对汽车平顺性的研究 毕业论文.doc

摘要摘要随着生活水平的提高，人们对汽车环境舒适性的要求越来越高。而汽车平顺性又是汽车各项性能中很重要的一个指标，直接影响着汽车的乘坐舒适性，因此对汽车平顺性的研究很有必要。本课题首先介绍汽车平顺性的一些基本知识，然后对作为影响汽车平顺性的重要元件悬架的各个参数做出具体分析，最后建立汽车四自由度模型，直接利用matlab/simulink软件可视化功能对此模型进行仿真分析，从而实现汽车平顺性在汽车系统仿真分析研究中更为简便、快捷。关键词：汽车平顺性；汽车四自由度模型；matlabsimulink；仿真分析abstractabstractwith the improvement of peoples living standards ,the automotive environment is getting higher and higher requirements .the automobile ride comfort is of great importance among all the index of automobile quality, so it is essential to focus on the study of ride comfort. the document will introduce the basic knowledge of automobile ride quality first, and make a brief but full account of all the parameters of the chassis, which is one of the important part of automobile ride comfort, then establish the automobile four freedom degrees vibration model and directly use the matlab/simulink visible function to realize the automobile ride comfort visible simulation ,so it may cause the automobile ride comfort more easy and quick in the automobile system simulation analysis researchkeywords：automobile ride comfort；automobile four freedom degrees model；matlabsimulink； simulation analysis. ii目录目录摘要iabstractii第一章 绪论11.1 课题提出的背景11.2 课题提出的目的和意义11.3 本课题的主要内容2第二章 汽车平顺性的概述32.1 汽车平顺性评价指标32.1.1 评价指标之间的关系32.1.2 评价指标统计数据的处理32.2评价体系的建立42.2.1确定主观权重52.2.2建立判断矩阵52.2.3确定各层次权重和进行一致性检验62.3确定客观权重82.4确定最终权重与逐次求优9第三章 汽车悬架系统对平顺性的影响113.1 悬架刚度123.2 悬架的静挠度123.3 非簧载质量133.4 相对阻尼比14第四章 基于matlab下的汽车平顺性仿真分析164.1汽车动力学模型简介164.2汽车四自由度模型的建立174.3 在matlab环境下建模204.4数据分析214.5在simulink环境下仿真22总结24致谢25参考文献26第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题提出的背景汽车是一种现代化的交通工具，为人们的生产生活提供了极其大的便利和帮助，汽车的逐渐普及，迫使汽车技术快速发展，汽车造型零部件也在不断跟新，汽车的舒适性、安全性、经济性、动力性等等都得到了很好的改善。