（车辆工程专业论文）半挂汽车列车全浮式驾驶室悬置系统优化设计研究.pdf

武汉理工大学硕十学位论文 摘要 本文首先论述了国内外关于商用车驾驶室平顺性的研究概况，分析了目前普 遍的研究方法和研究现状，探讨了针对商用车驾驶室悬置系统研究和设计的不 足，发现针对半挂汽车列车驾驶室平顺性的研究极其少见，于是提出了以刚柔多 体动力学理论和随机振动理论相结合的方法，对半挂汽车列车驾驶室悬置系统的 隔振性能进行优化设计研究。 随后对用以车辆平顺性研究的多刚体动力学和多柔体动力学理论进行了阐 述，结合随机振动理论和车辆振动评价的相关标准建立了整车振动分析的评价标 准模型，并对动力学仿真分析软件a d a m s 进行了简单介绍。 在此基础上通过分析某半挂汽车列车整车结构特点和主体部件的振动特性， 认为车架的柔性对整车的平顺性应具有较大的影响，于是提出了将车架进行柔性 化处理的整车建模方法。结合整车悬置系统的结构特点和在a d a m s 软件中建 立柔性体的建模方法，建立了包含柔性车架在内的整车刚柔多体驾驶室悬置系统 仿真模型。并为了驾驶室悬置系统优化设计的需要，保证相关参数值在一定范围 内可变，通过建立参数变量的方法，得到了整车的参数化仿真模型。 在对柔性车架的动态特性分析的基础上，结合实车结构参数对整车多体系统 模型进行了模态分析和响应分析。通过模态分析，得到了整车系统的模态频率和 模态振型；通过力学响应分析，得到了整车系统响应的频响函数曲线和振动观测 点的加速度p s d 曲线。通过在a d a m s 软件中实现网络滤波加权，可以得到观 测点加权后的加速度均方根值，并结合车辆振动评价标准模型对整车平顺性进行 了评价。将柔性车架的自由模态和刚柔多体整车系统及多刚体整车系统响应分析 的结果进行对比分析可以发现，车架柔性对整车平顺性的影响是很显著的。 最后建立了针对驾驶室悬置系统与主悬架系统参数优化设计的数学模型，以 驾驶室座椅处垂直方向的加速度均方根值最小为目标进行了优化设计。优化结果 显示，对驾驶室悬置系统与主悬架系统参数的优化是成功的。 本文的研究不仅为企业进行驾驶室悬置系统的设计提供了参考和依据，而且 为以后相关刚柔多体问题的车辆建模研究、结果分析评价和优化设计等方面提供 了新的思路和可行的具体路线，为同类研究提供了良好的借鉴。 关键词：驾驶室悬置刚柔多体动力学振动优化 武汉理工大学硕十学位论文 a bs tra c t t h i sp a p e rf i r s ts u m m a r i z e st h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o ni nc o m m e r c i a lv e h i c l e c a br i d ec o m f o r t ，a n a l y z e st h er e s e a r c ha c t u a l i t i e s ，a n dd i s c u s s e st h ew e a k n e s si n d e s i g nt h e ng e t sac o n c l u s i o nt h a tt h er e s e a r c h e so nt h ec a br i d ec o m f o r to f s e m i t r a i l e r - t r a i na r er a r e t h e np u tf o r w a r dt ou s et h et h e o r i e so fm u f t i - b o d y d y n a m i ca n dr a n d o mv i b r a t i o nt oa n a l y z ea n do p t i m i z et h ea b i l i t yo fi s o l a t i n g v i b r a t i o nf o rc a bs u s p e n s i o ns y s t e mo fs e m i - t r a i l e r - t r a i n s u b s e q u e n t l y , t h em u l t i - b o d yd y n a m i ct h e o r i e sr e l a t e dt ot h ev e h i c l ec a br i d e c o m f o r tr e s e a r c ha r es t u d i e d t h ew h o l eb o d yv e h i c l er i d ec o m f o r te v a l u a t i o n p r i n c i p l ei se s t a b l i s h e db a s e do nt h er a n d o mv i b r a t i o nt h e o r ya n dt h es t a n d a r do f v e h i c l ev i b r a t i o n a n dt h ea d a m sm a ti su s e dt ot h es t i m u l a t i o no ft h ev e h i c l e v i b r a t i o ni si n