（光学工程专业论文）基于simmechanics的森林作业车道路振动特性仿真研究.pdf

独创性声明 f l i j l lf l l l r , r l lflrri f f i ! i l l , r r l li f i l l l l l y 1 8 8 0 715 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得 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。 学位论文使用授权书 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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 私导师( 签名) 艄日期纱嘶彩 、， l 现今汽车市场竞争尤为激烈，各种车型的汽车除了满足动力性和经济性要 求外，振动特性，即行驶平顺性和乘坐舒适性也越来越引起人们的关注。然而， 关注的重点通常为乘用车和商用车，一些工程车辆则被忽视。例如森林作业车、 农业用车等生产率高但并无任何主悬架系统，因此振动尤为剧烈。现在，许多 森林作业车生产制造商们期望在提高车辆生产率和缩短生产时间的同时，降低 车辆的振动量。因此，为了减轻由路面不平度产生的振动，缓解驾驶员长期工 作疲劳，本文结合国内外的研究历史及现状，提出了研究森林作业车道路振动 特性的必要性，基于某些假设和结构简化，在s i m m e c h a n c i s 环境下构建某森林 作业车的整车模型，利用m a t l a b 建立试验轨道，模拟车辆在试验路面轨道上的 行驶情况，并将仿真结果与试验结果( 各部件振动垂直加速度和转向角等) 进 行对比，验证s i m m e c h a n i c s 仿真模型的正确性。 同时，基于相关文献里的现有模型，在s i m u l i n k 里建立了不同类型的悬架 模型，如座椅悬架、驾驶室悬架和底盘悬架等，将这些s i m u l i n k 悬架模型分别 导入s i m m e c h a n i c s 整车模型进行仿真，比较了无悬架状况和具有不同悬架状况 下该森林车道路振动特性的变化，并评价了不同悬架系统对于减少汽车各部件 垂直方向振动的影响。基于仿真结果的比较，得到符合降低振动要求的组合类 型悬架系统，并通过仿真结果表明适当提高车速后，该组合类型悬架系统仍然 对降低车辆振动有显著的作用，同时也证明了原始仿真模型的正确性。 本文最大的创新点在于使用s i m m e c h a n i c s 作为建模仿真的工具，代替传统 的仿真工具a d a m s 进行模拟，并结合m a t l a b 和s i m u l i n k 等工具共同完成本课 题的内容。同时，模拟真实试验路面轨道作为仿真系统的输入，代替其它文献 参照i s o 标准模拟一般路面的功率谱密度作为路面不平度输入，更加接近实际 试验结果。 总而言之，本文探索了利用s i m m e c h a n i c s 进行建模仿真道路振动特性的新 思路，为评价其它类型汽车的道路振动特性提供参考了依据。通过分析比较验 证了仿真模型的合理性，比较了无悬架和有悬架状况下的不同振动特性，并评 价了不同悬架系统对于汽车振动的影响，表明了s i m m e c h a n i c s 能够作为一种新 型工具对车辆振动特性进行模拟，但更多的研究探索工作需要继续。 关键词：森林作业车垂向振动s i m m e c h a n i c s 悬架系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r i g h tn o w t h ec o m p e t i t i o no fa u t o m o b i l em a r k e ti se x t r e m e l yf i e r c e ，v e h i c l e s s h o u l dn o to n l ys a t i s f yp o w e ra n de c o n o m yp e r f o r m a n c e ，b u ta l s os h o u l dh a v eg o o d r i d ec o m f o r t h o w e v e r , t h ef o c u si sa l w a y so np a s s e n g e rc a r sa n dc o m m e r c i a l v e h i c l e s ，a n do t h e re n g i n e e r i n gv e h i c l e sa r eu s u a l l yi g n o r e d ，s u c ha sf o r e s t r y v e h i c