悬架橡胶衬套_图文

1、第34卷第5期 西南大学学报(自然科学版 2012年5月o l . 34 No . 5J o u r n a l o f S o u t h w e s tU n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n M a y2012文章编号:16739868(2012 05013407悬架橡胶衬套对乘坐舒适性影响的双工况分析陈 宝1,2, 柯 坚11. 西南交通大学机械工程学院, 成都610031; 2. 重庆理工大学重庆汽车学院, 重庆400054摘要:采用相对坐标法, 输入试验获取的悬架螺旋弹簧及橡胶衬套部分参数特性曲线,

2、在S I M P A C K 多体系统中建立某乘用车有 无橡胶衬套的多体整车模型; 参考平顺性道路试验法规, 对多体整车模型进行离线时间积分, 获取座椅支撑面处三轴向的加速度时间历程, 并利用MA T L A B 编制程序计算总加权加速度均方根值, 参照I S 02631中总加权加速度均方根值与人体感受之间的关系, 比较发现该值在有橡胶衬套情况下较小, 说明橡胶衬套对人体乘坐舒适性确有影响; 再在两种设定工况下进行积分计算, 发现橡胶衬套能提高乘坐舒适性, 但在同路况不同车速下, 有悬架橡胶衬套的整车模型对x , y 轴向加权加速度均方根值的影响比对z 轴向加权加速度均方根值影响大, 同时车速

3、的变化对总加权加速度均方根值的影响比路况变差对该值的影响大. 关 键 词:橡胶衬套; 多体整车模型; 离线时间积分; 乘坐舒适性中图分类号:U 461. 6文献标志码:A随着现代汽车工业的快速发展, 乘用车前悬架系统较多采用麦弗逊式. 在车辆行驶过程中由于主销轴线的变化导致主销定位参数和轮距发生一定变化, 这将不利于车辆转向操纵和行驶稳定性. 通过在悬架系统中引入橡胶-金属衬套(简称:橡胶衬套 , 一方面可以避免因为直接的刚性连接所造成的悬架部件的相互运动干涉, 另一方面可以衰减来自路面的冲击和振动, 即保证适当的橡胶衬套六向刚度特性可以较好协调车辆操纵稳定性与乘坐舒适性之间既矛盾又统一的关系

4、1.以一款销量较好的乘用车为原型, 运用基于相对坐标法建模的S I M P A C K 多体系统, 在基本多体乘用车模型中引入能描述橡胶衬套各向刚度特性的力学单元, 对含有衬套的整车多体模型进行离线积分, 计算并获取相应评价指标值, 参考相关评价方法, 明确了橡胶衬套对乘坐舒适性的影响. 设立两种假设工况, 评价在车速变化和路面不平度变化下的橡胶衬套对人体乘坐舒适性的影响规律. 同时也为开展复杂多体结构的动力学仿真分析探讨了相对坐标系统下多体结构动力学仿真的实时性.1 基于子结构的整车拓扑模型1. 1 整车多体动力学模型依据车辆多自由振动系统的复杂性和本文研究的目标, 乘用车主要结构与性能参数

5、如表1所示. 在建立整车多体动力学模型时, 首先应考虑整车多体模型本身运动系统的精确性, 还需要对影响仿真分析的建模主要因素与次要因素分别做适当的调整. 对于主要因素, 采用能模拟橡胶衬套 螺旋弹簧 减振器和轮胎的特定力元, 其余部件被简化为刚体; 对于次要因素, 例如将制动和驱动系统的结构和控制功收稿日期:20111227基金项目:重庆市自然科学基金资助项目(C S T C , 2008B B 6337 .作者简介:陈 宝(1972, 男, 山西大同人, 硕士, 讲师, 主要从事汽车动力学及结构仿真的研究.能忽略, 而将其对应的 体 质量施加到整车多体模型相应位置上.表1 建模主要参数2-3

6、参数名数值参数名数值车体质量/k g1336前后悬阻尼系数/(k N s m -1 1. 88/1. 88质心高度/mm500轮距轴距mm 1320/2614/车体主惯性矩(I x x , I y y ,I z z /(k g m -2 504, 1840, 1840轮胎直径名义断面宽度/m0. 62150. 185前后轮非簧载质量/k g40. 5/45. 5有效滚动半径系数0. 974前后悬弹簧刚度/(k N m -118/ 22 整车多体模型拓扑主结构由以下子结构依据相应的拓扑关系组成: 主体结构(车身 前悬架(独立麦弗逊式 后悬架(半独立扭力梁式 转向系统(齿轮齿条式 和轮胎共5种子结

