（车辆工程专业论文）基于整车试验和模态分析的三种车辆动力学模型的分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本课题以n j 3 0 4 1 f d b 型低速自卸货车为例，针对整车在4 0 k m h 行驶速度下 出现的垂向振动问题，分别建立了n j 3 0 4 1 f d b 型低速自卸货车的三种不同的动 力学模型，在进行了整车振动试验及车架的模态试验分析的基础上，运用理论分 析、仿真模拟相结合的方法，对该低速自卸货车的三种动力学模型进行了仿真分 析和研究，对以往一般将车身作为集中质量作用在刚性梁上的假设提出了新的见 解，为以后改善其振动性能，提高车辆行驶平顺性的研究提供设计的理论依据。 本文首先对n j 3 0 4 1 f d b 型低速自卸货车进行了整车试验研究，测量了 2 0 k m h 、4 0 k m h 、6 0 k m h 车速下，沥青路面上行驶时，前桥、后桥、车架( 前 后桥间，距车架7 3 0 m m 处) 等处的加速度响应。 然后对该车的车架进行了模态试验研究，本文在车架上布置了1 8 0 个结点， 通过对车架前八阶的模态参数分析，为以后的建模工作做准备。 分析试验结果得出，在建立模型时，车架的弹性特性是不可忽略的，并且由 于该车本身的结构特性：车身较长，承载质量较大，在使用过程中，车架表现出 明显的柔性特性，因此，本文对整车分别建立了三种1 2 整车动力学模型：单质 点刚性车身1 2 整车动力学模型，多质点刚性车身1 2 整车动力学模型以及多质 点弹性车身整车1 2 动力学模型，并仿真计算，在与试验相同的工况下，模拟车 辆上相同测点处的振动加速度，分析其振动性能，并将模拟结果与实验结果比较， 检验其一致性。 最后，对三种模型进行比较，分析了如何对上述的假设条件进行修正，为今 后在这些模型基础上进行深一步研究奠定了基础。 关键词：低速货车，振动分析，模态分析，弹性梁，仿真 江苏大学硕士学位论文 t h en j 3 0 4 1 f d bl i g h tt r u c ki ss e l e c t e da sp r o t o t y p ea n da n a l y z e d 喇mt h et h e o r y o fv e h i c l ev i b r a t i o n , b e c 搬i nc o n d i t i o no fg o o dr o a d sa n de m p t yl o a d sa tt h es p e e d o fa b o u t4 0 k m h , t h i st i g j a tt r u c kp f o d u c e dv i b r a t i o nd i s t i n c t l y t h e j lt h r e ek i n d s d i f f e r e n tp l a n em o d e lo fv e h i c l ev i b r a t i o na e s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h et r u c k s r o a dt e s ta n dm o d a lt e s t ，a n dt h et h e o r yo fv e h i c l ev i b r a t i o n ，m a k i n gt h es i m u l a t i o n o ft h e s et h r e em o d e l s ，a n da n a l y z et h er e s u l t s f i r s t , t h en j 3 0 4 1 f d bl i g h tt r u c k sr o a dt e s th a sb e e n d o n eu n d e rt h ed i f f e r e n t r o a da n dv e l o c i t yc o n d i t i o n s ，t ot e s tt h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o no nt h ef r o n ta x l e ，r c a l r a x l e ，v e h i c l eb o d y ，a n du n d e rt h ed r i v e r ss e a t s e c o n d t h em o d a lt e s to ft h et r u c k sb o d yh a sb e e nd o n ew i t h1 8 0r i o d c so l lt h e b o d y a n dt h e na n a l y z et h ef i r s t8m o d a l $ 1 1 a p e 8f o re s t a b l i s ht h em o d e lo fv e h i c l e v i b r a t i o n a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t