t r o d u c e ds i m p l y a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fs e m i t r a i l e r - t r a i n s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r t s v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，p u tf o r w a r d 幻b u i l dm u l t i b o d yv e h i c l ev i b r a t i o ns i m u l a t i o n m o d e li n c l u d i n gt h ef l e xf r a m e o nt h eb a s i so fc o n s i d e r i n gt h es t r u c t u r e so fm a i n s u s p e n s i o na n dc a bs u s p e n s i o n ，ap a r a m e t r i c a lm u l t i b o d yv i b r a t i o ns i m u l a t i o nm o d e l i sb u i l tw h i c hc o u l dc o m et r u et h eo p t i m i z a t i o no ft h em o d e la c c o r d i n gt oc h a n g i n g t h em o d e lp a r a m e t e r s b a s e do nt h em o d ea n a l y s i sr e s u l t so ff l e xf r a m e ，n o r m a lm o d ea n ds i m u l a t i o n a n a l y s e sa r eu s e dt os t u d yt h ew h o l em u l t i b o d yv e h i c l ev i b r a t i o ns y s t e m b yn o r m a l m o d ea n a l y s e st h em o d ef r e q u e n c ya n dm o d es h a p ec a nb eg o t ，a n db ys i m u l a t i o n a n a l y s e st h es y s t e m sr e s p o n d sa n dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sc a nb ek n o w n t h e a v e r a g es q u a r eo ft h ep o i n t a c c e l e r a t i o na f t e rb e i n gf i l t e r e di na d a m s c o u l db eu s e d t oe v a l u a t et h ec a br i d ec o m f o r t c o m p a r i n gt h em u l t i - b o d ys y s t e m sa n a l y s e sr e s u l t s w i t hf l e xf l a m en o r m a lm o d er e s u l t ，ac o n c l u s i o nc a nb eg e tt h a tt h ef l e xo ff r a m eh a s h u g ei m p a c tt ot h ec a br i d ec o m f o r t b u i l do p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e lo ft h em u l t i b o d yw h o l ev e h i c l es y s t e m ， t h e no p t i m i z et h es y s t e m ，a i m i n ga tm i n i m i z et h em a xv a l u eo fa c c e l e r a t i o n sa v e r a g e s q u a r er o o to ft h es e a t r e s u l ts h o w st h a tt h eo p t i m i z a t i o ni ss u c c e s s f u l a l lt h es t u d yi nt h i sp a p e ro f f e r sav a l u a b l ea n a l y s i sa n dd e s i g nm e t h o dt oc a b s u s p e n s i o ns y s t e m i nc o m p a n i e s ，a n dp r o v i d eaf e a s i b l em e t h o