（车辆工程专业论文）商用车驾驶室悬置系统设计平台开发.pdf

中文摘要 本文以某企业的实际需求为出发点，以商用车驾驶室悬置系统设计平台为研 究对象，对商用车驾驶室悬置系统设计平台丌发全过程进行了研究。平台的开发 不仅为企业提供了先进的设计工具，而且提高了驾驶室悬置系统的设计效率。 论文首先论述了国内外利用通用软件系统进行专用软件开发的现状，对基于 c a d ，c a e 软件二次开发的发展情况进行了研究。结合项目需要，以软件开发流 程为总线，对悬置系统设计平台的需求进彳亍了全面分析，明确了设计平台的设计 需求、功能需求、理论需求和其它需求，设计了该平台的功能级数据流图并对其 进行了逐步细化，同时对平台运行过程中的数据流向进行了详细研究。 接下来，论文对设计平台的总体设计过程进行了详细研究。总体设计中首先 确定了平台的开发方式以及所使用的支撑软件系统，然后设计了平台的体系结 构、基本功能模型以及基本功能模块，对各功能模块的作用进行了具体分析并给 出了设计平台的运行流程。 根据企业的需求，设计平台采用参数化建模方式建立驾驶室悬置系统仿真模 型。为此，论文分别从参数化设计原理和设计方法以及a d a m s 参数化设计方法 入手对设计平台的参数化建模进行了具体研究并对建模所需参数进行了筛选，提 出了参数选取的基本要求，从平台应用层面上将建模参数分为物理层参数和应用 层参数两类，并对应用层参数进行了细分。 随后，论文对设计平台的具体实现进行了研究，设计了平台的菜单、对话框 以及功能模块，并部分给出了一些功能的实现代码。最后，利用所开发的设计平 台对某典型商用车驾驶室悬置系统进行了设计。反复试算表明，设计平台运行稳 定，结果符合要求，为企业提供了一个有效的设计工具。 本文的研究不仅为商用车驾驶室悬置系统的设计提供了先进的工具，解决了 企业的迫切需求，同时对基于c a d c a e 软件平台的二次开发研究提供了一种可 行的思路，可以作为同类问题研究的良好借鉴。 关键词：驾驶室悬置软件工程二次开发a d a m s a b s t r a c t t 蛐sp a p e rr e g a r d sa c t u a ld e m a n do fe n t e r p r i s ea st h es t a r t i n gp o i n ta n dr e g a r d s p l a t f o r i l lf o rc a b i n ss u s p e n s i o nd e s i g no fc o m m e r c i a lv e h i c l ea st h er e s e a r c ho b j e c t ， c a r r i e so nr e s e a r c ht ot h ew h o l ed e v e l o p ep r o c e s s e s t h ed e v e l o p m e n to f t h ep l a t f o r m h a sn o to n l yo f f e r e dt h ea d v a n c e dd e s i g nt o o lf o re n t e r p r i s eb u ta l s oi m p r o v e dt h e d e s i g ne f f i c i e n c yf o rc a b i n ss u s p e n s i o n f i r s t l y , t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fu t i l i z i n gt h ec o m m o n s o f t w a r es y s t e mt oc a l l yo ns p e c i a l p u r p o s es o f t w a r ed e v e l o p m e n tb o t hi nd o m e s t i c a n da b r o a d c a r r i e so nr e s e a r c ht ot h ed e v e l o p m e n tb a s e do ns o f t w a r es e c o n d a r y d e v e l o p m e n to fc a d c a e c o m b i n e st h ep r o j e c tr c q u i r e m e n t s r e g a r d ss o f t w a r e d e v e l o p m e n ta sb u s ，a n a l y s i sa 1 1 - r o u n dd e m a n d sf o rd e s i g n i n gp l a t f o r m 。