7、构系统相互连接构成, 相应的拓扑关系如图1所示. 其中轮胎子结构模型基于 P a c e j k aS i m i l a r i t y 相似理论, 其型号为185/65R 15, 几个关键的轮胎参数见表1, 轮胎上其他参数使用轮胎力元文件中的默认参数. 各个不同子结构系统依据子结构之间相互的拓扑关系, 通过相应的m a r k e r 点与车辆参考坐标系原点(t r a c k _j o i n t _19 进行零自由度连接4, 最后形成的整车拓扑模型如图2. 1. 2 含橡胶衬套的麦弗逊悬架模型麦弗逊前悬架本身具有一定的子结构拓扑关系, 其中的悬架定位点应与车辆参考坐标系原点零自由度连接

8、; 因为在本仿真过程中, 转向器子结构未参与执行, 故转向器与车辆参考坐标系原点为零自由度相连. 在每个麦弗逊悬架上含有三处具有特殊力学特性的橡胶衬套, 图3用箭头标识出了实物模型. 衬套和是在控制臂与副车架连接处, 衬套在减振器与车体连接处.图1 整车模型拓扑结构图2 整车多体动力学模型图3 含橡胶衬套的麦弗逊悬架子结构531第5期 陈 宝, 等:悬架橡胶衬套对乘坐舒适性影响的双工况分析汽车悬架用橡胶衬套按制造方法与特性可分为多种, 以控制臂上的衬套和为例, 其中衬套是橡胶仅有金属内筒粘结, 无外筒; 衬套是两个同心金属内外筒, 橡胶与内外筒粘结5.图4 橡胶衬套的x 轴向 力-位移 曲线悬

9、架的运动源于橡胶衬套的变形, 而橡胶衬套的变形主要是由于衬套本身的力学特性引起的, 即衬套的六向刚度(三个轴向刚度 三个扭转刚度 , 本文通过引入 力-位移 值对作为输入函数来模拟六向刚度, 同时鉴于本文目的主要在于对比分析有无衬套对人体舒适性的影响, 所以对应的输入函数直接调用S I M P A C K 多体系统中43号衬套力元的力-位移 值对, 以衬套为例得到拟合的x 轴向刚度特性曲线如图4; 悬架弹性运动的阻尼包括各种摩擦和减振器等多种因素, 橡胶衬套的材料对阻尼影响并不大6, 所以衬套阻尼参数采用S I M P A C K 多体系统默认建议值, 三轴向阻尼值统一设为1500N s /m

10、 , 绕三轴向的阻尼值统一设为0. 1N m s /r a d 4.2 整车模型微分方程及离线时间积分针对含闭环的多体模型系统, 其自由度数量(D O F s y s t e m 以及系统一阶方程数量(F O S s ys t e m 有如下的等式:D O F s ys t e m =D O F j o i n t -c o n s t r a i n t (1 F O S s ys t e m =2D O F j o i n t +c o n s t r a i n t (2其中的2D O F jo i n t 指的是常微分方程数, c o n s t r a i n t 指的是代数方程数,

11、 而表示有约束的闭环系统的微分方程被称为微分代数方程(D A E s 4, 7.通常有约束的闭环系统的微分代数方程可由下式表示:x =f (x , t , ; c (x , t =0(3其中的c (x , t =0表示代数闭环状态, 表示约束力.采用相对坐标系进行建模, 相对于采用绝对坐标系建模形成的动力学方程组数目少很多, 因而求解非常快速. 当模型的零件越多, 自由度越大时, 这种建模方法所带来的优势就越明显. 本文开展研究的模型(有约束的闭环系统 中, 悬架无衬套整车模型的一阶方程数 和 悬架有衬套整车模型的一阶方程数 分别为135和121.微分方程的积分有在线和离线两种, 在线积分是在

12、激活模型的同时, 执行积分过程, 但会增加计算机C P U 的计算时间. 而离线积分要求确定积分时间, 并设置一个初始和结束时间, 在执行完时间积分后, 再激活模型8. 在S I M P A C K 多体系统中, 通常选择离线时间积分.3 人体乘坐舒适性分析3. 1 基本仿真环境和假设条件的提出本文研究基于试验标准G B /T 4970-20099, 建立了两种仿真工况, 第一种工况为:同车速(70k m /h , 不同随机路面不平度(较好沥青路 中级沥青路 较差铺装路 ; 第二种工况为:相同的良好路面不平度(较好沥青路 , 不同车速(80k m /h , 85k m /h 和90k m /h

