（车辆工程专业论文）重载半挂汽车列车半主动悬架平顺性与道路友好性研究.pdf

中文摘要 近年来，随着我国高速公路的高速发展以及由于现代化物流运输的需要，公 路货运进一步集约化和专业化，重型车，尤其是半挂汽车列车更得到了很快的发 展。由于重型卡车工作条件往往比较恶劣、弯道多、坡路多、转弯半径小，而且 车辆行驶过程中频繁转向与制动，并长期在满载、振动与冲击载荷下工作，对路 面和运输物品破坏严重。悬架是汽车列车的重要组成部分。悬架的优劣，不仅关 系到汽车列车的行驶平顺性问题，还影响汽车列车的操纵稳定性和通过性能等。 目前在国外，空气悬架在重型载货汽车上应用率达到了8 5 ；大约有8 0 的拖 挂车使用空气悬架。然而，空气悬架在国内应用还有很长一段路要走。 为了提高司乘人员的舒适性和道路友好性，本文以某半挂汽车列车车型参数 为依据，建立整车半挂汽车列车的动力学模型，并将牵引车的动力学方程转化为 状态空间方程，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立路车人仿真系统图，进行动力学系统 仿真实验。由于牵引车悬架系统非线性强，而模糊控制系统适用于时变非线性， 且建模简单、控制精度高。针对牵引车的特点，本文设计了多模糊控制器，利用 s i m u l i n k 工具箱，在相同的行驶速度、不同路面a 、b 、c 等级下，对牵引车半 主动空气悬架系统进行动力学性能仿真。将m a t l a b 和a d a m s 的后处理联合来 处理数据，提高了数据分析的效率和精确率。 根据仿真实验数据，对影响乘坐舒适性和操纵稳定性指标的牵引车质心加速 度和位移以及驾驶室和座椅位移等参数分别进行时域内均方根值和频域内p s d 对比分析。利用动态载荷系数、动态载荷应力因子和9 5 百分位综合四次幂力这 三个指标对车辆在b 级路面行驶进行道路友好性评价。结果表明：采用多模糊 控制后的半主动空气悬架，质心加速度改善了达到了3 0 以上，频域p s d 峰值 均有所下降，更好地提高了车辆行驶平顺性；b 级路面上动态载荷系数在控制后 改善最为明显，降低了轮胎载荷，减小了对路面的破坏作用，提高了道路友好性。 也说明本文设计的模糊控制器多路面有一定的适应能力。 关键词：半挂；平顺性；空气悬架；模糊控制；s i m u l i n k 一 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s eh i g h w a y s a n da sar e s u l to fm o d e mt r a n s p o r tn e e d s ，h i g h w a yf r e i g h tt r a f f i ct o f u r t h e ri n t e n s i f i c a t i o n a n ds p e c i a l i z a t i o n ，h e a v y v e h i c l e s ，e s p e c i a l l y s e m i - t r a i l e rt r a i nh a v ea l s o b e e nd e v e l o p e dr a p i d l y a st h e w o r k i n g c o n d i t i o n so f h e a v yv e h i c l e sa r eo f t e nq u i t ep o o r ，m o r ec u r v e ，m o r et h a n ap a t h w a y , t u r n i n gr a d i u s s m a l l e r , a n dt h ev e h i c l e ss t e e ra n db r a k e f r e q u e n t l yd u r i n gt h er u n n i n g ，a n da l s ow o r ki nf u l l ，v i b r a t i o na n du n d e r s h o c kl o a d si nl o n g - t e r m ，s ot h er o a da n d t r a n s p o r tg o o d sw e r es e v e r e l y d a m a g e d s u s p e n s i o ni s a ni m p o r t a n tp a r to ft h ec o m b i n a t i o nv e h i c l e s w h e t h e rt h es u s p e n s i o nq u a l i t yi sg o o d ，n o t o n l ya f f e c tt h ec o m b i n a t i o n v e h i c l e sr i d e c o m