根据中国汽车工业协会统计的数据，2011年中国建成投产的汽车生产基地的产销量达2000万辆, 汽车工业已成为国民经济的重要支柱.汽车行驶平顺性是指汽车在一般车速行驶时避免振动和冲击保持乘员舒适度的能力,对于货车还包括保持货物在运输过程中完好性的能力。在汽车行驶过程中,如果平顺性能差,驾驶员就会因强烈的振动而被迫降低汽车行驶速度,从而使汽车的平均速度和运输生产率下降。发动机不能在最佳转速运转又会使汽车的燃油经济性变差。振动产生的动载加速机件的磨损,由于动载产生的交变应力会造成机件的疲劳破坏,这些都严重影响汽车的使用寿命。汽车振动时,车轮相对于地面的跳动又会使接地性变差,使附着性能变坏,从而影响汽车的通过性和操纵稳定性,同时影响汽车的行驶安全性。随着人们对平顺性的要求越来越高,汽车平顺性研究的重要性也日益凸显。1.2 课题提出的目的和意义现代汽车除了保证其基本性能，即行驶性、转向性和制动性等之外，目前正致力于提高安全性与舒适性，向高附加价值、高性能和高质量的方向发展。对此，尤其作为提高操纵稳定性、乘坐舒适性的轿车悬架必须进行相应的改进。舒适性是汽车最重要的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。悬架是汽车上的重要总成之一，它把车身和车轮弹性地连接在一起。悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。悬架与汽车的多种使用性能有关，为满足这些性能，悬架系统必须能满足这些性能的要求:首先，悬架系统要保证汽车有良好的行驶平顺性，对以载人为主要目的的轿车来讲，乘员在车中承受的振动加速度不能超过国标规定的界限值。其次，悬架要保证车身和车轮在共振区的振幅小，振动衰减快。再次，要能保证汽车有良好的操纵稳定性，一方面悬架要保证车轮跳动时，车轮定位参数不发生很大的变化，另一方面要减小车轮的动载荷和车轮跳动量。还有就是要保证车身在制动、转弯、加速时稳定，减小车身的俯仰和侧倾。最后要保证悬架系统的可靠性，有足够的刚度、强度和寿命。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架做为车架(或车身)与车轴(或车轮)之间作连接的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。目前, 全世界汽车总量已接近8亿辆, 汽车工业已成为国民经济的重要支柱. 汽车的平顺性指标, 是汽车各项性能中一个很重要的指标, 它的好坏不仅影响到驾驶员、乘员的疲劳程度, 舒适性及货物的安全性, 而且也影响到汽车的燃油经济性和运输效率, 乃至安全问题. 由于供求关系不断变化和现代技术的发展, 人们对汽车行驶平顺性提出了更高的要求。1.3 本课题的主要内容1. 汽车平顺性的概念、重要性、评价指标； 2. 汽车悬架系统对平顺性的影响； 3. 汽车动力学模型介绍； 4. 在matlab环境下建立四自由度动力学模型的方法；5. 在matlab环境下的仿真分析； 25第二章 汽车平顺性的概述 第二章 汽车平顺性的概述汽车行驶时，由于路面不平等因素激起汽车的振动，影响人的舒适性，而且产生动载荷加速零件的磨损，甚至导致疲劳失效。保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定舒适度的性能就是汽车的平顺性。