dt ot h es i m i l a r i i 武汉理工大学硕士学位论文 m u l t i - b o d ys y s t e ms t u d y k e y w o r d s ：c a bs u s p e n s i o ns y s t e mg r i d - f l e xm u l t i - b o d yd y n a m i ct h e o r y v i b r m i o n o p t i m i z a t i o n i i i 独创性声明 丰 声明，所呈竞的论立足我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 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拄表或撰写过的 研究磕果，也不包含为获得武汉理工 学业其它教育帆拘肋学静或证社而使用过的材辩t 与 我一同j 二怍的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中明确的说明并表示了谢意。 研r 生笠g ，j i ! ! ；z 羞。日并f ! ! 亟， 关于论文使用授权的说明 奉 完全了解武攫理工大学酊关保留、健崩学位论立的艘定，即，学校有权保留送空论 文的复印件，允许论文被壹侧和借阅；学柱可以公布论立的全部内容，可咀采用影印、缩印 或其他复，5 忏段僳存论文。 研宄生签名 ( 保岔的论文在解密后遵守此舰定 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着生活水平的不断提高和科学技术的不断进步以及公路运输在我国经 济发展中重要性的日益增加，人们不仅对乘用车的平顺性有较高要求，而且 对商用车平顺性的要求也越来越高。驾驶室悬置隔振技术是近几年在国内外 得到广泛应用的用于改善商用车驾驶室平顺性的新技术。在传统的设计中， 商用车驾驶室直接安装在车架上，车辆行驶的振动直接传递到驾驶室，驾驶 室的平顺性较差。而驾驶室悬置隔振技术是通过弹簧阻尼元件组成的悬置系 统将驾驶室悬置在车架上，因而能极大的提高驾驶室的平顺性。 国内对于商用车驾驶室悬置隔振系统的应用和研究起步较晚，相关的理 论分析和应用研究均相对滞后，特别是综合利用多体系统动力学和连续弹性 理论在整车范围内对基于刚柔多体参数化仿真模型的驾驶室悬置隔振仿真研 究还很少。国内大多数企业主要以模仿设计和经验设计为主，通过参照国外 实际样车来进行悬置隔振系统的设计。但驾驶室悬置系统的隔振效果不仅取 决于其结构形式、几何位置以及弹性元件的刚度、阻尼等参数的选择，而且 与底盘悬架系统性能参数的匹配有重要关系，还与车辆主要承受载荷的部件 如车架等的柔性有较大关系。国内企业在进行模仿设计时由于对国内外车辆 使用情况以及车辆总体结构和结构参数的差异分析不足，因而常常使得悬置 隔振系统性能参数选取不当，或与主悬架性能参数匹配不好，或者车架设计 不好，导致隔振效果差。这些问题极大的影响到了企业的生存和发展。 在此背景下，国内某大型商用车生产企业与武汉理工大学签订合作协议， 委托武汉理工大学汽车工程学院进行商用车驾驶室悬置系统优化设计研究， 特别是在考虑主要部件柔性的情况下提高全浮式商用车驾驶室的平顺性。本 课题为该项目的一部分，要求进行半挂汽车列车全浮式驾驶室悬置系统的优 化设计研究。 1 2 国内外研究现状 人们对整车平顺性的研究，在汽车诞生之初即开始了。早期人们就认识 到商用车驾驶室与车架的连接方式对整车的振动舒适性有很大的影响。传统 的连接方式是将驾驶室与车架用橡胶垫块进行连接，驾驶室相对车体振动时， 武汉理上大学硕十学位论文 橡胶垫块承受冲击，起到弹性隔振的目的。由于技术发展的原因，这种传统 的隔振方式出现较早，存在时间较长，国内外研究人员已经做了较多的研究 工作。东风汽车公司的王有智、王仕达等人在1 9 9 2 年对隔振姿态对驾驶室振 动的影响问题进行了试验分析【l0 1 ，指出通过改变隔振姿态来降低驾驶室的垂 直振动和扭转振动是可行的；随后，又通过试验测量样车驾驶室隔振点的变 形，对比了几种车型驾驶室隔振效果，对载重汽车驾驶室隔振结构进行了改 进【1 1 1 。1 9 9 5 年，清华大学汽车工程系的胡师金对现代货车的橡胶隔振形式进 行了总结并就驾驶室支撑点的合理布置问题进行了探讨f 1 2 】；2 0 0 3 年，杭州广 播电视大学的洪沁从避开主要激振力( 发动机) 频率的角度对工程机械驾驶 室的减振问题进行了研究。目前这种隔振方式在国内外已广泛使用并已形成 较为成熟的产品系列。但是由于结构和橡胶本身的先天缺陷，该隔振方式已 无法满足人们日益增长的对商用车特别是重型货车驾驶室乘坐舒适性的需 要。于是汽车设计人员参考车辆底盘主悬架系统的结构形式，设计了驾驶室 二级悬置隔振系统。 目前的驾驶室二级悬置隔振系统有半浮式和全浮式两种形式。半浮式是 将驾驶室前部直接与车架相连，驾驶室后部通过弹簧阻尼器与车架相连；全 浮式则是驾驶室前后均通过弹簧阻尼器与车架相连。前者为传统方式与全浮 式相结合的悬置形式，虽然总体效果不如全浮式，但结构较全浮式简单，价 格也较低廉，故而在中小型货车上广泛使用；后者能达到较好的隔振效果， 但结构复杂、技术要求高，在重型货车和高档货车上有着广泛使用。