f o r t ，b u t a l s oa f f e c tt h e h a n d l i n g a n d s t a b i l i t y , n e g o t i a t i o np e r f o r m a n c ea n ds oo n a tp r e s e n t ，a i rs u s p e n s i o na p p li e do n t h eh e a v y d u t yt r u c ka b r o a da tt h er a t eo f8 5 ：a b o u t8 0 o ft r a i l e r s u s i n ga i rs u s p e n s i o n h o w e v e lt h e r ei ss t i l lal o n gw a yt og of o rt h ea i r s u s p e n s i o nd o m e s t i ca p p l i c a t i o n i no r d e rt o i m p r o v et h ec o m f o r to fd r i v e r sa n dp a s s e n g e r sa n d r o a d f r i e n d l i n e s s ，b a s e do nt h ep a r a m e t e r so fs o m es e m i t r a i l e rt r a i n m o d e l ，t h ed y n a m i c sm o d e lo fs e m i t r a i l e rt r a i nw a sb u i l ti nt h i sp a p e l a n da l s ot h ed y n a m i ce q u a t i o n sw a st r a n s l a t e dt oi n t os t a t es p a c e e q u a t i o n ， r o a d 。v e h i c l e - - p e o p l es i m u l a t i o ns y s t e md i a g r a mw a ss e tu pi nm a t l a b s i m u l i n kt oc a r r yo nt h ed y n a m i c s y s t e ms i m u l a t i o n a st h et r a c t o r s u s p e n s i o ns y s t e m ，n o n l i n e a rs t r o n g ，a n df u z z yc o n t r o ls y s t e mw a s s u i t a b l ef o rn o n l i n e a r t i m e v a r y i n gm o d e l ，a l s ow i t hs i m p l em o d e l i n ga n d h i g hc o n t r o lp r e c i s i o n f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a c t o r , m u l t i f u z z y c o n t r o l l e r sw e r e d e s i g n e d u s i n gs i m u l i n kt o o l b o x ，t h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft h et r a c t o rw i t hs e m i a c t i v ea i rs u s p e n s i o ns y s t e m ，w a s c a r r i e do u ta tt h es a m es p e e d ，w i t hd if f e r e n tr o a da ，b ，cc l a s sr o a d t h e d a t aw a sh a n d l e db yj o i n i n gm a t l a ba n d p o s t p r o c e s s i n go fa d a m s ， w i t hd a t aa n a l y s i se f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o ni m p r o v e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n o fe x p e r i m e n t a ld a t a ，t h es i m u l a t i o n r e s u i t s s