就越多，困难的是有些参数在新车 的设计阶段不能准确测定( 如结构刚度，结构阻尼等) ，这就会给计算结果带来误差。此外就 研究行驶平顺性而言，由路面不平激起的各种振动成分的作用也有大小和主次之分。在试验 的基础上得知，车身地板左右或前后韵振动很小，对平颁性的影响不到3 ，所以在构造模型 时略去这些自由度所引起的误著不会比用粗略参数代入的更多自由度的数学模型要大口4 1 。而 在应用中却节省了参数测定工作。因此从实用观点出发确定力学模型的自由度时，应比较几 种不同模型以便找到既能满足工程精度又不至于太复杂的一种。国外在研究牵引车茬车振 动问题时曾用3 、6 、1 9 三种不同自由度模型进行比较，最后认为6 自由度模型已有足够精度， 比较实用。另外在国内研究中文献陋1 使用五自由度、八自由度、十自由度的力学模型进行了 计算，发现八自由度的模型已经足够准确。国外对轿车的分析陋”l 表明，最简单的单轮模型 也能较为准确地反应车辆的基本行驶特性。 1 2 3 平顺性评价方法和指标的优化 由于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较有影响的是D i e c k m a n 的K 系数法【”， a a e a y 准则【，前两者的试验都是在振动台上以正弦振动形式输入的，难 以闻它们评价承受随机振动的汽车平顺性；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 d P o w e Q 9 “，“吸收功率”为一数量值，输入给入体各方向的吸收功率可以直接相加；G r i f f i n 教 授的“总体乘坐值法”1 3 2 】( 1 9 8 6 ) ，该法较为全面，适用场合较广；国际标准化组织1 9 7 4 年颁 靠了1 S 0 2 6 3 1 的最初版本人体承受全身振动评价指南鲫，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 - 3 6 1 。这一标准被不断地修改和完 善。当前最新的舒适性评价标准为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f ”。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，能与主观感觉更好地符合。我国也根据国际标准制定了相应的国 家标准，如G B F 1 3 4 4 2 - 9 2 人体全身振动暴露韵舒适性降低界限和评价标准，G B4 9 7 0 ，9 6 汽车平顺性随机输入行驶试验方法、汽车平顺性脉冲输入试验方法、汽车平顺性感觉 汽车平顺性随机输入行驶试验方法、汽车平顺性脉冲输入试验方法、汽车平顺性感觉 评价试验方法。 浙江工业大学工程硕士论文 1 2 4 路面不平统计特性的研究 汽车的主要激励来自于路面，路谱的研究是进行汽车平顺性研究的重要基础工作。国内 目前采用的是国际标准协会在文件I S O f r C l 0 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“车辆振动输入一地面平度表示方法”两个标准，用幂函数形式 的路面功率谱密度来描述路面特性。这两个标准可以反映实际路面的一般状况，但有待进一 步完善。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( 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，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) 1 3 s , 3 9 1 。 1 , 2 5 平顺性其它方面的研究 汽车悬架、轮胎、座椅以及发动机悬置等是影响汽车平顺性车身部分的主要部件。悬架 方面近年研制出了半主动悬架、主动悬架及复合悬架系统等多种悬架，对悬架中的弹性元件 和阻尼元件的设计也进行了大量的研究，以便合理地匹配刚度参数、阻尼参数以减小传递函 数m ，4 ”。