基于MATLAB∕SIMULINK的客车振动特性的研究.pdf

第5 0 卷第4 期 V 0 1 5 0N o 4 农业装备与车辆工程 A G R I C U L T U R A LE Q U I P M E N T V E H I C L EE N G I N E E R I N G 2 0 1 2 年4 月 A p t 2 0 1 2 d o i 1 0 3 9 6 9 巧 is s n 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 2 0 4 0 0 6 基于M A T L A B S I M U U N K 的客车振动特性的研究 赵文杰 王浩 2 3 0 0 0 9 安徽省合肥市 合肥工业大学机械与汽车工程学院 摘要 以国产某型号客车为例 以模态分析理论相关知识为基础 对客车的轮胎 车身 悬架系统 发动机体以 及发动机悬置等部件进行简化并建立六自由度振动模型 然后根据所建立的六自由度振动模型在M A T L A B S I M U L I N K 中建立仿真模型并进行实模态分析 在保持一定的路况 车速和发动机转速不变的情况下得到不改 变任何参数时的车身加速度功率谱曲线 通过改变悬架系统和发动机悬置的相关参数 得到相应的车身加速度 功率谱曲线 将改变参数后的车身加速度功率谱曲线分 0 和原来的车身加速度功率谱曲线进行比较 分析这些 参数对客车振动特性的影响 从而为客车的减振降噪提供必要的依据 关键词 客车六自由度 仿真模型 加速度功率谱 振动特性 中圈分类号 U 4 6 9 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 2 0 4 0 0 2 2 0 5 T h eR e s e a r c ho fB u sV ib r a t io nP e r f o r m a n c eB a s e do n t A T L A B S 订U L I N K Z H A OW e n j ie W A N GH S c h o o lo fM a c h in e r ya n dA u t o m o b ileE n g in e e r in g H e f e iU n iv e r s it yo f T e c h n o lo g y H e f e iC it y A n h u iP r o v in c e2 3 0 0 0 9 C h in a A b s t r a c t T a k in gac e r t a ind o m e s t icb u sf o re x a m p le b a s e d0 1 1r e le v a n tk n o w le d g eo fm o d a la n a ly s is t h et ir e s b o d y s u s p e n s io ns y s t e m e n g in ea n de n g in em o u n t in gs y s t e mo ft h eb u sa r es im p lif ie dt oe s t a b lis ht h ev ib r a t io nm o d e l w it hs ixd e g r e e s o ff r e e d o m t h e na c c o r d in gt ot h ee s t a b lis h e dv ib r a t io nm o d e lw it hs ixd e g r e e so ff r e e d o m as im u la t io nm o d e liss e tu pw it h M A T L A B S I M U L lN Kt od or e a lm o d a la n a ly s is U n d e rt h es it u a t io nw h ic hm a in t a in sf ix e dr o a dc o n d it io n v e h ic les p e e da n d e n 西n er e v o lu t io n itisg o tt oo b t a ina c c e le r a t io np o w e rs p e c t r a lc a lv e sw it h o u tc h a n g in ga n yp a r a m e t e r B yc h a n g in gt h er e le v a n t p a r a m e t e r so fs u s p e n s io ns y s t e ma n de n g i em o u n t in gs y s t e m t h ec o r r e s p o n d in ga c c e le r a t