汽车的平顺性指标, 是汽车各项性能中一个很重要的指标, 它的好坏不仅影响到驾驶员、乘员的疲劳程度, 舒适性及货物的安全性, 而且也影响到汽车的燃油经济性和运输效率, 乃至安全问题. 由于供求关系不断变化和现代技术的发展, 人们对汽车行驶平顺性提出了更高的要求。为了对汽车平顺性进行评价以及对悬架参数进行优化选择,根据汽车平顺性的3个评价指标,充分利用主观评价法和客观评价法各自的优点,建立了一个汽车平顺性评价体系. 根据各评价指标的重要性,利用层次分析法,确定它们的主观权重;根据各评价指标的性能统计数据,利用熵值法,确定它们的客观权重;综合主观权重与客观权重,确定各评价指标的最终权重;根据各评价指标的最终权重与性能统计数据计算汽车平顺性的评价值. 该评价体系以逐次淘汰的方式求优,通过最小的评价值与最优的汽车平顺性相对应的方式评选出最优的悬架参数方案,2.1 汽车平顺性评价指标汽车平顺性的主要评价指标是簧载质量加速度a2 ,车轮动载荷fd 和悬架动挠度fd 对汽车平顺性也有影响.2.1.1 评价指标之间的关系对反映悬架力学特性不变性方程进行研究可知:低频段,车轮动载荷与车身加速度的改善具有一致性,而在高频段,它们的改善方向是相反的; 无论在任何频段内,车轮动载荷与动挠度的改善方向是相反的;在低频段和接近悬架固有频率附近,车身加速度和动挠度的改善方向是相反的, 仅在轮胎固有频率附近,它们的改善是一致的. 因此, 汽车平顺性的3个评价指标在悬架参数优化的过程中具有一定的不可调和性.2.1.2 评价指标统计数据的处理簧载质量加速度a2 是主要评价指标;车轮动载荷fd 反映车轮的接地性, 与操纵稳定性有关; 悬架的最大压缩行程| min ( fd ) | 超过限位行程 fd 时,悬架系统的限位就会被撞击而使平顺性变坏.当| min ( fd ) | 小于 fd 时,就不会发生限位会被撞击的情况,此时, 动挠度对平顺性的影响一样,即限位不会被撞击的概率为1;如果| min ( fd ) | 大于 fd ,则可根据 fd 和fd的有效值fd计算限位不会被撞击的概率p,此概率p可以反映动挠度对平顺性的影响, p为 fd 与fd 比值的标准正态分布的概率的积分 ,按下式计算:p = norm cdf ( fd /fd) ( 2-1 )为了消除当| min ( fd ) | fd 时统计量对评价值的影响,以及不使评价指标的描述值出现0值,而避免出现不能计算的显著差异, 这里提出将限位不会被撞击的概率p作为评价动挠度对平顺性影响的统计量. 显然,概率p越大,表明该项指标越优,反之则反.参与汽车平顺性评价的统计量为:簧载质量加速度的最大值max ( a2 ) 与有效值a2、车轮动载荷的最大值max( fd ) 与有效值fd、悬架系统限位不会被撞击的概率p.2.2评价体系的建立反映汽车平顺性的3个评价指标, 由于其各自单位及数量级的不同而存在着不可公度性 , 难以进行比较. 为了消除由于各项指标的单位不同以及其数量级间的悬殊差别所带来的影响, 需要对指标进行无量纲化处理,并确定各指标的权重.对几套悬架参数方案的综合性能进行评比时,各评价指标可按归一化进行同度量化,那么确定各指标的权重就成了建立平顺性评价体系的关键问题.由于主观赋权法是通过专家根据各指标的重要性来确定权重,易受专家主观意识的影响而带来偏差,并具有不反映各指标统计数据的相互关系的缺点;而客观赋权法是根据各指标统计数据的差异性确定权重,它反映各指标统计数据的相互关系,但忽略了各指标的重要性.为了充分利用这两种方法的各自优点, 克服它们各自的缺点,这里采用主客观结合赋权法来确定各指标权重.