a n dc o n f w r n s d e s i g nd e m a n d ，f u n c t i o nd e m a n d , t h e o r yd e m a n da n do t h e rd e m a n do ft h ep l a t f o r m c l e a r l y d e s i g n sd a t a f l o w so fp l a t f o i t l li nf u n c t i o nl e v e la n dc a r r i e so nd e t a i l e d r e s e a r c ht ot h ed a t ai nt h eo p e r a t i o nc o u r s eo f t h ep l a t f o r i na tt h es a n l et i m e s u b s e q u e n t l y , t h ep a p e rc a r r i e so nd e t a i l e dr e s e a r c ht ot h eo v e r a l ld e s i g np r o c e s s i np r o c e s s ，c o n f i r m st h ed e v e l o p m e n tw a yo ft h ep l a t f o r ma n ds u p p o r ts o f t w a r e s y s t e ma tf a s t ，a n dt h e n , d e s i g n ss y s t e ma r c h i t e c t u r e ，b a s i cf o u n c t i o nm o d e la n db a s i c f u n c t i o nm o d u l e so ft h ep l a t f o r ma n dm a k e sac o n c r e t ea n a l y s i st ot h ef u n c t i o n m o d u l e ，p r o v i d e st h eo p e r a t i o np r o c e d u r eo f p l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fe n t e r p r i s e ，d e s i g n i n gp l a t f o r ma d o p t st h ep a r a m e t e r m o d e l i n gm e t h o dt os e tu ps i m u l a t i o nm o d e lo fc a b i n ss u s p e n s i o n f o rt h i sr e a s o n ， t h ep a p e rc a r r i e so nc o n c r e t er e s e a r c ha n dp a r a m e t e rs e l e c to fd e s i g n i n gp l a t f o r m f r o mp a r a m e t e rd e s i g nt h e o r y , p a r a m e t e rd e s i g nm e t h o da n da d a m sp a r a m e t e r d e s i g nm e t h o ds e p a r a t e l y , b a s i cd e m a n do fp a r a m e t e rc h o o s i n gi sg i v e di nt h i sp a p e r t h e nw h o l ep a r a m e t e r sa r ed i v i d e di n t ot w ot y p e ，p h y s i c sp a r a m e t e r sa n da p p l i c a t i o n p a r a m e t e r s ，a n da p p l i c a t i o np a r a m e t e r sa r es u b d i v i d e d a f t e r w a r d s ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e sh o wt od e s i g nt h ep l a t f o r mc o n c r e t l y , d e s i g n s t h em e n u ，d i a l o ga n df u n c t i o nm o d u l e s ，a n dp r o v i d e st h er e a l i z a t i o nc o d e so fs o m e f u n c t i o n s f i n a l l y , u t i l i z e st h ed e s i g np l a t f o r mt od e s i g nat y p i c a lc a b i n ss u s p e n s i o n o fc o m m e r c i a lv e h i c l e a f t e rs e v e r a l e x p e r i m e n t s ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e p l a t f o r mr