io np o w e rs p e c t r a l c u r v e so fv e h ic le b o d ya r eg a in e d T h ec h a n g e da c c e le r a t io np o w e rs p e c t r a l c m v c Sa r ec o m p a r e dw it ht h eu n c h a n g e do n e t h ein f lu e n c eo ft h e s e p a r a m e t e r so nv ib r a t io np e r f o r m a n c eisa n a ly z e d a n dan e c e s s a r yp r o o fisp r o v id e dt or e lie v et h ev ib r a t io na n dn o is eo nb u s K e y w o r d s s ixd e g r e e s o f f r e e d o m s im u la t io n m o d e l a c c e le r a t io np o w e rs p e c t r a l v ib r a t io n p e r f o r m a n c e O 引言 客车行驶时主要受到来自内部的发动机激励 和外部的路面不平度激励 从而引发车身振动 产 生较大噪音 影响乘坐舒适性 特别是当客车的振 动频率在人体共振区附近时 对舒适性的不利影 响更为明显 悬架系统和发动机悬置能有效吸收 与衰减来自路面的振动并保持车身姿态的稳定 对车辆平顺性能的改善有着极大的作用 因此 对客车的振动特性进行研究 分析悬架系统和发 动机悬置对振动特性的影响 是客车进行减振动 优化设计的前提 对提升客车整体的舒适性具有 实际意义 本文运用实模态分析的相关理论 对客车进 行自由度分析 简化客车部件 建立客车六自由度 收稿日期 2 0 1 2 0 1 1 1 半车模型 根据所建立的振动模型在M A T L A B S I M U L I N K 中建立仿真模型 依据加速度功率谱 曲线来探讨悬架系统和发动机悬置的相关参数对 客车振动特性的影响 找出对振动影响较大的结 构和参数 优化客车的振动特性 尽量避免振动出 现在人体的共振暖 C z l 从而提高客车的舒适性和 平顺性 1 模态分析理论 模态分析即是指将在线性定常系统下建立的 振动微分方程组 转换为模态坐标下的方程组 在 模态坐标下 解耦方程组 变成一组独立方程 该 方程是用模态坐标以及模态参数来进行描述的 对一个 7 自由度线性定常系统 其动力学方 程可表示为 肘 x t c 石 t l 眉 f 菇 掀 1 第5 0 卷第4 期赵文杰等 基于M A T L A B S I M U L I N K 的客车振动特性的研究2 3 式中 膨 置 C 系统的质量矩阵 阻尼 矩阵 刚度矩阵 通常 肼 为正定矩阵 K 为实系 数对称矩阵 它对于无刚体运动约束的系统是正 定的 对于有刚体运动约束的系统是半正定的 菇 t 正 x f 节点加速度 速度 位 移 厂 外界激振力 坐标采用的是系统物理坐标 在 l很大时 式 1 就会很难求解 模态分析的计算求解过程是把 基于系统物理坐标的微分方程转换成为基于模态 坐标的相对独立的微分方程 再通过求解解耦 获 取模态参数 而系统的模态坐标则对应的是该系 统无阻尼时的主振型 求出模态参数后 再通过公 式运算 求出物理参数 对式 1 进行傅里叶 F o u r ie r 变换 置 呦2 f M j t o C1 x lo 只 2 作为线性系统 基于以上介绍的模态分析的 假设 各个阶次模态响应具有可叠加性 对于系统 中的任一点 它的各个阶次模态响应的线性组合 就是该点的响应值 可以得第i点的响应为 辑 咖跚 3 1 式中q j c a 第 阶模态坐标 西i广一第f 个 测点第 阶模态振型系数 所谓第r 阶模态向量就 是由凡个测点的机 其中i 1 2 n 组成的列 向量 pk r 咖 虹 机 F O 由各个阶次模态向 量 pJ r l 2 n 组成的矩阵称为模态矩阵 表示为 pJ 妒 妒 PJ 4 令 Q q t g z 甜 g 因此系统响应列向量可以表示成为 x I 妒 Q 5 将式 5 带到式 2 得 置 喇2 M j 埘 c f 垆 Q F c a 6 当系统的振动为无阻尼自由振动时 式 6 可 写为 f I K 叫2 M p1 Q o 7 式 7 有解的条件为 f 置 刊2 M1l o 8 如想求得系统固有振型 p 由式 8 先求出 系统固有频率为Z 剐 2 仃 再代回式 6 为了得 到正则坐标下的主振型 通常按质量规一化将固 有振型 p 正则化 3 2 客车振动模型的建立 本次车辆振动模型的建立中涉及轮胎 悬架 系统 车身 发动机悬置以及发动机体几个部分 