研究人员提出了各种参数匹配方法，将现代控制理论特别是最优控制、鲁棒控制、 模糊控制等运用于汽车悬挂系统，并对减震器进行了深入的研究并取得了一些进展。对轮胎 的研究主要是轮胎种类、轮胎气压的不同以及轮胎包容特性对汽车平顺性的影响，进雨设计 出能改善汽车平顺性的轮胎模型1 4 2 , 4 3 】。近年的研究发现座椅的振动传递函数对人体振动的影 响很大，座椅的刚度和阻尼对改善汽车平顺性有很大意义1 4 胡。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 4 5 】。 此外还有，汽车结构动力学模型及平顺性计算模拟的研究，动力学模型的时频域响应分 析，应用模态参数分析理论进行汽车平顺性分析及对整车参数的动态识别的研究，汽车座椅 特性、人一椅系统的动态参数识别及其改进的研究，供平顺性评价用的人体模型的研制，更 精密的试验测试仪器设备的生产，面向整车系统的数字化虚拟样机技术的研究等1 4 。 由于汽车平顺性不是孤立于汽车其它性能之外的，因此在提高汽车平顺性的同时还要照 顾到汽车其它性能的发挥，不能盲目提高平顺性而忽视其它性能的发挥，要兼顾二者达到 个最优的折中，这也在研究范围之内。 浙江工业大学工程硕士论文 1 3 本文研究目标和意义 本课题以N J 0 4 0 0 G H A 3 优尼柯为样车，建立二自由度单轮模型、四自由度单轨模型和七 自由度整车模型并进行对比分析，选择适当自由度的模型分析在沥青路面、满载的情况下， 不同工况( 车速) 时汽车平顺性的变化，并讨论车型参数( 悬架的刚度和阻尼) 对平顺性的 影响，为实际工作提供具有指导和参考作用的依据，从而达到改善该车的平顺性为最终目的。 1 4 本文研究内容及结构安排 研究内容：( 1 ) 根据随机振动理论建立车辆的振动分析模型；( 2 ) 用M A T L A B 语言开发行 驶平顺性模拟计算程序，对比分析多种模型的计算结果：( 3 ) 选择适当的模型，分柝不同工况 ( 车速) 下平顺性的变化；( 4 ) 提出该车的行驶平顺性的优化改进方案。 结构安排； 第一章绪论介绍本课题研究背景及国内外研究现状，说明本文的研究目的与意义，介 绍本文研究内容及结构安排； 第二章人体对振动的反应及汽车行驶平顺性的评价介绍人体对振动的反应及由此而确 定的汽车行驶平顺性的评价方法，本课题所采用的评价指标； 第三章车辆系统振动分析模型的建立与求解介绍路面不平度的统计特性及表示方法， 建立研究样车的二自由度单轮模型、四自由度单轨模型、七自由度整车模型，阐述系统响应 的计算方法； 第四章车辆系统模型的仿真结果及其比较分析给出研究样车的车型数据，对比分析第 三章所建模型的计算结果，讨论不同工况下行驶平顺性的变化，并对车型参数进行优化，改 善其平顺性。 第五章总结与展望总结本文工作结果并指出课题的下一步进展方向。 1 5 本章小结 本章详细阐述了本课题研究背景与国内外汽车行驶平顺性的研究现状，说明了本文的研 究目的及其意义，介绍了本文的研究内容及结构安排。 莆8 虹 浙扛工业大学工程硕士论文 第二章人体对振动的反应及汽车行驶平j 顺性的评价 天空、陆地、水中的各种运载工具及工农业中的机械都使人类承受着机械振动。机械振 动通过人体表面作用于人体，在人体内引起一系列生理、心理反应，是不舒适的重要来源。 入体对振动的反应可以按照不同的方式分类，如：健康状况、舒适程度、工作效能、主观感 觉、晕车反应等。轻微的振动对人体是无害的，但一定强度的振动会给人体健康造成危害， 过分强烈的振动还直接导致人体器官的机械损伤。振动对人体的影响，既取决于振动频率与 强度、振动的方向与暴露时间，也取决于个人的心理、生理状态。因此，振动对人体的影响 长期以来缺乏公认的评价指标与允许的界限。 当前最新的舒适性评价标准1 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：一般要求对此前广泛应用的I S 0 2 6 3 1 标准进行了修正，本章在简要介绍人体对振动的 反应的基础上，重点阐述该标准规定的平顺性评价方法。 2 。1 人体对振动的反应 车辆乘员所受的机械振动分为局部振动和全身振动两大类【5 2 】。