u n ss t e a d i l y , t h er e s u l tf u l f i l l sr e q u i r e m e n t s t h ep l a t f o r mo f f e r sa ne f f e c t i v e d e s i g nt o o lf o re n t e r p r i s e t h er e s e a r c ho f t h i sp a p e rh a sn o tm e r e l yo f f e r e df i l la d v a n c e dt o o lf o re n t e r p r i s e s o l v e dt h ep r o b l e mo fe n t e r p r i s e ，a tt h es a m et i m e ，i tp r o v i d e dak i n do ff e a s i b l e t h i n k i n gt ot h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tr e s e a r c h e sb a s e do nc a d c a es o f t w a r e i ti s ag o o dr e f e r e n c et h a tc a nb es t u d i e da st h es i m i l a rp r o b l e m k e y w o r d ：c a b i ns u s p e n s i o n ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ， a d a m s 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得武汉理工大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 蕉垒 日期 研究生签名： 丝兰 日期 关于论文使用授权的说明 扫口6 犯7 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用复印、缩印或其他复制手段保存论文。 躲血一师啦 武汉理t 大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和研究目的及意义 1 1 1 研究背景 国内某大型汽车企业生产的某款商用车，在对其进行平顺性测试中发现，车 辆行驶过程中振动较大，且出现过“掉档5 现象，驾驶员明显感觉不适，车辆平顺 性很差，严重影响到企业和相关零部件配套企业的生产和销售。在原始设计和改 进设计过程中，企业深感设计能力不强、设计水平较低、设计效率不高，缺乏先 进高效的设计工具，以现有传统的设计方法和手段难以满足企业现实的设计需要 和企业的长远发展要求。因此，企业立项委托武汉理工大学开发商用车驾驶室悬 置系统设计平台。本文的研究内容即为该项目的主要研究内容之一。 1 1 2 研究目的和意义 本文的研究目的是根据项目委托企业的实际需求及我国目前驾驶室悬置系 统的设计现状，结合软件工程理论及现代设计方法和设计分析工具，研究开发商 用车驾驶室悬置系统设计平台，以解决企业的现实问题，满足长远发展需要，为 行业发展提供良好借鉴。 设计平台的开发，可提高企业驾驶室悬置系统的设计能力、设计水平及设计 效率，提供先进的设计工具，为减少企业研究费用的投入，优化产品设计，降低 产品成本，具有重要的现实意义。平台投入使用后，企业可以设计出更好的产品， 因此具有长远的经济效益。同时也可为同行业提供有效借鉴，为行业发展提供良 好的参考价值。另外，以主流c a x 软件为依托，充分利用现有软件的可扩展功 能，采用二次开发方法，在通用平台的基础上开发专用系统对于提高企业的创新 能力以及产品的研发水平具有积极作用，对于提高我国汽车c a d c a e 软件二次 开发的研究水平、推广二次开发软件的应用范围以及应用深度，具有良好的社会 效益。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 随着汽车工业的不断发展，汽车已经逐步走入人们的生活，人们对于汽车的 要求也已经不再局限于车辆的外观以及安全上，对于车辆的舒适性也给予了越来 武汉理t 大学硕士学位论文 越多的重视，车辆平顺性的好坏对于汽车的舒适性有着重要影响。在传统的设计 中，商用车驾驶室与车架直接相连，车辆在行驶时所受到的路面冲击将直接传递 到驾驶室上，因而驾驶室平顺性较差。为了改善驾驶室平顺性，国外从2 0 世纪 3 0 年代起就开始对相关方面问题进行研究，最早的设计主要是基于经验设计。 随着人们对汽车平顺性要求的不断提高，部分商用车使用橡胶垫作为驾驶室和车 架的连接件，这种方式起到了一定的隔振效果，但隔振方式已不能满足现有的需 要，于是设计人员采用驾驶室悬置隔振系统来提高车辆的平顺性。随着研究水平 的不断深入，更先进的分析方法以及理论也应用于车辆振动的研究中来，针对复 杂机构运动仿真的软件也应运而生，包括动力学分析软件( 如a d a m s ，d a d s ) ， 数学仿真软件( 如m a t l a b ) 等在内的一系列软件对于车辆平顺性的研究以及驾 驶室悬置分析都起到了辅助作用【1 l 。