目前， 国外的中重型卡车几乎全部采用悬浮式驾驶室结构，其中在欧洲有6 0 的重 型卡车悬浮式驾驶室悬置系统以螺旋弹簧作为悬置零件。国内在2 0 0 0 年以前 生产的中重型卡车普遍采用橡胶悬置，但随着我国道路行驶条件的逐步改善 以及人们对驾驶室舒适性要求的提高，悬浮式悬置系统在中重型卡车上的使 用也逐渐增多。目前一汽生产的奥威、捍威中重型卡车开始采用自主开发的 螺旋弹簧悬置，北汽福田欧曼、陕汽德龙f 2 0 0 0 等国产重型卡车驾驶室使用 了引进的螺旋弹簧悬置。2 0 0 5 年4 月上海车展，一汽展示的j 6 h 重型卡车驾 驶室前后悬置全部采用自主开发空气弹簧悬置。悬浮式驾驶室悬置系统己经 成为中重型卡车产品特征之一，正逐步取代橡胶悬置成为商用车的标准配置。 在2 0 世纪3 0 年代，人们对车辆平顺性的研究主要还是基于经验设计【1 4 ”16 1 。那时，人们对橡胶衬套在抑制高频振动中的作用已有所认识。以o l l e y 为核心人物的关于汽车行驶平顺性问题的争论一直延续到3 0 年代术，其中对 很多重要问题如车身振动固有频率、车身俯仰固有频率及其与前后悬架刚度 2 武汉理1 二大学硕士学位论文 匹配关系等的讨论极为有意义。从3 0 年代初到1 9 5 2 年，人们建立了简单的 两自由度动力学模型，建立了k 2 试验台，开始进行有关行驶特性的研究。但 随着计算机技术的发展，人们对模型精度的要求提高，车辆模型变得越来越 复杂，建立模型的工作量也越来越大。代表性的有d j s e g a l s 建立的十五自由 度模型和美国密西根大学建立的十七自由度模型【l 引，这些模型通过拉格朗日 或牛顿力学方法建立动力学微分方程，然后在计算机上进行数值求解，为研 究人员对汽车系统多自由度模型的建立提供了指导。我国的研究人员在整车 平顺性研究方面也做了很多工作，提出了许多进行车辆平顺性分析的方法。 中国农业大学车辆与交通学院的王国权等人运用常规方法推导了包括主悬架 系统与司机座椅在内的8 自由度汽车动力学方程，利用m a t l a b s i m u l 烈k 仿真工具对乘用车在b 级路面行驶时的平顺性进行了时域仿真分析【3 0 1 。重庆 大学的樊兴华、黄席樾等人在考虑发动机激励的情况下建立了乘用车9 自由 度运动学模型，推导了动力学方程，编制计算程序进行了仿真计算【3 ，其思 想是常规推导动力学方程的方法，需要编制较繁琐计算程序。华中科技大学 高红华、陈学东等人在同时考虑主悬架系统、动力总成和司机座椅的情况下， 建立了1 3 自由度模型并推导了动力学方程，运用随机振动理论对汽车行驶时 的振动特性进行了模拟【3 2 】；该文献虽然涉及到了驾驶室，但其将车架与驾驶 室看作整体进行研究，没有涉及到全浮式驾驶室悬置概念。广州汽车研究开 发中心的孙建成将整车简化成二维1 5 自由度的线性振动系统模型，考虑了车 体弹性和发动机支撑影响【3 3 1 ，但其振动模型依然将车架与驾驶室看作整体， 对驾驶室悬置问题没有进行研究，而且将三维问题简化为二维问题难以考虑 座椅多方向的振动。综合上述文献发现，它们所进行的研究均采用常规推导 动力学方程进行模拟计算的方法，计算过程都较复杂，虽然对整车对象的简 化不同，但均未涉及到驾驶室悬置。 对商用车驾驶室二级隔振系统的研究是结合驾驶室悬置系统与底盘主悬 架系统的整车平顺性研究。由于汽车是一个复杂的多体系统，外界载荷的作用 复杂多变，从而使汽车动力学模型的建立、分析、求解一直是个难题。随着科学 技术的快速发展，更先进的分析方法如现代振动理论、模态分析理论、多体系 统动力学等在汽车振动分析上的应用，使得人们对汽车平顺性的预测较之过 去有了更大的提高。同时，计算机技术的提高及相关应用软件的开发，使得 复杂机构的建模成为可能。如多体系统( m u l t i b o d ys y s t e m ) 动力学分析软件 ( 如a d a m s ，d a d s ) 和虚拟样机( v r ) 技术的应用，使复杂的车辆模型得 以明确表达和方便求解。目前这种利用多体系统动力学和虚拟样机技术的方 武汉理工大学硕十学位论文 法在国内外汽车振动分析研究中正越来越广泛的被应用。多体系统动力学包 括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，是研究多体系统运动规律的学科。 多刚体系统动力学是在经典力学基础上产生的新学科分支，由欧拉、拉格朗 日等人奠基，发展至今己约有两百多年的历史。采用多刚体动力学研究汽车 动力学的显著特点是将模型中所有部件都当作刚体来对待。这种方法目前被 广泛应用到汽车方面的各种研究中。 1 9 8 6 年美国c o m p u t e r - a i d e dd e s i g ns o f t w a r e 公司的研究人员介绍了一种 地面车辆通用多体动力学模型的性能，讨论了通用多体动力学计算程序中标 准单元的开发，同时介绍了轮式车辆与刚性路面相互作用的模型。建立驾驶 室悬置隔振系统的多体动力学模型，分析其减振能力，并对设计参数进行优 化。1 9 9 4 年，s h a r pr s 撰文论述了当时道路车辆动力学数学模型的情况及存 在的问题，总结了与车辆有关的多体动力学模型发展状况和提高模型效率的 策略【2 5 1 。这一阶段的研究主要还是模型建立方法的探索。