u c ha s ：t r a c t o rc e n t e ro fm a s sa c c e l e r a t i o na n dd i s p l a c e m e n t ，c a b a n ds e a td i s p l a c e m e n tp a r a m e t e r s ，a f f e c t i n gr 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 yi n d i c a t o r s ，w h i c hw e r ec o m p a r e dw i t ht h er m s i nt i m ed o m a i n a n dw i t ht h ep s di nf r e q u e n c yd o m a i n t h et h r e ee v a l u a t i n gi n d i c a t o r s ， d y n a m i cl o a df a c t o r , d y n a m i cl o a d s t r e s sf a c t o ra n dt h e9 5p e r c e n t i l e c o m p r e h e n s i v ef o u rt i m e s ，w e r ee v a l u a t e df o rt h ev e h i c l er o a d f r i e n d l y o nt h eb c l a s sr o a d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t ：a f t e rt h ef u z z y c o n t r o lo fs e m i a c t i v ea i rs u s p e n s i o n ，c e n t e r o fm a s s a c c e l e r a t i o n i m p r o v e du pt om o r et h a n30 ，t h ep e a k p s df r e q u e n c yi nd o m a i nw e r e d e c r e a s e d ，a n di nt h ee n dp r e f e r a b l yt h er i d ec o m f o r tw e r ei m p r o v e d t h e d y n a m i cl o a df a c t o ro fb c l a s sr o a d sa f t e rc o n t r o l ，t h et i r e l o a dr e d u c e d t h ed a m a g i n ge f f e c t so ft h er o a dr e d u c e d ，r o a d f r i e n d l yi m p r o v e d a l s oi t w a ss h o w e dt h a tt h ef u z z yc o n t r o l l e r sd e s i g n e di nt h i sp a p e rh a ds o m e c a p a c i t yt oa d a p t k e yw o r d s ：s e m i t r a i l e r ；r i d ec o m f o r t ；a i rs u s p e n s i o n ；f u z z y c o n t r o l ； s i m u l i n k 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 1 1 汽车列车运输方式的优点1 1 1 2 国内外汽车列车运输的发展2 1 2 车辆平顺性研究现状3 1 3 车辆道路友好性研究现状5 1 4 研究课题的提出7 1 5 本文研究的主要内容7 第二章汽车列车动力学仿真模型建立9 2 1 模型概述9 2 2 空气悬架一lo 2 2 1 空气弹簧工作原理和特性1 1 2 2 2 空气弹簧装置系统的组成1 2 2 2 3 空气弹簧的分类及组成1 3 2 2 4 空气悬架性能的优缺点，1 6 2 2 5 重型汽车空气悬架对高速公路的影响1 6 2 3 数学模型的建立1 7 2 4 状态及输出方程化简2 0 2 5 本章小结。2 7 第三章汽车列车动力学模型的slm u lln k 仿真2 9 3 1sim u lln k 简介2 9 3 2 三轴牵引车被动仿真步骤一2 9 3 2 1 调出所使用的各个模块2 9 3 2 2 路面不平度及路面划分3 1 3 2 3 等级路面的生成3 2 3 3 建立被动牵引车仿真图3 3 3 4 本章小结一3 4 v 第四章半主动悬架模糊控制系统设计3 5 4 1 模糊控制理论3 5 4 2 模糊控制器的结构3 6 4 3 模糊控制器的设计3 7 4 3 1 语言变量值选取3 7 4 3 2 模糊集合隶属函数3 7 4 3 3 输入量的模糊化及量化因子3 9 4 3 4 制定模糊规则3 9 4 3 5 模糊判决4 l 4 4 模糊控制器与sim ui in k 连接4 1 4 5 多模糊控制系统结构4 2 4 6 本章小结。