这些软件的应用使得研究方法较过去有了一 定的发展，对于汽车平顺性的研究效率较过去有了很大提高。但由于这些软件大 多为通用软件，不是针对具体的产品而开发的，因此软件的通用性强，但专业针 对性差，如果直接应用于具体产品设计不仅设计效率低，使用复杂且无法满足各 种各样具体产品的设计需求。为此国内外也纷纷以通用c a d ，c a e 软件作为平台 研制符合一定标准、适合企业实际应用的用户化、专业化、集成化软件。 比较知名的c a d ，c a e 软件主要包括a u t o c a d 、p r o ，e 、u g 、c a t i a 、 a n s y s 、a d a m s 等等，这些软件大都提供开放的软件接口供用户进行二次开 发，以适应设计以及分析过程中的各种个性化需求。如三维软件p r o ，e 就为用户 提供了专用的二次开发接口p r o t o o l k i t ，方便用户利用其作为平台定制专用模 块。c a t i a 也提供了专用的c a a 软件包供开发人员进行专用软件开发。a d a m s 提供c 语言以及a d a m s 命令语苦两种开发方式供用户进行个性化定制，u g s 公司不仅为其产品u n i g r a p h i c s 软件提供了o p e n ，a p i 、0 p e ng r i p 等二次开发 工具同时也针对专业应用领域开发了多种模块，包括齿轮模块、模具制造模块、 管路设计模块等【z 】。这些辅助软件以及部分模块的开发提高了原有软件的附加 值，同时也为用户提供了功能强大的工具，使某些专业问题的研究更加容易。 对于以通用软件为平台进行二次开发的研究，国外的一些企业以及机构开展 的较早，所开发的c a d i c a e 软件也比较多。最早采用a u t o c a d 作为平台开发 专用零件标准库可以看作是二次开发专用软件及模块的一个缩影嘲，在此基础之 上，美国i n t e r g r a p h 公司开发的基于a u t o c a d 的p d s 三维工厂设计软件，德 鹏科技的a u t o p l a n t 软件，基于m a t l a b 丌发的用于研究电动汽车的a d v i s e r 软件以及利用法国达索i b m 的三维设计软件c a t i a 开发的整车设计系统以及飞 机零部件设计系统等都是利用通用c a d c a e 软件丌发专用系统的成功例子。这 些软件都专注于特定领域的设计过程，较传统的纯交互式设计而言，这类软件都 对原有的通用平台进行了二次开发，功能强大且实用，因而有效的缩短了设计周 武汉理工大学硕士学位论文 期，提升了设计质量。 1 2 2 国内研究概况 国内对于驾驶室平顺性的研究也在逐步深入。为了改善驾驶室平顺性，一些 企业开始采用驾驶室悬置隔振系统，即利用弹簧阻尼元件构成悬置系统将驾驶室 与车架相连。国内的北汽福田欧曼、东风集团商用车部、一汽集团商用车部、东 风日产柴油重卡、陕汽德龙f 2 0 0 0 等为代表的国产商用车已经全部采用了驾驶 室悬置隔振方式来提高车辆的平顺性【4 】。 在对驾驶室平顺性的研究中发现，商用车中包括车辆结构参数、悬置隔振系 统性能参数、主悬架性能参数等，这些参数选取的合适与否对于驾驶室的平顺性 都有一定影响，因此如何对影响驾驶室平顺性的关键参数进行较好的选择与匹配 是改善驾驶室平顺性的重要途径 5 】。 以往对驾驶室平顺性的研究往往是先设计和试制出样车，对样车进行试验以 及评价驾驶室平顺性，找出其中所存在的问题然后对样车进行改进，然后再试制， 再试验，直至满意为止网。目前我国大多数汽车企业对于驾驶室平顺性的分析也 主要采用这种方式，少量的计算分析也仅采用传统的方法，因而导致驾驶室悬置 研究的效率不高、技术水平低下、精度差、研究时间长，同时反复的样车试制也 造成了大量的人力、物力、财力浪费，而且对于不同结构的车辆，由于结构参数 各异，使得分析周期长、效率低、适应性差，继而直接影响了驾驶室的平顺性同 时也影响到企业的产品开发能力、研发能力以及创新性，对于后续研究也会造成 很大的影响。因而国内部分企业急需研究开发驾驶室悬置系统设计平台，以提高 设计能力。 随着我国商用车设计水平的不断提高，虚拟仿真技术越来越多的应用到车辆 设计过程中，对于车辆的设计模式也从原有的设计一样车试制一试验分析一再设 计的模式转变为设计一仿真一样车试制，逐步采用虚拟技术对新产品进行仿真， 预测驾驶室平顺性状况【4 l 。采用这种技术对影响商用车驾驶室平顺性的参数进行 优化和匹配可以有效的改善商用车的平顺性，且这种方法较传统的样车试制方式 而言，不仅缩短的设计周期，降低了设计成本，而且可以较方便的对现有汽车产 品进行平顺性分析，提出改进方案，较传统的分析方式有了很大提高。 伴随着新技术不断的引入，新的问题也随之出现。对于虚拟仿真这种分析方 式，研究过程中发现，利用仿真技术对车辆进行分析及预测虽然对改善车辆的平 顺性起到了较好的辅助作用，但由于车型种类以及车型样式的繁多，对于不同车 型以及整车参数各异的车辆，建立虚拟样机模型过程复杂、建模效率低、建模周 期长且建模过程中可能由于疏忽以及失误，导致模型有问题以及模型失效，无法 进行后续设计。