13、 , 试验车速的选取主要基于标准10k m /h 的间隔, 而选取85k m /h 的目的是验证间隔较小情况下仿真结果的变化程度 10. 未考虑空气阻力, 并在驾驶员虚拟座位处建立一M a r k e r 点, 并在该点上建立一个能测量位置 速度 加速度的传感器.631西南大学学报(自然科学版 h t t p :/x b b jb . s w u . c n 第34卷为了分析研究橡胶衬套对人体乘坐舒适性的影响, 采用驾驶员座椅支承面处总加权加速度均方根值作为评价指标, 对于橡胶衬套在每种工况下有如下两种假设:1 前后悬架上均无橡胶衬套; 2 前 后悬架(左右纵向摆臂处 均有衬套. 仿真持续时间

14、设置为60s , 起始时刻为0, 终止时刻为60s , 设置采样频率为200H z , 然后开始进行离线的时间积分仿真.在时域内生成随机路面不平度的方法有两种:分别是滤波器整型高斯白噪声法和三角函数幅值与相位角叠加法4, 11. 第二种方法中的幅值叠加多项式为:F (j =0b 0+b 1j æèçöø÷0a 0+a 1æèçöø÷0+æèçöø÷02(4其中的表示角速度, a 0, a 1, b 0和b 1是路面不

15、平度拟合多项式的系数:较好沥青路:a 0=2. 249199, a 1=30. 36081, b 0=0. 1205733, b 1=0; 中级沥青路:a 0=2. 249199, a 1=30. 36081, b 0=0. 2308803, b 1=0; 较差铺装路:a 0=6. 017878, a 1=42. 10199, b 0=0. 5108046, b 1=0. 图5 路面位移功率谱密度三种路面谱可以依据I S O 8608标准, 通过调用上述多项式在S I M P A C K 多体系统中建立, 相应的路面位移功率谱密度如图5.3. 2 悬架橡胶衬套对人体乘坐舒适性的影响以车速70k

16、 m /h 和路面不平度较好沥青路为基本仿真条件, 并以上述仿真环境进行初步的离线时间积分, 在图形数据后处理窗口中获取座椅表面处三轴向加速度时间历程a (t, 通过研究z 轴向的加速度时间历程及进行F F T 变换与平滑处理后的频域加速度历程发现, 有衬套模型的椅面z 轴向加速度峰值在人体最敏感频率范围标准412. 5H z 下有显著降低, 说明在橡胶衬套的作用下, 模型振动幅度下降.为了进一步评价橡胶衬套对舒适性人体主观感受的影响, 需对模型的三轴向加速度时间历程数据进行进一步处理, 即对记录的加速度时间历程a (t 进行频谱分析得到功率谱密度函数G a (f , 按相关公式计算1/3倍频

17、带加速度均方根谱值a i , 由1/3倍频带加速度均方根谱值a i 又可计算出三个单轴向加权加速度均方根值a w x , a w y , a w z , 采用三轴向的总加权加速度均方根值a v 作为座椅处振动的评价指标, 三轴向加权系数分别为k x =1. 4, k y =1. 4, k z =1, 按下式计算:a v =x w x y w y z w z (5依据上述理论背景在MA T L A B 中编制相关程序得到悬架有衬套整车模型和悬架无衬套整车模型的三向加权加速度均方根值a w x , a w y ,a w z 和三向总加权加速度均方根值a v 12-13. 由以上理论计算可得, 悬架

18、无衬套整车模型:a w x =0. 0839, a w y =0. 0275, a w z =0. 6355, a v =0. 6474; 悬架有衬套整车模型:a w x =0. 0954, a w y =0. 0298, a w z =0. 5907, a v =0. 6070. 引入I S 02631中总加权加速度均方根值与人的主观感受的关系评价表的一部分15, 如表2. 发现有衬套整车模型的总加权加速度均方根值处在人体 有一些不舒服 的区间内, 而无衬套整车模型的总加权加速度均方根值则处于 较不舒服 的区间内, 说明橡胶衬套对人体乘坐舒适性评价指标的确有影响.731第5期 陈 宝, 等:

19、悬架橡胶衬套对乘坐舒适性影响的双工况分析表2 总加权加速度均方根值与人体主观感受的部分关系加权加速度均方根值/(m s-2人的主观感受加权加速度均方根值/(m s-2人的主观感受<0. 315没有不舒服0. 51. 0较不舒服0. 3150. 63有一些不舒服0. 81. 6不舒服3. 3 基于双工况的人体乘坐舒适性分析分别在两种工况下, 针对悬架有无衬套整车模型进行相应离线时间积分, 得到相应的加速度时间历程, 再调用上述MA T L A B 舒适性评价指标计算程序计算出相应的三向加权加速度均方根值a w x , a w y , a w z 和三向总加权加速度均方根值a v . 同时提