4 4 第五章仿真结果分析4 5 5 1 行驶平顺性评价方式4 5 5 1 1 影响平顺性的因素4 5 5 1 2 平顺性评价方式4 6 5 2 车辆行驶平顺性仿真结果及分析4 7 5 2 1 时域仿真结果4 8 5 2 2 频域仿真结果p s d 图5 3 5 3 道路友好性评价指标5 8 5 4 道路友好性仿真结果及分析5 9 5 4 本章小结6 l 第六章全文总结与展望6 3 6 1 全文总结一：6 3 6 2 研究展望一6 4 参考文献6 5 致谢6 9 附录7 l 攻读学位期间发表的学术论文目录7 3 v i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 汽车列车是由一辆牵引车和一辆或一辆以上的挂车组成的车辆，或一辆汽车与一辆 或多辆挂车的组合【l l 。一般分为单式和复式两大类。其中单式包括半挂车和全挂车，复 式包括双挂车、双挂全挂车和三挂车。全挂车是挂车的总重量由它自身承受；半挂车为 挂车的总重量一部分由牵引车承受。 随着国民经济的迅速发展，国内运输量大幅提高，而相对落后的运输业已经成为制 约我国经济发展的瓶颈。随着我国高速公路的发展和高速公路网络的形成，现代物流运 输迅速发展，对车辆的承载能力要求不断提高，普通载货汽车由于受自身条件的限制， 承载能力有限，不能更好的满足运输要求，因此汽车列车化运输方式确实是汽车运输的 发展方向。半挂汽车列车具有“区段运输”、“甩挂运输”、“滚装运输”的特点，并且高 效，经济，因此得到了广泛应用，在国民经济发展中发挥着巨大作用。 由于重型载货汽车工作条件比较恶劣、弯道多、坡路多、转弯半径小，并且车辆长 期在满载、振动与冲击载荷下工作，振动都比较强烈，对路面和运输物品破坏严重。并 且，山西省是一个资源大省，尤其是煤炭资源丰富。为提高运输效率，汽车列车在煤炭 资源外运中发挥重大作用。因此，在车辆丌发设计过程中，在提高运输速度的同时，也 需要综合考虑车辆行驶平顺性和安全性。 为解决上述矛盾，保证车辆高速行驶时，具有良好的高速行驶平顺性和安全性，实 现高质量运输，并减小对路面的破坏程度，在丌发设计重型卡车时，先进的车辆悬架技 术被广大汽车工作者广泛研究和采用。空气弹簧可以根据载荷和路面的情况实时调节， 以提高车辆运行平顺性。理论和实践研究均表明，在车辆悬架系统中引入智能控制是改 善其乘坐舒适性的有效途径1 2 j 。 因此，在重型卡车开发中广泛采用空气悬架技术。另外，选用合理的控制策略，例 如针对悬架系统非线性强，模型不确定性，可以对悬架参数进行模糊控制，能有效降低 垂直方向的振动，能够更好的提高车辆乘驾舒适性和行驶的平顺性，进而驾驶员不易短 期驾驶后疲劳，一定程度上减少发生交通事故概率。同时采用控制策略后，可以有效降 低垂直方向加速度，改善平顺性的同时，也可以较好地保证货物的完整性，同时，可以 降低车辆对路面的动态载荷，减缓损伤路面的进程，即减小车辆对道路的破坏性，延长 了道路的使用寿命，此项研究有重大理论意义。 1 1 1 汽车列车运输方式的优点 汽车列车化货运已经成为世界公路运输主要发展趋势之一。自二十世纪中叶开始， l 重载? | ，j 丰汽车列午? 卜主动恳架平顺性与道路友好性研究 随着公路罩程加长，质量不断提高，之后高速公路蓬勃发展，世界各地竞相发展汽车列 车运输。中国，改革丌放后，随着中国汽车工业和道路交通运输业的发展，高速公路以 及普通公路质量不断提高，特别是集装箱运输和零担货物运输的广泛展丌，极大地促进 了拖挂运输方式的不断发展和完善。 汽车列车与同等载重量的单体汽车相比，有以下一些优点： ( 1 ) 运输生产率比单车高( 一般可提高5 0 0 o , , , 1 0 0 ) ，尤其更适合长途运输。据分 析，载重量1 6 t 以上的货车，比4 t 和5 t 货车的运输生产率要高3 , - 4 倍，运输成本要低 8 0 - - - 8 5 。而半挂车与单体货车相比，运输生产率又可提高3 0 - - - 5 0 ，成本下降 3 0 4 0 ，单位运输工作量使用油耗l ( t 1 0 0 k m ) 可以降低2 0 0 o , , , 3 0 。 ( 2 ) 营运成本低。根据美国州际商务委员会( i c c ) 对统计资料进行分析比较后得 出：在长途货运中，汽车列车的吨公里运输费要比单车运输费用低9 ，美国1 9 9 0 年采 用汽车列车，全年运输费用可以节约1 5 亿美元左右。 ( 3 ) 汽车列车结构简单。并且，挂车制造工艺简单，造价低。