此外，对于较为复杂的车辆模型，参数修改以及模型的修改过程 武汉理工大学硕士学位论文 也很繁琐。以上这些因素对于利用虚拟仿真技术进行驾驶室平顺性研究有一定的 制约，如何利用先进的分析工具来提高企业设计分析能力也成为加强企业市场竞 争力的重要因素。 国内各大专院校以及研究机构在以c a d c a e 软件作为平台开发专用软件 系统以及车辆振动分析的研究方面也做了许多工作。目前这方面的软件主要有北 京中科辅龙计算机公司的p d s o f t 、湖南长沙优易的a u t o p d 、基于k b e 的交叉 臂式车门玻璃升降器模块n 基于知识的航空管件设计系统等嘲。这些软件都是 较为成功的例子，都是利用现有的c a d 或软件平台开发出适用于特定行业或特 定对象的软件，具有较强的针对性，所开发的软件也使得用户能更好的利用软件 本身强大的功能对特定问题进行研究与分析。 此外对于二次开发这方面的研究早在1 9 9 4 年，清华大学的王建民和孙家广 【9 】研究了c a d 系统二次开发语言的设计及实现，为进一步在c a d 平台上开发子 系统提供了依据。山东工学院的赵炳彦和王玉林【10 j 结合车身造型的需要，对 a p p l i c o mc a d ，c a m 系统的曲线、曲面造型功能进行二次开发，用f o r t r a n 语言编写了曲线、曲面的光顺功能，并开发了用f o r t r a n 语言调用系统绘图 功能的子程序。同年，任柏林1 1 1 】介绍了a u t o c a d 系统在汽车行业实际应用中作 二次开发所涉及的规范，开发的重点、难点及实现方法。为将二次开发技术建立 的专用系统引入汽车行业提供了参考。 吉林工业大学1 9 9 5 年对a u t o c a d 软件进行了二次开发，开发出汽车变速 箱c a d 系统，1 9 9 7 年吉林工业大学又通过对a u t o c a dr 1 2 的二次开发对汽车 座椅进行了参数化设计，实现了汽车座椅的理论计算和设计制图1 1 “。 1 9 9 8 年，杨琳【1 3 】详细介绍了如何在a u t o c a d 上设计对话框以及a u t o c a d s q l 数据库操作及接口技术以及图形交换，对a u t o c a d 二次开发的相关技术进 行了介绍。同年，华中理工大学开发了基于凯图软件的通用机械零件c a d 系统 ”，该系统在华中理工大学二维绘图软件凯图( c a d t o o i ) 的基础上，研究开发 了通用机械零件设计系统c m d s ( c o m m o nm e c h a n i c a lc o m p o n e n td e s i g n s y s t e m ) ，该系统的特点是基于国内c a d 软件上的二次开发，拥有完全自主版 权，价格合理，针对性强，符合工程师的设计习惯。1 9 9 9 年，中南工学院机械 系实现了齿轮参数化c a d 系统，该系统采用多种计算机语言和f o x b a s e 数据库 管理系统，结合a u t o c a d 内部的接口形式d x f 格式来设计用户界面、完成设 计计算、数据库管理以及绘图接口和数据传递功能，实现了齿轮的参数化计算与 绘图【15 】。随着三维设计的引入，基于三维软件的二次开发也逐步受到重视。 2 0 0 1 年，吴家洲，吴波，杨叔子【16 】使用u g 作为c a d 系统平台研究了针 对u g 软件的二次开发，为在u g 软件上开发基于三维的专用c a d 系统提供了 依据。同年，华中科技大学的张云清，陈立平等人f 1 7 1 利用a d a m s 软件建立了 4 武汉理工大学硕士学位论文 国产轿车的操纵动力学多体仿真模型，详细考虑了前后悬架系统、转向系统以及 轮胎，并结合该车的拓补结构对a d a m s 进行了二次开发，形成了一个自动化建 模、仿真系统。该文对轿车的悬架系统进行了研究并提出利用a d a m s 二次开发 建立自动化系统，对于建立车辆分析系统是一次很好的尝试，但并未对轿车悬架 进行实际平台的开发而且对于商用车驾驶室悬置系统也并未研究。 2 0 0 3 年，武汉理工大学的李响”8 】利用u g 软件作为平台开发了轿车零部件 c a d 系统。系统的开发在一定程度上实现了传统设计手段、经验和技术与先进 c a d 技术的结合，同时在零部件设计流程中初步运用了智能化手段，简化了设 计过程，提高了设计效率。 2 0 0 4 年。王国权，杨文通等人在文献f 19 】中探讨了基于虚拟现实的车辆平 顺性振动仿真原理，同时利用软件编程的方法实现了汽车在虚拟道路上的行驶运 动。实现了车辆平顺性振动运动在计算机屏幕上的虚拟显示，并且以图形图像运 动来直观的表现车辆的平顺性。该文虽利用计算机实现了振动过程，但没有将车 辆的振动系统化，建立通用应用平台。南京理工大学的苏小平在文献【2 0 1 中以依 维柯汽车为研究对象，运用多体系统动力学理论和方法对整车进行了动力学分析 以及悬架优化设计研究，同时为提高汽车悬架系统的设计质量和效率，开发了基 于a d a m s 的优化设计专用软件a d a m s i v e c o 。 