l e sa n da g r i c u l t u r a lv e h i c l e s ，w h i c hh a v eh i 曲p r o d u c t i v i t yb u tw i t h o u ta n y p r i m a r ys u s p e n s i o ns y s t e m s ，s ot h ev i b r a t i o ni sp a r t i c u l a r l yb i g a n dn o wm a n y m a n u f a c t u r e r s e x p e c t t or e d u c et h ev e h i c l ev i b r a t i o nm e a n w h i l ei n c r e a s i n g p r o d u c t i v i t ya n ds h o r t e n i n gp r o d u c t i v et i m e i no r d e rt or e d u c et h ev i b r a t i o nf r o m t h er o a ds u r f a c er o u g h n e s sa n dr e l i e v et h ep h y s i c a le x h a u s to ft h ed f i v e r ，t h i st h e s i s p r o p o s e st h en e c e s s i t yo ft h er e s e a r c ho nv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr o a dd r i v i n g f o r e s t r yv e h i c l e sc o m b i n i n gt h er e s e a r c hh i s t o r i c a la n dp r e s e n ts i t u a t i o n ，e s t a b l i s h e s t h ew h o l ev e h i c l es i m u l a t i o nm o d e li ns i m m e c h a n i c s ，c o n s t r u c t st h et e s tr o a di n m a t l a b ，s i m u l a t e st h ed r i v i n gc o n d i t i o no nas p e c i f i e dt e s tr o a dt r a c k ，a n dc o m p a r e s t h es i m u l a t i o nr e s u l tw i t ht h em e a s u r e m e n tr e s u l tt oe v a l u a t et h ev a l i d i t yo f s i m u l a t i o nm o d e li ns i m m e c h a n i c s m e a n w h i l e ，b a s e do ns o m ee x i s t i n gm o d e l si nt h er e f e r e n c e ，d i f f e r e n tt y p e so f s u s p e n s i o ns y s t e m sh a v eb e e nm o d e l e di ns i m u l i n k , a n dt h e ni n s e r t e di n t ot h ew h o l e v e h i c l ei ns i m m e c h a n i c st od ot h es i m u l a t i o nr e s p e c t i v e l y v i b r a t i o nc o n d i t i o n w i t h o u ts u s p e n s i o ns y s t e ma n dv i b r a t i o nc o n d i t i o n 、i t l ls u s p e n s i o ns y s t e mh a v e b e e nc o m p a r e d ，a n dd i f f e r e n te f f e c t so fv a r i o u ss u s p e n s i o ns y s t e m st or e d u c et h e v e r t i c a lv i b r a t i o no fe a c hc o m p o n e n th a v eb e e ne v a l u a t e d b a s e do