建立汽车平顺性评价体系的步骤为: 根据汽车最经常的使用工况,获取各评价指标的统计数据,并对统计数据进行处理, 确定参与赋权的各指标的参评数据; 利用层次分析法 , 根据各指标的重要性确定主观权重; 利用熵值法 , 根据各指标的统计数据确定客观权重; 利用主客观结合赋权法确定各指标的最终权重和计算综合评分, 然后采用逐次求优法求取平顺性最优的悬架参数方案.2.2.1确定主观权重层次分析法(ahp)是当前流行的一种多目标规划和决策方法,利用它来对平顺性各评价指标进行主观赋权.利用层次分析法进行主观赋权的步骤为: 构造层次结构模型,建立判断矩阵; 确定各层次权重和进行一致性检验; 确定各评价指标主观权重.2.2.2建立判断矩阵根据平顺性的各指标的参评数据, 可以构造如图1的层次结构模型,令a1ij是指标i与指标j重要性的比较值,表2-1是各比较值与相对重要性对应表. 如果两指标相比的重要性介于两个比值之间,则取: 2,4, 6, 8. a2 是平顺性的主要评价指标 , 因此, 它比fd 和fd 都重要,且fd 和fd 是一样重要.各指标的权a1最大值c1有效值c2最大值c3有效值c4p c5a2/b1fd/b2fd/b3图2-1 层次结构模型表 2-1 指标与指标重要性的比较值指标i/j一样重要略重要比较重要重要很重要a1ij13579根据上述比值关系建立的层次结构模型中的b层的判断矩阵见表2-2.表2-2 层次结构模型中的b层判断矩阵比较值a2fdfda2177fd1/711fd1/711对于a2 和fd 来说,由于评价平顺性时,主要使用的是有效值,即a2和fd比max( a2 ) 和max( fd )重要,它们关系的判断矩阵见表2-3.表2-3 max ( a2 )和max( fd )与a2 和fd 的判断矩阵比较值max ( a2 )和max( fd )a2 和fd max ( a2 )和max( fd )11/7a2 和fd 712.2.3确定各层次权重和进行一致性检验通过计算矩阵的最大特征根及其相对应的特征向量,来确定各因素的权重,并进行一致性检验的步骤为:(1) 计算判断矩阵h 每行元素的乘向量m = m1 ,m2 , ,mn mi =hij； i, j = 1, 2, , n ( 2-2 )(2) 计算乘向量m 的n次方根向量w = w1 ,w2 , ,wn wi = ,i = 1, 2, , n (2- 3 )(3) 计算向量w 的正则向量w =,i = 1, 2, , n (2- 4 ) 则w 为各因素所对应的权重.(4) 计算判断矩阵的最大特征值max = , i = 1, 2, , n ( 2-5 )(5) 检验判断矩阵的一致性计算随机一致性比率cr =(max n)/ri(n-1) ( 2-6 )式中r i为判断矩阵的随机一致性指标, 当n等于2时, ri等于0;当n等于3时, ri等于0158.当cr 0, ej 0. 一般取k = 1 / ln m.(3) 计算第j项指标的差异性系数gj = 1 - ej (2-12)当gj 越大时,指标越重要.(4) 确定权重向量a2 = a21 , a22 , , a25 a2j = (2-13)2.4确定最终权重与逐次求优主客观结合赋权法是一种综合主、客观赋权的结果而确定权重的方法. 设对第j项指标主、客观赋权的权重分别为a1 j , a2 j ,则各指标的最终权重向量a可按下式确定:a = a1 , a2 , , a5 aj = (2-14)从确定客观权重的过程中可以看出, 在利用熵值法进行客观赋权的过程中, 参评方案数的增减会对客观权重造成影响;另外,在悬架参数优化的过程中,求优过程一般使用一对一比较方式进行. 基于上述考虑,在对多套悬架参数方案平顺性的评价中,采用逐次淘汰的方式逐次求优.动挠度的参评统计量限位不会被撞击的概率p对平顺性的影响是:概率p越大,该项指标越优,反之则反;其他4项参评统计量是:该项描述值的数值越小,表明该统计量描述的性能越优,反之则反.