从以上综述可以看出，国内目前对于车辆振动有一定的研究，不过这些研究 主要是针对车辆的总体隔振且大多数都是离散的，研究方法还不够完善、研究工 具还不够先进、研究水平还有待深入，如果长期采用传统的研究方法进行研究费 时费力。此外，基于c a x 应用平台二次开发的研究也主要集中在c a d 软件之 上且多为以零部件设计为基础的研究，对于以整车为主的研究还进行的较少，以 c a e 为平台的二次开发也主要是针对悬架优化设计丽开展的，对于驾驶室悬置 系统的开发还未见相关报道。因此，针对商用车悬置系统开发通用平台是具有积 极意义的。 1 3 主要研究内容 本文根据项目合作企业的需要，在分析国内外研究现状的基础之上，紧密结 合软件设计方法和驾驶室悬置设计特点开展具体研究，主要内容包括： ( 1 ) 商用车驾驶室悬置系统设计平台需求分析 需求分析是平台开发的首要任务，其主要目的是深入分析所开发平台的具体 要求，这种要求不仅仅局限于功能上，同时还包括平台的开发方式、理论基础、 平台运行的软硬件环境以及界面等要求。通过对企业需求的详细研究与分析，可 以有效的指导后续开发工作，也可以从宏观上保证所开发平台的质量。 ( 2 ) 驾驶室悬置系统设计平台总体设计 5 武汉理工大学硕士学位论文 在需求分析基础之上对平台开发过程进行更为深入地研究，综合平台开发的 各项因素确定开发方案，并对平台的体系结构、功能模块以及运行流程进行逐一 设计。 ( 3 ) 相关参数分析和基于整车的驾驶室悬置系统参数化建模研究 商用车品种多，同一车型又有许多结构形式，如果采用交互式方式建立仿真 模型，不仅难以满足企业设计需要，而且不便于进行试验设计和优化设计，因此 必须采用参数化建模方式建立商用车仿真模型。 ( 4 ) 驾驶室悬置系统设计平台的详细设计及编程 平台的具体实现是本文研究的重点，根据需求分析以及总体设计确定的详细 方案，对平台的各个功能模块以及平台界面进行详细设计，并编制计算机程序， 这是保证平台可靠性、稳定性和效率的必备条件。同时还需对局部细节( 例如菜 单风格以及对话框布置方式等) 进行调整，使所设计的平台操作简便、功能实用， 更符合企业的实际需要。 ( 5 ) 对典型商用车驾驶室悬置系统进行设计 为了保证设计平台的可靠性，在平台交付给企业使用之前，必须对平台的各 项功能进行逐步测试，找出其中存在的一些问题并加以改进。最终利用设计平台 对典型商用车驾驶室进行仿真和设计。 6 亟堡里三查堂堡主兰焦笙茎 2 1 引言 第二章设计平台需求分析 根据软件的设计流程可知，首先需要根据用户的实际需求对平台进行需求分 析，了解平台所要实现的核心功能以及其它一些具体要求，为随后平台的总体设 计、具体实现以及平台测试提供指导。本章将根据企业给出的具体要求及目前国 内外研究水平和应用环境，对驾驶室悬置系统设计平台进行详细的需求分析，设 计平台数据流并对数据流进行细化。 2 2 用户需求分析 2 2 1 设计需求 在与企业设计人员反复沟通的基础之上，了解到所开发的设计平台主要针 对具有全浮式驾驶室结构的商用车，因此设计平台必须满足以下基本设计要求： ( 1 ) 以驾驶室座椅处z 方向上加速度均方根值做为平顺性评价指标，确定 驾驶室悬置系统的刚度、阻尼。 驾驶室悬置系统的刚度和阻尼是影响驾驶室平顺性的主要因素之一，在对驾 驶室悬置系统设计时，选择合适的刚度、阻尼值将有效的改善驾驶室的平顺性。 虽然目前国内外对于汽车平顺性的研究多采用综合评价指标，但企业为了提高设 计效率及计算速度，要求采用座椅处z 方向上加速度均方根值作为评价指标。因 此，所开发的设计平台应能够以该指标作为平顺性分析的依据，确定驾驶室悬置 系统刚度和阻尼大小。这是设计平台需要达到的核心要求之一。另外，虽然企业 只是要求设计时以z 方向作为评价指标，但是委托合同中还规定，平台还应能计 算座椅处x 、y 方向上的响应值。 ( 2 ) 确定驾驶室悬置系统刚度、阻尼值与主悬架系统刚度、阻尼值的匹配 关系。 驾驶室悬置系统设计过程中，有时仅仅调整驾驶室悬置系统的刚度和阻尼值 对改善驾驶室平顺性效果往往不大，为了使驾驶室平顺性有明显改善，还需要考 虑驾驶室悬置系统刚度、阻尼值与主悬架刚度、阻尼值的匹配问题。如果两组参 数选择适当将对驾驶室平顺性的改善起到明显效果。因此，设计平台还应能考虑 驾驶室悬置系统刚度、阻尼与主悬架系统刚度、阻尼的匹配关系，应能对这两组 参数进行配置，使驾驶室平顺性有明显改善。 ( 3 ) 考虑悬置系统其它参数对驾驶室平顺性的影响 除了刚度和阻尼等力学参数对驾驶室平顺性有较大影响以外，驾驶室悬置系 7 武汉理 二大学硕士学位论文 统其它参数如弹性元件安装点位置、悬置系统前悬置部分拉杆以及后悬置部分拉 杆的安装位置及长度等对驾驶室平顺性也有一定影响。因此，设计平台不仅要能 考虑刚度和阻尼值的影响，同时也要能考虑悬置系统其它参数对驾驶室平顺性的 影响，必须为这些参数提供数据输入和修改接口，使设计人员可以通过调整弹性 元件安装点位置等一些参数来改善驾驶室平顺性。 ( 4 ) 考虑商用车其它参数对驾驶室平顺性的影响 商用车中其它一些参数，主要包括车辆结构参数( 如总长、前悬、轴距、轮 距等) 、质量参数( 如驾驶室质量、质心位置、转动惯量等) 也会影响驾驶室平 顺性。分析调整汽车的轴距、轮距以及调整汽车总成部件的质量、质心位置或转 动惯量等对驾驶室平顺性造成的影响，也都是企业方设计时需要考虑的。