九十年代中期，多 体动力学计算机仿真技术趋于成熟，并开始广泛运用于实践。1 9 9 7 年i n s tn a t l d er e c h e r c h ee td es e c u r i t e 的研究人员利用已有软件建立了叉车车体的多刚体 动力学模型和轮胎垂直动力学模型并通过实验数据进行了验证，在随后的研 究中该模型被用于开发一种低频悬置驾驶室，另外还开始在其基础上开发振 动试验程序计【2 6 7 1 。在关注整车性能仿真的同时，对车辆驾驶室悬置性能的 分析和优化也成为研究热点。1 9 9 8 年，t o n g r i c k t 和a m i r o u c h e 利用两自由 度的卡车驾驶室模型，用约束优化方法以最小化驾驶室角加速度、垂直位移、 垂直速度、垂直加速度和变化率为目标进行了优化计算和比较分析【2 8 1 。2 0 0 2 年，a n o n 为提高农用机械的乘坐舒适性和工作效率，建立了拖拉机的多刚体 计算模型，并对驾驶室悬置系统做了一系列的仿真分析。2 0 0 4 年d e t e m m e r m a n j 等人建立了农用机械驾驶室悬置系统的六自由度线性模型，并通 过实验验证了模型的正确性，在随后的研究中又以改善乘坐舒适性为目标对 驾驶室悬置系统的阻尼、刚度和固有频率作了优化【2 9 】。国内自九十年代开始 逐渐在车辆研究中应用多体动力学仿真软件。1 9 9 7 年，宋健等人利用机械系 统分析软件a d a m s 建立了一节牵引车和五节双轴转向拖车组成的1 3 自由度 动力学模型，采用模型参数化方法讨论了设计参数对主、拖车同辙性的影响， 并以同辙性为目标对汽车列车作了优化设计，获得了满意效果【3 4 1 。其后，李 军等人使用a d a m s 建立了整车的多刚体系统模型，进行了某轻型越野车的 整车动力学仿真分析，研究了悬架几何参数对汽车稳态转向特性的影响【3 5 1 。 2 0 0 3 年，北京工业大学的王国权、杨文通等人在综合运用虚拟样机技术和多 4 武汉理工大学硕十学位论文 刚体动力学理论的基础上建立了虚拟整车模型，对汽车平顺性的虚拟试验问 题进行了探讨【4 9 l 。该文献综合虚拟样机技术和多刚体动力学理论，建立了更 接近真实车辆的数字化虚拟模型，使仿真过程更直观。从文献 4 9 1 的研究可以 看出，综合运用虚拟样机技术和多刚体动力学理论进行整车平顺性分析具有 建模简单、仿真便捷的优点。但文献 4 9 的研究重点在虚拟样机的应用上，对 悬浮式驾驶室商用车平顺性的研究没有涉及。 运用多刚体系统动力学进行研究是将所有部件都当作刚体来对待，忽略 它们的柔性变形，所以应用该方法分析得到的结果经常与实验测得的数据有 一定差距，不能很准确地运用于生产指导。在多刚体动力学理论不断发展成 熟的同时，有关柔性多体动力学的理论研究实际上也已经开始。自8 0 年代后 期，国内也连续召开了一些学术讨论会，推动这一学科的发展。到目前为止， 柔性多体系统动力学的研究虽然取得一些成果，但是远没有达到多刚体系统 动力学的研究水平。到现在，柔性多体系统动力学在汽车平顺性方面的研究 和应用还比较少，近几年国内才开始见到少量有关采用刚柔多体动力学方法 对汽车进行动力学分析的报道。2 0 0 3 年，华中科技大学杨波、王学林等人建 立了基于弹性梁弯曲振动理论和模态分析法的研究多轴汽车平顺性的柔性模 型，并应用建立的柔性模型，分析了车速、路面等级、悬挂质量的分布、车 架刚度以及悬架系统的刚度和阻尼对多轴汽车平顺性的影响【5 1 1 。其分析结果 表明，常用的刚体模型不能准确地描述多轴汽车的平顺性，不适合用于多轴 汽车平顺性的分析。在迸一步的研究中，对某五轴重型车进行了道路行驶试 验，并将不同车速下的仿真结果与道路试验结果进行了比较【5 2 1 。但其在对多 轴汽车平顺性研究的过程中没有涉及对驾驶室悬置系统的研究。 综合上述的文献资料发现，国内对整车平顺性的研究内容广泛，通过运 用虚拟样机技术和多体系统动力学理论进行整车平顺性的研究已达到较高的 水平，但涉及到同时考虑整车主要部件的柔性以全浮式驾驶室悬置系统的研 究还比较少见，特别是针对半挂汽车列车驾驶室悬置系统及考虑车架等主要 部件柔性的研究则更从未见到。 1 3 研究的目的和意义 在国民经济发展中，汽车列车以其高效、低耗的特点j 下在当前公路运输 体系中占据越来越重要的地位。但汽车列车平顺性差的问题极大的降低了乘 员的乘坐舒适性，增加了货物在运输过程中损坏的几率。因此，国内外众多 武汉理工人学硕十学位论文 汽车列车生产厂家都投入了很大的力量来进行产品的技术改进与升级以提高 汽车列车的行驶平顺性。本课题研究的就是在考虑主要部件柔性的情况下进 行半挂汽车列车驾驶室悬置系统的优化设计，以提高驾驶室的平顺性。 课题研究的目的是分析半挂汽车列车出现平顺性问题的原因，寻求解决 办法，进行改进设计，提高驾驶室的平顺性；分析主要部件的柔性对驾驶室 平顺性的影响；建立包含柔性车架的整车刚柔多体动力学模型，确定基于整 车的驾驶室悬置系统的优化设计，形成一套针对半挂汽车列车驾驶室平顺性 的研究方法。 课题的研究意义是能够解决企业设计生产过程中的实际问题，提高半挂 汽车列车驾驶室悬置系统的隔振性能：确定主要部件的柔性会对驾驶室的平 顺性产生影响，明确建模时可以根据部件自身的柔性来进行刚体或柔体处理； 为半挂汽车列车驾驶室平顺性的研究提供一套可行研究思路和研究方法：为 类似刚柔多体问题的研究提供一定的借鉴意义。 