为了便于评价,需要在计算各方案的最后评分前进行一致性处理,即让评价指标的描述值代表的优劣性相同. 令参加评比的两套方案的最后评分向量为q,各评价指标的统计量按归一化法所确定的量化矩阵p2 5 = p ( xij ) 2 5 ,则可以通过下式进行一致性处理:q = q1 , q2 qi = a p ( xi1 ) , , 1 - p ( xi5 ) t (2-15)如果最后评分向量中的qi最小,那么第i套悬架参数方案的平顺性较优,此时,就可以淘汰另外一套悬架参数方案;然后将胜出悬架参数方案与剩下的悬架参数方案中的任意一套进行评比, 再次比较淘汰;按照这种逐次淘汰的方式继续求优,最后胜出的悬架参数方案的平顺性就是最优的。第三章 汽车悬架系统对平顺性的影响第三章 汽车悬架系统对平顺性的影响振动产生的动载加速机件的磨损,由于动载产生的交变应力会造成机件的疲劳破坏,这些都严重影响汽车的使用寿命。汽车振动时,车轮相对于地面的跳动又会使接地性变差,使附着性能变坏,从而影响汽车的通过性和操纵稳定性,同时影响汽车的行驶安全性。减少汽车振动除了调整汽车结构本身外,还有两个重要途径:一方面是改善路面,减少振动来源; 另一方面要求车辆对路面不平度有良好的隔振特性。汽车平顺性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内，因此平顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价，对于载货汽车还包括保持货物完好性，他是现代高速汽车的主要性能之一。汽车平顺性可由图3-1 所示的“路面汽车人”系统的框图来分析。路面不平度和车速形成了对汽车振动系统的输入，此输入经过轮胎、悬架、座垫等弹性、阻尼元件和簧载质量、非簧载质量构成的振动系统的传递，得到振动系统的输出时簧载质量或进一步经座椅传至人体的加速度，此加速度通过人体对振动的反应舒适性来评价汽车的平顺性。当振动系统的输出作为优化的目标时，通常还要综合考虑车轮与路面间的动载和悬架弹簧的动挠度，他们分别影响行驶安全性和撞击悬架限位的概率。输入路面不平度车速振动系统弹性元件阻尼元件车身、车轮质量输出车身传至人体的加速度悬架弹簧动挠度车轮与路面之间的动载评价指标加权加速度均方根值撞击悬架限位概率行驶安全性图3-1 “路面汽车人”系统框图汽车前后悬架与其簧载质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。它由悬架刚度和簧载质量所决定。人体所习惯的垂直振动频率约为1 1.6hz。车身振动的固有频率应接近或处于人体适应的频率范围，才能满足舒适性要求。固有频率按下式计算：n=式中：g-重力加速度；f-悬架静挠度；m-悬架簧载质量3.1 悬架刚度悬架刚度（c=mg/f）是指悬架产生单位垂直压缩变形所需加于悬架上的垂直载荷，从固有频率公式可以看出，在悬架垂直载荷一定时，悬架刚度越小，固有频率就越低。但悬架刚度越小，载荷一定时悬架垂直变形就越大。这样若没有足够大的限位行程，就会使撞击限位块的概率增加。若固有频率选取过低，很可能会出现纵向角振动、转弯侧倾角过大等影响行驶安全的问题。悬架的侧倾角刚度和悬架的垂直刚度之间是正比关系，减小垂直刚度的同时使侧倾角刚度随之减小。当汽车受侧向力作用发生车身侧倾时，若侧倾角过大，乘客会感到不舒适、降低行车安全感；如侧倾角过小，车身受到横向冲击较大，平顺性较差，乘客也会感到不舒适，司机路感也不好。整车侧倾角刚度应满足：当车身受到0.4g 侧向加速度时，其侧倾角在2.5 4范围内，前悬架侧倾角刚度应大于后悬架侧倾角刚度，汽车有一定不足转向特性。一般前悬架侧倾角刚度与后悬架侧倾角刚度比应在1.4 2.6 范围内，如前后悬架本身不能满足上述要求或为了提高乘坐舒适性，可在前后悬架中加装横向稳定杆，在不增加垂直刚度的前提下提高汽车操纵稳定性。