（工程力学专业论文）汽车底盘动力学建模与平顺性仿真分析.pdf

汽车底盘动力学建模与平顺性仿真分析 专业：工程力学 硕士生：张志敏 指导教师：宗志坚教授高群讲师 摘要 车辆系统的振动传递理论认为，把路面不平度和车速输入给车辆振动系统，经过轮 胎、悬架、座椅等弹性、阻尼元件和悬挂、非悬挂质量构成的振动系统的传递，得到经 座椅传至人体的加速度，此加速度是人体对振动的反应的主要评价指标。 在i s 0 2 6 3 1 1 及我国的平顺性评价方法的基础上，综合考虑悬架限位碰撞和车轮离 地的概率大小对平顺性的影响，总结出不舒适参数、悬架动行程与轮胎动载荷三个评价 参数。针对电动汽车电池包对振动的要求，补充了电池包不平顺度作为辅助评价参数。 本文以某电动汽车项目为背景，利用a d a m s c a r ，开发了包含电池包和座椅的车 身模板和双连杆后悬架通用模板，基于大部分实车特性参数建立了用于平顺性分析的电 动汽车底盘模型。验证模型正确性之后，进行随机输入与脉冲输入的仿真，并对仿真结 果进行了评价。 利用频域与时域分析相结合的方法，通过简化的汽车底盘动力学模型，分析了弹簧、 减震器的特性对平顺性相关的垂直振动和俯仰运动情况的影响，总结影响趋势，得出了 部分结论。本文从分析悬架弹簧刚度的优化空间入手进行改进试验，提出了改进方案， 并仿真验证。 关键词：动力学建模；平顺性仿真：垂直振动；俯仰运动 巾人学硕+ 学位论文 d y i l a m i c sm o d e l i n ga n dr i d es i m u l a t i o na m a l y s i s o fav e h i c l ec h a s s i s m a j o r ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s n a m e ：z h a n gz h i m i l l s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz o n gz h i ji a n ，l e c t u r e rg a oq u n a b s t r a c t i nt h et h e o r yo f 如l lc 盯t r a i l s 向。r i r 培v i b r a t i o i l ，t h cr o u 曲i n e s so ft h cr o a d 锄dt h es p e e do f c 甜a r ei i l p l l tt 0t h ec a r 讥b r a t i o ns y s t e i i l t h c 证p u t sp 嬲st h ct r a 璐f 打o fv i b r a t i o ns y s t e mt h a t c o 即o s c db yt 的，s u s p e l l s i o l l s e a ta n ds 0o l l ，a n dt h c nt h ea c c e l e l a t i o n 丘o ms e a tt op 嬲s e n g e r b o d yi so u t p u t ，w h i c hc a nb eu s e dt oe v a l u a t et h er e s p o n s eo ft h eb o d yt ot h ev i b r a t i 0 1 1 0 1 1 lt h eb a s j so fi s 0 2 6 3l 一1a 1 1 do u rc o u m d r s “d ee v a l u a t i o ns y s t e l l l ，t h ep a p e r1 1 a sa l s o c o i l s i d e r e dt h ep r o b a b i l i t yo fs t r i k i l l ga n ds 印a r a t i i 玛b e 觚e e nt 的a n dg r o u n d ，s u m m a r _ i z e d t h r e ee 、，a i u a t i o np a r a m e t e r s ，i i l c l u d 证gr m s v | a i u eo fw e 追h t e db o d ya c c e l e r a t i o i l ，r m s v a l u e o fs u s p e i l s i o nw r o r k i n gs p a c ea n d 蛐【1 s v a l u eo fd y l l a m i ct nl o a d f o rr e q u i r e n l e m so f b a t t e 眄p a c kf o rv i b r a t i o l l t h cp a p e rh a sa d d e dr m s v a l u eo fb a t t e 掰p a c ka c c e l e r a t i o na sa c o m p l e m e n t a r ye v a l u a t i o np a r a m e t e r t h ep 印e rh a sb c e nb a s e do na p r o j e c to fe k t r i cv c h i c l e ，u s c da d a m s c 鸱 d e v e l o p e dac h a s s i st e n l p l a t et h a tc o n t a i l l st h eb a t t e r yp a c ka n dt h es e a ta n d ag e n e r i c 研。