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重型商用车行驶甲顺性分析与优化 摘要 本文以某重型商用车为研究对象，利用多体动力学理论，通过参数反求技术 建立正确的模型，对整车进行动力学仿真，研究悬架系统匹配对整车行驶平顺性 的影响，并通过对悬架系统进行优化匹配改善平顺性。 本文对路面模型进行了研究，分析了频域路面模型的不足，确定了采用谐波 叠加原理模拟路面时域模型，针对平稳随机路面进行研究，用不同形式的三角级 数进行模拟，以离散谱逼近目标随机路面模型。根据b 级标准路面谱，模拟再现 了路面的功率谱密度，验证了模拟路面与标准路面基本吻合。参考国标g b 7 0 3 1 8 6 车辆振动输入一一路面平度表示方法，采用m a t l a b 程序编写路面程序，建 立了标准b 级随机路面，并进行了验证。参照国内外平顺性评价方法，以驾驶员 座椅处横向、纵向、垂向三个方向的总加权加速度均方根值对车辆进行平顺性评 价。 对比目前常用的钢板弹簧建模方法的优缺点，本文提出了一种将遗传算法应 用于钢板弹簧动力学参数反求的建模方法。该方法采用离散梁原理创建钢板弹簧， 采用少片钢板弹簧模拟多片钢板弹簧，采用遗传算法对离散梁的参数进行反求。 该方法建模简单，模型自由度小，通过离散梁的参数的变化可有效改变钢板弹簧 刚度，建立模型的精度也达到较高水平。此方法应用于文中车型的悬架钢板弹簧 的建模，并取得了较好的效果。 利用a d a m s 软件，从前后悬架、转向、驾驶室悬置、车身车架、轮胎等几 个方面进行了分析研究，确定了各子系统的型式及其参数。在a d a m s 软件中建 立了某重型商用车模型相互关系，建立了整车的动力学模型，并对模型进行了验 证。 对该重型商用车进行了随机输入行驶和脉冲输入行驶平顺性仿真，分析了不 同车速、不同路面对平顺性的影响，讨论了汽车主要参数对车辆平顺性的影响。 最后以悬架的刚度阻尼为设计变量，座椅处的总加权加速度均方根值为目标函数， 运用遗传算法进行了平顺性优化设计。结果显示优化后座椅处的总加权加速度均 方根值明显降低，汽车的平顺性有了明显的改善。 整个研究过程以虚拟样机技术为核心，进行了在计算机上对整车的行驶平顺 性能的仿真研究。该研究对在车辆开发设计过程中提高其行驶平顺性能、降低开 发和制造成本及缩短产品的开发周期有着一定的现实意义。 关键词：行驶平顺性；重型商用车；多体动力学；优化；钢板弹簧 硕- 二学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，h e a v yc o m m e r c i a lv e h i c l e sa r es e l e c t e da st h er e s e a r c ho b j e c t t h ed y n a m i c ss i m u l a t i o nm o d e lo ft h ew h o l ev e h i c l ei sc o n s t r u c t e db a s e do n m u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c st h e o r i e sa n di n v e r s et e c h n i q u e s v e h i c l er i d ec o m f o r t p e r f o r m a n c e sa r es t u d i e db ya n a l y z i n gt h i sm o d e l t h ei n f l u e n c e so fs u s p e n s i o n s y s t e mo nt h ev e h i c l er i d ec o m f o r tp e r f o r m a n c e sa r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h e n ，t h e p e r f o r m a n c e sa r ei m p r o v e db yo p t i m i z i n gt h es u s p e n s i o ns y s t e m as t a n d a r dr o a dm o d e li ss t u d i e da n ds o m ed i s a d v a n t a g e so ff r e q u e n c yd o m a i n r o a dm o d e la r ed i s c u s s e d i no r d e rt oa v o i dt h e s ed i s a d v a n t a g e s ，at i m ed o m a i n b - l e v e lr a n d o mr o a dm o d e li sc r e a t e db yt h eh a r m o n i c ss u p e r p o s i t i o nt h e o r ya n dt h e m o d e li sv a l i d a