为此， 设计平台还要能对这些影响因素予以考虑，提供这些参数的接口，供设计人员进 行输入及修改。 2 2 _ 2 功能需求 除了核心设计要求以外，企业还对设计平台提出了一些其它的功能要求，主 要包括： ( 1 ) 参数化建模功能 对驾驶室进行平顺性分析时，设计平台首先建立商用车仿真模型。根据设计 需要，设计平台应能考虑驾驶室悬置系统以及商用车其它参数对平顺性产生的影 响。由于建模所需参数很多，如果采用交互式建模方式无法适应设计要求，而且 建模效率低。为了保证设计效率，设计平台必须能对整车参数( 轴距、轮距等) 以及驾驶室各连接点的位置、后悬刚度及阻尼，驾驶室质量、质心位置与转动惯 量等参数进行处理，能建立参数化仿真模型，以适应各种不同车型的需要。 ( 2 ) 模态分析 频率不同的情况下，商用车的振动形态也各异，为了更好的对商用车驾驶室 平顺性进行分析，企业要求设计平台能够进行模态分析，并以动画方式显示模态 分析结果，为驾驶室悬置系统的设计提供参考依据。 ( 3 ) 能在时域范围内进行仿真 企业要求以路面不平度曲线作为输入激励，以商用车座椅处z 轴( 垂直方向 上) 以及绕x 轴、y 轴的角振动的振动均方根值作为评价驾驶室平顺性的基本依 据，在时域范围内对商用车进行仿真，同时要求设计平台能给出时间一位移、时 间一速度、时间一加速度等仿真结果曲线，并通过计算得到相应均方根值。 ( 4 ) 能在频域范围内进行仿真 除了能在时域范围内进行仿真外，企业还要求设计平台具有频域仿真功能。 能以路面功率谱作为输入激励，以座椅处z 方向和三个转动方向上的加速度功率 武汉理工大学硕士学位论文 谱为响应输出，在频域范围内对商用车驾驶室悬置系统进行仿真，并给出对应仿 真结果曲线。 ( 5 ) 能建立典型路面谱数据库，为其它路面谱的输入留有接口 设计平台能够对在不同路面条件下行驶的商用车驾驶室悬置系统进行平顺 性仿真，因此必需建立专用的路面谱库用来存放路面谱数据，同时企业还能对路 面谱库进行管理。 2 ，2 3 理论需求 为了保证设计平台进行驾驶室悬置系统平顺性分析的可靠性，企业根据自身 产品研究开发中积累的经验，要求设计平台采用目前先进的以及合适的理论作为 驾驶室悬置系统平顺性分析的理论基础，主要包括： ( 1 ) 采用随机振动理论为振动分析理论基础 商用车在行驶过程中，路面对车辆的冲击属于典型的随机过程，具有不确定 性，采用随机振动理论对驾驶室悬置系统平顺性进行分析符合实际情况，分析结 果可靠，是目前车辆平顺性分析中非常成熟的理论和方法。 ( 2 ) 采用多刚体系统动力学理论进行系统分析 暂不考虑大型构件的弹性影响，对于提高平台的设计速度、计算效率有重要 影响，这也是i t 前企业比较关注的要点之一。企业要求对驾驶室悬置系统以及主 悬架系统的整车振动分析中，目前暂不考虑车架、车桥、驾驶室等主要部件的弹 性对平顺性的影响，因而需要采用多刚体动力学理论进行研究。对商用车进行合 理简化，研究车辆各部件之间的动力学特性，准确反映车辆的振动情况。目前所 开发的平台主要是面向设计的，因此设计速度和计算效率显得非常重要。当然， 如果平台是面向分析的，考虑大型构件的弹性影响也是合理的。 2 2 4 其它需求 设计平台除了要满足企业的设计需求以及功能需求以外，其它一些需求，如 设计平台运行的硬件平台、设计平台的执行效率、人机交互性等，也是开发过程 中应当予以考虑的。企业方对于设计平台其它的一些需求也给出了具体描述： ( 1 ) 设计平台硬件环境的要求 由于目前企业进行商用车设计时所使用的微机系统多为基于w i n d o w s 操作 系统的p c 机。因此，设计平台必须能够正常运行在企业3 2 位微机上，且开发 的设计平台目前为单机版，不得与外界留有通信接口，避免设计数据外泄。 ( 2 ) 满足至少4 种车型的结构要求 设计平台应尽可能支持多种驾驶室悬置结构或具有同一悬置结构的不同车 型的设计，加强设计功能的同时降低企业进行再次开发的投入。目前至少应满足 9 武汉理工大学硕士学位论文 4 种车型的要求，对于今后其它车型的设计，平台应具有可扩充性。 ( 3 ) 先进性要求 设计平台目前要具有良好的先进性，且在一定时期内仍能保持一定的先进程 度，以便企业日后进行应用推广。 ( 4 ) 开发方式及支撑软件要求 设计平台的开发应以通用软件为支撑软件，采用二次开发方式进行。平台的 开发不能破坏原有支撑软件，不能对原有支撑软件的功能、可操作性和使用环境 有不良影响。选择的支撑软件必须以多剐体动力学理论和随机振动为理论基础的 仿真软件，且软件功能强大、分析可靠、操作简便、运行效率高、具有二次开发 接口并在汽车行业具有较高知名度咀及占有较大的市场份额。 ( 5 ) 平台使用要求 为了保证设计人员提高设计平台的使用效率，设计平台应界面友好实用、人 机交互过程方便，便于学习和使用，具有一定容错性和可扩充性。 2 3 驾驶室悬置结构及设计过程研究 2 3 1 驾驶室悬置结构及分类 在整车设计中，驾驶室悬置系统设计是整车设计的重要组成部分。目前， 国内不少企业将驾驶室悬置隔振技术引入到商用车设计中来提高驾驶室平顺性。 所谓驾驶室悬置是指利用弹簧阻尼元件构成悬置系统，将驾驶室悬置在车架上。 