a n dt h el o n gb o d ys t r u c t u r eo ft h i sl i g h tt r u c k , w e g e tt h er e s u l tt h a tw h e ne s t a b l i s h i n gt h em o d e lo fv e h i c l en e e dt oc o n s i d e r i n gt h e v e l a i c l eb o d y se l a s t i c i t y t h e nt h r e ek i n d sd i f f e r e n tp l a n em o d e lo fv e h i c l ev i b r a t i o n a l r t 。e s t a b l i s h e d ，t l a ef i r s to n em a k et h eb o d y 猫t i b i ab o d y ，a n di l o n ep a r t i c l et o r e p r e s e n tt h em o m e n t o ft h eb o d y n es e c o n do n ei sa l s o 蹴t h er i g i db o d y b u tu s e f o u rp a r t i c l e sa c c o r d i n gt ot h er e a ls i t u a t i o no ft h et r u c kt or e p r e s e n tt h em o m e n to f t h eb o d y a n dt h et h i r do n ei st h i n l d n ga b o u tt h ev e h i c l eb o d y se l a s t i c i t ya tt h eb a s e o ft h es e c o n dm o d e l 耽ev a l i d i t yo ft h e s et h r e em o d e l sa i ep r o v e db yt h er o a dt e s t t h ev e h i c l ef l e x i b l ed y n a m i c sm o d e lp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni sc o r r e c ta n d f e a s i b l e a n di tc a nb eu s e di nt h ed e s i g na n da n a l y s i si nt h ef u t u r ef o rt h i sk i n do f t r u c k k e yw o r t l s ；l i g h td u t yt r u c k v i b r a t i o na n a l y s i sm o d a la n a l y s i se l a s t i cb e a m s i m u l a t i o n 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密d 。 学位论文作者签名：商巧指导教师签名： 0 7 年月t 2 - n易日2 如 独创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：得，可 日期：d 7 年多月，2 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 低速汽车振动是影响其行驶平顺性、操纵稳定性以及关键受载零部件疲劳寿 命的重要因素。严重的振动还会影响车辆的安全行驶，并产生环境噪声污染。深 入研究低速汽车的振动特性，改善其振动性能，将车辆振动控制到最低水平是提 高车辆性能的重要措旖。 受振动影响汽车乘坐舒适性是汽车最主要的性能之一，并波及汽车动力性和 经济性，还影响到零部件的使用寿命。所以它是同类汽车在市场竞争中一项重要 性能指标。因而有关改善行驶平顺性方面的研究工作越来越受到重视。正是在此 背景下，本文的研究工作得到了镇江汽车制造厂的支持。 1 1低速汽车振动特性研究的背景与意义 随着我国农村经济的快速发展，及国外市场的开拓，低速汽车发生了很大变 化，拖拉机的运输功能逐渐被低速载货车代替“。1 。而目前低速汽车要想在汽车 市场上占有一定的优势地位，其各项性能的改善已经迫在眉睫。其中，低速汽车 的行驶平顺性及乘坐舒适性一直是该行业研究人员不停探索和研究的重要方向 之一。 1 2 车辆整车振动特性模型的研究综述 1 2 1 整车振动分析模型的发展 对于整车振动特性的研究，是伴随着车辆的产生而开始的。人们很早就己经 认识到整车振动特性研究的重要性，但那时由于试验条件和理论工具的限制，主 要是采用实验观察和试验测试的方法进行研究。随着计算机、机械动力学理论和 控制技术的发展，人们对车辆整车振动的研究不断深入，建立各种车辆振动分析 模型，并以路面不平度作为系统激励，对整车振动响应进行计算。 