nt h ea b o v e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，ac o m b i n e dc o n d i t i o ns u s p e n s i o ns y s t e mh a sb e e np u tf o r w a r d t h eg r e a t e s ti n n o v a t i o no ft h i st h e s i si st ou s es i m m e c h a n i c sa san e wt o o lo f m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a la d a m s ，a n dc o m b i n em a t l a b a n ds i m u l i n kt of i n i s ha l lt h et a s k so ft h ep r o j e c t m e a n w h i l e ，m o d e lt h er e a lt e s t r o a dr o u g h n e s sa st h ei n p u to ft h ew h o l es i m u l a t i o ns y s t e m ，i n s t e a do fp o w e r s p e c t r a ld e n s i t yo f t h eg e n e r a lr o a di nt h er e f e r e n c ea c c o r d i n gt oi s 0r e q u i r e m e n t ，s o a st og e tc l o s et ot h er e a ls i t u a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 t h i st h e s i st a k e su s eo fs i m m e c h a n i c st od e v e l o pan e wm e t h o dt om o d e la n d s i m u l a t et h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dp r o v i d e sr e f e r e n c et ot h er e s e a r c ho fo t h e r v e h i c l e s v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h er a t i o n a l i t yo ft h es i m u l a t i o nm o d e li sp r o v e d t h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，v i b r a t i o nc o n d i t i o nw i t h o u ts u s p e n s i o ns y s t e ma n d v i b r a t i o nc o n d i t i o nw i t hs u s p e n s i o ns y s t e mh a v eb e e nc o m p a r e da n dd i f f e r e n te f f e c t s o fd i f f e r e n ts u s p e n s i o ns y s t e m st ot h ev e h i c l ev i b r a t i o nh a v eb e e ne v a l u a t e d ，w h i c h i m p l i e st h a ts i m m e c h a n c i sc a l lb eu s e da san e wt o o lt os i m u l a t et h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fav e h i c l e ，b u tm o r er e s e a r c hw o r ks h o u l db ed o n ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：f o r e s t r yw o r k i n gv e h i c l e s ；v e r t i c a lv i b r a t i o n ；s i m m e c h a n i c s ； s u s p e n s i o ns y s t e m 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 1 1 2 研究目的 1 2 研究发展状况 1 2 1 汽车振动特性研究方 1 2 。