一l 证k r e a rs u s p e n s i o nt e r l l p l a t e ，b u i ha 缸l le l e c t r i cv e l l i c l ei n o d e lf o rm e a n a l y s i sb a s e do nt h em o s t c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fr e a lv e h i c l e ，a n dt h em o d e ll l a ss i i i m l a t e do nt h er a n d o mr o a da n d p u l s ef o a d a 丘e rv e r i 每近gt h ec o r r e c t n e s so ft h ci n o d e la n ds 幽l a t i o 玛t h ep a p e re v a l u a t e d s i i n u l a t i o nr e s u h s u s i i l gt h em e t h o d so f 丘e q u e n c yd o m a i l la n a l y s i sa n dt i m ed o m a i l la m l y s i s ，t h ep a p e rh a s m a m l ya m l y s e dt h ei i l f l u e n c eo nt h ev e r t i c a lv i b r a t i o n ，p i t c hn 1 0 t i o n 蛋沁ms p r m ga n d d a n 】p e f ，s u m m a r i z e dt h ei 1 1 n u e n c et e n d e n c ya n dd r e ws o i n ec 0 n c l u s i o n s t h ep a p e rh a sl l a d i m p r o v e n l e n tt e s t sw i t ht h eb e g i 蛐i i l go ft h eo p t i l i l 娩a t i o ns p a c ea i l a b ，s i so fs p r i r 玛s t i 航e s s ， b r o u g h t 内刑a r dt h es c h e m eo fi r n p r 0 v i i l gr i d ea n dl l a ss i m u l a t e dt 0v a l i d a t et h es c h e n l e k e yw o r d s ：d y n a m i e sm o d e h n g ； 一d es i m u l a t i o n ；v e r t i c a l 访b 讯t i o n ； p i t c hm o t i o n 论文原创性声明内容 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 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 撰写过的作品成果。对本文的研究作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 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：l 怔酞 日期：妒7 1 年易月砂日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名撤酞导师签名：韵 日期：c 7 年6 月多日日期：妒7 年6 月箩 日 中山大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“中山大学硕士、博士( 硕士) 学位论 文版权使用规定”，同意中山大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中山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，也可采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 翩繇塑 丝互年土月日 第一章引言 1 1 汽车平顺性仿真研究的目的和意义 随着我国经济的高速发展，交通需求的不断增长和汽车工业的快速进步，汽车逐渐 成为人们生活中重要的交通工具。伴随高速公路的不断发展，汽车行驶里程越来越远， 乘客乘坐时间越来越长，用户对汽车行驶平顺性的要求越来越高。