20、出悬架有无衬套整车模型的三向总加权加速度均方根值相对变化率的概念来描述同一工况下橡胶衬套的影响程度. 用下式表示为:相对变化率=a v , 无衬套-a v ,有衬套a v ,无衬套 100%(6其中在第一种工况下, 可得到表3. 在车速为70k m /h 较好沥青路的情况下, 悬架有衬套整车模型的三向总加权加速度均方根值a v (0. 6070m /s 2比悬架无衬套整车模型的三向总加权加速度均方根值a v (0. 6474m /s 2小, 得到的相对变化率为6. 24%; 而在中级沥青路和较差铺装路的情况下, 相对变化率分别为3. 84%和2. 70%.由此说明随着路况的逐渐变差, 相对变化

21、率逐渐变小.表3 第一种工况下评价指标及相对变化率车速70k m /ha x /a y/a z /(m s -2a v/(m s -2相对变化率/%无衬套模型(较好沥青路 0. 0839/0. 0275/0. 63550. 6474-有衬套模型(较好沥青路 0. 0954/0. 0298/0. 59070. 60706. 24无衬套模型(中级沥青路 0. 1467/0. 0398/1. 11081. 1310-有衬套模型(中级沥青路 0. 1747/0. 0410/1. 05821. 08763. 84无衬套模型(较差铺装路 0. 2182/0. 0471/1. 66241. 6915-有衬套

22、模型(较差铺装路0. 2584/0. 0479/1. 60431. 64592. 70 在第二种工况下, 以较好沥青路 车速为90k m /h 的情况为例, 可得到各向的加速度时间历程, 其中的z 向加速度时间历程和y 向加速度时间历程如图6所示. 图6(a 说明无衬套整车模型的加速度峰值相对有衬套整车模型的加速度峰值有较大变化, 图6(b 说明无衬套整车模型的加速度峰值相对有衬套整车模型的加速度峰值有非常大的变化. 通过和80k m /h 85k m /h 的相应z y 两向加速度时间历程比较发现,车速一旦高于80k m /h , 橡胶衬套对加速度峰值影响就明显变大, 对车辆横摆加速度(即y

23、 向 相对车辆垂向加速度(即z 向 影响尤为明显.图6 有 无衬套整车模型时域内加速度时间历程比较曲线(90k m /h831西南大学学报(自然科学版 h t t p :/x b b jb . s w u . c n 第34卷第5期 陈 宝 ,等 :悬架橡胶衬套对乘坐舒适性影响的双工况分析 1 3 9 / 加权加速度均方根值 a a a 0k m h 情况 w x, w w z 和三向总加权加速度均方根值a v .在较好沥青路 车速为 8 y, 同时在第二种工况下 ,通过调用 MAT L A B 舒适性评价指标计算程序可计算出如表 4 所示的相应三向 2 / 下 ,悬架有衬套整车模型的三向总加

24、权加速度均方根值 a 比悬架无衬套整车模型的三向总 0 . 6 3 46 m s v( 2 / / / 加权加速度均方根值a 小 ,得到的相对变化率为 6 0 . 6 7 84m s . 4 6% ;而在车速为 8 5k m h 和9 0k m h v( 情况下 ,相对变化率分别为 4 7 . 3 1% 和 6 4 . 9 3%.由此说明在路况相同情况下 ,随着车速的提高 ,相对变化 率出现突变 . 衬套模型 无 有 无 有 无 有 表 4 第二种工况下评价指标及相对变化率 较好沥青路车速 / ( k mh -1 / / a a a x z y -2 a v / ( ms -2 相对变化率 /

25、% 6 . 4 6 4 7 . 3 1 6 4 . 9 3 - 8 0 8 0 8 5 8 5 9 0 9 0 / / 0 . 0 8 48 0 . 0 3 14 0 . 6 6 65 / / 0 . 0 9 50 0 . 0 3 17 0 . 6 1 89 / / 0 . 3 5 64 0 . 6 1 38 0 . 7 4 21 / / 0 . 0 9 49 0 . 0 3 23 0 . 6 3 83 / / 0 . 6 2 46 1 . 0 4 71 0 . 8 8 55 / / 0 . 0 9 64 0 . 0 3 30 0 . 6 5 90 / ( ms 0 . 6 7 84 0 .