2 国内外汽车振动特性 1 3 悬架系统介绍 1 3 1 底盘悬架系统。 1 3 2 驾驶室悬架系统7 1 3 3 座椅悬架系统7 1 3 4 悬架系统类型7 1 4 天棚控制和“开关”控制8 1 5sim m e c h a nic s 介绍1 0 1 5 本文主要研究内容1 1 1 5 1 主要研究步骤。1 1 1 5 2 主要章节概览1 2 第2 章汽车振动特性评价1 3 2 1 汽车振动特性评价方法1 3 2 2 森林作业车振动特性评价1 5 第3 章整车动力学建模及仿真1 7 3 1 研究对象简介1 7 3 2 路面不平度特性的模拟1 8 3 2 1 试验轨道1 8 3 2 2 路面垂直位移模拟1 8 v 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 整车模型的建立。1 9 3 3 1 坐标系和原点描述2 0 3 3 2 整车自由度及约束2 1 3 3 3 整车模型的建立。2 1 3 3 4sim m e c h a nic s 整车模型2 2 3 4 车轮模型。2 5 3 5 平衡悬架2 7 第4 章整车仿真模型的验证。2 9 4 1 数据处理。2 9 4 1 1 低通滤波2 9 4 1 2 傅里叶变换2 9 4 2 仿真模型的验证。2 9 4 2 1 评价方法3 0 4 2 2 垂向加速度验证3 1 4 2 3 平衡悬架转向角的验证3 3 4 3sin 刊l e c h a nic s 优缺点比较3 4 第5 章悬架系统建模与仿真3 7 5 1 驾驶室悬置系统仿真：3 7 5 1 1 驾驶室悬架系统结构3 7 5 1 2 驾驶室悬架系统sim ui in k 模型3 9 5 2 座椅悬架系统仿真4 1 5 2 1 座椅悬架结构。4 1 5 2 2 座椅悬架系统sin l ui n k 模型4 3 5 3 前后轴底盘悬架系统仿真4 4 5 3 1 半主动底盘悬架结构4 5 5 3 2 半主动底盘悬架sim u | - n k 模型。4 7 第6 章仿真结果分析4 9 6 1 不同悬架系统比较4 9 v 6 6 6 第7 7 7 参考 致谢 发表 附件 附件 附件 附件d 数据处理程序7 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 汽车振动特性及平顺性研究对于现代汽车意义重大，因为驾驶员长期暴露 在高强度长时间的振动环境下。汽车振动特性还与车辆路面作用以及汽车动力 学有着密切的联系【l l 。过去，人们常常关注车辆的动力性以及经济性，而忽略了 汽车，特别是工程车辆如森林作业车、农业用车等振动特性的重要性。过去生 产的森林作业车自身没有任何悬架系统或弹性较大的轮胎提供阻尼，所以振动 问题成为了驾驶员的重大负担，他们会因为长时间地处于高强度振动环境下而 产生肩部、颈部以及背部的疼痛，甚至如果当频率处于o 1 0 5h z , “运动病” 的症状有可能发生。随着汽车技术的发展以及车速的提高，振动问题及车辆平 顺性研究逐步成为了汽车工业发展的关键性问题，人们也将车辆平顺性与动力 性、经济性相提并论。同时，相应的准确评价汽车振动特性的相关法规也随之 出台，如国际标准i s 0 2 6 31 ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n 国际标准组织) 人 体承受全身振动的评价指南，b s6 8 4 1 ( b r i t i s hs t a n d a r d 英国标准) 人体暴露全 身机械振动及反复冲击的测量与评价，e ud i r e c t i v e2 0 0 2 e c 4 4 ( e u r o p e a n u n i o n 欧盟) 等，约束、规范以及评价汽车振动环境。 汽车振动及冲击，一般来源于发动机、传动系统、路面不平度等，直接从 地面传递到驾驶室、座椅以及驾驶员。 本文的研究对象是一辆森林作业车，其没有任何底盘悬架系统和驾驶室悬 架系统减少来自路面的振动，仅有的座椅悬架系统是不足以满足振动环境要求 的。以往大量的工作都关注于如何提高其生产效率以减少往返工作时间。但是， 更高的工作效率意味着驾驶员必须暴露与更剧烈的振动环境中。因此，在提供 工作效率的同时将振动水平控制在一定范围内是研究重型车辆振动特性的主要 目的。 一般来说，减少汽车振动的方法有三个途径，分别从轮胎、座椅和悬架系 统入手。历史经验表明有以下结构有利于减少振动和改善车辆平顺性，如合适 的轮胎、前后轴底盘悬架系统、驾驶室悬架系统以及座椅悬架系统等。