t e da c c o r d i n gt ot h en a t i o n a lc r i t e r i o no fv e h i c l ev i b r a t i o n - d e s c r i b i n g m e t h o df o rr o a ds u r f a c ei r r e g u l a r i t y t h er o o tm e a ns q u a r eo fp o w e rs p e c t r a ld e n s i t y o fx - a x i s ，y - a x i sa n dz - a x i sa c c e l e r a t i o na tt h ed r i v e r ss e a ti ss e l e c t e dt oa c c e s st h e v e h i c l er i d ep e r f o r m a n c e s t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e san e wm e t h o dt ob u i l dt h el e a fs p r i n gm o d e lc o m b i n i n g g e n e t i ca l g o r i t h ma n di n v e r s et e c h n i q u e s l e a fs p r i n gi sb u i l tb a s e do nt h ed i s c r e t e b e a mt h e o r y c o n s e q u e n t l y , m u l t i l e a fs p r i n gm o d e lc a nb em o d e l e db yl i t t l ep i e c e l e a fs p r i n gm o d e la n dt h es t i f f n e s so ft h el e a fs p r i n gc a nb ec o n t r o l l e db yt h ed i s c r e t e b e a mp a r a m e t e r s g e n e t i ca l g o r i t h mi se m p l o y e da sa ni n v e r s eo p e r a t o rt od e t e r m i n e t h ep a r a m e t e r so ft h ed i s c r e t eb e a m s t h i sm e t h o dh a st h r e ea d v a n t a g e s f i r s t ，i t s i m p l i f i e st h ep r o c e s so fc r e a t i n gt h el e a fm o d e l s e c o n d ，i td e c r e a s e st h ed e g r e e so f f r e e d o mo ft h em o d e l t h el a s tb u tn o tl e a s t ，t h eh i g ha c c u r a c yo ft h em o d e lc a nb e m a i n t a i n e d s o m ea s p e c t so ft h ew h o l ev e h i c l es u c ha sf rs u s p e n s i o ns y s t e m ，s t e e r i n gs y s t e m ， t h ec a bs u s p e n s i o ns y s t e m ，t i r e ，f r a m ea n db o d y , e t c a r ea n a l y z e dt h r o u g hs o f t w a r e a d a m s t h es t r u c t u r a lf o r mo ft h es u b s y s t e m sa n di t sp a r a m e t e r sa r ec o n f i r m e d t h e r e l a t i o n s h i p so ft h o s ep a r t sa r ed e f i n e d b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，ad y n a m i c m o d e lo ft h ew h o l ev e h i c l ei se s t a b l i s h e da n dv a l i d a t e d t h es i m u l a t i o n so ft h ew h o l ev e h i c l em o d e lu n d e rr a n d o mi n p u tr u n n i n gt e s ta n d p u l s ei n p u tr u n n i n