局部振动是指作用于人体 特殊部位( 如头部和四肢) 的振动。经由转向盘、脚踏板和各种操纵手柄传递到乘员的手或 脚上的振动，属于局部振动。这种局部振动般不会给乘员造成损害，只对操纵的精确度有 影响。全身振动是指通过人体的支承表面作为整体传给人体的振动。车辆乘员承受的乘坐振 动属于全身振动，通过乘员的臀部、腰背传给乘员，激起人体的全身振动，是对乘员可能造 成严重伤害的主要振动形式。当振动激励频率接近人体主要器官的固有频率时，将引起相应 器官的共振而产生相对位移，从而使人感到不舒适，严重时将危害人的身体健康。全身振动 引起的主诉症状及心理反应与振动频率有关。图2 - 1 显示全身振动的生理效应【删，低于1 0 H z 的振动，主要引起胸腹部不适，高于1 0 H z 的振动，引起头部症状的增强。全身振动对心血 管、呼吸、消化、神经及感觉运动系统都有影响，一般说来，弱的振动引起组织和器官的移 位、挤压面影响其功能，强的振动则引起组织和器官的机械损伤，如撞伤、压伤、撕伤等1 5 ”。 第9 贞 浙江工业大学工程硕士论文 事，H - 嗣U - _一- 一 _一 I 一 一 图2 - 1 全身振动的生理效应图 人体是由各器官组成的有机体，可简化为一个多自由度的振动系统，存在自身的固有振 动频率。振动频率是振动运动速度的表征，由于人体对不同频率的振动有不同的敏感性，所 以振动频率也是评价振动对人体影响的基本参数。人体不同的器官，也各有其不同的共振频 率，有些研究成果是针对人体各个部分的共振频率l 划：眼为2 0 2 5 H z ，胸部内脏为4 6 H z ， 手臀为1 0 2 0 H z ，肩部为2 6 H z ，躯干为3 6 H z ，脊柱为3 5 H z ，胃为4 5 f I ： 。 总的来说，人体在正常重力下对4 S H z 的振动能量传递最大，生理影晌也最大，称作人 体的第一共振区；在1 0 1 2 H z 的振动上出现第二共振区，其生理效应仅次于第一共振区：2 0 2 5 H z 的振动引起第三共振区，其生理效应又较第二共振区稍次。以后则随着频率的增高，振 动在人体的传递逐步降低，其生理效应也相应地减弱。外界振动传入人体时所引起的增大或 减弱效应还与人体姿势有关。实验表明，在外界振动频率相同的条件下，坐姿出现增大效应， 丽立姿则出现减弱效应，特别是振动频率在3 4 5 H z 范围时，这种表现尤为明显。汽车的共 振频率带主要与人体的头部和胸腔内脏的共振频率接近，几乎都落在上述三个共振区，所以 旦发生振动，极易引起乘员的不舒适度。因此研究车辆的动态特性，降低系统共振频率、 减弱人体敏感频带上的振动幅度是非常必要的。 2 2 汽车平顺性的评价方法 由于人体对振动反应的复杂性，自二十世纪三十年代以来，尽管各国在这方面进行了许 多研究，但还没有得到公认的和理想的评价指标和界限。仅就“人体对路面车辆振动的反应” 而讯有两种评价方法：主观评价方法和客观评价方法。 t 娃 埔 。嚣嚣；=l嚣慧 浙江工业太学工程硕士论文 主观评价是人对汽车平顺性最直接的评价方法。该方法根据有一定经验的试车人员对汽 车振动的直观感受进行统计分析并对车辆进行评价，根据评价结果简单地改变如汽车悬架参 数来提高汽车的平顺性。但是，对评价结果的描述具有模糊性和不确定性( 由于人与人之间 存在的差异，以及人体自身复杂的心理、生理特性，即使对同样汽车振动的感觉也会不一致) ， 导致难以对汽车平顺性进行定量、准确的评价分析，因此需要专门评价人员进行。客观评价 方法，以具体量值的概念对汽车平顺性进行评价，主要考虑车辆的隔振性能，以机械振动的 各物理量( 如振幅、频率、加速度等) 作为评价指标，通过测试传递到人体的振动量的大小， 确定影响人体舒适性的程度，以此评价汽车的平顺性。该评价方法排除了人的个体差异，从 而可以比较精确、合理地评价分析汽车的平顺性。 2 1 1I S 0 2 6 3 l 评价方法 I S 0 2 6 3 1 标准推荐值均以试验数据为依据，被试验者承受垂向、横向和纵向的不同频率范 围内的正弦波振动，根据得到的试验数据，以3 个推荐指标1 5 5 l 来表征加速度界限值，即： 1 暴露极限( 1 b ) ：人体可承受振动量上限，如超过此界限，可能损害人体健康； 2 疲劳工效降低界限( 1 b ) ：该指标与人能保持工作效能有关，在此界限内，人能 正常驾驶及操作： 3 舒适度降低界限( 1 b ) ：保持良好感觉及舒适性界限。 