目前驾驶室悬置系统按结构形式分主要包括全浮式驾驶室以及半浮式驾驶室两 种1 2 。 全浮式驾驶室即驾驶室由前后左右四组弹性元件构成悬置系统将驾驶室悬 置于车架之上。全浮式驾驶室悬置系统由前、后两组悬置系统组成，前悬置结构 包括螺旋弹簧、简式减振器、横向稳定杆、拉杆等，后悬置结构包括横梁、螺旋 弹簧以及拉杆等。图2 1 及图2 2 分别给出了全浮式驾驶室前后悬置结构。 图2 1 驾驶室前悬置结构图图2 2 驾驶室后悬置结构图 1 一螺旋弹簧2 - 横向稳定杆3 一简式减振器4 一拉杆1 一螺旋弹簧2 一拉杆3 一横粱支架4 一筒式减振器 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 半浮式驾驶室相对于全浮式驾驶室而言，其驾驶室前部两个支承点采用铰接 方式与车架相连，后悬置结构也采用弹簧和阻尼元件构成后悬置连接到车架上。 除了按结构形式区分驾驶室悬置系统外，还可以根据悬置结构所采用的弹性 元件来分，主要包括：螺旋弹簧驾驶室悬置、钢板弹簧驾驶室悬置嗍、空气弹簧 驾驶室悬置等。 2 3 2 驾驶室设计过程分析 虽然程序的设计过程不是当前企业驾 驶室悬置系统设计过程的直接复制，但对 于现有设计过程进行分析，对平台的流程 设计、功能模块设计等具有十分重要的作 用。 委托企业i + 1 前对商用车驾驶室的设计 是经过反复设计、测试以及分析后完成的。 为了使所开发的驾驶室悬置系统设计平台 能够符合设计人员的实际需要，需对驾驶 室悬置系统设计过程详细分析，确定现有 企业驾驶室设计流程及相关步骤，研究设 计数据在驾驶室设计中的传递过程，为随 后平台数据流的设计提供重要的参考依 据。根据开发人员与驾驶室设计人员的逐 步交流，得出如图2 3 所示的驾驶室设 计过程。 驾驶室悬置系统设计过程涉及到两个 部门的协作。设计开始阶段，首先由底盘 设计部门( 图2 3 中所示) 确定整车 主悬架力学参数并将数据递交给驾驶室设 计部门，驾驶室设计部门( 图2 3 中所 示) 根据所确定的主悬架参数在考虑驾驶 室平顺性的基础之上确定驾驶室悬置系统 的设计参数。随后对其进行常规分析( 如 强度计算、干涉检查等) ，然后根据设计结 果生产出样车并进行平顺性测试。如果测 试结果符合原始设计要求，设计过程即告 结束，如果对结果不满意，驾驶室设计部 l 开始 j i ll 确定主悬蓦力学参数i i确定悬置系统 i设计参数 常规分析 上 l 调 整 平顺性测试粪 i蠡 7 耍 一 竺兰兰：多 是 否 i l 调整主悬架力学参数i i 平顺性测试 i 酉 i 是 l 结束 l 图2 3 驾驶室悬置系统设计流程 1 一底盘设计音l f 门2 一驾驶室设计部门 武汉理工大学硕士学位论文 门将根据需要反复调整驾驶室悬置系统设计参数并进行平顺性测试。如果多次调 整参数后仍无法满足预定的设计要求则交由底盘设计部门对主悬架参数进行调 整，直到主悬架参数与悬置系统参数达到最佳匹配值为止，驾驶室悬置系统设计 即告结束。 2 4 平顺性分析理论基础 2 4 1 随机振动分析 | i i 面的理论需求中，企业明确要求采用随机振动理论为基础进行平顺性分 析，这也是目前常采用的平顺性分析方法。商用车在行驶过程中所受到的振动是 典型的随机振动，为了研究商用车驾驶室平顺性以及保证平台设计的可靠性，有 必要利用随机振动理论从理论上对驾驶室平顺性进行分析。 汽车在行驶时，各车轮同时受到路面的激励，即有多个输入，而驾驶室座椅 处加速度响应可以看成是多个输出，因而对于汽车平顺性的分析为随机激励下的 多输入多输出问题。 考虑如图2 4 所示的单输入单输出的线性系统。图中x 代表平稳随机过 程工( r ) 的一个样本函数，y ( f ) 为另一个平稳随机过程】，( f ) 的样本函数， ( f ) 为脉 冲响应函数，日( 国1 为频率响应函数。 x ( o系统y o ) 输入 h ( a j ) 或 ( f ) 输出 图2 - 4 单输入与单输出的线性系统 系统的频率响应函数可表示为： 日细) = ( 口弦一”d o ( 2 1 ) 设输入的自相关函数为如( f ) ，则输入和输出的自谱密度函数表示为： 输入： 输出： 扣) = r ，( 4 ) e - j 时a 4 s r ( ) = ih ( f _ d ) 1 2s 。( 出) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 明确的指出了系统输入、输出与系统动态特性三者之间的关系。 如果己知系统频率响应函数 日( 功j 和输入的自谱密度& ( 功，则根据( 2 3 ) 式可以得到输出的自谱密度墨( 缈) 。 对于多输入多输出系统，上述基本关系不变，但公式均为矩阵表达形式， 限于篇幅具体公式不再逐一列出。 武汉理工大学硕士学位论文 根据上述关系和企业具体设计要求可知，设计平台的基本输入量为路面位 移功率谱密度函数，输出为座椅处各方向加速度功率谱密度函数，系统特征用 频率响应函数描述。当然，为了分析和使用方便，设计平台也可以采用其它量 作为输入输出基本量或用传递函数来描述系统动态特性。 2 4 2 多刚体系统动力学基础 根据企业需求，整个系统的建模是以多刚体系统动力学理论为基础的，因此 对它的基本原理和基本公式进行了解，对于模型参数的选