gt e s ta r ee x e c u t e d t h ee f f e c to fd i f f e r e n ts p e e d s ，d i f f e r e n tr o a d s a n dt h em a i nv e h i c l ep a r a m e t e r si si n v e s t i g a t e d f i n a l l y , i no r d e rt oo p t i m i z et h e v e h i c l er i d ec o m f o r tp e r f o r m a n c e ，t h es t i f f n e s sa n dd a m p e ro ft h es u s p e n s i o ns y s t e m 重型商用车行驶平顺性分析与优化 a n dt h er o o tm e a ns q u a r ev a l u eo fp o w e rs p e c t r a ld e n s i t ya tt h ed r i v e r ss e a ta r e s e l e c t e da st h ed e s i g nv a r i a b l e sa n do b j e c t i v e f u n c t i o n ，r e s p e c t i v e l y g e n e t i c a l g o r i t h mi se m p l o y e dt os o l v et h i so p t i m i z a t i o np r o b l e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e v i b r a t i o nr e s p o n s e so ft h em o d e la f t e ro p t i m i z a t i o na r el o w e rt h a nt h o s eb e f o r e o p t i m i z a t i o n t h ev e h i c l er i d ec o m f o r tp e r f o r m a n c ei si m p r o v e do b v i o u s l y t h er e s e a r c hc o n c e n t r a t e so nt h e e x p l o r a t i o n a n da p p l i c a t i o no fv i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y t h ed e s i g n sf o rv e h i c l er i d ec o m f o r tp e r f o r m a n c ec a nb e p r o c e s s e do nc o m p u t e r s i tm a k e sap r a c t i c a ls e n s ef o rs a v i n gt h em a n u f a c t u r ea n d t i m ec o s ti nn e wv e h i c l ed e v e l o p m e n t s k e yw o r d s ：r i d ec o m f o r t ；h e a v yc o m m e r c i a lv e h i c l e ；t h e o r yo fm u l t i - b o d y s y s t e md y n a m i c ；o p t i m i z a t i o n ；l e a fs p r i n g 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1l i ll l ：。q 年甲月劢日 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：菊驴谴芝日期：西吩年叩月2 oe t 刷谧轹鼍吣飙川诎胖日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1汽车行驶平顺性研究意义 汽车行驶平顺性是汽车以常用车速行驶时保持乘员舒适度的能力，对于货车 而言还包括货物在运输过程中保持完好无损的性能。随着经济的发展、生活水平 的提高和生活节奏的加快，行驶过程中要保证乘员的舒适，在运输的过程中不能 感到疲劳，工作效率保持在一定的水平，不能影响人的身心健康；在高速的运输 过程中货物要完整无损。汽车的平顺性是现代高速汽车的主要性能之一，是检验 汽车性能的重要指标之一，它的好坏不仅影响着乘员的乘坐舒适性和货物安全可 靠运输，而且也影响着汽车多种使用性能的发挥和行驶系的寿命f l 】。随着高速公 路的不断发展和车速的提高，在高速公路上使用的高运输效率的多轴商用车的需 求量越来越大，汽车平顺性日益显得重要，它是现代高速、高效率汽车的一个主 要性能，也是同类汽车在市场竞争中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：行驶过程中要保证乘员舒适性，到达目的地后要保证乘员能立即以充沛的 精力投入到工作中去。