平顺性是反映车辆性 能的一项重要指标：车辆振动会导致车上乘员疲劳和货物破损，使零部件过早磨损和疲 劳损坏；车辆的振动是车内噪声的主要来源之一；汽车的强烈振动会使车轮跳离地面， 影响汽车的动力性、制动性以及操纵稳定性；车辆的平顺性不好，会限制汽车经济性的 发挥。保证控制汽车振动在一定范围内，以保证驾驶员在长时间复杂的行驶和操纵条件 下，具有良好的心理和生理状态、准确灵敏的反应，确保行驶安全非常重要。因此，对 汽车平顺性的研究具有很强的现实意义，己得到汽车厂商和设计人员的高度重视。 世界各国在多体动力学和随机振动理论方面的积累以及计算机技术和试验方法的 研究方面的进步，使得汽车平顺性的研究_ t 作得以快速发展。而虚拟样机技术可以使平 顺性研究更为全面、更接近实际使用情况【卜2 】。汽车工业的市场竞争日益激烈，基于物 理样机上的设计验证过程严重地制约了产品设计周期的缩短、质量的提高和成本的降 低，虚拟样机技术应需而生，缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造 质量等优势已经使虚拟样机技术成为汽车企业的一项关键核心技术。随着虚拟样机技术 的广泛应用和逐渐成熟，计算机仿真技术在汽车工业得到越米越广泛的应用，从子系统 设计到整车系统的匹配都采用数字化虚拟样机技术。汽车的车辆动态性能重要性不言而 喻，汽车厂商生产出样车之前，进行动力学建模，并利用数字化样机对车辆的操纵稳定 性、平顺性等性能进行计算机仿真，并优化其参数，可以降低风险，节约成本，所以， 计算机建模及仿真对汽车的设计和牛产具有很强的指导意义。 以虚拟样机技术为核心，以机械系统动力学仿真分析通用软件a d 川s 为开发平 台，考虑车辆结构的详细几何结构参数及各部件实际约束情况，在建模过程中加入悬架 弹簧和减振器的刚度、阻尼以及座椅的弹阻特性，使模型更接近于实车。在验证模型正 确性的基础之上，根据国内外相关标准，对样车进行平顺性仿真分析，为汽车设计和生 巾1 1 1 人学硕十学位论文 产提供参考和指导，从而提高我国汽车产业的研发水平和生产能力。 1 2 汽车平顺性研究的主要内容及研究概况 汽车平顺性研究内容较为广泛，国内外很多学者往年辆的平顺性方面有很多成果。 车辆系统通过对激励的输入产生振动响应，从而将振动响应传给乘员，决定其车辆的乘 坐感受。因此根据振动的传递及响应过程，平顺性研究的主要内容包括对激励来源、车 辆振动响应、人体对振动的反应三个方面的研究【3 1 。汽车平顺性研究的主要内容具体分 为以下几个部分： ( 1 ) 车辆建模。建立既简单又能反映问题实质的车辆模型是研究汽车行驶平顺性的 关键，建模过程中合理的简化非常重要，通常模型自由度数目越多，其仿真结果就越接 近汽车的实际振动规律，但某些参数的不确定性会给计算结果带来误差。此外，试验表 明，车身地板左右或前后的振动很小，对平顺性的影响不到3 ，所以在构造模型时适 当简化可以节省部分参数测定工作。国外车辆相关研究m 】为表明，最简单的单轮模型 也能较为准确地反应车辆的基本行驶特性。对应于简化系统模型的微分方程有线性和非 线性之分，其解法也有时域和频域之分。近年来，国内在车辆建模及平顺性仿真研究上 取得了很大进步，提出了多种简化模型和求解过程。王连明运用模态分析技术建立了1 3 自由度车辆动力学模型，给出了振动形态、车轮动载荷、座椅加速度等参量的计算方法， 可对汽车的行驶平顺性进行预测和评估【7 j 。金睿臣用a d a m s 建立了儿自由度的汽车 非线性振动模型【8 】，用伪白噪声法生成伪随机序列模拟路面不平度，并进行了随机路面 输入的仿真分析。张庆才等人采用多刚体系统建立了7 自由度的汽车振动模型，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【9 】。苏小平运用多体动力学方法 建立整车模型对汽车平顺性进行研究，并开发出一套平顺性仿真优化软件【l 们。乔明侠用 a d 蝴s 建立了整车模型，进行平顺性仿真分析，并把仿真结果与实验结果对比分析l i 。 ( 2 ) 汽车平顺性的评价方法。汽车平顺性的评价涉及人、车、路三个环节，是一个 非常复杂的过程。当前对汽车振动评价主要分为主观评价和客观评价两类。主观评价中， 由于人的自身复杂的心理、生理特征，即使是相同的振动，也需要专门人员进行评价。 客观评价主要考虑车辆的隔振性能，以机械振动的各物理量( 如振幅、频率、加速度等) 作为评价指标，并适当的考虑人体对振动反应的敏感程度来评价汽车的平顺性。 ( 3 ) 路面不平度模型。平顺性研究中，主要考虑路面不平度埘车辆的激励。建立路 面不平度模型有多种方法【1 2 15 1 ，其中，平稳随机过程理论是分析描述路面的传统方法， 它把道路垂直纵断面与道路表面的交线作为路面不平度的样本，通过样本的功率谱密度 函数特征能够表示路面不平度能量在空间频域的分布，以说明路面不平度。目前，国内 2 采用的是国际标准协会在文件i s o 厂r c l 0 8 s c 2 n 6 7 中提出的“路面不平度表示方法草案” 和长春汽车研究所起草制定的“车辆振动输入路面平度表示方法，【1 6 】两个标准，采 用幂函数形式的路面功率谱密度米描述路面特性。 ( 4 ) 求解振动响应。准确可靠而且计算效率较高的振动响应求解方法也是平顺性研 究的重要内容之一。 ( 5 ) 汽车平顺性的影响部件。