2 0 世纪3 0 年代，人们最初建立整车振动模型时，由于当时数学、力学理论、 计算手段及试验方法的限制，只是把汽车简化成两自由度四分之一车辆模型，如 图1 1 ( a ) 所示。用这种模型进行分析时，求解容易，计算量小。但只能分析车 身和车轮的垂直振动，因此分析结果的精度不高。早期有关悬架参数和座椅特性 江苏大学硕士学位论文 参数优化匹配的研究，大多采用这种模型。由于这种模型忽略了车身的纵向角振 动和侧向角振动以及众多激励和响应的耦合作用，因此，用于车辆整车平顺性研 究时，精度不高。 随着研究的不断深入，模型建立的方法也有了进步。从2 0 世纪5 0 年代开始， 人们发展了更多自由度的模型。在车辆分析中，假定车辆相对于纵垂面完全对称， 左右车轮下的路面不平度变化完全一致，则可认为车辆在纵垂面上振动，就可以 将车辆简化为代表二分之一车辆的平面五自由度模型叭”，如图1 1 ( b ) 所示。该 模型反映了车身的垂直振动和纵向角振动，路面的不平激励输入包括前轮和后 轮。五自由度模型分析得到的结果精度高于二自由度模型，因此，在车辆振动预 测与平顺性模拟分析、悬架参数优化设计等研究中，平面五自由度模型得到更广 泛的应用。 到了2 0 世纪8 0 年代，为了全面反映车身的垂直振动、纵向角振动及侧向角 振动，并把路面通过各车轮将不平激励传递给车身这一特点反映出来，人们将车 辆简化为三维立体模型吨”。该模型将四个车轮所受的路面激励的差异以及车身 的侧倾和横摆对车身振动的影响考虑进来，比较真实地反映了车辆振动的实际状 况。采用这种模型，还能将前后悬架结构形式的不同组合情况表示出来，即前独 立悬架、后非独立悬架、前后都是独立悬架、前后都是非独立悬架等多种组合。 为能更精确地分析车辆振动，有的文献中采用了更复杂的车辆振动模型。如 研究长轴距的重型载货车辆的振动时，考虑车架的一阶弯曲和一阶扭转振动，建 立了三维十自由度模型。”：或者为了减小驾驶员座椅的振动，进一步考虑驾驶室 本身的三维振动，从而将整车简化为十五个自由度的模型“”。 图1 - 1 车辆振动模型 2 江苏大学硕士学位论文 其中m ；分别为轮胎质量，车身质心质量和驾驶室质量；南和屯分别为t 4 模型的轮胎刚度，和1 2 模型的前后轮胎刚度；k f ：，t ：及c ，：，c f ：分别为前后 悬架的刚度及阻尼；j c 则是刚性车身绕质点的转动惯量。 上述模型与车辆实际结构相比虽然作了较大的简化，但能够分析车辆振动特 性及结构参数对平顺性的影响。由于这类模型忽略了某些部件的弹性效应，因而 在进行平顺性分析时会产生较大的误差。另外，对于多自由度的复杂模型，手工 推导过于烦琐，所以这类模型也不适合于分析复杂的平顺性问题。 有限元法的出现为复杂结构振动的分析提供了新的途径。随着计算机技术的 发展，有限元法在2 0 世纪6 0 年代中期开始应用于车辆领域，它成功地将无限多 自由度的连续结构振动问题变为有限多自由度的振动问题，将具体分析过程分为 结构离散化、单元特性分析、坐标变换、边界条件处理和结构综合等几个步骤。 有限元法分析过程非常程式化，整个处理过程均由计算机实现1 。目前世界上出 现了十几种很成熟的大型有限元分析软件，像n a s t r a n 、a n s y s 等。s w r d u y m 针对一种跑车的后轴系统建立了有限元模型，研究了有关参数对固有频率和模态 变换的影响，得出后轴的运动微分方程，可以进行给定载荷条件下的系统动力学 分析“”。但是，车辆是一个十分复杂的系统，用有限元法作较为精确的分析时， 往往需要求解上万个自由度的问题，计算过程会产生很多影响计算精度的误差， 因而有限元法有一定的局限性。 近二十年来，在建立整车振动模型方面，也出现了新的预估系统动态特性的 动态子结构法，包括机械导纳综合法和模态综合法。前者需要同时测定多个传递 途径的动刚度系数，并且需要保证足够的相位精度，这是非常困难的。因而这种 方法虽然从理论上讲能适用于复杂系统，但实际应用则有很大的局限性。模态综 合法则是在有限元法基础上发展起来的，其基本思想是把复杂结构分为若于部件 ( 子结构) ，而每个部件可用计算或试验的方法求得模态参数，最后根据实际的边 界条件，将各子结构的模态特性叠加起来，再通过平衡方程和约束方程将物理坐 标简化，就可得到用广义坐标( 模态坐标) 表示的运动方程，由此可计算组合系统 的动态响应，大大减少了模型的自由度“4 “1 。例如，文献“”就提出了一个由车身、 悬架、轮胎组成的汽车系统计算模型和一个辅助计算程序，可以用来分析频率响 应特性。将汽车系统的各个组成部分作为理论化的等效子结构并利用模型合成技 3 江苏大学硕士学位论文 术，得到汽车系统子结构的耦合方程式，求解该耦合方程式即可获得汽车系统的 振动模型和力的响应特性。 综上所述，整车振动模型的发展实际上经历了一个从二自由度到多自由度， 即从粗略到精确的过程，以使汽车的力学模型越来越接近实车系统。 1 2 2 整车振动分析模型发展的展望 从前述的各种振动模型可以看出，在研究车辆的平顺性时往往假设垂直方向 的输入对车辆的横向横摆运动无影响：同样由轮胎产生的横向力只限于操纵稳定 性分析，对车辆的垂向运动无影响。