但是，目前调查表明，6 0 以上的人乘车过程中有过难受、 晕车甚至呕吐的经历，到达目的地后也不能立即投入到工作中去。汽车行驶平顺 性的降低不仅使工作效率降低，还严重影响着人的身心健康，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【2 】。 汽车的各种性能是相互影响的，汽车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，强烈振动产生的动载荷会冲击汽车的零部 件，加速零部件的磨损，降低零部件的疲劳寿命。车辆的振动还是车内噪声的主 要来源之一【3 1 ，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 性以及操纵稳定性。振动产生的车辆动荷载通过车轮作用在路面上，使路面易于 产生疲劳损伤和宏观破坏。为了减小汽车的振动，驾驶员必定要减慢车速，使得 运输效率降低。汽车的低速行驶又会导致燃油燃烧不充分，使得燃油经济性变差， 排放也会变坏。如果不放慢车速，汽车的强烈振动不仅降低零件的疲劳寿命，还 会使乘员晕车、呕吐，还会使驾驶员疲惫、精力不集中，容易引起交通事故。因 此，平顺性优劣直接影响到乘员的舒适性，并波及车辆动力性和经济性的发挥， 是车辆在市场竞争中争夺优势的一项重要性能指标【4 】。 随着国民经济连续多年的高速发展，尤其是国家对基础设施建设投入的逐年 加大，使得载货汽车的生产在近年来呈现了爆发式发展。而重型商用车由于具有 重型两用下行驶平顺性分析与优化 运输效率高、运输成本低的特点，逐渐成为公路运输的宠儿。我国的重型商用车 市场从进入新世纪以来，取得了突飞猛进的发展，销售业绩基本上是一路走高， 增长迅速。年均增长幅度高达7 0 左右，2 0 0 8 年的销售量是2 0 0 0 年的销售量的 6 5 7 倍【5 】，重型商用车的生产与开发成为国内载货汽车生产厂家竞争的焦点。重 型商用车的工作条件比较恶劣，行驶的道路标准低、弯道和坡路多，车辆频繁转 向与制动，并长期在满载、振动与冲击载荷下工作，座椅部位的振动水平是一般 客车的9 到1 6 倍，更为严重的是大多数商用车驾驶员在这种环境中一天工作时间 长，这给驾驶员带来较大疲劳和危险。同时，平顺性对车辆油耗和车体损伤也有 重要影响。因此，提高载重车辆的平顺性十分必要。 1 2 汽车行驶平顺性研究的国内外概况 汽车行驶平顺性研究的内容非常广泛，概括的说包括：路面特性的研究、汽 车振动模型的研究、汽车振动响应求解的研究、汽车行驶平顺性评价方法及评价 指标的研究、汽车行驶平顺性的试验研究和影响汽车行驶平顺性的各部件研究等 内容。 从2 0 世纪5 0 年代起国外就开始对车辆的振动和乘坐舒适性进行研究。当时 的研究，一方面从实验的角度研究人体对振动的感受，以解决平顺性评价问题， 并制定出了国际标准i s 0 2 6 31 人体承受全身振动的评价指南。国内在这方面的 研究始于7 0 年代后期，并参照i s 0 2 6 3 1 年制定了g b 4 9 7 0 汽车行驶平顺性随机 输入试验方法标准、g b 5 9 0 2 汽车行驶平顺性脉冲输入试验方法标准、 g b l 2 4 7 7 客车平顺性评价指标及限值标准。另外，还有一些学者提出将模糊 数学、神经网络等理论方法引入平顺性的评价中，从而得到主观评价的定量指标。 然而，这些指标还没有得到一致的公认。另一方面的研究从理论计算的角度开展， 其核心是通过计算车辆振动响应而达到确定悬架、轮胎及座椅的刚度、阻尼参数 的目的，从而解决c a e 中的设计参数选择问题。主要是将随机振动理论应用于车 辆行驶时的振动过程，寻求符合各种车辆振动特性的力学模型，然后，运用牛顿 定律和拉格朗日方程建立微分方程，进行模拟计算，受制于当时的计算能力，一 般都将车辆简化为2 3 个自由度，这样的简化模型仅可作定性分析。 2 0 世纪7 0 年代起，随着计算机技术的快速发展，计算机成为车辆平顺性研究 的有力工具，特别是计算速度的大幅度提高为复杂车辆模型的模拟计算提供了可 能。各国学者开始用更复杂的振动模型来逼近车辆振动系统，对于不同的车辆类 型，则建立不同型式的振动模型来进行模拟。从最初的3 自由度单点激励模型扩 展成5 自由度双轮辙激励模型，接着又扩展成8 1 0 自由度四轮激励的立体模型， 随后又有学者考虑了横向稳定杆的影响，并将乘员简化为3 个自由度模型，有研 究已将车辆看成是1 9 个自由度的振动模型进行模拟。 2 硕 二学位论文 檀润华【1 2 】在研究主动悬架减振器中建立了半车( h a l fq a t e c a rm e d e l ) 五自由 度车辆平顺性模型。即将车辆简化为两个非悬挂质量、一个悬挂质量、乘员通过 座椅再与悬挂车辆连接，考虑了悬挂质量垂直的位移、绕质心的俯仰位移，座椅 的垂直位移。 张庆才等【1 3 】采用多刚体系统建立了汽车7 自由度的振动模型，以各态历经的 路面随机输入谱对车辆的平顺性进行了仿真研究。 