影响平顺性的部件主要包括悬架、轮胎、座椅以及发 动机悬置等。对悬架中的弹性元件和阻尼元件设计的研究有助于合理匹配刚度参数、阻 尼参数以减小传递函数【1 7 - 1 8 1 ；对轮胎的研究主要是研究轮胎种类、轮胎气压不同的影响 以及轮胎包容特性对汽车平顺性的影响【1 蛇1 】；座椅的振动传递函数对人体的振动影响很 大，研究座椅的刚度和阻尼特性对改善汽车行驶平顺性有很大意义【2 2 】；车速的较高的情 况下，来自发动机的激励影响也很大。 ( 6 ) 实车试验。试验研究作为科学研究的重要手段，对汽车平顺性同样重要，即是 平顺性研究发现问题的主要途径，也是仿真结果的验证手段，可用来全面考核和评价车 辆的各种性能。试车试验的缺点在于由道路条件难于控制而导致试验结果的重复性、可 比性差，相对于仿真分析来讲，实车试验成本相对较高。随着计算机科学的迅速发展， 实车试验的测试工具和手段越来越先进，从2 0 世纪7 0 年代后期以来，我国汽车平顺性 的试验工作有了突飞猛进的发展，先后制定了“汽车平顺性随机输入行驶试验方法”【2 3 1 、 “汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法”【2 4 1 、“汽车悬架系统固有频率和柏对阻尼系数的 测定方法”和“汽车行驶平顺性感觉评价试验方法”等标准，初步构成了一个比较完善 的汽车平顺性试验方法体系。 此外，车辆平顺性研究还包括：主动半主动悬架及其控制，汽车结构动力学模型及 平顺性计算模拟，动力学模型的时频域响应分析，应用模态参数分析理论进行汽车平顺 性分析及对整车参数的动态识别，人椅系统的动态参数识别及其改进，供平顺性评价 用的人体模型的研制，精密测试仪器设备的生产，面向整车系统的数字化虚拟样机技术 垒垒f 2 5 3 0 】 弋r o 1 3 虚拟样机技术概述 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术揉合在 一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行 仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计，提高产品性能的一种新技术【3 1 1 ， 它进一步融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术，支持由上至下的复杂系 统开发模式，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，以缩短产品 3 巾i i f 人学硕+ 学位论文 开发周期，降低产品开发成本，改进产晶设计质量。美国前i 公司总裁i b b e nr r y a n 博士对虚拟样机技术做如下界定：虚拟样机技术是面向系统设计的、应用于基于仿真设 计过程的技术，包含有数字化物理样机、功能虚拟样机和虚拟工厂仿真三个方面内容， 分别用于产品的装配、分析和制造三个环节，并在在产品数据管理系统的基础上实现集 成。功能虚拟样机的实现分为五个过程，分别为建造、测试、验证、改进和自动化。建 造过程也就是功能虚拟样机的建模过程，通常可以先导入产品零件的几何实体模型，再 引入零件有限元模型，然后加上表示系统运动学和动力学特性的约束和力，建立起功能 虚拟样机的模型；测试对功能虚拟样机非常重要，实现测试仿真是功能虚拟样机的重要 目标；验证是通过将虚拟试验的结果与物理试验相对照分析，调整虚拟样机模型参数和 假定，以使功能虚拟样机尽可能接近真实物理实验。改进是根据验证结果对模型精度与 广度的和产品设计本身进行改进；自动化对于缩短产品开发时间、降低产品开发成本至 关重要，这一阶段需要设计者、开发、分析者和试验师的紧密协作。 1 4a d a m s 软件的建模理论基础 a d a m s 是目前是世界上最为权威的机械系统动力学仿真分析软件之一，该软件以 其强大的功能和良好的声誉，成为国内外相关行业中应用最为广泛的建模及仿真分析工 具。本文工作将主要用到该软件的a d 舢s c a r ( 包括a d a m s c a r 黜d e ) 、a d 气m s 厂v i e w 和a d a m s 厂v i b r a t i o n 三个模块。 1 4 1 多刚体系统动力学理论基础 多体系统动力学【3 2 副】作为一种高效率、高精度的分析方法，是a d a m s 软件的核心 理论基础，其研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式的约束连 接，这些约束可以是理想约束、非理想约束、定常约束和非定常约束。a d 舢订s 软件以 笛卡尔坐标和欧拉角参数描述物体的空间位置，以采用吉尔g e a r 的刚性积分解决了稀 疏矩阵的求解问题，a d a m s s o l v c r 提供多种功能成熟的求解器【3 5 3 8 1 ，可以对所建模型 进行运动学、静力学、动力学分析。 a d a m s 程序用刚体f 的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角( 或广义欧拉角) 作为广义坐标，即吼= 【五y ，z ，沙，p ，纠g = 吼r ，9 2 r ，k ，吼r 】r 。