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 研究目的 振动特性研究的目的主要在于降低车辆各部件的振动，严格控制振动的传 递【2 l ，提供驾驶员舒适的驾驶环境。国内外关注乘用车和商用车振动特性日益强 烈，对于工程车辆如森林作业车、农业用车等振动环境的分析也不宜忽视。如 何提高森林作业车的生产效率，缩短工作时间，降低车辆振动，已成为生产制 造商越来越关心的问题，也是占领市场份额的关键点之一。本文则通过在 s i m u l i n k s i m m e c h a n c i s 里模拟整车以及相关悬架系统对某森林作业车进行振动 特性及平顺性分析。首先，通过试验结果评价仿真模型的正确性，比较无悬架 状况和具有不同悬架状况下该森林作业车的振动特性的变化，和不同类型悬架 系统减少汽车各部件垂向振动的效果；其次，比较得出改进驾驶员振动环境的 方法，为其它同类型的工程车辆提供参考依据；最后，提供利用s i m m e c h a n i c s 模拟汽车整车振动的基本方法，比较其优缺点，为今后深入使用s i m m e c h a n i c s 打下基础。 1 2 研究发展状况 1 2 1 汽车振动特性研究方法 汽车的振动特性与汽车平顺性联系紧密。汽车平顺性是指汽车在一般行驶 速度范围内行驶时，能保证乘员不会因车身振动而引起不舒服和疲劳的感觉， 以及保持所运输的货物完整的性能。由于行驶平顺性主要是根据乘员的舒适程 度来评价，又称为乘坐舒适性【引。研究汽车平顺性的主要目的就是控制汽车振动 系统的动态特性，使振动的“输出”在给定工况的”输入”下不超过一定界限，以保 持乘员的舒适性。提高汽车平顺性日益重要，成为现代高速、高效率汽车的一 个主要性能，也是同类汽车在市场竞争中争夺优势的一项重要性能指标。近年 来计算机技术、随机振动理论、试验方法以及系统动力学研究的发展，使得汽 车平顺性的仿真分析更为全面、更接近实际使用情况。对汽车平顺性进行仿真 研究，可以用来预测新产品的平顺性状况，并对其进行及时的改进，同时还可 以优化各参数之间的匹配关系，大大缩短设计周期，节约设计成本1 2 j 。 汽车的振动特性研究及平顺性的研究方法大致建立在振动源一传递通道一 接受体的基础模型之上。具体说来，振动源指路面不平度的输入即路面的变化， 传递通道指汽车本身即轮胎、车身、悬架、座椅等弹性元件，接受体指位于舱 内的驾驶员或乘员。这整个振动系统的传递途径为，振动来源于汽车经过的不 2 武汉理工大学硕士学位论文 平路面，经由轮胎、悬架、座椅衬垫等弹性元件等传递到人体，系统的输出为 人体对振动的反应。研究的目的是对人体对振动的反应做出合理实际的评价， 并为减小人体振动提出相应的改进措施。 汽车振动研究方法分为理论方法和试验方法两类。理论方法即根据车辆的 结构特点和动力学特性建立相关的动力学模型，通过一定的仿真或计算得到相 应的振动规律及特性，求出振动分析所需要的振动相应量如振动加速度、振动 速度和振动位移等，利用相关法规规定的平顺性评价指标进行比较，从而分析 和评价整车各部件的振动特性和平顺性优劣。而试验方法包括室外道路试验， 试验场试验和室内模拟试验掣2 1 。与理论方法相比，试验方法比较受到外界环境 因素的限制约束，随机性大、研究周期长、成本较高，对于不同的系统输入必 须进行不同的试验，耗费人力物力和财力。 1 2 2 国内外汽车振动特性研究概况 对于汽车振动特性及平顺性，国内外的汽车专家和工作人员做了大量深入 的研究，建立了不同的汽车模型，针对相应的评价标准，提出了相关改善汽车 振动特性和人体振动环境的方法，并应用于汽车工业中。总结如下： 1 ) 不同的汽车动力学模型 不同自由度个数的汽车动力学模型出现在国内外汽车振动研究领域中，如 两自由度的四分之一汽车模型、五自由度的二分之一汽车模型以及更多自由度 的三维立体汽车模型等，这是根据不同的研究目的和不同的车型来确定的。如 吉林大学和同济大学等就提出过5 到1 8 自由度的平面和三维汽车模型【2 1 ，甚至 在国外某些研究中，对于铰接式卡车的振动特性研究建立了2 4 自由度三维 a d a m s v i e w 仿真模型和更复杂的5 0 自由度三维非线性a d a m s c a r 仿真模 型f 3 】o 2 ) 不同的汽车部件研究 国内外相关高校及研究机构对汽车各部件，例如悬架，座椅，车轮( 轮胎) 等进行了仿真分析，研究汽车整车系统，为人一车一路相互作用的耦合系统提供 研究依据及仿真模式。 关于悬架： 德国达姆施达特技术大学r a l f s c h w a r z 等建立了一个1 4 整车模型并利用试 武汉理工大学硕士学位论文 验情况进行了检验，试图研究车轮一悬架动力学，验证了该模型的合理性和有效 性【4 1 。德国斯图加特d i e t e ra n l m o n 等建立了复杂的非线性整车悬架模型包括弹 性元件和阻尼元件以及各种连接力、摩擦力等，对汽车悬架、轮胎和转向系统 进行了全面而精确的仿真，通过对比试验结果和仿真结果验证了模型的有效性 【5 】。