1 4 研究内容 根据本课题的基本要求和国内外关于半挂汽车列车全浮式驾驶室悬置系 统的研究现状及现有研究条件，确定课题主要的研究内容包括： ( 1 ) 确定研究理论和研究方法，并根据研究理论确定总体研究方案以及 选择相应软件平台； ( 2 ) 介绍人体受振模型和汽车平顺性评价准则，根据国家有关标准，确 定采用驾驶室座椅处三轴向方向总加权加速度对驾驶室平顺性进行评价； ( 3 ) 分析半挂汽车列车主要部件的振动特性，确定将车架进行柔性化处 理；分析整车和悬架系统的结构特点及动力学特性，对实车进行模型简化，为 建立参数化模型提供依据； ( 4 ) 进行包含柔性车架在内的刚柔多体系统建模研究，建立基于整车的 全浮式驾驶室悬置隔振系统的仿真模型，进行仿真计算和分析； ( 5 ) 主要考虑悬置隔振系统弹性元件的刚度和阻尼对驾驶室悬置系统平顺 性的影响，进行半挂汽车列车驾驶室悬置系统各参数和牵引车悬架系统及半挂 车悬架系统各参数的匹配分析和优化设计。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章驾驶室悬置系统平顺性研究的基本理论 通过对国内外研究现状的分析，综合应用多体系统动力学理论和虚拟样机技 术是解决多自由度整车平顺性问题的有效方法，也是国内外研究车辆振动问题的 热点和发展趋势。采用美国m d i 公司所开发的机械系统动力学仿真软件a d a m s 进行虚拟仿真，为了驾驶室悬置隔振系统的研究，需要分析多体系统动力学理论 和汽车平顺性理论，了解a d a m s 仿真软件的特点和求解振动问题的方法，以 便为半挂汽车列车全浮式驾驶室悬置系统的优化设计打下坚实的基础。 2 1 多体系统动力学 2 。1 。1 多体系统动力学基本概况 多体系统是指由多个物体连接在一起所组成的复杂机械系统。多体系统动力 学中所研究的多体系统，根据系统中物体的力学特性可分为多刚体系统、柔性多 体系统和刚柔混合多体系统。 机械系统一般由许多部件组成，多体系统动力学的主要任务就是分析机械系 统一个部件在某一时刻的位置、速度和加速度，求解各部件之间的力和反作用力。 实际问题中，如果忽略机械系统各部件弹性变形的影响，这样的系统称为多刚体 系统。对于低速运动的系统，这样的假设是与工程实际比较接近的。 如果机械系统中各部件的弹性影响不能忽略，则系统的各部件必须作柔性体 假定，这样的系统称为柔性多体系统。在实际工程中，大型、轻质机械系统的高 速运行工况使得系统动力学特性越来越复杂，这往往是由于零件的大范围运动和 构件的弹性变形耦合所引起的，对这样的系统简化为柔性多体系统进行分析是比 较合适的。 如果机械系统中部分部件当作刚体处理，而部分构件必须作柔性假定的话， 则这类系统称为刚柔混合多体系统，有时也简称刚柔多体系统。 多体系统中各部件之间的相互作用通过力元来定义，比如部件之间的弹簧阻 尼连接器；另外部件之间往往还需要满足指定的运动关系，这常通过运动约束来 实现。如果系统中没有运动约束，则称为自由多体系统，如果系统中存在运动约 束，则称为约束多体系统。 2 1 2 多刚体系统动力学方程 7 武汉理工人学硕士学位论文 实际的多刚体机械系统中普遍都是约束多刚体系统，系统中的各刚体部件彼 此间通过力元和运动副来产生约束。典型约束多刚体系统如图2 1 所示。图中， z 为刚体f 上的作用力矢量，互为刚体f 上惯性f 坐标系中的力矩矢量。系统中的1 个刚体间通 过多个力单元相互连接，这些力可以是常力， 也可以是随时间变化的力。在一个约束多刚体 系统中，除力单元外，通常还有运动副，一个 或多个刚体由运动副相连接。 由狞个刚体组成的约束多刚体系统，系统 中的约束矩阵万通常情况下是系统坐标矢量g 的非线性方程，即： 劈= 刃心) = 0 图2 1 约束多刚体系统 ( 2 1 ) 每个运动副在所连接刚体之间的约束力用矢量g ( 。) 表示： g ( c ) ：f g 厂g 字) r g 譬， 2 式中g ( 。) ( i = 1 ，2 ，刀) 为作用在刚体f 上的运动副约束力矢量。约束力g ( 。) 和外 力g 提供了作用在系统上的合力。因此，考虑约束力g ( “，则约束多刚体系统的 运动方程可表示为： m 审+ b = g + g 【。j ( 2 - 2 ) 式中，m 为系统质量矩阵；v 为系统速度矢量，审则为系统加速度矢量；b 包括 了二次速度项矢量；g 为系统力矢量。 方程( 2 1 ) 和方程( 2 2 ) 一起代表了约束多刚体系统的运动方程。在已知 系统外力和约束的情况下，求解( 2 2 ) 式即可得到系统内任一刚体的位移、速 度、加速度和力等物理量。 2 1 3 多柔体系统动力学方程 多柔体系统中的坐标系如图2 2 所示，包 括惯性坐标系( 矿) 和动坐标系( e b ) 。前 者不随时间而变化，后者建立在柔性体上，用 于描述柔性体的运动。动坐标系可以相对惯性 坐标系进行有限的移动和转动。动坐标系在惯 8 图2 - 2 柔性体上结点p 的位置 武汉理t 大学硕+ 学位论文 性坐标系中的坐标( 移动、转动) 称为参考坐标。 对于柔性体而言，由于柔性体是变形体，体内各点的相对位置时时刻刻都 在变化，只靠动坐标系不能准确描述该柔性体在惯性坐标系中的位置，因此，引 入弹性坐标来描述柔性体上各点相对动坐标系统的变形。