此外由于半挂汽车 列车无动力传动机构，结构简单，相应的在使用和保养过程中的费用比较低。双挂汽车 列车的维修费用比半挂汽车列车维修费用大约低6 9 。但是，半挂汽车列车费用比 同等载重量的汽车花费要少。 1 1 2 国内外汽车列车运输的发展 在国外，汽车列车化运输已经成为货物运输的主要工具。美国是最早开展汽车列车 运输的国家之一。1 9 8 3 年美国通过了新的汽车列车外形尺寸和重量法规，使得汽车列车 的使用得到迅速增长。据统计，从1 9 8 3 年到1 9 9 0 年7 年间，美国汽车列车的保有量以 每年3 9 7 的速度递增。根据美国联邦公路总署对美国2 2 个州的调查，有1 8 个州的双 挂汽车列车使用数量增加，其中4 个州的双挂汽车列车从1 9 8 2 年占全部汽车列车保有 量的0 2 增加到1 9 9 0 年的8 4 ；有1 2 个州的双挂汽车列车从1 9 8 2 年占全部汽车列车 保有量的3 1 增加到1 9 9 0 年的5 9 。美国汽车列车的货运里程飞速增长，其中双挂汽 车列车完成的货运总里程已从1 9 8 3 年的4 3 亿公里增加到1 9 9 0 年的1 2 7 亿公里，至2 0 0 0 年货运里程以每年1 5 - - - 2 0 速度增长【3 】。 德国一直以发展全挂车著称，但从7 0 年代末期开始重视发展汽车列车，近l o 年来 汽车列车的保有量迅速增长。据统计，从1 9 7 0 年到2 0 0 0 年间，汽车列车的保有量年增 长约1 4 。澳大利亚幅员辽阔，高速公路和高等级公路虽然拥有不少，但是在南部偏远 地区，由于地势的限制，公路路况比较差，因此，自7 0 年代丌始，澳大利亚长途快速 运输重点需要发展重型卡车运输。据不完全统计，1 9 7 0 年到1 9 8 5 年，澳大利亚的汽车 第一章绪论 列车保有量增加了1 6 3 ，近十几年来仍以1 4 年增长速度增加。其中，城问运输通常 采用3 0 吨的半挂汽车列车和6 0 吨的双挂汽车列车。 我国的汽车列车萌芽于1 9 3 0 年。我国在1 9 5 3 至1 9 5 7 年，即国民经济发展第一个 五年计划时期，便开始生产挂车。前苏联在这时已采用汽车拖挂运输方式，1 9 5 5 年被引 进我国的运输行业，此后汽车挂车在全国大部分地区很快发展了起来。专用挂车的研制 和生产也在这时丌始起步。当年，牡丹江林业机械厂便研制出了原木运输挂车。特别是 1 9 5 8 年的所谓“大跃进”时期，汽车运输能力和运输速度之间的矛盾同益激化，汽车列 车运输曾经达到一个顶峰时期，甚至出现了一辆当时的解放c a 1 0 汽车拖挂十几辆牵 引车挂车的局面。挂车的生产也跟着蓬勃地发展起来。例如，1 9 5 8 年6 月，全国挂车的 数量约为4 0 0 0 多辆，但到了1 2 月底，却猛增到了3 4 8 0 0 辆。我国目前的一些挂车制造 厂就是当时的基础上发展起来的。在第二个五年计划期间，我国将生产挂车的任务纳入 了国家计划。此后，挂车的生产和使用更取得了突飞猛进的发展。 1 2 车辆平顺性研究现状 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【4 1 。这是现代高速汽车的 主要性能之一。 随着现代科技的发展，我们身边的汽车也越来越多。随着人们生活水平的提高，人 们对乘用汽车平顺性和操纵稳定性要求越来越高。以往对汽车平顺性进行试验评价时， 由于受到计算工具的限制，加之受缺少路面谱等因素影响，不能精确预测平顺性。重载 车，如果是试制样车然后进行行驶性能平顺性研究，试制样车周期长，且此项研究耗资 巨大，因此，在重载车平顺性研究方面，在汽车振动模型的基础上，简化后建立数学模 型，利用计算机进行虚拟仿真，对参数进行修改，对平顺性进行评价和预测。载重车的 平顺性一直比较差，而且对载重车平顺性研究也不多【5 】【6 1 。这个理论研究有很有优势和 可行性。可以节约时间，节省试制样车的成本，提高了分析平顺性的效率。 制定与动力学有关的标准和法规的过程，是不断发展前进的过程，不论何时，总会 有一些草案在拟订之中，并作为下一个即将颁布标准的基础。在行驶振动方面，描述人 体对振动响应应用最为广泛的标准是i s 02 6 3 l ，路面表达的国际通用标准格式为 i s o8 0 0 2 ，有关平顺性测试仪器的标准为i s o8 0 4 1 ，这些评价标准随着对汽车振动与人 的主观感受的认识不断深入而得到发展，如人体对振动响应的标准从原来i s o 2 6 3 l ：1 9 7 4 已经发展到目前的最新版本i s o2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( e ) 。 国外很多学者逐渐对载重汽车的平顺性重视。1 9 9 2 年，m a r k 研究了汽车垂直加速 3 重载半挂汽下列下誓主动恳架平顺性与道路友好性研究 度和路面不平度之间的关系，并且测定了在不同类型的路面结构上加速度的均方差。 