车辆-人体系统振动的时域模拟及频谱分析.pdf

文章编号 1671 5497 2004 03 0373 05 收稿日期 2003207209 基金项目 韩国科学与工程基金资助项目 作者简介 王岩松 1971 男 博士研究生 E2mail jzwbt 通讯联系人 李章明 1962 男 教授 E2mail cmlee mail ulsan ac kr 车辆2人体系统振动的时域模拟及频谱分析 王岩松1 2 段 敏1 耿艾莉1 李章明2 1 辽宁工学院 汽车工程学院 辽宁 锦州 121001 21 韩国蔚山大学 机械与汽车学院 韩国 蔚山 6802 749 摘 要 基于SY6480轻型客车建立了车辆2人体振动系统的12个自由度动力学模型 模型中 引入了四轮相关路面激励和人体模型 以能量方程推导出系统的动力学方程 进而对系统的振 动过程进行了时域模拟和试验验证 所得的模拟结果比传统的频域模拟结果更精确可靠 对 车辆角振动和人体各部位的振动情况谱分析结果表明 车身的角振动能量大约为垂直振动能 量的1 4 研究时不能忽略 人体垂直振动的固有频率为2 0 2 5 Hz 可为车辆平顺性设计提 供参考 关键词 车辆工程 车辆2人体系统 随机振动 时域模拟 频谱分析 中图分类号 U461 4 文献标识码 A Time domain vibration simulation and spectral analysis of vehicle2human system WANG Yansong1 2 DUAN Min1 GENG Aili1 LI Zhangming2 1 School of A utomotive Engineering Liaoning Institute of Technology Jinzhou121001 China 2 School of Mechanical and A utomative Engineering University of Ulsan Ulsan6802749 Korea Abstract A dynamic vibration model with twelve degrees2of2freedom of vehicle2human system was established for the light2duty bus SY6480 A road excitation with the correlation of four wheels and a human body model were included in the vehicle model The dynamic equations were derived from the system energy equations and vehicle2human system vibration simulation in time domain as well as experiment verification was carried out The comparisons show that obtained simulation results are more accurate than those calculated from the conventional linear method in frequency domain Furthermore the spectral analysis on the sample vehicle shows that the angular vibration energy is about one2fourth of that in vertical vibration of the vehicle so that cannot be ignored in vehicle vibration study and the vertical eigenvibration of human body has a resonant frequency of 2 0 2 5 Hz which may be a reference for vehicle ride comfort design Key words vehicle engineering vehicle2human system random vibration time domain simulation spectral analysis 第34卷 第3期 吉 林 大 学 学 报 工 学 版 Vol 34 No 3 2004年7月Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition July 2004 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 1 车辆2人体系统建模 过去人们常常采用传递函数法直接获取系统响应频谱 1 3 但很难考察时域响应信号的特征 而 且以往的模型中没有考虑到人体的振动情况 作者引入了人体模型 并以四轮相关路面为系统输入 对 振动过程进行了时域模拟 进而应用FFT技术对时域信号进行了频域分析 试图寻找更精确的车辆振 动的模拟方法 车辆实际上是一个非常复杂的多自由度系统 为简化问题 做以下假设 汽车沿纵向中心线左右对 称 并作匀速直线运动 路面是各向同性的各态历经随机过程 人椅为5自由度的线性系统 忽略除路面 以外的其他振源和轮胎阻尼 基于上述假设 建立了三维12自由度的力学模型 如图1 其坐标原点 为车身质心 X轴正向为汽车前进方向 12个自由度具体为 ZB B和 B分别为簧载质量质心的垂直 位移 绕质心的横向角位移和纵向角位移 Zfl Zfr为左前 右前非簧载质量质心的垂直位移 Zr和 r为 后非簧载质量质心的垂直位移和横向角位移 Zs Zh Zch Zsh和ZH分别为座椅的质心垂直位移和人体 臀 胸 肩 头部的质心垂直位移 用第二类拉格朗日方程推导出系统的动力学方程 其矩阵表达式为 Mz Cz Kz PI 1 式中 M C K分别为系统的质量 阻尼系数和刚度矩阵 P为路面位移和激励的转换矩阵 I为路面输 入位移向量 I I1I2I3I4 T z z z分别为加速度 速度和位移响应向量 图1 车辆2人体振动系统的12自由度力学模型 Fig 1 A mechanical model of vehicle2human vibration system with 12 degrees2of2freedom 2 系统振动响应模拟 211 路面不平度模拟 采用滤波白噪声作为路面输入 其时域数学模型 4 5 为 I FwI 2 G0VBwxx 2 G0VBw1W1 2 x Axx BxW1 3 式中 x为状态转移向量 W1为零均值白噪声时间序列 Fw Bw均为系数矩阵 利用上述时域模型对路面输入进行了计算机模拟 在计算机中产生滤波白噪声序列W1作为模型 473 吉 林 大 学 学 报 工 学 版 第34卷 