这样柔性体上任一点的 运动就是动坐标系的“刚性运动与弹性变形的合成运动。由于柔性体上各点之 间有相对运动，所以动坐标系的选择不是采用连体坐标系，而需要采用随着柔性 体形变而变化的坐标系，即“浮动坐标系 。 在分析柔性体的运动( 尤其是在小变形) 时，可以采用把复杂的柔体运动 分解为几种简单的运动叠加的形式。如某柔性体从位置厶运动到位置三，其间 运动可以分解为：刚性移动一刚性转动一变形运动。对于柔性体上任意一点p ， 其位置向量可以表示为： ，= r o + r ( s f + 矽f q ) 式中，为p 点在惯性坐标系中的向量；为浮动坐标系原点在惯性坐标系中的 向量；尺为方向余弦矩阵；s 。为柔性体未变形时p 点在浮动坐标系中的向量；“。 为相对变形向量，u 。可以用不同的方法离散化，与讨论平面问题相同。对于点p ， 该单元的变形采用模态坐标来描述，有： 材p2 p q r ( 2 - 3 ) 式中，为点p 满足罩兹基向量要求的假设变形模态矩阵，q ，为变形的广义坐 标。考虑节点尸变形前后的位置、方向和模态，柔性体的广义坐标可表示为： 善= ，沙g 】7 = 【x y z y0 吼】7( f = 1 ，聊) 式中q ，为第i 阶模态的振幅分量，m 为模态坐标数。 柔性体的动力学方程可从下列拉格朗同方程导出： 聪d a l 乓a l 谚o f 阱n 删 【y = o 式中，为约束方程，名为对应于约束方程的拉氏乘子，孝为定义的广义坐标， q 为投影到善上的广义力，三为拉格朗算子，r 表示能量损耗函数。 拉格朗日算子被定义为： l = t w 式中丁和w 分别表示动能和势能。 如果用m 表示系统的质量矩阵，k 表示系统的刚度矩阵，d 表示系统的阻 9 武汉理t 大学硕士学位论文 尼矩阵，则最终的动力学微分方程为： 蚺舻互1i 【- - 虿a m 善7 j r 沁埘+ 褂捌 式中，善、芋为柔性体的广义坐标对时间的导数；必为柔性体的质量矩阵对时间 的导数；婴为质量矩阵对柔性体广义坐标的偏导数，它是一个 d 亡 ( + 6 ) ( + 6 ) ( + 6 ) 维张量，n 为模态数；五为重力。 2 2 汽车平顺性研究 2 2 1 汽车平顺性及其影响因素 随着经济技术的快速发展，人们对于汽车乘坐舒适性的要求也越来越高。汽 车的平顺性是指避免汽车在行驶过程中所产生的振动和冲击使人感到不舒适、疲 劳甚至损害健康或者使货物损坏的性能。汽车行驶平顺性是汽车重要使用性能之 一，其好坏不仅直接影响乘员的乘坐舒适性和货物的安全可靠运输，同时也影响 着汽车多种使用性能的发挥和使用寿命。在汽车行驶过程中，如果行驶平顺性太 差，强烈振动产生的动载荷会冲击汽车的零部件，加速零部件的磨损，降低零部 件的疲劳寿命。汽车的强烈振动还会使车轮跳离路面，影响汽车的动力性、制动 性以及操纵稳定性。为了减小汽车振动，驾驶员必须降低车速，从而使运输效率 降低。汽车低速行驶又会导致燃油燃烧不充分，使燃油经济性变差，排放性能也 变差。如果不降低车速，汽车的强烈振动不仅降低零部件的疲劳寿命，使乘员晕 车、呕吐，还会使驾驶员疲惫、精力不集中，容易引发交通事故。由此可以看出 改善汽车行驶平顺性的意义重大。 汽车本身是一个复杂的多体系统集合，外界载荷作用的复杂多变，人、车、 道路三位一体的相互作用，致使汽车平顺性的改善始终是个难题。汽车平顺性的 影响因素可由图2 3 所示的“道路一汽车一人 系统框图来进行分析。 输出：评价指标： k 1 车身传虿人体的加速 k 1 加权加速度均方根 q 度 - - ， 值 2 悬架动挠度2 撞击悬架限位概率 图2 - 3 “道路一汽车一人”系统框图 l o 武汉理： 人学硕士学位论文 在如图2 3 所示的“道路一汽车一人”系统框图中，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、座椅等弹性元件、 阻尼元件和悬挂、非悬挂质量构成的振动系统传递，得到的振动系统“输出”是 悬挂质量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来评 价汽车的平顺性。如果把汽车作为一个系统来研究，汽车本身就是一个具有质量、 弹簧和阻尼的振动系统。由于汽车内部各部分的固有频率不同，汽车在行驶中常 因路面不平、车速和运动方向的变化，车轮、发动机和传动系统的不平衡，以及 齿轮的冲击等各种外部和内部的激振作用而极易产生整车和局部的强烈振动。而 由弹簧和减振器组成的悬置系统则用于缓和由不平路面传给车身的冲击载荷，衰 减由冲击载荷引起的承载系统的振动。汽车平顺性的改善主要是通过调整悬置系 统而达到的。 2 2 2 汽车平顺性评价标准 首先必须指出，人体由于乘坐在不停振动的汽车上所产生的晕车、呕吐等等 不舒服的生理反应不仅仅和汽车振动有关，同时还与空间、噪声、温度、通风和 照明等周围环境以及人的心理反应和个人健康状况有关。图2 4 列出了不同频率 振动对人体的影响【4 3 】。 