1 9 9 7 年，r 本名古屋大学未松良一与中南工业大学刘少军等，对汽车主动悬架控制中最 有预见控制设计进行了探索性的研究。这个系统不仅考虑了系统当时的情况，而且还考 虑为未来目标加以预见控制系统，常常取得改善控制性能和降低系统能耗的双重效果1 7 j 。 2 0 0 0 年，k i t c h i n g 等在载重车上采用比例阀来产生变化的阻尼参数，被动悬架得到较好 的控制。g o b b i ，d o n i s e l l 和g m a s t i n u 按照全局近似方法，用另一种纯粹的数字 数学模型代替汽车物理模型。这个数学模型可以很准确的模拟很多行车条件，允许通过 修改底盘参数来实现所期望的汽车动力学性能，从而改善汽车的平顺性。 国内，从7 0 年代初，长春汽车研究所和清华大学较早的开始了对汽车动力学的研究， 主要集中在平顺性和操纵稳定性性能指标评价方法。力学模型也是从七十年代丌始研究 汽车侧偏和横摆运动的二自由度线性模型，之后发展到包括侧倾和转向在内的- n 五个 自由度，乃至十几个自由度的非线性模型。 1 9 7 6 年长春汽车研究所郭孔辉曾就如何改善汽车平顺性对单输入2 自由度汽车系统 定性的探讨了如何选择悬挂参数的问题【8 j 。1 9 8 1 年罗明廉采用功率谱分析法讨论了三轴 载货汽车平衡悬挂系统，对三自由度振动模型进行推导并且较早的讨论了平顺性问题i 圳。 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 0 l ；1 9 9 3 年东j x l 汽车 工程研究院谢卫国对半挂汽车列车平顺性进行了探讨分析，该文介绍了1 8 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【l 。1 9 9 6 年，贺岩松，赵仲辉等以某载货车为例，建立5 自由度动 力学和数学模型，用计算机对其平顺性进行了预测【1 2 】。2 0 0 5 年，徐中明等建立包含车架 弹性振动的1 5 自由度整车振动模型，通过计算机仿真模拟了路面随机输入响应，通过改 进驾驶室参数，提高了乘坐舒适性【l3 1 。2 0 0 6 年，华中科技大学杨勇等，建立5 轴半挂汽 车列车模型，列写出了动力学方程，在a d a m s 基础上以三轴拖车为动力学模型，对其 参数进行优化，建立了一套与实车相结合的平顺性评价体系i l 引。2 0 0 8 年，王敬芝，居刚， 吕新生建立了重型载货汽车1 2 车辆5 自由度仿真模型，采用m a t l a b s i m u l i n k 的仿真平台 开发了随机路面输入下的重型载货汽车空气悬架仿真分析系统，对模型平顺性进行了分 析【1 5 】。2 0 0 9 年，孙伟，丰吉贺等应用联合仿真方法研究了分散模糊控制在整车主动悬架 控制策略中的应用，提高了车辆的平顺性，并验证了模糊控制的可行性l l 6 。 在动力学发展的同时，主动控制理论与技术也丌始应用于车辆的控制系统，甚至可 以说，主动控制技术代表了车辆动力学发展的另一个里程碑。尽管在2 0 世纪6 0 年代早期， 已经有人开始进行了一些这方面的基础性研究工作，t h o m s o n 首先使用并完善了主动悬 4 第一章绪论 架加入控制器的基本思想【1 7 】【1 引。在8 0 年代，l o t u s 公司制作了第一辆装有主动悬架的原 形样车【哼l 。以往的车辆动力学研究中，大部分都是针对如弹簧、阻尼、轴套等被动元件 的设计，采用主动控制来改变车辆的动态性能，为车辆动力学开辟了一个崭新的研究领 域。早期发展阶段，主动控制在高档轿车和工程车辆中有较多的应用，由于成本较高， 近年来在重型卡车上才得以应用发展。近年来，由于主动控制需要加作动器，耗能高， 因此，耗能低的半主动悬架，越来越受到青睐，再对其加上智能控制，越来越成为人们 研究的热点。重型卡车上使用半主动悬架，也将是一种社会发展的需求。 1 3 车辆道路友好性研究现状 目前国内外关于道路友好性丌展的研究工作主要分为： ( 1 ) 静载荷道路破坏由于道路的破坏是一个漫长的过程，无法直接测量，所以对 道路破坏的评价通常采用以下的方法，它主要包括以下三方面的工作：研究道路破坏的 力学原因；通过测量或计算得到道路在外部载荷下的响应，即它受到的拉力、压力和变 形；研究材料的破坏特性，建立道路的响应和破坏的关系1 2 。我国的道路以柔性路面为 主，其主要破坏形式是永久变形和疲劳破坏，一般永久变形破坏的力学原因是道路基层 的压应力或压应变、垂直于面层的变形；疲劳破坏的力学原因是道路水平拉应力或拉应 变、体积应力、剪应力和剪应变。对于道路响应的研究可以包括试验和计算仿真两方面， 后者需要建立道路响应的数学模型，主要分静态和动态两种。对材料破坏特性的研究目 前还处于完善当中，它涉及到材料力学、损伤力学和断裂力学等知识。一般都是采用经 验性的结论，较常用的有m i b e r 法和小梁弯曲疲劳方程以及“四次幂定律”1 2 。 ( 2 ) 动载荷道路破坏动载荷是由于行驶中的汽车受到路面不平度的激励产生的振 动引起的，它与车速、道路不平度以及很多汽车设计方面的因素，特别是悬架系统的设 计有关。一般认为动载荷是一个具有高斯分布的平稳随机量，道路上各点处的受力状况 在统计意义上是相同的。按照这种假设，动载荷的存在会使汽车对道路的破坏增加 2 0 一3 0 1 2 2 】。但是近年来的研究表明，同一辆汽车多次通过同一段路面所产生的动载荷 的空间历程具有很强的重复性，这意味着动载荷的峰值集中在某些点附近，这种现象称 为动载荷的空间重复性。由于道路的寿命决定于破坏最严重处的路面的寿命，因此事实 上动载荷会使汽车对道路的破坏增加1 2 到4 倍，这说明它是引起道路破坏的一个重要 因素。 动载衙是汽车振动产生的，而汽车振动特性在很大程度上决定于悬架系统参数的选 取，所以改进汽车悬架系统的设计可以有效的减小动载荷对道路的破坏性。随着研究的 不断深入，人们提出了一种新的汽车设计理念，即悬架的道路友好性。“具有这种设计 s 重载、 ，挂汽车列乍、i - 土- 动悬架平顺性与道路友好性研究 性能的悬架能够隔离路面不平度对汽车的作用，使作用在路面上的轮胎动载荷达到最 小 可以预见，对汽车尤其是重型货车悬架的道路友好性的要求会逐渐从研究阶段走入 使用领域i 引】。 2 0 世纪8 0 年代以来，为减小重型车辆对高速公路路面的破坏，美国密西根大学公 路交通研究所、美国加州大学伯克利分校、英国剑桥大学工程系以及加拿大、澳大利亚 等国的高等学校和科研机构相继对车辆一道路相互作用问题进行了深入研究。以英国为 首的许多西方发达国家不但已制定了各种相关法律、法规，而且鼓励使用道路友好性良 好的重型车辆，适当地提高道路友好性良好车辆的运输配额，而且积极鼓励开展有关悬 架道路友好性的基础研究1 2 3 】。英国学者d j c o l e 等利用综合四次幂指标对被动悬架系统 的优化设计进行了较为深入的研究【2 4 1 。m h u l t a l a 等通过合理的前悬架钢板弹簧及后悬 架空气弹簧设计，正确选择重型车辆的轮胎模型，设计了基于功能虚拟样机的三、四轴 被动悬架重型车辆仿真模型，并通过该模型研究了被动悬架重型车辆的道路友好性1 2 引。 通过欧盟资助，以捷克为中心展开的关于车辆一路面相互作用的s a d t s 研究项目中， 利用机械多体动力学软件s i m p a c k 建立了重载车辆三维整车动力学模型，丌展了重载 车辆半主动悬架系统与路面相互作用的基础研究，分析了不同控制策略对车辆一路面动 态载荷的影响1 2 6 j 。 在道路友好性评价指标方面，先后出现了多种道路友好性评价指标：动态载荷系数、 动态载荷应力因子、9 5 百分位综合四次幂力等，由k j k i t c h i n g 等提出的新评价指标中， 将车辆一路面动态载荷的“空间重复性”纳入道路友好性评价体系中，以提高评价的准 确准确性1 2 7 j 。 近年来，我国重型车辆严重超载、超限运输现象严重，造成我国高速公路破损严重。 因此，我国也逐步重视了对车辆行驶平顺性和道路友好性，并进行了相关的研究工作。 2 0 0 4 年，哈尔滨工业大学徐斌，王国栋等，为探讨悬架系统舒适性及车辆造成道路破坏 程度的影响规律，建立了能反映四轮随机输入下车辆振动状况的十自由度三维空间模 型，分析了悬架刚度和阻尼系数对平顺性和道路友好性的影响1 2 引。2 0 0 7 年，青岛大学 严天一，刘大维等，针对被动悬架系统自身动态特性不可调的局限性，建立了基于地棚 控制策略的重载车辆半主动悬架系统的道路友好性仿真模型，对动态载荷和动态载荷应 力因子这2 个道路友好性指标进行评价1 2 9 1 。2 0 0 8 年，东南大学陈一锴，何杰等，针对 空气悬架的非线性特点在m a t l a b 平台上建立1 4 重车动力学模型，完成半主动空气悬架 模糊控制器设计，并在s i m u l i n k 中连接仿真模块进行仿真，对系统的平顺性和道路友好 性进行综合改善p o l 。2 0 0 9 年，江苏大学江浩斌，王波等建立了四自由度二分之一汽车 6 第一章绪论 振动模型，列写出了整车振动方程、频响函数和路面输入模型，以行驶平顺性和道路友 好性指标的线性加权作为优化目标，运用m a t l a b 对b 级和c 级路面工况下的悬架刚度 和阻尼进行仿真优化u 。 1 4 研究课题的提出 随着我国高速公路的发展和现代物流运输观念的建立，汽车列车具有装载量大、 运输成本低、已成为发展公路运输、提高经济效益最有效而简单的重要车型。与其他运 输方式相比，拖挂运输有其他公路交通工具无法代替的迅速、机动、灵活、安全的优势， 能完成其他运输所不能或难以完成的超高、超宽、超长、运输特定需要物资等优点。随 着我国公路建设和汽车工业的迅速发展，汽车列车向着轻量化、重型化、多轴化、专用 化、系列化方向发展，必将成为我国的主要公路运输工具。 