由于轮胎的阻尼对车辆振动影响较小 可以忽略 不计 因此在建模时 只考虑轮胎的刚度 而将轮 胎简化为一个线性质量弹簧系统 悬架系统主要 包括减振器和弹性元件 在此将减振器简化为线 性的阻尼元件 弹性单元简化为无质量的线性弹 簧 车身简化为具有一定质量和绕横轴转动惯量 的几何体 发动机悬置简化为具有一定刚度的线 性弹簧 忽略其阻尼 发动机与车身相类似 简化 为具有一定质量和绕横轴转动惯量的几何体 根 据以上分析 由此 所建立的客车六自由度半车模 型 如图1 所示 图1 六自由度动力学模型 F ig 1D y n a m icm o d e lw it hs ixd e g r e e so ff r e e d o m 模型相关参数 m m 广车辆前后轴的非悬 挂质量 m 卜车身质量及车身绕横轴的转动 惯量 m 4 卜发动机总成质量及发动机总成绕 横轴的转动惯量 k 而厂 前后轮胎的等效刚度 I 后广前后悬挂系统的等效刚度 k 七广发 动机总成前后悬置系统的等效刚度 G C 广 前 后悬挂系统的等效阻尼 g g 广前后轮路面不 平度激励 p 发动机垂直方向激振力 p 厂 发动机绕横轴的激振力矩 z l 非悬挂质量 7 1 垂直位移 z 卜非悬挂质量m 2 垂直位移 舀一车身质心垂直位移 舀一车身质心绕横 轴转角 卜发动机总成质心垂直位移 舀一 发动机总成质心绕横轴转角 另用厶 k 分别表 示汽车质心与前后轴之问的距离 L g B k 分别表 示汽车质心与发动机总成的前后悬置系统之间距 农业装备与车辆工程 2 0 1 2 年 离江眠玩分别表示发动机总成质心与发动机总 成的前后悬置系统之间距离 该客车的相关参数 如表1 裹1 客车的相关参数 T a b le1T h er e le v a n tp a r a m e t e r so fb u s 3 模型仿真分析 根据所建立的振动模型 在M A T L A B S I M U L I N K 中建立仿真模型 如图2 所示 圈2 六自由度仿夏模型 F ig 2 S im u la t iv em o d e lw it hs ixd e g r e e so ff r e e d o m 采用B 级路面进行仿真 由于该车在高速时 振动较为明显 不利于观察 因此只选取在车速为 7 0 k m h 发动机转速为1 7 0 0 r r a in 下的情况 此时 的车身加速度功率谱如图3 所示 疑率 图3 车身加速度功率谱曲线 F ig 3A c c e le r a t io np o w e rs p e c t r a l c u r v eo fv e h ic leb o d y 3 1 悬架系统刚度对车辆振动的影响 见图4 将客车前后悬架系统的刚度分别增加及减少 1 4 仿真分析车身垂向加速度功率谱 检验悬架 刚度变化后对客车振动的影响 糍率 H 2 a 前悬架刚度增加1 4 I n c m j in g1 4r ig id it yo ff r o n ts u s p e n t io n 频率 H z b 前悬架刚度减少1 4 b D e c r e a s in g1 4r ig id it yo ff r o n ts u s p e n t io n 赣率订 I z c 后悬架刚度增加1 4 c I n c r e a s in g1 4r ig id it 0 fl 8 1 rs u s p e n t io n u lu 2 03 0 4 05 0 删7 0挪钟1 0 0 顿率 l lz d 后悬架刚度减少1 4 d D e c r e a s in g1 4r ig id it yo fl e a rs u s p e n t io n 图4 悬架刚度对车辆振动的影响 F ig 4T h ein f lu e n c eo fs u s p e n t io nr id ig it y0 1 1v e h ic le v ib r a t io n 通过图4 a d 与图3 比较 可以看出 1 前 后悬架刚度的改变对车辆的振动有比较明显 一 ljvv 倒掌密静霄珏倒曩 悼 皇 一v 越船整 雷越馏晨 H墨 一n一一 趟精密静督恻增量 第5 0 卷第4 期 赵文杰等 基于M A T L A B S I M U L I N K 的客车振动特性的研究 2 5 的影响 且后悬架刚度比前悬架刚度影响大 后悬 架刚度增加时 加速度功率谱的峰值增大 振动有 增强的趋势 而后悬架刚度减小时 振动呈减弱的 趋势 2 前悬架刚度增加时 振动减弱 刚度减小 时 振动增强 功率谱曲线变化不是十分明显 其 影响较小 3 2 悬架阻尼对车辆振动的影响 依次改变前 后悬架阻尼的数值 仿真分析车 身垂向加速度功率谱 检验其变化后对客车振动 的影响 见图5 通过图5 p d 与图3 比较 可以看出 1 后 悬架阻尼的改变对车辆振动的影响要大于前悬架 阻尼对其的影响 前悬架阻尼增加时 