2 0 0 3 年，孟泉等障1 建立了l 2 汽车动力学模型，该模型考虑了非线性的轮 胎结构和悬架系统盯1 。2 0 0 6 年，江苏大学王欢等哺1 在考虑了悬架非线性因素和轮 胎非线性因素的基础上建立了一个两自由度的1 4 车非线性振动模型，采用数值 积分的方法定性研究了该系统中的分岔现象口1 ，并结合相图p o i n c a r e 截面图等 来分析复杂的动力学行为。 关于座椅： 汽车座椅的动态舒适性研究已经越来越受到人们的重视。研究主要集中在 人体动力学模型的研究、座椅系统动态分析与优化、汽车座椅乘坐动态舒适性 评价方法等。 人体动力学模型的研究方面，从1 9 7 0 年开始，s u g g s 、m u k s a i n 和n a s h 、 i s o 等个人和机构分别发布了人体在垂直方向振动环境下的2 自由度、7 自由度 和8 自由度等模型，得出相应结论。1 9 8 8 年，我国长春汽车研究所发布属于中 国的2 自由度人体振动模型，这是建立在大量试验数据分析和总结国外优秀成 果的基础上得出的。 重点研究座椅的垂直振动传递函数对人体的影响，通过振动试验或者实际 仿真分析都可找到对系统影响较大的因素，改进座椅的阻尼及刚度等降低座椅 的振动。吉林大学、东南大学、福特公司等对此均有研究。如2 0 0 1 年美国福特 公司聆3 利用座椅有效幅值传递率( s e a ts e a te f f e c t i v ea m p l i t u d et r a n s m i s s i b i l i t y l 预测动态座椅舒适性，对不同车型的1 6 种不同座椅进行了s e a t 值的估计，并 与福特公司现有的主观评价值进行比较，得出相关性度为0 9 4 。另外，浙江工 业大学潘立口1 还意识到不能忽略由横向、纵向振动引起的水平振动的影响在汽车 平顺性中的研究，进行了基于人椅系统三向振动的汽车平顺性建模与仿真晗1 。 关于车轮( 轮胎) ： 汽车轮胎主要研究不同类型、不同气压的车轮的垂直振动特性，轮胎包容 特性对汽车振动的影响，及车轮与路面相互作用的影响等。 有限元、边界元方法等最开始应用于轮胎振动的研究中n 训，到后来模态分 析以及有限元、边界元的联合分析方法也广泛应用于轮胎振动噪声的计算，如 利用有限元法求解轮胎的振动响应，利用边界元计算声压和声强1 。近年来， 武汉理工大学硕士学位论文 汽车轮胎的研究主要集中于轮胎与路面相互作用影响等。如2 0 0 9 年，比利时鲁 汶大学机械工程系口2 3 提出了基于路面不平度的研究轮胎一路面结构传递噪声的 试验分析法，同时考虑内、外部噪声，调查了行驶速度、充气压力、轮胎温度， 负载对于产生噪声振动的影响。瑞士埃因霍温科技大学n 3 1 建立了滚动轮胎低于 5 0 0 h z 的有限元模型，旨在计算滚动轮胎，包括其复杂结构的动力学响应，并使 轮胎设计参数达到其振动声学特性的要求。通过对模型的模态分析，可以提出 其特征频率和特征向量，模拟其各阶模态并定义柔度矩阵。2 0 1 0 年同济大学汽 车学院董保利n 钉为了研究轮胎不均匀磨损与悬架特性的关系，建立了悬架一轮胎 一胎面自激振动系统理论模型。在a d a m s 中建立了系统模型，其能够反映车轮 前轮前束和外倾角等特性，通过仿真分析得到车辆振动特性，利于整车动力学 分析。 3 ) 路面不平度输入研究 路面不平度是汽车振动系统的主要输入，是研究汽车振动特性和平顺性的 关键环节。国内外研究均根据i s o 标准采用幂函数的形式模拟路面功率谱密度 描述路面不平度。因此，各种接近真实路面的路面谱被研制了出来，并按照这 些路面谱特性在我国某些地方建立了道路试验场，如湖北襄樊道路试验场等。 4 ) 不同振动评价方法 根据不同的法规标准，不同的振动评价方法广泛应用于整车和整车各部件， 具体的评价方法介绍详见章节2 2 。 1 3 悬架系统介绍 悬架系统是现代汽车减轻振动、改进汽车行驶平顺性最重要的结构之一。 对于一般车辆来说，悬架系统指将车架与车轮连接起来的包括弹簧、减振器及 连接机构构成的底盘悬架系统。悬架系统不仅能够提供优良的转向、制动特性， 而且对于减少路面冲击、噪声和振动，保证驾驶员和乘员的舒适性有着极大的 积极作用。 通常，悬架系统根据悬架类型的不同可以划分为传统悬架、半主动悬架和 主动悬架三类；同时，按照不同级别的划分，悬架系统也可分为一级悬挂系统 ( 前后轴底盘悬架系统) 和二级悬挂系统( 驾驶室悬架系统和座椅悬架系统) 【1 5 1 。 一级悬架系统，即底盘悬架系统，是指通常所说的位于汽车前后轴处的悬 武汉理工大学硕士学位论文 架系统，其支撑整个簧上部分的质量，连接车轮和底盘，并控制路面不平度产 生的振动传入车身。二级悬架系统包括座椅悬架系统和驾驶室悬架系统，它们 分别连接汽车主要部件比如驾驶室、座椅、车身等。如图1 1 所示。 