徐国宇等【1 4 】基于分析力学的基本原理并结合人体、车辆、路面的实际状况， 从动力学普遍方程推导出了人体一车辆一道路系统1 2 自由度的振动力学模型，以 正弦波、脉冲波信号为激振源，模拟了人体一车辆藕合振动系统的振动过程，指 出人体头部对2 8 h 之内部分的加速度有放大作用。其模型比单质量一阻尼一弹 簧系统的模型进了一步。但该研究未考虑侧向和水平方向的振动的影响。 王连明【l5 】运用模态分析技术建立了1 3 自由度人体一座椅一车辆系统的动力 学模型，利用随机振动理论，给出了振动形态、传递函数、悬架动扰度，车轮动 载荷、座椅加速度等参量的计算方法。该模型可对汽车的行驶平顺性进行预测和 评估。 孙建成【l6 】应用系统动力学和随机振动理论，建立了计及车体弹性和发动机支 承的二维十五自由度的车辆线性振动模型，利用该模型在微机上求出了车辆各部 位的振动特性。据称可以在设计阶段实现对影响平顺性的各参数进行最佳匹配。 另外，一些学者提出车辆系统并非完全是一个线性振动系统，其中还包含了 一些非线性因素，如刚度、阻尼等，应建立考虑车辆系统中非线性因素的非线性 振动模型，由于非线性系统的分析较线性系统复杂得多，这一方面的研究还有待 进一步完善。 2 0 世纪8 0 年代以来随着对基础理论的深入研究，汽车试验及研究工作取得 突飞猛进的发展。 g o b b i 等按照全局近似的方法( g l o b a la p p r o x i m a t i o na p p r o a c h ) r 7 1 ，将物理汽 车模型用另一种纯粹的数字数学模型替代。这个数学模型可以精确地模拟很多行 车条件：直行转弯、单移线、启动、制动、平路面不平路面行驶、干路面湿路面 行驶，允许通过修改底盘参数( 悬架的弹性、动力学、刚度、阻尼、作动器增益、 轮胎压力等) 来实现所期望的车辆动力学性能，从而改善车辆的平顺性和操作稳定 性。 y u a n 等【1 8 】对模拟试验场( v i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ) 的建立和整车的分析模型进 行研究。根据试验场真实道路的路面轮廓，建立了道路的有限元模型，根据车辆 的设计参数建立了车辆的有限元模型，再用适当的计算机程序把他们组合起来， 以完成不同的非线性动力学结构分析。 美国m d i 公司开发的a d a m s 软件可让工程师们在a d a m s 环境下建立部件 3 重型商用车行驶甲顺性分析与优化 的几何模型，由几何模型装配成系统模型的办法建立功能化数字车辆虚拟样机。建 模人员无须花大力气构造复杂的微分方程，加快了建模时间，而且也大大减少了 写方程和写代码过程中可能出现的错误。其振动模块，使车辆的平顺性分析更加 方便快捷。a d a m s 软件因其强大的功能为机械汽车行业的许多用户所使用。 金睿臣【1 9 】用a d a m s 建立了1 1 自由度的汽车非线性振动模型，用伪白噪声 法生成符合实际路面统计特性的伪随机序列模拟路面不平度。对汽车在路面随机 输入下的振动响应作了仿真分析。 合肥工业大学的王其东博士【2 0 1 ，进行了不同形式的动力学方程所描述的多体 系统响应的灵敏度分析，推导了相应的公式建立了汽车主要总成的多体动力学模 型，并整合整车的多体模型，建立了道路输入模型，进行整车的动力学仿真提出 了基于动力学仿真的汽车悬架的思路。 南京理工大学的苏小平博士【2 1 1 ，在整车系统多体动力学模型的基础上，对依 维柯汽车的操纵稳定性、行驶平顺性、紧急制动性能进行了仿真计算并分析与探 讨了对这些性能影响因素的变化规律提出了一种悬架系统特性参数动态优化数学 模型和一套基于仿真的悬架系统优化设计方法。 他们都利用a d a m s 软件对汽车平顺性仿真做了成功的探讨。对于商用车方 面目前国内也进行了大量的研究。 武汉理工大学的于昌明【2 2 】采用d o e 技术和计算机仿真分析相结合的方法， 对商用车驾驶室悬置系统进行了模拟仿真及改进设计，改善了驾驶室悬置隔振系 统的性能。 安徽江淮汽车股份有限公司的居刚，李国振【2 3 】通过对重型牵引车悬架系统的 研究，对车辆的侧倾角刚度在车轮上的分配等进行了分析，为合理的匹配车辆的 主要性能指标提供了依据。 东风柳州汽车有限公司的程道然【2 4 】建立了非线性阻尼数学模型，分析了阻尼 系数对驾驶室振动的影响，通过多次调整和试验，有效的改善了驾驶室的乘坐舒 适性。 东风汽车有限公司的吴怀主，李凌阳【2 5 】建立了全浮式驾驶室重型卡车模型， 进行平顺性试验，证明了驾驶室悬置系统能够有效的改善整车平顺性。 1 3本文主要工作内容 本文所研究课题属于汽车系统动力学领域，来源于工程实际项目，主要应用 多体系统动力学理论和机械系统动力学仿真软件a d a m s ，针对某重型商用车， 建立整车动力学模型并进行平顺性仿真试验，根据整车参数及各部件的布置，对 悬架系统进行匹配。整个研究工作以汽车产品的虚拟设计、虚拟分析为核心，对 减少产品开发过程中物理样机的制造成本和工作量，缩短开发时间具有现实意义。 4 硕士学位论文 本文利用虚拟样机技术，根据实际车辆建立了整车动力学模型，对整车进行 了平顺性仿真，包括随机输入仿真和脉冲输入仿真，然后对仿真结果进行评价与 分析。为改进车辆的平顺性，引入遗传算法对车辆前后悬置进行优化匹配。