a d a m s 采用拉格朗日乘 子法建立系统运动方程： ，、r，、r 嘏j 一嘲枷- 7 胛；r 删 ) 完整约束方程：m ( g ，f ) = o 4 非完整约束方程：o ( g ，g ，f ) = 0 式中：g 一系统广义坐标列阵： q 一广义力列阵； p 对应于完整约束的拉氏乘子列阵； 对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。 系统动力学方程( 1 一1 ) 可化为更一般的形式为： r if ( g ，“，旯，f ) = o i g ( ，g ) = 一g = o( 1 2 ) i ( g ，f ) = o 【 式中：广义速度列阵； g 一广义坐标列阵； g 一描述广义速度的代数方程列阵； 一描述约束的代数方程列阵； “约束反力及作用力列阵； f 一系统动力学微分方程。 如定义系统的状态矢量j ，= 【g7 ，r ，】r ，式( 1 2 ) 可写成单一矩阵方程： ， 、 g iy ，j ，fi = o ( 1 3 ) 1 4 2 振动力学基础 本文丰要使用a d a m s c a rr i d e 及a d a m s 厂v i e wv i b r a t i o n 米分别进行平顺性时域与 频域的分析，需要了解a d a m s 的振动力学基础【3 9 1 。对于单自由度系统，如经典的弹簧 一质量一阻尼系统，质量m 的运动方程有： ；+ 主三+ x 鱼：o 或m a c 主+ 缸：o ( 1 4 ) 式中：工为质量m 的位移，c 为阻尼系数，七为弹簧刚度系数。 根据无阻尼 占l 有频率和阻尼比的定义重写式( 1 4 ) ： z + 2 争z + x = o( 1 5 ) 式中：无阻尼同有频率= 、鱼 y ，l 5 巾1 1 1 人学硕十学位论文 阻尼比f = ；一= _ l 2 砌2 朋峨 可以看出，无阻尼固有频率国。只是弹簧刚度后和质量所的函数，与阻尼值无关。 a d a m s 使用拉普拉斯( l 印l a c e ) 在仿真运行时把模型变换为线性矩阵，再通过特 征值向量( e i g e n v a l u e s ) 计算系统的固有频率和阻尼比，但计算结果与上述计算是等效 的。一般，特征值见由实部( r e a lp a n ) 以和虚部( i m a g i l l a r yp a n ) 乃两部分组成： 兄= 4 + 以，为了求解，设石2 p “，代入式( 1 - 5 ) 中，可得 + 2 分五+ 群= o ( 1 6 ) 于是微分方程( 1 5 ) 的通解为： z = 蜀p 却+ 丑2 p 砧 ( 1 7 ) 式中：且和最为任意常数，决定于运动的初始条件 则特征方程的根为 ，2 = 一分f 2 一l 鸭 ( 1 8 ) ，22 一分士、f l 鸭 t i 一6 j 特征值旯由下式决定： 当阻尼比 f l 或f = 1 时，方程( 1 5 ) 的解表示按指数衰减的响应，这种运动不再 是振动，也不会产生共振之类的问题，对研究振动没有意义。所以当阻尼比大于或等于 l 时为过阻尼或临界阻尼，此时特征值不能被计算即无振动解，阻尼值的结果均报告为 l 。当阻尼比为0 时，表示为刚体模态。 1 5 本文主要研究内容 本文以中山大学现代设计技术中心主持的电动汽车项目为背景，建立用于平顺性研 究的复杂车辆底盘模型，进行平顺性仿真，包括脉冲输入仿真与随机输入仿真，然后对 6 仿真结果进行评价与分析，得出平顺性改进的相关结论。提出改进方案，进行仿真，并 与原车的仿真结果进行对比，验证改进的有效性。 本文丰要的研究内容如下： ( 1 ) 研究平顺性评价方法，基于i s 0 2 6 3 l 与我国的国家法规g b t 4 9 7 0 1 9 9 6 和 g b 厂r 5 9 0 2 8 6 ，确定本文的评价方法，利用不舒适参数、悬架动行程、轮胎动载荷三个 指标进行平顺性的评价，并补充电池包不平顺度作为辅助评价参数。 ( 2 ) 学习a d a m s c a r 建模原理，建立反映车辆真实结构的仿真模型，重点建立后 悬架的模版以及在车身模版中增加座椅和电池包。本文通过实验获得弹簧和减震器特性 参数，力求所建模型与实车接近。 ( 3 ) 对所建车辆模型进行平顺性仿真，包括随机输入与脉冲输入仿真。利用确定的 评价指标，对仿真结果进行评价与分析。重点是在仿真结果的基础上进行平顺性分析， 主要分析了车身垂直振动与俯仰运动的影响因素及其影响趋势。 ( 4 ) 依据上述分析结论，调整原车悬架弹簧和减震器阻尼的特性参数，重新进行仿 真及评价，并确定改进方案。最后对改进后的车辆模型进行各种工况不同速度下的仿真， 并与原车仿真结果进行对比，验证改动的有效性。 7 巾1 1 1 人学硕十学位论文 第二章平顺评价指标的确定 2 1 车辆平顺性的评价方法 平顺性评价涉及到人的主观感觉，其评价非常复杂。国内外很多学者和相关组织对 车辆平顺性评价方法的研究由来已久，并且积累了很多成果。j a n e w a y 在1 9 4 8 年提出乘 坐舒适性系数法【4 0 1 ，后为日本国营铁道所推荐。该方法认为影响人体舒适性的加速度分 为低频、中频和高频，并给出计算评价指标的计算公式。j a n e w a y 准则曲线是基于单一 确定工况而得到，对随机输入的普遍情况欠缺考虑。