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 的输入 用Runge2Kutta法可求出各种路面的输入时间序列 砂石路面上50 km h车速下的模拟结果见 图2 图2 四轮相关砂石路面模拟生成的路面不平度时间序列 Fig 2 Time sequences of road roughness of correlated four wheels on a sandstone road 212 系统方程的状态描述与模拟计算 为求解方便 有必要将方程 1 转化为状态方程的形式 两边同乘以M 1并整理得 z M 1 Cz M 1 Kz M 1 PI 4 令 A M 1 C B M 1 K I M 1 I y z z T y z z T 变量代换后得出系统微分方程的 状态描述表达式为 y 24 1 0 12 12E12 12 B12 12A12 12 y24 1 0 12 1 I 12 1 5 式中 y为24维状态转移向量 E为12阶单位矩阵 I 为输入量 I PI 图3 系统振动各自由度处的时域响应加速度 Fig 3 Acceleration response in time domain on each degree2of2freedom of vibration system 模拟结果见图3 图4为其对应的加速度功率谱 模拟计算过程为 以一段足够长的时间段 0 T 内的汽车振动过程为研究对象 选取状态初值和时间步长 t 采用Runge2Kutta法可求出 0 T 内的对 应于时刻序列 t0 t1 t2 的时域响应解 选取状态向量初值yt0 zt0z t0 T 0 0 T t 5 ms T 5 s 573 第3期王岩松 等 车辆2人体系统振动的时域模拟及频谱分析 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 图4 系统振动各自由度处的频域加速度功率谱 Fig 4 Acceleration auto2spectrum in frequency domain on each degree2of2freedom of vibration system 3 试验验证 为了验证模拟结果 根据 汽车平顺性随机输入行驶试验方法 ISO2631 对一辆车况良好的 图5 副司机座椅加速度功率谱 Fig 5 Acceleration auto2spectrum of vice2driver seat SY6480客车进行了实际道路试验 试验条件采用半 载 C级路面 分别以30 40 50 60 km h车速匀速 行驶 用DASP仪采集数据 并将测得的加速度响 应样本存盘 另用PC机进行二次数据处理 处理 参数取 截断频率fc 100 Hz 采样时间间隔 t 5 ms 分辨带宽 f 0 1935 Hz 独立样本数q 32 Hanning窗函数 模拟结果与试验结果的比较见图 5的50 km h车速时的副司机座椅的加速度功率谱 S 由图可见 传统的频域模拟与本文的时域模 拟所得的功率谱曲线在变化趋势上与试验功率谱曲 线基本一致 但与频域模拟相比 时域模拟的结果 与试验结果更贴近 更能准确地反映实车的振动情 况 可见作者提出的时域模拟方法是准确可行的 4 系统的振动分析 在进行车辆的道路试验时 测试车身的角振动和人体的振动信号非常困难 因此作者利用模拟信号 着重分析车身角振动和人体的响应 411 车身角振动分析 图3和图4的第二列中间两图分别为车身纵向和横向角振动加速度a及功率谱W 由图可见 车 673 吉 林 大 学 学 报 工 学 版 第34卷 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 身角振动有2个峰值 分别在2 0 3 0 Hz和8 0 12 0 Hz附近 这与车身垂直振动的情况基本相同 车身纵向角振动比横向角振动要大得多 纵向角加速度的最大值为2 5 rad s2 而横向只有1 7 rad s2 与横向角振动相比 纵向角振动的振动能量主要集中于低频区段的第1振动峰值附近 两者高频区段的 振动能量几乎相同 说明车身的角振动主要来源于路面不平度和纵向路面波 经折算可知车身角振动 的能量大约为垂直振动能量的1 4 对整车振动的影响较大 因此在研究车辆平顺性时 车身的角振动 不能忽略 412 人体的振动分析 副司机的臀 胸 肩 头的垂直振动加速度及对应功率谱如图3和图4的第3列所示 由图可见 样 车以50 km h车速在砂石路面上行驶时 人体各部位的振动情况非常相似 最大的加速度值为 2 5 2 5 m s2 而且振动能量也集中在1 5 3 0 Hz 但从臀部到头部自下而上各部分的振动能量略有增加 进一步比较副司机座椅的加速度谱 座椅的高频振动被人体系统大大削减 人体的高频段的振动能量几 乎为零 而低频段的振动能量却远远高于座椅 且分别在2 0 Hz和2 5 Hz处出现了2个峰值 这说明 人体系统垂直方向的固有频率在一个很小的频率区段 2 0 2 5 Hz 内 所以研究精度要求不高时 将 人体简化为有阻尼单质量振动系统是可行的 由于座椅和人体的共振对人体的舒适性极为不利 为避 免共振 在进行座椅系统设计时应使其固有频率尽量避开2 0 2 5 Hz 5 结束语 作者提出的时域模拟方法具有良好的高频特性 模拟结果更准确 可靠 对人体和车身的角振动的 分析表明 人体系统的固有频率为2 0 2 5 Hz 因此在进行悬架座椅系统的设计时应尽量避免在这一 频率范围内产生共振点 车身的角振动能量大约为垂直振动能量的1 4 研究时不能忽略 另外 作者所做的工作可以推广到其他车型的车辆2人体振动系统的时域研究中 可用实现平顺性 预测 研究各参数对平顺性的影响 从而进行参数优化 是车辆平顺性设计的一个较好的辅助手段 参考文献 1 ZHANGLijun LEE Changmyung WANG Yansong A study on nonstationary random vibration of a vehicle in time and frequency domains J International Journal of Automotive Technology 2002 l3 3 101 109 2 卢士富 大客车三维模型平顺性模拟计算与试验研究 J 陕西汽车 1988 2 1 11 LU Shifu A study of simulation and experiment on bus ride comfort with 3 dimensional model J Shanxi Automobile 1988 2 1 11 3 林逸 汽车悬架平顺性的初步研究 J 汽车工程 1992 14 3 175 180 LIN Yin A pilot study on ride performance of automotive suspensions J Automotive Engineering 1992 14 3 175 180 4 喻凡 郭孔辉 车辆悬架的自适应与自校正控制 J 汽车工程 1998 20 4