汽车行驶平顺性优劣直接影响到乘员的舒适性，如果车辆行驶平顺性比较差，能够 导致车上乘员疲劳及货物损坏，并影响到汽车动力性能，整车零部件过早磨损，车辆的 正常使用寿命受到影响。对于重型卡车而言，平顺性还影响货物的完整性。重型卡车， 载重量大，轮胎对路面的动载荷比较大，对道路的损伤比较大，因此，在提高公路质量 时，应该提高道路友好性。道路友好性和平顺性，都与悬架系统的设计有关，因而汽车 设计人员越来越重视悬架系统的设计。 目前，国内外对汽车列车的研究集中在两方面： ( 1 ) 研究车辆的设计参数和使用参数对车辆动力学性能的影响； ( 2 ) 研究先进的、可靠的控制装置及控制算法来改善车辆行驶时平顺性和稳定性。 近年来，后者逐渐成为汽车领域研究的焦点。目前，对汽车列车悬架系统进行智 能控制也越来越受到行业的关注。模糊控制，建模简单，适合于非线性比较强的悬架系 统，逐步受到研究者的青睐。与此同时，模糊控制与其他智能控制方法，例如神经网络 控制，遗传算法等结合，理论上能更好的实现悬架系统的智能控制。 本课题主要从建立汽车列车的半车动力学模型出发，通过建立状态方程对三轴牵 引车进行s i m u l i n k 仿真来研究牵引车平顺性和道路友好性，并对其采用模糊控制算法， 分析控制后平顺性和道路友好性的改善。 1 5 本文研究的主要内容 本文以某车型5 轴半挂汽车列车为研究对象，并结合山西省“自然科学基会项目” “重型卡车空气悬架参数动念优化及其性能研究”，对3 轴牵引车在s i m u l i n k 中进 行动力学仿真。在相同仿真环境中，对模糊控制前后进行结果分析。本文的主要工作有 重载、| ，挂汽车列车、卜主动悬架平顺性与道路友好性研究 以下几个方面： ( 1 ) 建立半挂车半车1 2 自由度数学模型。其中3 轴牵引车半车数学模型为自由度 8 个，对牵引车选取输入输出变量，并列写状态方程。 ( 2 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 中利用带限白噪声合成b 级路面作为路面激励，进行牵引 车半车被动平顺性仿真。 ( 3 ) 本文选用3 个模糊控制器。对牵引车前、中、后悬架簧载质量的速度和加速 度作为控制器输入量，输出量为刚度系数k 。 ( 4 ) 以车辆行驶速度2 0 r n s ，分别在a 、b 、c 三种路面工况下，在s i m u l i n k 中对 带有模糊控制器的仿真模型进行仿真。 ( 5 ) 对控制前后进行结果分析，分别画出时域和频域中平顺性相关的对比图，在 数据，对 第二章汽乍列下动力学仿真模型建立 第二章汽车列车动力学仿真模型建立 汽车是一个复杂的振动系统，最初人们研究汽车平顺性时，把汽车看成是单质量的 系统模型，之后，逐渐增加模型的自由度。理论上说，自由度越多，参数越精确，就越 逼近实车系统。但另一方面存在的矛盾就是，自由度越多，所需测量分析的参数就越多， 难于准确测量的参数也随之增加，误差也会随之增大，容易对实际指导产生干扰影响。 那么怎样建立一个合理的自由度模型是影响模型评价精确度的关键因素。 汽车行驶平顺性研究应用最广泛的动力学模型有三种，即四分之一模型、半车模型 和整车模型。四分之一模型，结构简单，但是只能表征车身的质心加速度和速度变化， 效果不是很理想。半车模型，比四分之一模型自由度多，精确度高一些，不仅能表征质 心加速度和速度的变化，又能表征车身俯仰角和加速度变化，计算也不算太复杂，是悬 架特性的比较理想的模型。 因此，平顺性模型主要有半车模型和整车模型【3 2 l 。 要针对实际研究意义，对复杂的系统进行简化。本文在建立汽车列车动力学模型时， 作如下假设： ( 1 ) 车辆以匀速直线运行； ( 2 ) 车体绕z 轴方向的转动不计； ( 3 ) 汽车列车在平衡位置附近做微幅振动； ( 4 ) 不考虑悬架导向机构作用。车身、发动机、车架、前后轴为刚性件，车身、 车架连接方式为刚性连接； ( 5 ) 车轴和车轮构成非悬挂质量。车轮与地面保持接触，且左右车轮下的路面状 况相同，只考虑车轮的垂向运动； ( 6 ) 汽车列车轮胎刚度和座椅刚度均为位移的线性函数。 2 1 模型概述 汽车是一个复杂的振动系统，它的四大要素是激励、质量、弹性和阻尼。从外部条 件看，汽车产生振动是因为受到了外界激励，内部条件是因为该系统有质量和弹性。从 能量转化过程看，外界对整车系统的激励就是对系统做功，这个功被储存到系统中，其 中一部分转化为质量块运动的动能，另一部分转化为弹性变形元件的弹性势能。振动过 程就是激励功、动能和势能之问的不断转换。 工程机械结构中存在振动问题，其振动特性往往带有不同程度的非线性。解决非线 性振动问题有着一定的特殊性。一方面，非线性系统与线性系统不同，不能采用叠加原 理。另一方面，找出一种通用的解决问题的方法是比较困难的，并且其解析解也难以得 9 重载、卜挂汽下列下、l ，主动恳架平顺性与道路友好性研究 出。为此，在分析常规振动情况时