3.2 悬架的静挠度悬架的静挠度直接影响车身振动的偏频（汽车前、后部分车身的固有频率），在选取前、后悬架静挠度值时，应当使之接近，并希望后悬架的静挠度f c2 比前悬架的静挠度f c1 小些，这有利于防止车身产生较大的纵向角振动，推荐取f c2=（0.8 0.9）f c1。但微型轿车因轴距短使后排座椅接近后轮，为了改善后排乘客的舒适性，常常将后悬架设计的偏软些。表3-1为各类汽车的偏频值和静、动挠度值的一般取值范围，对于舒适性要求高的汽车的偏频值取下限，而对于货车考虑到前后轴荷的差别和避免司机疲劳，前后静挠度值之比要更大些。表3-1 各类汽车的偏频值和静、动挠度值的一般取值范围车型满载时偏频n/hz满载静挠度fc/cm满载动挠度fd/cm前悬架n1 后悬架n2前悬架fc1后悬架fc2前悬架fd1后悬架fd2轿车普通级1.02-1.441.18-1.5812-1410-188-1110-14中级0.91-1.120.98-1.2920-3015-268-1110-14客车1.29-1.897-155-8载货汽车1.51-2.041.67-2.236-115-96-96-8越野汽车1.39-2046-137-133.3 非簧载质量影响汽车平顺性的另一个悬架指标是非簧载质量。汽车的总质量可以分为簧载质量与非簧载质量两部分。由弹性元件承载的部分质量，如车身、车架及其它所有弹簧以上的部件和载荷属于簧载质量。车轮、转向节、非独立悬架的车轴等属于非簧载质量。如果减小非簧载质量可使车身振动频率降低，而车轮振动频率升高，这对减少共振，改善汽车的平顺性是有利的。非簧载质量对平顺性的影响，常用非簧载质量和簧载质量之比m/m 进行评价，此比值越小越佳。表5列出了几种典型悬架的非簧载质量与簧载质量的比例关系。表3-2 几种典型悬架的非簧载质量与簧载质量的比例关系悬架类型非簧载质量/总质量（百分比）簧载质量/总质量（百分比）簧载质量/非簧载质量（百分比）非簧载质量/簧载质量（百分比）双横臂，螺旋弹簧18824.622.0纵臂，螺旋弹簧18824.622.0整体刚性桥，多连杆式，螺旋弹簧22783.528.2整体刚性桥，钢板弹簧26742.835.1汽车轴荷随整车装载质量不同而变化，尤其对于载货汽车的后悬架，空满载时的轴荷相差甚远，如果在预期的载荷变化范围之内悬架具有定刚度，即悬架的弹性特性是线性的，则可能满载时满足偏频要求而空载时偏频过大使平顺性降低，或者是空载时满足偏频要求而满载时动挠度过小，使行驶过程中频繁撞击限位块。为了解决这一矛盾，大客车的悬架与载货汽车的后悬架常采用空气弹簧、变刚度钢板弹簧的办法，使其具有非线性的弹性特性，使空载和满载固有频率保持一定或很小变化。图3-2 所示为理论上的理想弹性特性，具有这种特性的悬架，在任意载荷状况下，系统的固有振动频率都保持不变，即：n（f)=const式中p0设计载荷，n；cs0设计载荷下的悬架刚度，n/mm；f悬架的挠度，mm。3.4 相对阻尼比影响汽车平顺性的另一重要指标是相对阻尼比。当汽车悬架仅有弹性元件而无摩擦或减振装置时，汽车悬挂质量的振动将会延续很长时间，使乘客感到不舒服。因此，悬架中一定要有减振的阻尼力。对于选定的悬架刚度，只有恰当地选择阻尼力才能充分发挥悬架的缓冲减振作用。对于一个带有线性阻尼减振器的悬架系统可以用相对阻尼比来评价阻尼的大小或振动衰减的快慢程度。它表达为：=k-悬架阻尼元件的阻力系数上式表明，减振器的阻尼作用除与其阻尼系数k 有关外，也与悬架刚度及簧载质量有关。不同刚度和不同质量的悬架系统匹配时会产生不同的阻尼效果。为了获得良好的平顺性，典型的相对阻尼比如表3-3所示。