这些假设虽可缩小分析范围，但在车辆实际 行驶过程中，车体的横向振动和垂向振动是耦合在一起的，很难将两者严格区分 开来。应用平顺性和操纵稳定性模型分别进行分析和优化必然得不到最优结果， 因而建立二者统一的模型具有重要的意义。 由于转动摆振等一些动力学特性还不能通过模型来进行符合人体主观特点 的预测和评价，必须通有过经验的实验员在试验中得出评价结论。因此如何将主 观评价标准与整车振动模型有机地结合起来，也将是车辆振动模型未来发展的方 向。 1 3 本课题研究的主要目的、方法和内容 对一个汽车系统进行研究和分析时，很重要的一个方面就是对汽车的动态特 性进行研究，首先面临着模型的选择问题。把所研究的对象作为线性模型还是作 为非线性模型这是选择的第一步，它取决于两种模型的相差程度( 强非线性还是 弱非线性) ，以及对分析的精度要求。尽管线性系统的振动特性与非线性系统的 振动特性有着很大的不同，但由于线性理论本身比较完善，因此在实际应用过程 中，仍然使用线性系统，只是在自由度选取以及计算方面有所区别。对非线性模 型的研究相对比较缓慢，究其原因：一是不仅包含计算方法本身的复杂性，而且 还包括进行分析所需要的各种参数的准备工作的费时。 从上文对整车振动模型发展状况的分析中可以看出，不论是建立二自由度， 四自由度还是多自由度的模型，在以往的研究中，都是将车身视为单质点的刚性 车架。而本文研究的主要目的及重点则是考虑到车架的弹性特性，在以往的单质 点刚性车身的基础上“”，提出了多质点且计及弹性车架的1 2 整车线性模型。 4 江苏大学硕士学位论文 以n j 3 0 4 1 f d b 型低速自卸货车为例，由于该车在4 0 k m h 行驶速度下，发生 比较明显的垂向振动，因此针对该问题，本文分别建立了n j 3 0 4 1 f d b 型低速自卸 货车的三种不同的动力学模型，在进行了整车振动试验以及车架的模态试验分析 的基础上，运用理论分析、仿真模拟相结合的方法，对该低速自卸货车的三种动 力学模型进行了仿真分析，为以后改善其振动性能，提高车辆行驶平顺性的研究 提供设计的理论依据。 主要研究内容可以归纳为以下几点： ( 1 ) 对n j 3 0 4 1 f d b 型低速自卸货车进行了整车试验研究 路面的选择：道路振动试验地点选择在镇江市谷阳北路的沥青公路上进行。 选择三个测点：从行驶平顺性分析的角度来看，前桥，后桥，车架处的加速 度响应对人体有着重要的影响，因此选择这三个测点作为研究的对象。 选择三种车速：根据试验人员在4 0 k m h 时驾驶室明显振动的驾乘感受，选 择了4 0 k m h 上下范围的几个车速作为测试速度，分别是 2 0 k m h ，4 0 k m h ，6 0 k m h ，这些车速比较具有代表性。车速每隔2 0 k m h 进行一次 试验，目的是综合分析以找到汽车行驶时振动的特点。在试验过程中保持稳定的 车速。 ( 2 ) 对该车的车架进行了模态试验研究 本文在车架上布置了1 8 0 个结点，测点布置的原则是应保证构造出结构的几 何形状。通过预模态试验选择1 1 7 号结点作为激励的输入点。所有结点均为响应 点，通过移动加速度传感器拾振。 通过对车架前八阶的模态参数分析，得到车架的弹性振动特性，为以后的建 模工作做准备。 ( 3 ) 分别建立了三种1 2 整车动力学模型：单质点刚性车身，多质点刚性车 身以及多质点弹性车身的整车1 2 动力学模型，并仿真计算。 选择线性模型：弹性元件的弹性力是位移的线性函数，阻尼元件的阻尼力是 速度的线性函数。理论基础较完善，结构简单，实用，在一定误差允许范围内模 型仿真结果可以被接受。 选择平面模型：由于实验的路况较好，左右车轮经过的路面性能几乎相同， 车体对称于其纵轴线。侧倾在影响人的乘坐舒适性的程度上不是处在最重要的位 5 江苏大学硕士学位论文 置上，因此在建模的时候被忽略。 选择三种模型进行比较分析：由车架的模态试验结果分析得出，在建立1 2 整车动力学模型时，考虑到车架的弹性特性是非常有必要的，并且由于该车本身 的结构特性：车身较长，承载质量较大，在使用过程中，车架表现出明显的柔性 特性，因此在建立了将车身视为刚性体的单质点和多质点模型的基础上，建立了 计及车架弹性的1 2 车动力学模型，在与试验相同的工况下，模拟车辆上相同测 点处的振动加速度，分析其振动性能，并将模拟结果与测试结果比较，检验模拟 结果与测试结果的一致性。 ( 4 ) 对三种模型进行比较分析，为今后在这些模型基础上进行深一步研究奠 定了基础。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章低速自卸货车的整车试验 2 1 试验概述 汽车行驶时，由于路面、轮胎、传动系统，发动机等部件的运动激起汽车的 振动，使乘员处于振动环境之中。振动影响着人的舒适性，工作效能和身体健康。 保持振动环境的舒适性，以保证驾驶员在复杂的行驶和操纵条件下具有良好的心 理状态和准确灵敏的反映，研究整车振动性能的目的就是控制振动的传递，减少 在频率敏感处的振动强度，使乘坐者不舒适的感觉不超过一定界限。 