本文 的主要内容如下： 1 路面模型与评价指标研究。汽车振动的主要激励源来源于路面，路面模型 研究是汽车平顺性研究的关键之一。本文重点研究了汽车的时域路面激励模型。 分析了频域路面模型的不足，确定了采用谐波叠加原理模拟路面时域模型，针对 平稳随机路面进行研究，用不同形式的三角级数进行模拟，以离散谱逼近目标随 机路面模型。根据b 级标准路面谱，模拟再现了路面的功率谱密度，验证了模拟 路面与标准路面基本吻合。参考国标g b 7 0 3 1 8 6 ：车辆振动输入一一路面平度表 示方法，采用m a t l a b 程序编写路面程序，建立了标准b 级随机路面，参考 g b 5 0 9 2 - - 8 6 汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法建立了脉冲输入路面。重点介 绍国际标准i s 0 2 6 3 1 1 ( 1 9 9 7 ) 人体承受全身振动的评价指南及g b t 4 9 7 0 1 9 9 6 o 式中：一参考频率，r o = o 1 m 一； q ( ，z ) 一路面不平度功率谱密度，1 1 1 2 m - 1 ； 7 ( 2 1 。) q ( 刀。) 一路面不平度系数，m 2 m ； w 一频率指数，经验值w = 2 。 荤型商用车行驶甲顺性分析与优化 已知在空间频率玛 疗 n 2 内的路面位移谱密度为q ( ，1 ) ，利用平稳随机过程 的平均功率的频谱展开性质，路面不平度的方差吒2 为 o ：2 = eq ( 帕 ( 2 2 ) 将区间( 一，n 2 ) 划分为n 个小区间，取每个小区间的中心频率n m 甜一，( i - - 1 ，2 ，n ) 处的谱密度值q ( n m d 一，) 代替嘭( 玎) 在整个小区间内的值，则式( 2 2 ) 离散化后近 似为 z q ( 以。) 觚 i f f i l ( 2 3 ) 对应每个小区间，现在要找到具有频率纠( 江l ，2 ，拧) 且其标准差为 q ( n m 埘一，) 正弦波函数，这样的正弦波函数可为 2 q ( 甩。) 觚s i n ( 2 t r n m l d - i x + 幺) ( 2 4 ) 将对应于各个小区间的正弦波函数叠加起来，就得到时域路面随机位移输入 g ( x ) = 2 9 ( 一，) 觚s i n ( 2 n n m 艄x + 幺) ( 2 5 ) i = l 式中：目一 0 ，2 兀】上均匀分布的随机数；广时域路面的x 方向。 自此，通过离散时域路面的x 方向的x 值，就可以得到空间时域下随机路面 z 方向的值。 在g b 7 0 3 1 文件里规定，按功率谱密度把路面分成八个等级并规定每种路面 等级下不平度系数q ( n o ) 的取值范围和几何平均值，如表2 1 所示。 表2 1 路面不平度系数 8 硕士学位论文 根据某一等级路面不平度系数q ( 刀0 ) 的取值，可计算出一定空间频率范围内 的路面不平度功率谱密度q ( n ) 数据曲线，将路面不平度功率谱密度q ( 以) 离散 化，作为已知输入带入式( 2 5 ) ，根据谐波叠加原理，应用m a t l a b 软件编制路 面谱生成程序，可以生成这种等级下的时域路面文件。 根据上面的理论公式，根据国标g b 7 0 3 1 8 6 车辆振动输入一一路面平度表 示方法中规定的b 级路面数据，拟合出b 级随机路面，b 级随机路面的空间谱 如图2 1 所示。 图2 1b 级随机路面的空间谱 把按照谐波叠加法理论拟合出的b 级随机路面的空间谱，再作谱分析拟合出 b 级随机路面的空间频域谱，将此空间频域谱与按国标g b 7 0 3 1 8 6 车辆振动输 入一一路面平度表示方法提供的b 级路面“各倍频中心频率砟( m 1 ) 值和“各 倍频中心频率的位移功率谱密度q ( h a ( 1 0 6m 2 m 。) ”值所做出的标准b 级路面的 功率谱进行对比如图2 2 所示j i 一标准路面的功率谭 i 一制路面的功率谮l i ；”啊 h 叶h 峨曲_ _ 妒睁娥 姊h 睁即酬 图2 2 标准路面与编制路面的功率谱对比图 从图2 2 所示的对比结果可以很明显的看出，拟合路面与标准路面基本吻合。 按照上面“谐波叠加法来构建随机路面不平度的时域模型 理论建立的随机路面 是准确的。 9 重型商用车行驶平顺件分析与优化 在a d a m s 软件中，路面谱以r d f 文件来实现，该文件具有一定的格式要求。 在a d a m s 软件中，不平的路面是由一系列三角形的平面单元组合成的一个三维 表面。原理图如图2 3 所示【30 1 ，数字1 、 按一定的规律组成路面单元( e l e m e n t ) ； 2 、3 等表示节点( n o d e ) ，由这些节点 再在路面单元里设置静摩擦系数和动摩 擦系数，就能模拟真实的路面。值得注意的是在a d a m s v i e w 模块中默认坐标的 存在，建立模型是参考坐标可能与默认坐标不一致，建立路面谱文件时要注意坐 标的选择，确定x 、y 、z 与车辆前进方向、路面宽度、路面垂直方向的高度的 对应关系。 z 图2 3 随机不平路面原理图 图2 4 所示为a d a m s 随机路面文件编写的流程。 