表3-3 汽车悬架的偏频及相对阻尼比空气弹簧钢制弹簧轿车载货汽车轿车载货汽车前悬架后悬架前悬架后悬架前悬架后悬架前悬架后悬架偏频n/hz0.50.8081.21.01.21.31.5相对阻尼比0.80.6080.60.40.20.40.3对于不同的道路情况，要求的阻尼力也不尽相同。行驶在平坦的良好路面时，要求悬架有小的阻尼，行驶在坏路时，则要求有较大的阻尼。此外，现代汽车的减振器在压缩行程和伸张行程的阻尼系数k 值也不一样，为充分发挥弹簧在压缩行程中作用，常把压缩行程的阻尼比设计得比伸张小，约为伸张行程的1/2 左右。液压减振器通过阀系的合理设计，可以方便的实现非线性阻尼特性，其阻尼力可以随活塞与钢筒相对运动的方向、速度以及二者之间的相对位置而变化。在设计载荷位置附近增加减振器液的附加通道，以便在良好路面行驶时，使阻尼系数较小以获得良好的平顺性，同时保证在大行程时还能提供足够的阻尼力。 通过对“路面 汽车人”系统的框图来分析影响汽车平顺性的悬架主要参数及评价指标，在进行悬架系统参数设计时，除考虑汽车行驶平顺性外，还要综合考虑对汽车的操纵稳定性、纵向稳定性的影响，并采取措施，在确保行车安全性的前提下提高行驶平顺性。第四章 基于matlab下的汽车平顺性仿真分析随着科学技术的发展，控制理论和系统的研究与应用越来越重要，同时控制系统的结构的复杂程度越来越大，控制效果的要求越来越高，这就需要更高级的控制算法来设计控制器和模拟实验，尤其人工智能技术在现代控制领域中的应用，使得仿真技术对于系统分析、设计、系统理论的研究的作用也越来越重要。仿真的方法和仿真软件的使用是仿真的关键，一种仿真软件如果能提供便捷可靠的分析和设计手段，提供丰富的对象模型库、智能控制算法和优化途径，在设计智能控制算法时，能有简便有效的设计工具，那么这将大大缩短设计所需时间，提高工效。本文就是针对这一想法，在matlab环境下，利用matlab的控制工具箱，simulink图形可视化功能，图形及图像处理功能，设计了本软件包，旨在使使用者能通过该软件包，快速分析设计控制系统，快速调用和设计智能算法，快速优化参数等。4.1汽车动力学模型简介汽车动力学是一门传统的学科。从生产第一辆汽车开始，人们就认识到了ackermann转向以及悬架可以使乘坐更加舒适等基本原理，但那只是一种感知认识，一直到近一个世纪前，人们还没有真正涉及到这个领域的研究。三十年代初期，英国的lanchester、美国的olley、法国的broulhiet等人开始对独立悬架进行研究，并对转向运动学和悬架运动学进行了分析，可以说这是对汽车动力学进行研究的正式开始。一直到四十年代后期，在这一领域的研究没有多大进展。随后十年，是汽车动力学发展的黄金时期。各国学者都认识到，轮胎接地印迹处产生的轮胎力控制着汽车的状态，这使得对汽车动力学的研究向前发展了一大步。六十年代到八十年代，随着模拟计算机和数字计算机的进步，对汽车动力学的研究越来越深入了，对车辆进行建模到了一个全新的阶段。学者们建立了许多复杂的车辆模型和相应的仿真程序，如美国密西根大学建立的十七自由度模型。随着各国学者在这一领域研究的不断深入以及科学技术的发展，汽车动力学不断被赋予新的内容，如对空气动力学的研究，对路面模型的研究，以及后来的主动式悬架、abs系统、自动巡航、自动预测、闭环控制等控制理论在汽车上的应用等。所有这些研究成果，为从事汽车动力学领域的研究工作莫定了基础。我国在汽车动力学领域的研究起步较晚，但由于注重借鉴和吸收国外的研究成果，如今已经基本和国外的研究同步发展。七十年代初期，清华大学、长春汽车研究所开始进行汽车操纵稳定性的研究，研究的工作主要集中在操纵德定性性能指标的评价方法、试验方法及操纵稳定性力学模型的建立、模型的计算方法、性能预测方法和优化设计方法等。