实际上，由于不同类型的汽车工作目的的不同，大多数的工程车辆制造商 为了节约成本，并没有为车辆提供任何悬架系统。但是，随着现代汽车技术的 发展和对汽车平顺性的日趋重视，越来越多的制造商关注于工程车辆的振动特 性及平顺性改进。例如制造商c a t e r p i l l a r 为大型非公路车辆提供了气动悬架， j c bf a s t t r a c t 为大型农业用车研发了底盘悬架系统，其前悬架由螺旋弹簧和减 振器组成，后悬架为自适应悬架，横向稳定杆控制刚度变化【1 6 1 。本文对前后轴 底盘悬架系统、驾驶室悬架系统及座椅悬架系统均有建模与仿真，并比较了它 们各自对于降低车辆垂向振动的影响。 1 3 1 底盘悬架系统 位于汽车前后轴的底盘悬架系统能够通过改变簧载质量与非簧载质量的比 例显著改善车辆行驶平顺性【1 】。不同类型的悬架系统，如传统悬架、半主动悬架 和主动悬架等已广泛应用于各类车辆的底盘悬架系统。传统悬架利用固定的弹 簧刚度吸收冲击和固定的阻尼控制弹簧的运动；半主动悬架主要由不可变刚度 的弹簧和可变阻尼减振器组成，仅需要很少量的能量输入；主动悬架，相较于 传统悬架和半主动悬架性能更为优越，有独立的力发生器产生控制力控制车身 的振动，是最高级别的悬挂形式。 不同于轿车，一般工程车辆例如森林作业车、农业用车等没有底盘悬架系 统降低路面不平度的冲击，本文的研究对象也没有底盘悬架系统。但是由于工 程车辆底盘悬架系统自身的局限性，大量的工作都致力于二级悬架系统的发展 u j ，这样可以达到低成本高效率的目的。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 驾驶室悬架系统 车辆驾驶室的设计应为驾驶员创造更舒适工作环境，因此驾驶室的振动强 度应控制为最小，以改善驾驶员的乘坐舒适性及行车平顺性。驾驶室悬架系统 位于驾驶室和底盘之间，为驾驶员提供平稳的地板以及隔离、减少底盘振动、 路面冲击和噪声o 不同于乘用车及商用车，森林作业车的驾驶室一般没有悬架 系统，这样的结构往往最容易将地面的振动最大程度地传递给驾驶室。 1 3 3 座椅悬架系统 森林作业车的驾驶员一般每天需在座椅上工作8 小时之久。来自驾驶室地 板的振动通过座椅悬架系统和座垫传递，最后到达驾驶员。因此，座椅悬架系 统本身构成了到达驾驶员之前的最后一环悬架结构【1 6 】。在过去的许多研究中， 很多不同的措施和方法已经应用于不同的座椅，以减小座椅振动的传递率而改 善汽车的振动。 根据驾驶员身材和坐姿的不同，合适的座椅与座椅悬架结构、悬架类型和 座椅的布置，有着密切的关系。本文只考虑座椅悬架结构及类型。 该森林作业车的座椅悬架系统是其唯一的悬架系统。座椅悬架存在的必要 性以及关于座椅振动输入输出传递率的研究能够降低传入驾驶员的振动量，显 著改善车辆行驶平顺性。 1 3 4 悬架系统类型 如章节1 3 介绍，三种不同类型的悬架，主动悬架、半主动悬架和传统悬架 已经大量应用于汽车工业。图1 - 2 是这三种悬架的结构示意图。 a ) 传统悬架b ) 半主动悬架c ) 主动悬架 图1 2 不同类型的悬架结构示意图 1 3 4 1 传统悬架 传统悬架包括传统的弹簧和减振器，其弹簧刚度和减振器阻尼不会随着路 7 武汉理工大学硕士学位论文 面输入的改变而变化。换言之，传统悬架不能通过外界控制，更不需要能量的 输入。到目前为止，传统悬架广泛应用于大多数汽车。传统悬架的最大优点是 价格低、可靠性强和结构简单。其最大缺点是难以同时满足转向特性和平顺性 要求。弹簧刚度较大的悬架能够降低振动但是会提供较差的转向特性，相反， 弹簧刚度较小的悬架则加强了振动但却能提供较好的转向特性。随着汽车技术 的快速发展，传统悬架已经越来越不能满足人们对振动环境的需求，因此半主 动悬架和主动悬架应运而生。 1 3 4 2 半主动悬架 半主动悬架的性能介于主动悬架和传统悬架之间，隶属于主动悬架。半主 动悬架的概念由d a c r o s b y 和d c k a r n o p p 于1 9 7 3 年提出，k a m o p p 随后提 出了天棚控制原理及其应用。直到8 0 年代初期，主动悬架的相关产品才逐渐被 开发。但是，半主动悬架应用速度远快于主动悬架，越来越多的制造商由于其 的高性能和相对低廉的价格而纷纷选择半主动悬架。 半主动悬架主要由不可变刚度的弹簧和可变阻尼减振器组成，因为改变减 振器阻尼特性比改变弹簧刚度更容易。虽然不能随外界的输入进行最优控制， 但它可以按照存储在电脑中的各工况下悬挂优化参数指令来调节阻尼大小。不 用于主动悬架的是，半主动悬架无需很多的能量输入，其阻尼大小能够进行连 续可调或无级可调。因此，尽管有局限性，由于成本低和低能量输入，半主动 悬架的研究仍在继续。 1 3 4 3 主动悬架 主动悬架采用独立的力发生器对悬架产生独立的控制力，并根据输入和输 出调整最优反馈控制，使其具有最佳阻尼特性，提高乘坐舒适性和操纵性能。 