针对装配c y 4 1 0 0 z l q 发动机的n j 3 0 4 1 f d b 低速自卸货车在4 0 k m h 左右的速 度行驶时出现垂向振动剧烈问题，对整车进行了振动试验研究。 2 2 试验目的及方法 2 2 i 试验目的 因为本文建立以三种车辆1 2 整车动力学模型，一种是将整个簧上质量视为 刚性体，并用质心的位移代表车身的位移，第二种是在将车身质量视为刚性体的 同时，把整个簧上质量视为4 个分别作用在车架上的质点分别代表四个主要部 件。第三种是在将簧上质量视为4 个分别作用在车架上的质点的基础上，并将车 架视为弹性梁的1 2 整车动力学模型，并且对这三种模型分别进行仿真计算，利 用整车振动试验在车架测点处的响应值的结果，来验证模型的正确程度。 2 2 2 试验方法 1 试验样车的结构特点和主要技术参数 a 结构特点 n j - 3 0 4 1 f d b 型两轴低速货车主要是市场定位在使用于农村的低速汽车，具有 自卸功能，为农村短途运输开发的车型。该车在动力传动系统、车身结构、驾驶 室悬置和整车质量分布方面具有以下特点： ( 1 ) 动力传动系统 发动机前置，后轮驱动，发动机、离合器，变速箱刚性连接作为一个整体通 7 江苏大学硕士学位论文 过发动机的前后橡胶悬置支撑在底盘上。 ( 2 ) 悬架特点 前悬采用钢板弹簧，装有减振器，后悬有主副钢板弹簧，无减振器。 ( 3 ) 驾驶室悬置特点 驾驶室为单排座位，驾驶室为前翻式四点悬置，翻转轴为两个前悬置点，前 两点悬置类似于刚性支承，两个后悬置点采用橡胶挚块弹性支撑。 幽2 - 1n j 3 0 4 1 f d b 型两轴低速货车 b 车型技术参数 型号：n j 3 0 4 1 f d b 型式：4 2 ( 后轮驱动) 转向盘式 总质量：4 0 7 0 k g 载重质量：1 4 9 0 k 整备质量：2 4 5 0 k g ( 以上总质量、载重质量、整备质量均为厂家提供数据，文章将以实车测量 值作为实验与仿真的依据) 轴距：3 0 0 0 啪 发动机：型号c y 4 1 0 0 z l q ( 排量3 8 5 6m l功率7 0k w ) 前后钢板弹簧片数：11 11 + 9 轮胎规格：8 2 5 一1 6 前后轮距：1 4 7 0 1 4 8 5 嘞 整车尺寸：长宽x 高5 4 6 5 x 1 9 9 5 x 2 4 0 0 哪 货厢尺寸：长宽高3 7 0 0 x1 8 4 5 5 9 0 n 1 l 8 江苏大学硕士学位论文 前悬后悬：1 0 3 5 1 4 3 0r a i n 驾驶室：单排 最高车速：8 5 k m h 前簧下质量：3 0 9 k g 后簧下质量；5 6 0 5 k g 整车质量( 含两人) ：3 5 7 7 k g 驾驶室质量及其到前桥的距离：2 8 0 k g ( 包括两人) 2 1 0 m m 发动机质量及其到前桥的距离：3 4 0 k g 7 9 0 m m 车架质量：5 1 0 k g 传动轴长度：1 9 8 0 n 皿 为了得到质心的位置，做了测量质心位置的实验，所得的包含两人 ( 6 5 k g 人) 数据见表2 - 1 。 表2 - 1 整车质量分配 左前轮上质量右前轮上质量左后轮上质量 右后轮上质量 8 1 5 5 k g8 1 1 5 k gl o o s k g9 4 5 k g 根据轴距3 0 0 0 r a m 、以及上表的质量分配就可以求得簧上质量质, o n l i f 轴的距离： i t t 1 5 3 9 8 m m 和到后轴的距离：一1 4 6 0 2 m m 由实验得到的整车质量为3 5 7 7 k g ( 包括两个人的质量) ，在后面所有的模型 建立、仿真计算中都采用是该数据。 并且，后文中所采用的质量及转动惯量等数据，虽然建立的是1 2 模型，但 是数据都用的是整车的质量和转动惯量。 2 测点的布置 从行驶平顺性分析的角度来看，前桥，后桥，车架处的加速度响应对人体有 着重要的影响，具体位置见表2 - 2 。 9 江苏大学硕士学位论文 表2 2 道路振动测试的测点布置 部位 测点位置 前桥前桥左侧 后桥后桥左侧 前桥与后桥之间距前桥 车架 7 3 0 m m 处 由于本课题的研究目的，因此只测量垂直方向上的加速度。 3 试验条件 a 试验道路及车速 试验道路及车速的选择对试验结果有着很大的影响。道路振动试验地点选择 在镇江市谷阳北路的沥青公路上进行。考虑到该试验车在4 0 k m h 左右驾驶室存 在较大振幅的振动，选择车速分别在五档2 0 k m h 、4 0 k m h 、6 0k m h ，测量各点 的振动加速度。 ( 1 ) 选取沥青路面作为试验路面； ( 2 ) 根据试验人员在4 0 k m h 时驾驶室明显振动的驾乘感受，选择了4 0 k m h 上下范围的几个车速作为测试速度，如表2 - 3 所示。 表2 - 3 道路试验车速选择方案 车速每隔2 0 k m h 进行一次试验，目的是综合分析该车行驶时振动的特点。 幽2 2 行乍试验泐菏路面 在上述路面，车辆在所选取的不同速度下，保持匀速行驶，记录各工况下不 同测点的振动加速度信号。 l o 江苏大学硕士学位论文 为了保证采样点数足够大，减少随机误差，使得获得的数据准确和可靠，把 每一车速下的试验时间定为3 分钟。 