这些界限值均以1 8 0 H z 振动频率范围内不同暴露时间下的加速度均方根值来表示，该值的 计算方法有两种：1 3 倍频程分析对比法和总加权加速度有效值评价法。 然而，该标准存在如下问题f 5 5 1 ： ( 1 ) “疲劳工效降低”指标只能与某些特定作业有关，即与手的控制和视觉灵敏程度等 棚关的作业有关。此外，无法说明疲劳工效降低与受振时间的关联程度，因为任何作业能力 的雀失都是瞬时的； ( 2 ) 界限曲线中均未定义1 H z 咀下的情况，而实际上对许多车辆来说，人体对该范围内 的振动分量反应显著： ( 3 ) 在长时间暴露的情况下，对时间因素的过多依赖似乎是不现实的； ( 4 ) 该标准中不包括角振动的评价方法。 箱1 】死 浙江工业犬学工程硕士论文 2 2 2I S 0 2 6 , 3 1 1 ：1 9 9 7 ( E ) i , s F 价方法1 , 3 3 , 5 3 】 鉴于上述问题，国际标准化组织对I S 0 2 6 3 1 进行了修订，形成了最新的I S 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( E ) 标准，将基本频率范围扩展至O 5 8 0 H z ，所规定的人体坐姿受振模型如图2 2 所示。新标准 规定了1 2 个轴向振动分量在O 5 8 0 H z 频率范围内的加权函数及各轴向振动分量的加权函 数。 图2 - 2 人体坐姿受振模型 表2 - 1 各轴向振动分量的加权系数值和频率加权函数定义 位置坐标轴名称频率加权函数轴抽权系数女 南d 1 0 0 y s d 1 0 0 轨 1 0 0 座椅支承面 kc 0 6 3 ( D e 0 ，4 0 t o e O 2 0 x b f 0 8 0 靠椅 Y b 嘶 0 5 0 “ 0 4 0 即 鼽 0 2 5 脚 ) f 鼽 0 2 5 2 ， 0 4 0 新标准规定，当振动波形峰值系数( 加权加速度时间历程口。( t ) 的峰值与加权加速度均方 梃值a 。的比值) 9 时，新标准规定用均4 次方根值得方法来评价，以此来估计偶尔遇到的较 第i 3 虹 隧 吣， 浙江工业大学工程硕士论文 大冲击引起的响应峰值振动对舒适性的影响，计算公式如下 V D V r 舭碚广 衰2 - 2 加权加速度均方根值与人的主观感觉的关系 加权加速度均方根值m s 2人的主观感觉 2 0 极不舒适 2 3 本章小结 人体对振动的反应十分复杂，该领域本身就在研究之中。鉴于汽车平顺性研究的重要性， 豳际标准化组织对其评价方法做出了规定。本章介绍了I S 0 2 6 3 1 标准及其不足，详细阐述了 最新规定I S 0 2 6 3 1 - 1 ：1 9 9 7 ( E ) 平顺性评价指标的计算方法。本文平顺性研究即以该指标为 基本评价标准。 浙江工业大学工程硕士论文 第三章车辆系统振动分析模型的建立与求解 根据汽车行驶平顺性的频域研究方法，本章将汽车系统简化为二自由度单轮模型、四自 由度单轨模型和七自由度整车模型，分别建立系统微分方程、推导相应的传递函数、求解系 统响应。针对本文所研究的车型，给出了考察点的垂直加速度功率谱谱密度的计算方法。 3 1 随机路面模型 路面凹凸不平对行驶中的汽车产生两类激励，第一类为离散事件激励，如弓形路面、梯 形路面、半圆形凸起、波形路面等；第二类为路面随机激励，如各种高等级公路和高速公路 路面。第一类激励可以表示为时间与汽车行驶速度的定量函数，仿真的关键是选用某釉较好 的仿真软件或用某种语言编制微分方程组求解软件。研究第二类激励作用下的仿真有两种方 法，一是假定己知路面不平度功率谱密度( P s D ) 及振动系统线性数学模型决定的频率特性，由 随机振动理论给出的结果即可确定有关物理量的功率谱密度及均方根值，用相应的软件即可 进行仿真：二是由己知的路面不平度功率谱反推路面的时域激励，以此激励作为振动系统的 输入进行时域仿真，经对仿真数据的处理确定有关物理量的功率谱密度及均方根值。