路面宽度 路面摩擦系数 生成路面节点f n o d e s ) 生成路面单元( e l e m e n t ) 生成路面文件r r d f l x 度 图2 4 随机路面文件生成的流程框图 值得注意的是，在a d a m s 软件中，随机路谱的编制要满足轮胎的要求：第 1 0 一，路谱的位置要处于轮胎的下方：第二，路谱向上的方向要指向轮胎所处的一 侧：第三，路谱的大小要根据仿真的需要确定。 根据a d a m s 软件路面编写要求，运用谐波叠加法拟台随机路面，采用 m a t l a b 编写出准确的a d a m s 路面生成程序，其界面如图25 所示。 ei 辩- 沁冷4 1 譬黼凯j “一mf r # 三。n v 图2 5 随机不平路面的m a t l a b 程序界面 编写完成后的a d a m s 路面模型轮廓图如图26 所示。 图26a d a m s 中路面模型图 21 2 脉冲路面谱拟合 脉冲路面不能用统计特性来描述，只能用路面几何尺寸来描述。国标g b 5 0 9 2 8 6 汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法i n i 采用两种形状的单凸块作为脉冲输 入：三角形和长坡形。本文根据此标准选择三角形单凸块作为脉冲输入。 田2 7 三角形凸块外形围 三角形凸块外形如图27 ，具体为： 兰型堕里兰：竺兰堡些坌堑：兰兰 轿车、旅行客车及总质量小于或等于4 t 的货车：h = 6 0 m m ： 客车( 旅行客车外) 、越野车及总质量大于4 t 但小于或等于2 0 t 的货车： h = 8 0 m m ； 总质量大于2 0 t 的货车；h - 1 2 0 m m 。 b 一一按需要而定，但必须大于轮距。 根据国标g b 5 0 9 2 - - 8 6 汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法规定，由于本 文研究车型整车质量小于4 t ，故h 取值为6 0 r a m 。按照路面谱编制原理，所需要 的路面谱结构图如下图28 所示。从图中可以看出为实现所需要表达的路面特征， 共计需要1 0 个节点，组成8 个路面单元。并根据试验所需，定路面宽a b 为4 米。 由于仿真模型结构的对称性，路面宽度也以x z 平面为对称平面对称。路面长度 根据仿真试验时间和车辆行驶速度确定，长度必须大于车辆行驶距离，故定为6 0 0 米，从x 轴方向2 0 米到5 8 0 米。 霖向 圉28 三角骺凸块路面谱结构图 根据路面谱生成原理和国标g b 5 0 9 2 - - 8 6 汽车平顺性脉冲输入行驶试验方 法规定，利用m a t l a b 编制单凸块路面谱生成程序，界面如图2 9 所示。 圈2 9 脉冲不平路面的m a t l a b 程序界面 硕 学位论文 2 2 车辆平顺性的评价方法 汽车平顺性的评价是一个极为复杂的过程，它包括人、车、路三个环节，其 中人是最活跃的因素，当前对汽车平顺性进行评价主要分两类：主观评价和客观 评价。 主观评价是人对汽车平顺性最直接的评价方法。主观评价方法主要是根据有 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。经 过对主观评价的研究分析，设计人员根据经验可以简单地改变如汽车悬架参数来 提高汽车的平顺性。但是，由于车辆的动态特性和人体对振动响应的复杂性，主 观评价只能是对汽车平顺特性的一个比较模糊的描述。此外，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，即使对同样的汽车振动的感觉 也会不一致，这样，就会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。 而客观评价方法由于排除了人的个人差异，以具有量值的概念对汽车平顺性 进行评价，从而可以比较精确合理地评价、分析汽车的平顺性。它主要考虑车辆 的隔振性能，以机械振动的各个物理量( 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，来确定影响人体舒适性的程度，以此 来评价汽车的平顺性，因此，这是一种较为合适的评价方法。 研究人体对振动的反应涉及到车辆乘坐舒适性，对车辆乘坐舒适性的客观评 价方法各国的学者都作了许多研究，有各种不同的评价方法，至今没有一个公认 的乘坐舒适性的评价准则，综合各种方法，最主要的有以下几种： 1 乘坐舒适性系数法，简称r c l 法。此法由j a n e w a y 于1 9 4 8 年提出【3 1 1 ，后 为s a ej 6 a 及日本国营铁道所推荐； 2 吸收功率法，简称a p 法。此法由p r a d k o 和l e e 提出【3 2 1 ，用代表人体振 动系统内部所吸收的能量多少即平均功率来评价乘坐舒适性； 3 国际标准i s 0 2 6 3 l 法。国际标准化组织i s o 于1 9 7 4 年发表的i s 0 2 6 3 1 人 体承受整体振动的评价指南 【3 3 1 ，后于1 9 7 6 3 4 1 、1 9 8 2 、1 9 8 5 、1 9 9 7 年又发表 了修订补遗版； 4 单一不舒适性指数法，简称n a s a 法。