加速度功率 谱峰值稍微减小 振动减弱 前悬架阻尼减小时 加速度功率谱峰值稍微增加 振动增强 2 后悬 架阻尼增加时 O I H z 内峰值明显减小 但4 一 晕 窀 专 嚣 整 鲁 巷 馏 量 频率 H z a 前悬架阻尼增加1 1 4 a ln e r e a s in g1 4d a m p in go ff r o n ts u s p e n t io n 频率 地 b 前悬架阻尼减小1 4 b D e c r e a s in g1 4d a m p in go ff r o n ts u s p e n t io n 糍率 I k c 后悬架阻尼增加I 4 c I n c r e a s in g1 4d a m p in go fr e a rs u s p e n t io n d 后悬架阻尼减小1 4 d D e c r e a s in g1 4d a m p in go fr e a rs u s p e n t io n 图5 悬架阻尼对车辆振动的影响 F ig 5T h ein f lu e n c eo fs u s p e n t io nd a m p in g0 1 1 v e h ic lev ib r a t io n 1 2 5 H z 频段内加速度功率谱曲线明显增大 影响 乘坐舒适性 后悬架阻尼减小时 加速度功率谱峰 值增加 振动增强 3 3 发动机悬置刚度对车辆振动的影响 依次改变发动机悬置刚度的数值 仿真分析 车身垂向加速度功率谱 检验其变化后对客车振 动的影响 见图6 通过图6 a d 与图3 比较 可以看出 1 发 动机前 后悬置刚度的改变对车辆的振动影响较 大 尤以对4 1 2 5 H z 频段内的峰值影响明显 由 于人体对这一频段振动较为敏感 对此主要分析 发动机悬置刚度对这一频段内峰值的影响 通过 至 毪 柱 拯 胥 嚣 魁 馏 暑 01 0 帅 6 07 0舯 9 0 1 0 0 赣亭 lh a 发动机前悬置刚度增加I 4 a I n c r e a s in g1 4r ig id it yo ff r o n tm o u n t in g 频率A I t b 发动机前悬置刚度减小1 4 b D e c r e a s in g1 4r ig id it yo ff r o n tm o u n t in g 农业装备与车辆工程 2 0 1 2 年 HH j 一 一一一 一 1 一 i 4 k 01 0 3 0柏 o 加加帅I 翱摩 F I r C 发动机后悬置刚度增加1 4 c I n c r e a s in g1 4r ig id it yo fr e a rm o u n t in g 碾翠 I lz d 发动机后悬置刚度减小1 4 b D e c r e a s in g1 4r ig id it yo fr e a rm o u n t in g 图6 发动机悬置刚度对车辆振动的影响 F ig 6T h ein f lu e n c eo fe n g in em o u n t in gr ig id it y o nv e h ic lev ib r a t io n 比较可以发现发动机后悬置刚度的改变对车辆振 动的影响要大于前悬架刚度对其影响 2 发动机 前悬置刚度无论增加还是减小 4 1 2 5 H z 频段内 的峰值都在增大 振动增强 发动机后悬置刚度增 加时 该频段内的峰值明显减小 振动减弱 但当 刚度增加时 峰值明显增大 振动加强 4 结论 1 通过建立客车的六自由度动力学模型 较 为真实地反映了客车实际行驶时的振动情况 运 用M A T L A B S I M U L I N K 仿真建模并进行参数化 分析 得到了不同参数下客车的振动特性情况 有 利于优化参数 改善客车舒适性 2 客车的后半部分车身对振动的影响较大 若要进行减振 应首先考虑车身的后半部分 可通 过减小车辆后悬架刚度 增加发动机后悬置刚度 而对于后悬架阻尼 因此应当综合考虑 适当调 整 以期达到两方面的平衡 参考文献 l 罗凯杰 张良 空气悬架客车平顺性分析与优化 J 汽丰科 技 2 0 11 4 3 7 4 0 L u oK a i j ie Z h a n gL ia n g R id eq ll8 lit ya n a ly 9 isa n do p t im im t io nf o rac o a c h 啡u ip e dw it ha irs u s p e n s io n J j A u t oM o b ile S c ie n c e T e c h n o lo g y 2 0 1I 4 3 7 0 2 万棚程 陈剑刑用C A E 方法分析某客车整车共振问题 J 噪声和振动控制 2 0 0 7 1 5 4 5 6 W 口P e n g c h e n g C h e nJ ia n A n a ly s isO nt h ew h