德国学者d i e c k m a n 提出了k 系数 法，但此标准是在振动试验台上输入正弦激励进行单项振动试验，难以适用于评价随机 振动输入的平顺性情况。1 9 6 1 年d e g o l d m 锄等人将人体简化为具有刚度、阻尼、质 量的集中体系，并分别指出该模型胸腹、头一颈一肩共振和眼球产生共振频率范围。1 9 7 2 年，德国米奇克提出了用座椅垂直加速度的均方根值和整车纵向加速度均方根值来评价 汽车的平顺性，这种方法欠缺对人的主观感觉的考虑。p r a d k o 和l e e 提出的吸收功率法 f 4 1 1 ，用“吸收功率 来评价乘坐舒适性，“吸收功率”为，。数量值，代表人体振动系统 内部所吸收的能量多少，输入给人体各方向的吸收功率可以直接相加。此外还有g r i 胁 教授于1 9 8 6 年提出的“总体乘坐值法 ，美国宇航局的莱利研究中心提出的“单一不舒 适性指数法”等。国内清华大学汽车工程系对平顺性的评价方法进行了较深入的研究。 1 9 7 4 年，国际标准化组织( i s o ) 在综合大量有关人体全身振动的研究工作和文献的 基础上，订出了国际通用标准i s 0 2 6 3 l 人承受全身振动的评价指南【4 2 1 ，后于1 9 7 6 【4 引、 1 9 8 2 、1 9 8 5 、1 9 9 7 年对l s 0 2 6 3 l 标准进行了修订。i s o2 6 3 l ( 1 9 9 1 ) j 标准用加速度 的均方根值给出了在1 8 0 h z 振动频率范围内人体对振动反应的三个不同界限：“暴露 极限、“疲劳一工效降低界限”、“舒适性降低极限”，该标准明确地给出了振动频率、振 动强度、振动方向以及暴露时间对人体感觉的影响，提出了用l 3 倍频带评价方法、总 加权值评价方法及其评价指标。i s 0 2 6 3 1 1 ( 1 9 9 7 ) 【4 5 】标准可以评价长时间作用的随机 振动和多输入点多轴向振动环境对人体的影响，能与主观感觉更好地符合。它在i s o 2 6 3 l ( 1 9 9 1 ) 的基础上，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。此标准仍认为人体对不同频率振动的敏感程度不同，不仪给出了 8 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。 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牮舒适性的评价准则，其中国际标准i s 0 2 6 3 l 法用于评价 振动得到多数人的认同。 我国参考i s 0 2 6 3 l ，确定了g b t 1 3 4 4 2 9 2 人体全身振动暴露的舒适性降低界限和 评价标准、g b 厂r 4 9 7 0 - 1 9 9 6 汽车平顺性随机输入行驶实验方法、g b 7 0 3 1 8 7 车轴 振动输入一路面不平度表示方法等有关汽车平顺性试验标准。其中，g b 厂r 4 9 7 0 1 9 9 6 评价汽车平顺性只考虑了椅面x 。、y 。、z 。这三个轴向。椅面垂直轴向z ，的频率加权函 数m 最敏感频率范围标准规定为4 1 2 5 h z ，在4 8 h z 这个频率范围，人的内脏器官产 生共振，而8 1 2 5 h z 频率范围的振动对人的脊椎系统影响很大。椅面水平轴向t 、y ，的 频率加权函数最敏感频率范围为0 5 2 h z ，大约在3 h z 以下，水平振动比垂直振动更 敏感，且汽车车身部分系统在此频率范围产牛共振。为符合国际标准新的发展趋势，对 人体的评价，仅采用加权加速度均方根值；对货车车厢振动的评价，仍用加速度均方根 值和加速度功率谱密度函数。 对于汽车脉冲输入试验，我国公布了g b t 5 9 0 2 8 6 汽车平顺性脉冲输入行驶试验 方法。由于汽车脉冲输入试验时评价汽车振动的极端情况的，因此用响应得最大值作 为评价指标。而由于试验时可采用多种车速，不同车速的响应值不一样，汽车脉冲输入 试验的评价试验的全面评价用z 一和车速的关系曲线进行。 2 2 本文评价指标的确定 从i s 0 2 6 3 l 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，通常用座椅传递给人体的加速度来表示振动量。以随机输入与 脉冲输入为仿真工况，本文确定评价指标如下。 2 2 1 随机输入仿真的评价指标 对于随机输入仿真，本文确定了四个评价指标：不舒适参数、悬架动行程、轮胎动 载荷【2 5 4 7 】和电池包平顺度，其中不舒适性参数是平顺性评价的主要指标，其他三个附加 指标。不舒适参数体现了人体对振动的反应，悬架动行程体现了悬架撞击限位块的概率， 车轮与路面的动载荷的影响操纵稳定性i 电池包平顺度指标主要用于电池包振动情况的 相对横向比较，结合振动能量的分布情况可以确知振动是否在电池包正常工作的允许范 围之内。各评价参数具体如下： 9 巾人学硕十学位论文 ( 1 ) 不舒适参数 不舒适参数口。( 伽【l 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i s 0 2 6 3 l l ( 1 9 9 7 ) 频率加权后的加速度均方根值。