由美国宇航局( n a s a ) 的莱利研 究中心提出： 5 总体乘坐值法。1 9 8 8 年英国南安普敦大学声振动研究所( i s v r ) 的人体 工程研究室的学者提出了一整套乘坐不舒适性的评价方法，称作i s v r 法，此法 包括适用于各种场合的总体剂量值法和总体乘坐值法，后者适用于振动峰值因素 小于6 的振动环境； 6 汽车乘坐舒适性主观评价方法。采用心理测定法中的s d 法，对汽车乘坐 罩型商用_ 乍行驶甲顺性分析与优化 舒适性进行主观评价，然后导入f u z z y ( 模糊) 理论中的模糊测度和模糊积分， 构筑了汽车乘坐舒适性主观评价阶层化模型，使以往很能难处理的心理状态变化 的定量分析成为可能。 以上几种评价方法中，国际标准i s 0 2 6 3l 法用于评价振动得到多数人的认同， 我国也参照该标准制定了相应的汽车振动评价方面的国家标准。 2 2 1随机输入平顺性评价指标 如图2 1 0 所示i s 0 2 6 3 1 1 ( 1 9 9 7 ) 3 5 】标准规定在进行舒适性评价时，它除了考 虑座椅支撑面处输入点3 个方向的线振动，还考虑该点三个方向的角振动，以及 座椅靠背和脚支撑面两个输入点各3 个方向的线振动，共3 个输入1 2 个轴向振动。 此标准认为人体对不同频率振动的敏感程度不同，不仅给出了各轴向0 5 8 0 的频 率加权函数，又考虑不同输入点、不同轴向的振动对人体影响的差异，还给出了 各轴向振动的轴加权系数。 图2 1 0 人体坐姿受振模型 i s 0 2 6 3 1 1 ( 1 9 9 7 ) 标准规定，当振动波形峰值系数 9 ( 峰值系数是加权加速度 时间历程a w ( t ) 的峰值与加权加速度均方根值的比值) 时，用基本的评价方法一 一加权加速度均方根值来评价振动对人体舒适和健康的影响。 1 对纪录的加速度时间历程a ( t ) ，通过相应频率加权函数以) 的滤波网络得 到加权加速度时间历程口。( f ) ，按下式计算加权加速度均方根值。 ，i 铲陆r a w 2 d 砌1 2 ( 2 6 ) 式中：r 为振动的分析时间，一般取1 2 0 s ； 频率加权函数以力可用以下公式表示，式中频率厂的单位为h z ： 1 4 硕士学位论文 峨( 力= 0 5 一一一一一 o 5 f 2 ) f 4 一一一一一( 2 厂 4 ) ( 2 7 ) 1 ( 4 f 1 2 5 ) 1 2 5 i f - 一一弋1 2 5 厂 8 0 ) w 卜1 ( 0 。三z 嚣 他8 ， w ，= 舫二二二蓑父嚣 他9 ， 叱( ) = 1 0 5 f 9 时，i s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( e ) 标准规定用均4 次方根值的方法来评 价，它能更好地估计偶尔遇到过大的脉冲引起的高峰值系数振动对人体的影响， 此时采用辅助评价方法一一振动剂量值为 v d v 一出 i m s 一1 7 5( 2 1 4 ) 我国参照i s 0 2 6 3 1 1 进行汽车平顺性评价，公布了g b t 4 9 7 0 1 9 9 6 汽车平 顺性随机输入行驶试验方法，该方法评价汽车平顺性时，只考虑了椅面x 、y 、 z 这三个轴向。为符合国际标准新的发展趋势，对人体的评价，采用加权加速度 均方根值，并分别用口肿、窿州、口钟表示前后方向、左右方向和垂直方向振动的加 权加速度均方根值；或用三轴向加权加速度均方根的矢量和即总加权加速度均方 根值，用瓯m 表示。 重型商用车行驶平顺性分析与优化 1 单轴向加权加速度均方根值口。 对纪录的加速度时间历程口( f ) 进行频谱分析得到功率谱密度函数 式直接积分而计算口。： i 口。= ie 矿( 力q ( 门矽1 2 式中：以厂) 一一频率加权函数 垂直方向 ( 厶) = 瓯( ) 按下 ( 2 1 5 ) o 5 万一( o 9 f a 4 ) 1(4fs8) ( 2 1 6 ) 8 厶一一一一一( 8 厶8 0 ) 水平方向 w ( 厶) ：j 1 _ - = 一( n 叭f q ) ( 2 1 7 ) ( 厶) 2 t 2 厶一二( 2 z 8 三) 2 总的加权加速度均方根值口w o 总的加权加速度均方根值口神按下式计算： 1 2 们= i ( 1 4 ) 2 + ( 1 4 a ) 2 + ( 口。) 21 2 ( 2 1 8 ) 式中：一一前后方向( 即x 轴向) 加权加速度均方根值，m s 2 ； 口附一一左右方向( 即y 轴向) 加权加速度均方根值，m s 2 ； 一一垂直方向( 即z 轴向) 加权加速度均方根值，m s 2 ； 从i s 0 2 6 31 与我国的法规情况中可以看出，人体对振动的反映主要体现在座 椅传递给人体的振动量的大小。对于振动量，一般用座椅传递给人体的加速度来 表示。对于随机输入仿真，本文确定以座椅传递给人体加速度转换为不舒适参数 为评价指标。不舒适参数口。( r m s v a l u eo f w e i g h t e db o d ya c c e l e r a t i o n ) 是指经 频率加权后的加速度均方根值。 总结i s 0 2 6 3 1 与我国的法规