书体拭擞 呼吸 j 4 瘫 艇终 肌斑紧张 头鄢感觉 搅力失调 说话刚难 大小便失蘩 发蟹及不安定 频率以 z o ，ll51 01 52 0i 图2 4 人体振动生理效应图图2 5 人体坐姿受振模型 面 根据汽车理论，在汽车行驶时，不平路面的激励能量主要集中在0 5 2 5 h z t ，从图2 4 中可以看出，该频率范围内的振动均会使人体产生不舒服的感 觉，但平顺性差的车辆可能会使汽车振动的频率集中在0 5 1 2 5h z ，从而导致 武汉理工大学硕士学位论文 人体产生发晕、腰疼、说话困难和呼吸困难等等剧烈的生理反应。 目前国际广泛采用的平顺性评价标准是i s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( e ) 人体承受 全身振动评价，该标准规定人体受振频率范围是0 5 h z - - - 8 0 h z 。人体受振模型 如图2 5 所示，该模型包含座椅坐垫、靠背和人体脚部三个振动观测点，其中坐 挚观测点要考虑三个轴向加速度和角加速度，靠背和脚部观测点要考虑三个轴向 加速度。在图2 5 中，x 。、y ，和z ，分别表示座椅支承面三个轴向坐标轴名称；、 0 和乞分别表示座椅支承面三个角振动方向坐标轴名称；x t , 、y b 和z 6 分别表示 座椅靠背三个轴向坐标轴名称：x ，、y ，和z ，分别表示脚部支承面三个轴向坐标 轴名称。 人体各部位对轴向加速度和角加速度在不同频率段的敏感程度是不同的。比 如，座椅坐垫( 即座椅支承面) 垂直方向的最敏感范围在4 1 2 5 h z ，其中4 - 8 h z 的振动会使人体内脏器官产生共振，而8 - 1 2 5 h z 的振动则对人体脊椎系统影响 很大；而坐垫水平方向的最敏感频率范围则在0 5 2 h z ，一般在3 h z 以下，人体 对水平振动比对垂直振动更加敏感。因此，根据人体对各频率段振动敏感程度不 同，国内外相关标准规定必须对受振模型不同观测点的加速度p s d 进行滤波网络 加权，得到各轴向相应的加权加速度均方根值，以尽可能使评价标准和人体感受 相符合。除了对各频段的振动感受程度不同外，人体对各个轴向的振动加速度感 觉也不一样。因此在得到各轴向滤波网络加权加速度均方根值后，还需要按轴向 加权得到总加权加速度均方根值。 表2 1 频率加权函数和轴加权系数 位置坐标轴名称频率加权函数轴加权系数 tw d 1 0 0 ys w d 1 0 0 z 5w k 1 0 0 座椅坐垫 w e o 6 3 勺w e o 4 0 乞 w e o 2 0 蟛 0 8 0 靠背 y bw d 0 5 0 z 6w a 0 4 0 x f 仫 o 2 5 脚部 fw k 0 2 5 z f 0 4 0 滤波网络加权的各坐标轴频率加权函数和轴加权系数，如表2 一l 所示，频率 1 2 武汉理工人学硕七学位论文 加权函数w d 、w e 和w c 分别由式( 2 - 4 ) 至( 2 7 ) 给出。 座椅坐垫水平方向： 吡) = 协f ( 0 5 厂 2 ) ( 2 厂 8 0 ) ( 2 4 ) 1 0 5 ( 0 5 f 2 ) w ，= 0 4 。黑函 5 ， 1 1 2 5 厂( 1 2 5 厂 8 0 ) 座椅坐垫角振动方向： 吣，= 1 厂譬象哥 座椅靠背_ x 轴方向： 心( 厂) = 1 厂 ( 0 5 厂 8 ) ( 8 厂 8 0 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 以上各式中，频率厂的单位为h z 。 如果通过计算得到坐垫z 方向的加速度功率谱密度吒( ) ，即可由加权函 数对其进行网络滤波加权，得到加权后的加速度均方根值口。： 对其它各轴向加速度功率谱进行滤波加权后，即可根据轴加权系数得到有 关评价标准所需的总加权加速度均方根值。如果以，表示受振模型观测点的编 号，i 表示各观测点的坐标方向，则总加权加速度均方根值评价指标a 。可表示为： 口，：乏丽( = 1 ，尼，f = 1 ，6 ) ( 2 8 ) 式中，a 。为，点f 向的轴向加权加速度均方根值，甩为观测点个数；k ，为该点该 向的轴加权系数，可根据需要按表2 1 进行选择。 在进行汽车平顺性评价时，如果要忽略某个观测点某个坐标方向加速度的影 响，即忽略，点f 方向加速度的影响，则可取k 甜= 0 。 根据我国自己修订的平顺性评价标准g b t 4 9 7 0 1 9 9 6 汽车平顺性随机输入 行驶试验方法，评价汽车平顺性可以只考虑坐垫处x ，、y ，和z ，三方向的轴向 加速度均方根值【1 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 加权加速度均方根值口。( m s 2 ) 人的主观感觉 2 o 极不舒适 得到了系统总加权加速度均方根值a ，后，即可根据表2 2 总加权加速度均方 根值a 。与人的主观感觉之间的关系对车辆平顺性进行评价。 2 3 动力学仿真软件a d a m s 介绍 2 3 1a d a m s 软件概况 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) 软件是由美国 m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发，是目前全球最具权威性和使用范围最 广的机械系统动力学仿真分析软件之一。 a d a m s 软件使用交互图形环境和部件库、约束库、力库来创建完全参数化 的机械系统几何模型。其求解器采用多体系统动力学理论中的