根据i s 0 2 6 3 1 1 ( 1 9 9 7 ) 推荐的加权方法，将驾驶员座 椅处的三个轴向振动的加速度时间历程曲线进行频谱分析，得到三个轴向的功率谱密度 曲线，将每个轴向的功率谱密度曲线分别进行频率加权，得到各轴向的加权加速度均方 根值，然后将各轴向的加权加速度均方根值进行总加权，可得到总加权加速度均方根值， 即不舒适性参数。 具体过程如图2 1 所示： 整牟建模，仿真计算 u 后处理，驾驶员座椅处x ，y ，z 三个方向的 加速度曲线 j | l 驾驶员座椅处x ，y ，z 三个方向的加速度p s d 曲线瓯( 厂) ，g 0 ( 厂) ，g ：口( 厂) u 驾驶员座椅处x ，y ，z 三个方向的加权加速 度均方根值口。，口州，口：， u i 总加权加速度均方根值口m u 平顺性评价指标。及等级 图2 1 不舒适参数的求解过程 f i g 2 一ls o l v i n gp r o c 嚣so fr 1 1 1 s v a l u eo f w e i g l l t e db o d y c e l e 阳t i o n l o 脚呱，= 掰弱 【1 2 5 ( 1 2 5 8 0 ) 叫m c 舻b 菁焉 铲 雎孵( 门瓯( 俏 j ，2 口炒： 壤哆( 伊) 矽 l ，2 铲 瑾孵( 门瓯( 肘 i 2 口。：( 1 4 口。) z + ( 1 4 口。，) 2 + 口，z 1 i 心 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 图2 1 中上面前三个框图的功能可以直接在a d a m s 中实现。在m a t l a b 中编制求解 不舒适参数的程序，将功率谱密度曲线导入m a t l a b 进行计算，即可得到各轴向的加权 加速度均方根值与总加权加速度均方根值。 ( 2 ) 悬架动行程 悬架动行程参数s 解一( r m s v a l u eo f s u s p e 璐i o nw - o r k i n gs p a c e ) 定义为车轮与车 身的位移之差的均方根值，用于描述相对于静平衡位置的悬架位移变化程度。大量的测 试表明，路面的随机输入和汽车的振动响应都基本上符合正态分布。根据随机路面高斯 分布的假设，对线性系统而言，如果输入是正态分布的，其响应也必然是正态分布的。 因而对悬架动行程而言，可以认为在静平衡位置下，车轮与车身相对位移保持在 s 嬲、2 s 臃。、3 s 臃。以内的概率分别为6 8 3 、9 5 4 、9 9 7 。因此用的 大小s 孵。，可以决定在某种路面输入条件下车辆所需的悬架动行程。具体做法是仿真后 在后处理中分别画出车轮与车身的位移曲线并做差，然后偏移距离，即得到相对于静 平衡位置的悬架位移变化曲线，在后处理中可直接得出s 臃。值。其中，为满载平衡 时车轮与车身的位移差，可在整车静平衡分析中求出。本文做法是新建一个r e q u e s t 输 出，定义为车轮与车身的位移之差，在后处理中直接得到车轮与车身的位移之差曲线， 提高效率。 ( 3 ) 轮胎动载荷 轮胎动载荷参数d 死，。( r m s v a l u eo f d ) ，l l a m i ct hl o a d ) 定义为相对于静平衡位 巾1 1 1 人学硕十学位论文 置的轮胎载荷变化的均方根值，可用来评价轮胎附着能力。轮胎具有弹性，轮胎载荷的 变化必然引起地面接触印迹面积变化，并导致侧向力和制动力的减小，从而影响轮胎附 着能力。如果轮胎的法向载荷保持稳定，则可获得较大的轮胎力；若轮胎动载荷波动增 加，随着轮胎跳动的加剧，轮胎抓地能力将随之减弱。在车轮对地面的垂直载荷减小的 瞬时，侧向附着力相应减小，接地性变差，容易引起侧滑。轮胎动载荷的具体求法：仿 真后在后处理中画出轮胎受力曲线，偏移距离，即得到相对于静平衡位置的轮胎载荷 变化曲线，利用后处理功能可直接得到d 死。值。其中，为满载平衡时车轮受力值， 可在静平衡分析中直接得到。 ( 4 ) 电池包不平顺度参数 电池包不平顺度参数口。由( r 1 i l s v a l u eo f b a t t e 巧p a c ka c c e l e r a t i o n ) 定义为经过合理 加权的电池包的垂向加速度均方根值，用以描述电池在竖直方向上的振动情况。汽车在 行驶过程中，安装与车身的电池包必然受到振动，而所受振动的频率范围必须保证不会 影响到电池的充放电性能，并且由振动所引起的电压和温度变化都必须是在一个允许的 范围之内。本文参考实车所用的电池为锂电池，产品说明中规定电池所受振动频率不能 超过3 5 h z ，即该电池的共振频率集中于3 5 h z 左右。 我国汽车行业标准q c 厂r7 4 3 2 0 0 6 【4 7 】巾给出了电动汽车用锂离子蓄电池的耐振动试 验方法，该试验方法只考虑电池的上下单振动。本文依据此标准，参考g b t 4 9 7 0 1 9 9 6 中的l 3 倍频带分别评价方法，建立了参数口。也。电池包的垂向加速度以及垂向加速度 功率谱密度曲线都可以直接从a d - 蝴s 后处理中画出，而要得到垂向加速度的加权加速 度均方根值，我们只需要根据电池的频幅特性构造出加权函数。本文构造锉电池的加速 度加权函数为： 彬( 厂) = 厝 l 朝 f 。 对应的电池包垂向加权加速度均方根值为： 铲 e 孵( 门g ：口( 俏 l ，2 ( 2 - 7 ) 由于电池包不平顺度参数口曲的指标限值目前尚无文献标准可查，故口曲主要用于 不同工况下电池包平顺度的横向比较。