力学模型从七十年代研究汽车侧偏和横摇运动的二自由度线性模型，发展到包括侧倾和转向系在内的三至五自由度乃至十三自由度的非线形复合参数模型，其功能也从对汽车稳定性的稳态响应和瞬态响应的分析发展到汽车转弯制动性能的分析。在八十年代，随着多刚体系统动力学在我国的发展，我国学者开始尝试用多刚体系统动力学的方法对刚体系统进行运动学分析，如吉林工业大学的林逸教授建立了对汽车独立悬架中的单横臂及摆柱式悬架进行空间运动分析的通用计算程序;第二汽车制造厂上官文斌等人，采用自然坐标的概念，利用虚功原理建立了汽车转向系统和悬架运动学分析方法。这一时期应用多刚体动力学的研究主要是针对汽车的某一总成(如悬架，转向系)，多刚体模型也是针对这些总成建立起来的。后来，多刚体力学软件(adams)被引入我国，许多学者利用该软件的功能，建立起各汽车总成模型和整车模型，促进了我国应用多刚体系统动力学建立汽车动力学模型的发展.在汽车动力学领域的研究中，吉林工业大学动态模拟国家重点实验室汽车动态仿真器的开发成功，代表了我国在汽车动力学领域研究的最高成就，也使我国成为世界上少数几个掌握汽车动态仿真器技术的国家，标志着我国在汽车动力学领域的研究达到了世界先进水平。4.2汽车四自由度模型的建立设汽车的悬挂（车身）质量为m2，它由车身、车架及其上的总成所构成；车轮、车轴构成的非悬挂（车轮）质量为m1。车轮在经过具有一定弹性和阻尼的轮胎支撑在不平路面上。当汽车对称于其左右车辙的不平度函数x（i）=y（i）时，此时汽车车身只有垂直振动z和俯仰震动。下图为汽车简化成4个自由度的平面模型。k为弹簧刚度，k1为轮胎刚度，c为减震器阻尼系数，z1 和z2分别是车轮和车身的垂直位移坐标。图4-1 车身与车轮双自由度振动模型图4-1描述的模型为双轴汽车四个自由度的振动模型，悬挂质量分配系数=/ab的数值接近1，前后悬挂系统的垂直振动几乎是独立的，对于前轴（或后轴），其运动方程为：当激振频率接近1时产生低频共振，按一阶主振型振动，车身质量m2的振幅比车轮质量m1的振幅大将近10倍，称为车身型振动。当激振频率接近2时产生高频共振，按二阶主振型振动，车轮质量m1的振幅比车身质量m2的振幅大将近100倍，称为车轮型振动。当车轮部分在高频共振区振动时，车身基本不动，可以视为车轮部分单质量在振动。代入复振幅得幅频特性为：其中幅频特性近似式为：车轮部分固有频率为t=,车轮部分阻尼比 t=c/2。从上式可以看出，降低轮胎刚度能使车轮固有频率下降和车轮阻尼比加大，这是减小车轮部分高频共振时加速度的有效方法；降低非悬挂质量m1，使车轮部分固有频率t和阻尼比t都加大，车轮部分高频共振加速度基本不变，但车轮部分动载下降，对降低相对动载有利。由上两式得幅频特性图：图4-2 车轮部分幅频特性从图4-2可以看出：0时，|z1/q|1,z1/qkt/(k+kt)；0时，渐近线斜率为-2:1，车轮部分将高频输入加以滤波；=t时，产生高频共振，在t较小时，会出现尖峰。 4.3 在matlab环境下建模m2f m2rbla图4-3 汽车四自由度模型根据图4-3和以上运动方程，建立matlab/simulink模型，如下：图4-4 汽车四自由度的simulink 模型由以上模型得：系统传递函数为：（其中s=j,j2=-1）车身位移对的频率响应函数为：系统传递函数为：4.4数据分析某车型悬架参数如下：前悬架后悬架m2f(kg)m1f(kg)k2fn/mk1fn/mc2fns/mmr(kg)m1r(kg)k2rn/mk1rn/mc1fns/m2193120210127980114021931202101279801140将悬架参数代入得：4.5在simulink环境下仿真将上述计算结果代入matlab/simulink模型:车轮部分的幅频特性：对系统在matlab程序文件方式下执行以下程序：num=0