本文采 用第一种研究方法，即在频域内研究汽车行驶平顺性。 3 1 ，l 路面不平度的表达 O 工 图3 - 1 路面纵断面 利用一个真实的路面模型来预测车辆的响应十分重要，但完全真实的路面模型极难得到。 为了便于计算和进行实验室道路模拟试验，人们做了大量测量工作。分析表明在一定的条件 下，无大坡度、冲断、塌方等，可以把道路纵剖面高度曲线看作为个高斯过程，见图3 1 。 路渐的统计特性可以由路面高度的功率谱和互谱表述，路面的功率者密度以如下解析式来近 似表达 浙江 二业大学工程硕士论文 & 。) k ) HSr l o 孢苫 ( 3 1 ) 其中G 叮O o ) 是“路面不平度系数”，n 为空间频率，n o 为空间参考频率。为了进一步简化路 面模型，R o b s o n 建议采用单个坡度的功率谱密度函数来表征路面单车道的统计特性【1 , 5 5 】，如 ( 3 2 ) 所示。 G 川崛时 ( 3 2 ) 其中，w 1 、w 2 、为空间频率指数，表示空间频率( 或波长) 成分的相对分布，决定路面谱 的频率结构，对于绝大多数路面w 。2 。 路面不平度函数q ( I ) 对纵向长度的一阶导数郎速度功率谱密度及二阶导数即加速度功率 谱密度分别为： G 如) 一( 细；) 2 G 。仁) ( 3 - 3 ) G 小) - ( 2 胁) 4 G ，b ) ( 3 4 ) I S O T C1 0 8 S C 2 N 6 7 和G B 7 0 3 1 8 7 两个标准文件中也采用上述的简化式来表征路面。根据 M i r a 的测量结果，路面可以分为如表3 - l 所列的几类【5 6 1 。我国参考I S O 标准把路面划 g A H 八 个等级吵5 6 1 ，如表3 2 所示。 表s 4 路面等级划分( n n 去周，米) 路面级别 G 知o ) 平均值标准羞平均值标准差 ( w ，) ( w 1 ) ( w ，)( w ，) 公路较好 2 - 81 9 4 50 4 6 41 | 3 6 00 2 2 1 良好8 3 2 圭干道较好 2 - 8 路 良好 8 - 3 22 0 50 4 8 7i 4 4 00 2 6 6 一般 3 2 - 5 1 2 羞1 2 8 - 5 1 2 玖要道一般3 2 - 5 1 2 路 差1 2 8 j 1 22 2 80 5 3 41 4 2 8O 2 6 3 较差5 1 2 2 0 4 8 r r b 匕 一旧 一 盎 、)b F G 浙江工业大学工程硕士论文 表3 2路面不平度8 级分类标准 路面 G m o ) x l O 6 m 2 m 1 下限几何平均 上限 A81 63 2 B3 26 41 2 8 C1 2 82 5 65 1 2 D 5 1 21 0 2 42 0 4 8 E2 0 4 84 0 9 68 1 9 2 F 8 1 9 21 6 3 8 43 2 7 6 8 G3 2 7 6 86 5 5 3 6 1 3 1 0 7 2 H1 3 1 0 7 21 6 2 1 4 4 5 2 4 2 8 8 3 1 。2 空间频率谱密度q 伽) 与时间频率G g ( 厂) 的关系 庄旷；。孵，可知谱密度关系G ，( ，) 2 G - ( n 。) n 3 “f 2 ，同样 G 如) 一( 拥z ) 2 G 。( n ) 一4 ：t 2 G ，0 。) n j “ G 出) 一( 抽t ) 4 G 。( 一) 一1 6 ，4 G 。- 。) “： 其中“为车速。 ( 3 - 5 ) 3 1 3 路面对四轮汽车的输入谱 用姗、聃表示两轮迹输入不平度，其自谱、互谱分别为G 矗O ) ，G n 如) ，G x r ( n ) ，G 玢如) 。 左右轮迹间的互谱可表示为 G 。b ) = l G 。白k r w 叫 其中l G 。n lY q x ( o 、y 的互振幅谱，表示频率n 区域的线性相关程度，妒。) 为频率n 分量问平均相位差或称之为相位谱。如做以下假设： 1 ) 两轮迹矾_ ) 、y 的统计特征相同，即6 h 如) = G n 伽) = 岛 ) ； 2 ) 相位谱伊肼如) = o 。 j J !