口。由的具体求法是：首先在m a t l a b 中编制求解电 池包不平顺度参数的程序；用a d 蝴s c a r 在车身模板r f l 新建r e q u e s t ，用来输出电池包 1 2 回 一 2 功 乃 3 ，j ) 广 ， 9 3 7 n o p 的加速度；仿真后在后处理中得到电池包的垂向加速度功率谱密度曲线，将其导入 m a t l a b 进行计算得到口。 值。 此外，本文为了定性地评价电池包所受振动量是否超出允许范围，采用如下方法： 平顺性研究的主要是车辆的低频振动，可以通过查看电池包获得的加速度曲线转换为功 率谱密度曲线之后，其能量分布是否主要分布在3 5 h z 以下的振动范围内，如果是，那 么可以知道电池包的平顺度良好，否则即需要进一步调整。 2 2 2 脉冲输入仿真的评价指标 对于脉冲输入的评价，按照国家标准g b 厂r 5 9 0 2 8 6 ，用座椅传递给人体的最大的( 绝 对值) 加速度响应与车速的关系曲线来评价。同时要考虑脉冲输入仿真中，电池包受到 的最大加速度响应是否超过其允许范围。 中i l f 大学硕十学位论文 第三章汽车底盘建模 3 1a d a m s c a r 建模基本原理 a d a m s c 盯是a d m s 软件的一个用于车辆动力学建模和仿真分析的专用模块， 是由m d i 公司与a u d i 、b m w 、r e m u n 和v o l v 0 等公司合作开发，集成了几个公司在 汽车设计和开发方面的专家经验。a d 州s c a r 作为一个成熟的整车设计软件包，可以 帮助用户快速建造高精度的整车虚拟样机，其中包括车身、悬架、传动系统、发动机、 转向机构、制动系统等，可以驱动模型在各种典型工况下进行仿真试验，并通过高速动 画直观地显现仿真过程中的动力学响应，仿真输出位移、速度和加速度等各剩- 特征参数， 这些参数可以用来分析车辆的操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性。 a d a m s c a r 的建模分三个层次：模版( 脚l a t e ) 、子系统( s u b s y s t e m ) 和总成 ( a s s e i n b l y ) 。用户首先用a d a m s c a r 建立模板，然后子系统是基于模板而建立，最 后一系列的子系统加上一个试验台( t e s t 啦) 就构成了整车总成，其中t e s t 堍的作用是 给模型施加各种力或运动激励。如图3 1 所示为a d a m s c 盯的建模流程图，其建模顺 序是自下而上的。模板是整个模型的基础，子系统建立在模板的基础之上，所有的分析 模块都是建立在子系统基础之上。 整车总成：一系列子系统加试验台( 激励源) 介 l 子系统：模板的具体化，调整模版某些特性 介 l 模版：定义牟辆模犁的拓扑结构 图3 1a d a 惦c a r 建模流程图 f i g 3 - lm o d e l i n gn o wc h a no f a d 削s c a r 1 4 3 2 悬架模舨的建立 本文建模所参照的原型是中i i 大学现代最计技术中心开发的实车e c u v ，该车前 悬架采用麦弗逊式悬架，后悬架采用双连杆悬架，都属于独立悬架。因为a d a m s 自带 了麦弗逊式前悬架的模板，所以只需要通过测量e c u v 所得到的硬点啦标米修改模板， 即可得到前悬架子系统，建摸过程相对简单。本文重点通过自行开发双连杆后悬架通用 模板并建立子系统的过程米介绍a d a m s 的一般建模流程和悬架的一般结构。 本文建模所需的部件位置和质量参数均从e c u v 的s o l i d w ) r k s 模型中得到。在 a d a m s ，c 盯的模版中各部件的连接是用铰链和衬套来实现的。在进行运动学模式的 仿真时系统只使用铰链进行分析，当转换剑弹性运动学模式时，衬套才被调用。 3 2 1 双连杆后悬架简介 双连杆式后悬挂是属于一种麦弗逊式悬挂系统，由两根连杆所够成的低臂与伸向前 方的支柱所构成之形式，如图3 2 所示轮胎传来的上下力量传到支柱，而左右传来的 力量则传到低臂，多采用在小型车的悬挂系统上。双连杆式后悬挂属于独立悬挂系统。 独立悬挂汽车的两侧车轮彼此独立地与车身相连，因此从使用过程米看，当一侧车轮受 到冲击、振动后可通过弹性元件自身吸收冲t l i 力，这种冲- ir 力不会波及另侧车轮，可 在车型的设计之初通过适当的调校使汽车在乘华舒适性、稳定性、操纵稳定性i 方而取 得合理的配置。 图32 双连杆1 1 = 后怂_ e i = 示意削 f l g3 - 2s c h m i l cd i a p mo f m o - l l l l k s ”p “ 3 2 2 双连杆式后悬挂结构分析与约束简化 蕊蓬| ( 1 ) 结构分析 取连杆独立后悬架( 右侧) 包括：副车架、后摆臂、前摆臂、轮毂、纵向推杆、支 撑臂、减震器和弹簧如图3 3 所示。其一l - ：轮毂和纵向推杆之间是通过转动铰相连。 支撑臂和减震器f 活塞杆固连。减震器f 活塞杆和上活塞杆之间是通过圆柱铰相连。 ( 2 1 约束简化 如蚓3 4 所示，根据双连杆式后悬挂各部