由于试验操作对试验结果影响很大，为了减小试验操作带来的误差，除严格 控制试验条件外，并重复若干次试验。 b 试验设备见表2 - 4 表2 4 主要仪器设备 数 序号设备名称型号 生产厂家 用途 量 l蓄电池 d e l p h i 1 提供电源 2逆变器，n e 氏 1交直流转换 3加速度传感器压电式p 邙 5拾取响应信号 4 电荷放人器 y d 扬州3放大信号 5 磁带记录仪 知b 0 c t r a cl记录信号 6 动态分析仪 s d 3 踟 美国s d 公司1信号处理 7 数据分析系统 d a s y i a b l数据二次处理 图2 - - 3 主要试验测试及数据处理设备 1 1 江苏大学硕士学位论文 c 气候条件：天气晴朗，温度为2 2 0 c 。 对该载货汽车进行了试验研究，分析振动响应功率谱中各峰值的特点，为理 论研究提供必要的试验基础。 4 试验数据的测量及处理 整车道路试验时测点上的加速度传感器产生的振动加速度信号通过电荷放 大器放大后，直接由磁带记录机保存到磁带中。所获取的实验信号的处理是将道 路试验时记录的信号通过磁带记录机的回放功能输出给动态信号分析仪，经过动 态信号分析仪s d 3 8 0 采集和分析后的数据通过i e e e 4 8 8 接口传输到计算机保存， 以便进行进一步的处理和分析。 图2 4 是整车道路试验测量振动加速度的测试系统框图，行车过程中磁带记 录机由蓄电池提供电源，用来完成行车振动信号的记录，试验仪器放置在驾驶室 内。行车试验结束后，在实验室内进行信号回放和数据的采集以及处理等。 2 3 试验数据及其分析 i 道路试验测试系统( 仪器放在驾驶室内)i l 一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图2 4 振动测试实验仪器连接框图 近年来，由于路面状况的改善和平均车速的提高，由路面不平度激励引起的 较低频率的系统共振峰值减少，而较高频率内和较低频率内一些未加留意的峰值 增大，这就要求对汽车响应谱进行仔细的分析，从而全面掌握整车的振动特点。 对较大峰值进行综合分析，达到对整车的振动有一个比较全面系统的了解。 振动加速度响应的均方根值表征了振动强度，也是汽车行驶时振动特性的主 1 2 江苏大学硕士学位论文 要评价指标，因此对它的分析可以确定汽车行驶时的振动大小和平顺性的好坏。 图2 5 至图2 7 为n j 3 0 4 1 f d b 车在沥青路面上以2 0 k m h 的速度行驶时，前 桥、车架测点处、后桥的加速度均方根值，由于本文研究的是该车的振动特性， 一般对人体有影响的振动是1 0 h z 以内，但是考虑到在模态实验中车架发生弯曲 变形是的频率是在1 0 h z 到2 0 h z ，因此在本文的研究中，只分析了0 2 0 h z 频率 范围内的数据。 图2 52 0 k m h , 前桥加速度 l 频率( 砘e )1 7 53 2 556 j1 2 51 8 7 5 l 加速度均方根值( m s 2 )0 2 4 1 4o 8 5 1 2 o 6 5 6 7 0 1 鲫1 2o 0 8 o 1 期搴( ) 图2 - 62 0 k m h , 车架测点处加速度 频率( h z ) 1 7 53 2 556 58 2 51 1 51 3 2 51 8 5 l 加速度均方根值( m s 2 )0 0 8 7 0 6 o 3 7 4 20 3 3 1 80 0 9 叭20 0 6 3 5 50 0 2 6 3o 0 4 8 7 50 1 l 1 3 江苏大学硕士学位论文 l ： 参 j 詈 ”。& 鼍尹。5 。 图2 - 72 0 k m h , 后桥加速度 频率( i k ) 1 53 2 56 2 57 7 51 2 51 41 7 5 l 加速度均方根值( m s 2 ) o 2 5 9o 5 9 7 80 2 7 8 9 0 1 3 6 30 0 5 0 0 30 惦 图2 8 至图2 一l o 为n j 3 0 4 1 f d b 车在沥青路面上以4 0 k m h 的速度行驶时，前 桥、车架测点处、后桥处的加速度均方根值： ： 嘉 ： 善 虬如一。一 图2 - 84 0 k m h , 前桥加速度 频率( 也)1 2 53 2 54 7 59 7 51 31 6 51 8 5 l 加速度均方根值( n t i s 2 ) 0 6 81 9 0 70 4 1 60 1 8 5 50 1 9 9 90 3o 1 l 1 4 江苏大学硕士学位论文 j 尘互生。：1k ，：土= 、! 匕 2 5 4 04 5 5 5 衢7 07 5 衢惦1 频率( h z ) 图2 - 94 0 k n y b , 车架测点处加速度 l频率( i 乜) 3 37 _ 54 7 56 51 3 5 1 7 1 3 i i 加速度均方根值( r i g s 2 ) 1 7 2 61 8 1 2o 0 5 5o 2 21 1 2 童 乏 盏 ： 嚣 o 5 仲1 5 笱柏盏奉严两孵坩。 