主动悬架最大缺点是成本高，维修频率高，结构复杂，因此在森林作业车上比 较罕见。制造商们更青睐选择更廉价的悬架代替主动悬架尽管其作用显著。 不同类型的半主动悬架和主动悬架能够实现车辆振动模态平衡( 侧倾、俯 仰、横摆) 的改进设计，但是这些较先进的悬架系统的应用也会受到成本、重 量、封装、可靠性及其他问题的限制。 1 4 天棚控制和“开关控制 迄今为止，不同的控制原理运用于悬架控制系统，如天棚控制、优化控制、 8 感器较少、模型较简单时，其可靠性高。 但是，天棚控制原理在理论上只是理想的控制原理。因此，半主动“开关” 控制在天棚控制的基础上发展而来，其可根据控制信号的变化控制减振器阻尼 系数，从而调节阻尼力的大小。由半主动控制策略控制的阻尼力可表示为： 9 武汉理工大学硕士学位论文 凡= f d _ c ( v z 。一j 二z ( v ，z - “v 1 ) 三o ( 1 - 2 ) 0 v 2 ( v 2 一v 1 - ) 0 i f ：i f 2 ( 之一舀) s0 其中，c 2 1 0 n 和c 2 2 0 矗代表“开启 状态( 较高) 时的阻尼系数，而c 2 l 。f f 和c 2 2 0 贯 代表“关闭”状态( 较低) 的阻尼系数。 通过以上的系统结构分析和阻尼力分析，三种不同类型的半主动底盘悬架 可以产生，如表5 - 4 所示。 表5 - 4 三种不同类型的半主动底盘悬架1 类 名称 阻尼系数c 2 l阻尼系数c 2 2 当量刚度k备注 型 固定刚度、 1 阻尼“开启关闭” “开启关闭”“开启” k 2 i 可变阻尼 “开启关固定阻尼、 2 刚度“开启关闭”“开启”“开启一关闭” 闭”可变刚度 刚度+ 阻尼“开启 “开启关阻尼、刚度 3 “开启关闭”“开启一关闭” 关闭”闭” 均可变 类型1 中，c 2 1 处于“开启一关闭”状态而c 2 ：处于“开启”状态，称之为阻 尼“开启关闭”控制，此类型被视为具有固定刚度和可变阻尼的半主动悬架； 类型2 中，c 2 】处于“开启”状态而c 2 2 处于“开启一关闭”状态，称之为刚度“开 启关闭控制，此类型被视为具有固定阻尼和可变刚度的半主动悬架；类型3 中，c 2 1 和c 2 2 均处于“开启一关闭状态，此类型被视为具有可变阻尼和可变刚 度的半主动悬架。因此，通过运用“开关”控制原理实现了三种不同类型的半 主动底盘悬架。 实际应用中，两个弹簧的刚度比- v - 2 应该较小以通过改变减振器2 的刚度来 武汉理工大学硕士学位论文 实现较大的刚度变化范围。弹簧刚度k 和减振器阻尼系数c 的取值如表5 5 所 不。 表5 5 半主动底盘悬架k 、c 取值 参数底盘前部( 前轴)底盘后部( 后前轴) k 2 1 n m 】 4 0 0 0 0 01 5 0 0 0 0 0 k 2 2 n m 】 8 0 0 0 03 6 0 0 0 0 c 2 j o n 【n s m 】 3 0 0 0 1 8 0 0 0 e 2 l o 矗【n s m 】 1 6 0 01 1 0 0 0 c 2 2 嬲【n s m 】 4 0 0 0 01 5 0 0 0 0 c 2 = o 越n s m 】 5 0 0 04 0 0 0 0 5 3 2 半主动底盘悬架s i m u i n k 模型 以上三种不同类型的半主动底盘悬架晕采用s i m u l i n k 进行模拟，如图5 9 到图5 1 1 所示。半主动底盘悬架安装于平衡悬架和车轮之间，其弹簧刚度和阻 尼系数可视为两者之间的“旋转r e v o l u t e 连接模块的扭转刚度和阻尼。该系 统的输入为车轮的垂向位移和速度以及平衡悬架垂向位移和速度，而输出则为 该系统作用于平衡悬架的力。 图5 - 9 半主动底盘悬架s i m u l i n k 模型( 类型1 ) 4 7 武汉理工大学硕士学位论文 图5 1 0 半主动底盘悬架s i m u l i n k 模型( 类型2 ) 图5 1 1 半主动底盘悬架s i m u l i n k 模型( 类型3 ) 三种半主动底盘悬架仿真结果的对比详见章节6 2 。 武汉理工大学硕士学位论文 第6 章仿真结果分析 6 1 不同悬架系统比较 6 1 1 结果比较 三种不同的悬架系统，即驾驶室悬架、座椅悬架和底盘悬架均在s i m u l i n k 中进行了模拟，并导入s i m m e c h a n i c s 整车模型里进行仿真。图6 1 至图6 4 所 示分别为无悬架状况下和具有不同悬架系统状况下座椅、驾驶室、底盘前部和 底盘后部垂向加速度均方根值的对比。紫红线、绿线、蓝线和黄线分别表示原 森林作业车模型( 无悬架) 、带有座椅悬架模型、带有驾驶室悬架模型以及带有 底盘悬架模型。 a 嚣 n 2 鼍 函0 1 5 增 蓦 n 1 o0 5 0 o123 4 5 6789 颠率i 】 图6 1 座椅垂向