图2 - 1 04 0 k m h , 后桥加速度响应 l频率( 比) 3 2 5 6 7 51 01 3 2 51 6 7 5 加速度均方根值( m s 2 )2 2 7 8o 2 5 1 50 3 2 6 5 0 2 0 9 20 3 0 5 7 图2 1 1 至图2 一1 3 为n j 3 0 4 1 f d b 车在沥青路面上以6 0 k m h 的速度行驶时， 江苏大学硕士学位论文 前桥、车架测点处、后桥的加速度均方根值： h h k 止九。心 刖 i 小 叫k 乃：。：n n ! o o1 4 2 5 ”。”期4 幸55 c 0 s ，5 ”。5 ”7 5 ”。5 1 ” 图2 - 1 16 0 k i n h , 前桥加速度响应 频率( i k )3 7 55 7 51 l 2 51 6 7 5 l 加速度均方根值( m s 2 )0 1 9 1 8 o 6 6 3 60 2 7 1 70 3 4 4 7 o 5 ”“”8 ”l ；k 毛s ”“”“” 图2 - 1 26 0 k m h , 车架测点处加速度响应 频率( i - i z ) 1 53 2 55 51 1 2 51 6 7 5 l 加速度均方根值( m s 2 ) 0 0 2 50 0 80 4 0 2 4o 1 9 2 70 1 7 0 9 ， - a _量-li曩甚葺置辱簟 江苏大学硕士学位论文 1 5 蛰上l h k j a j j j ! l 棚+ ： n 5 柏1 s 萄2 53 03 5 加4 5 即墨即暖7 07 j 町日j 劬a 5l n n 颤辜h z ) 图2 - 1 36 0 k m h , 后桥加速度响应 频率( i - i z ) 1 7 53 7 55 7 51 1 2 51 6 7 5 l 加速度均方根值( t i 掰) 0 1 2o 1 9 1 8 0 6 6 3 6o 2 7 1 7o 3 4 4 7 以上为试验得到的加速度均方根值频谱图，该频谱图是由时域信号经过快速 傅立叶交换得到，由时域信号，得到的加速度均方根值，如表2 - 5 所示，由于本 文研究的重点是车身部分，因此下表仅列出车身部分的时域加速度均方根值。 表2 - 5 该试验车车架测点处在不同车速卜 的时域加速度均方根值 2 4 小结 测点 车速( 1 a - n h )加速度均方根值( m s 2 ) 2 0 o 4 1 车架4 0 o 8 9 6 00 4 8 进行了整车振动实验，得到了整车前桥，车架测点处，后桥处的时域加速度 均方根值。 由以上的数据分析，可以得到以下结论： ( 1 ) 整车在o 2 0 h z 低频段出现了明显的振动，包括3 3 5 h z 、5 7 h z 、1 6 1 8 h z 。 1 7 _茸egip代霹倒卅辑嚣鞲 兰茭垄堂堡主堂堡垒查 ( 2 ) 4 0 k m h 速度下各测点的振动加速度幅值比其它速度下都大 ( 3 ) 后桥振动和前桥振动的幅值较大，且l ； 者大于后者。所以必须使用l j 桥 与前车架，后桥与后车架的弹性元件和阻尼元件的特性达到一定要求，才能控 制簧载质量的振动幅值在一定的范围内，即：既保证传递到人体的振动强度小 于所能承受的极限值，又保证所装载的货物不受到损坏。 ( 4 ) 前车架与驾驶室地板，后车架与车厢之间是利用橡胶元件进行隔振，可 以在小范围内减少振动。 ( 5 ) 该数据作为后文中建立的三种1 2 整车动力学模型正确性的验证依据。 江苏大学硕士学位论文 第三章低速自卸货车的车架模态试验分析 在研究一个系统的振动问题时，经常把一个系统( 振动结构) 模型分成三种。 一，物理参数模型，即以质量、刚度、阻尼为特征参数的数学模型，这三种参数 可完全确定一个振动系统：二，模态参数模型，以模态频率、模态矢量( 振型) 和衰减系数为特征的数学模型和以模态质量、模态刚度、模态阻尼、模态矢量( 留 数) 组成的另一类模态参数模型：这两类模态参数都可以完整描述一个振动系统； 三，非参数模型，即频响函数或传递函数、脉冲响应函数，它们是两种反映振动 系统特性的非参数模型。 以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法，称为模态分析。更确切 的说，模态分析是研究系统物理参数模型、模态参数模型和非参数模型的关系， 并通过一定手段确定这些系统模型的理论及其应用的一门学科。振动结构模态分 析则是指对一般结构所作的模态分析。 模态分析的经典定义是：将线形定常系统微分方程组中的物理坐标变换为模 态坐标，使方程解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求 出系统的模态参数。因此，模态分析实质上是一种坐标变换，其目的是为了解除 方程的耦合，便于求解。模态分析的核心内容是确定用以描述结构系统动态特性 的固有频率、阻尼比和振型的模态参数，它包括计算模态分析和试验模态分析。 试验模态分析是指通过实测的振动数据与由模态理论得到的结构模态参数模型 之间建立直接关系，并把这些模态参数识别出来，从而建立结构的动态数学模型。 试验模态分析技术是综合了测试技术、信号处理、系统识别和结构动力分支。 使用模态频率、阻尼和振型等模态参数来描述结构动态特性的技术。是目i 对各 种复杂机械结构的动态特性进行分析的理想技术。现将某新开发的低速汽车的动 态特性进行分析研究，通过进行模态试验，获取其固有频率、模态振型等模态参数， 分析其动态特性方面可能存在的缺陷，为进一步的改进设计提供试验依据。 3 1模态试验分析的基本原理 工程实际中弹性结构的力学模型应是连续系统，但为了可能和便于对这样的 结构作出动态分析，一般需将结构离散化为有限个质量、弹性和阻尼元件组成的 1 9 江苏大学硕士学位论文 n 个自由度的线性振动系统，其运动方程可写为： 【m 】 j 曩+ i c 】仰+ 【k 】t 对= ，o ) ( 3 r 1 ) 式中：【m l 质量矩阵( 为正定及对称的1 1 阶方阵) 【q n 阶阻尼对称方阵 【k 】n 阶刚度对称方阵( 正定或半正定) f 磅，侧，f 碚各离散质量n 维位移、速度和加速度向量 自( t ) 系统所受的外载荷向量 设系统的初始状态为零，对式( 2 - 1 ) 两边进行拉氏变换得： 0 2 瞰】+ 碰c 】+ 瞵】) 弘0 ) 卜妒( s ) ( 3 _ - 2 ) 【日( s ) 】- l 隹( s ) 卜俨( s ) ( ，1 ) 其中： 咿0 ) 】一【m p 2 + f c p + 【k 】- 1 s = 仃+ j f ，矿= 盯一j r 为拉氏变换因子。 对于n 阶自由度系统，p 点激励在l 点测量响应( 位移) 时，根据线性代数 理论由上式可导出其传递函数( 位移导纳) 为： 驰)=等=喜k，-ro盟2m,+一jmc,=生k,1-o,2+jg, ( 州) 式中：置响应点位移 e 激励力 丸第i 阶模态在，点的振型向量 k 第i 阶模态在p 点的振型向量 白第i 阶结构阻尼比 面= 国q( 国激励频率，q 第i 阶模态固有频率) 。 为了测试方便和提高精度，响应一般采用加速度传感器测量，则此时的传递 函数( 加速度导纳) 为： 日；( 叫2 月0 ( 功 ( 3 - _ 5 ) 加速度导纳是位移导纳的一2 倍。将加速度导纳分为实部和虚部并考虑剩余 导纳，则其传递函数式分别为： 江苏大学硕士学位论文 咖，= 华犏卜 咖，= 华 商品 + 雕 式中：磁( 叻加速度导纳的实部； 日。i ( 砷加速度导纳的虚部； 曰：剩余导纳的实部； 王硭剩余导纳的虚部。 根据传递函数实部和虚部可以得出振动结构的实频曲线和虚频曲线，由此确 定其n 阶的模态频率，模态阻尼比和振型。实际上，只要虚测量导纳矩阵的一行 或一列元素( 传递函数) ，就可得到各阶模态参数，从而也就可以确定系统的固 有特性。“”1 3 2 模态试验分析的基本方法 对一个确定的试验对象，一般的振动测试系统由以下三个部分组成： 激振部分：包括信号源、功率放大器、激振装置； 拾振部分：包括力传感器、响应传感器、适调放大器； 分析、显示、记录部分，包括各种分析仪及外围设备( 显示、记录仪器等) 。 进行试验模态分析时，上述三个部分可以详细的叙述如下： 1 、被测结构的激励和响应的时域信号的测量 首先将试验结构以适当的方式支撑起来，试验结构的边界条件是要考虑的重 要因素，不同边界条件的结构特性可能完全不同。如一个悬臂梁与一个自由梁的 振动特性完全不同。因此必须要正确的模拟被测结构的边界条件。 如果被测结构是完整的，则模态试验中的边界条件也应是完整的，即应以模 拟结构实际工作状态为原则。如采用模态综合法将被测结构分为子结构来进行模 态试验，则边界条件应以模态综合法的要求来确定。 选择适当的方法激励试验结构，通过拾振系统测量、记录激励和响应的时域 信号。 在模态试验中，不同的参数识别方法对频响函数测试的要求不同，因而所选 江苏大学硕士学位论文 激励方式也不同，一般来讲，激励方式有单点激励、多点激励和单点分区激励。 对于激励方式则有人工激励和自激励两种，人工激励根据需要通过一定的激 励装置施加于被测结构上。大部分人工激励可以控制和测量。自激励是施加于实 体结构上的自然力，如风载荷，波浪载荷，机器运转时的动力源等。 对于人工激励，典型的激励装置有激振器系统、冲击锤、阶跃激励装置。 2 、模态参数识别 模态参数识别是模态试验分析的核心。模态参数识别已发展有多种成熟的方 法，最常用的方法是基于最小二乘法的曲线拟合法。其含义是，根据理论模态分 析选择适当的数学模型，使测得的模型与数学模型之差最小。 按照不同的非参数模型，模态参数识别分为频域模态参数识别和时域模态参 数识别。以频响函数( 传递函数) 为基础的参数识别称为频域参数识别；以时域 信号( 脉冲响应信号或自由振动响应) 为基础的参数识别称为时域参数识别。 目前频域参数识别仍是模态参数识别的主流方法。频域法最大的优点是利用 频域平均技术，最大限度地抑制了噪声影响，使模态定阶问题容易解决。然而该 方法也存在若干不足，如功率泄漏，频率混叠等。咖3 为此人们开始研究模态参数识别的时域方法，如最小二乘复指数法，时间序 列法等时域参数识别法的主要优点是可以只使用实测响应信号，无需f f r ，因而 可以在线分析，使用设备简单，但缺点也很明显。由于不使用平均技术，因而分 析信号中包含噪声干扰，所识别的模态中除系统模态外，还包括噪声模态。 3 3 车架模型的模态试验分析 3 3 1 测试系统 模态试验的主要任务是同