26、6 3 46 1 . 2 4 02 0 . 6 5 35 1 . 9 2 26 0 . 6 7 43 4 结 束 语 型的离线时间积分 ,通过研究相应评价指标 ,可得如下有关结论 : 利用 S I MP A C K 多体系统建立某车悬架有 无衬套的整车多体模型 ,设定两种工况 ,分别 进 行 两 种 模 a w w z 影响大 ; y 的影响比对z 轴向加权加速度均方根值a 依据表 4,在同路况不同车速下 ,有 悬 架 橡 胶 衬 套 整 车 模 型 对 x, 1 x, y 轴 向 加 权 加 速 度 均 方 根 值aw 依据表3 和表4,车速的变化对三向总加权加速度均方根值a 2 v 的影响

27、比路况变差对a v 值的影响大 , 本论文的研究可为开展橡胶衬套对车辆性 能 影 响 研 究 起 到 一 定 指 导 作 用 ,并 可 指 导 实 际 车 辆 的 驾 驶 , / 尤其当车速超过 8 0k m h 时 ,橡胶衬套的作用显得尤为重要 . 即驾驶员在较好路面和较高车速行驶时 ,橡胶衬套的作用明显 ,说明优良的橡胶衬套特性是保证车辆在高 速行驶时获得较好乘坐舒适性的前提 . 参考文献 : 郭孔辉 ,王 1 刘 2 1 2 2 5-1 2 2 8. : 爽 ,丁海涛 ,等 .后 悬 架 非 对 称 式 橡 胶 衬 套 弹 性 耦 合 特 性 J .吉 林 大 学 学 报 :工 学 版

28、, 2 0 0 7, 3 7( 6 贝绍轶 ,赵景波 ,刘勺华 ,等 .车辆半主动悬架系统平顺性联合仿真分析 3 J .噪声振动与控制 , 2 0 1 0, 6: 8 7-9 0. / / l . c o m s i m a c k i n d e x . h t m l . y p ( : 2 0 0 9, 2 4 1 9 1-9 6. 伟 ,刘大维 ,陈焕明 ,等 .基于联合仿真技术的半 主 动 悬 架 混 合 控 制 策 略 研 究 J .青 岛 大 学 学 报 :工 程 技 术 版 , D / : / / 4 o c u m e n t a t i o no fS I MP A C K

29、8 . 9.A n a l s i sa n dD e s i no fG e n e r a lM e c h a n i c a lS s t e m s E B O L . h t t o l . c a d f a m i y g y p 赵振东 .汽车悬架与橡胶衬套的设计机理及对于整车性能影响的研究 5 D .上海 :同济大学 , 2 0 0 6. 高 6 KOR , , 7 TU EM W. R e v i e wo fM u l t i B o d o m u t e r C o d e s f o rV e h i c l eS s t e mD n a m i c s J .

30、V e h i c l eS s t e mD n a m i c s yC p y y y y 缪炳荣 ,肖守讷 ,金 鼎 昌 .应 用 S 8 i m a c k对复杂机车多体系统建模与分析方法的研究 J .机 械 科 学 与 技 术 , 2 0 0 6, p 中国国家 标 准 化 管 理 委 员 会 .G / 9 B T 4 9 7 0 2 0 0 9.汽 车 平 顺 性 随 机 输 入 行 驶 试 验 方 法 S .北 京 :中 国 标 准 出 版 社 , ( : 2 5 7 8 1 3-8 1 6. ( : 1 9 9 3, 2 2 2 3-3 1. ( : 晋 ,宋传学 .橡胶衬套

31、刚度对悬架特性的影响 J .吉林大学学报 :工学版 , 2 0 1 0, 4 0 2 3 2 4-3 2 9. 1 4 0 何 1 0 2 0 1 0. 仁 ,孙 西南大学学报 ( 自然科学版 : / / h t t x b b b . s w u . c n p j 第3 4卷 张永林 .用谐波叠加法重构随机道路不平顺高程的时域模型 ( , 1 1 J .农业工程学报 , 2 0 0 3, 1 9 6 3 2-3 5. 徐中明 ,张志飞 ,黄泽好 .摩托车平顺性评价研究 ( : 1 2 J .汽车工程 , 2 0 0 7, 2 9 2 1 6 0-1 6 4. 杨 1 3 ( : 2 9 5

32、 1 1 8-1 2 1. 仕 ,何玉林 ,杜 ( : 丽 .轻型客车平顺性优化设计与试验评价 J .重庆理工大学学报 :自然科学版 , 2 0 1 0, 2 4 1 0 1 3-1 7. 静 ,等 .摩托车平顺性 行 驶 试 验 方 法 和 评 价 标 准 研 究 J .西 南 大 学 学 报 :自 然 科 学 版 , 2 0 0 7, S u s e n s i o nR u b b e rB u s h i n so nR i d eC o m f o r t p g 12 1 , K CHE N B a o E J i a n , D o u b l eS c e n a r i o

33、sA n a l s i s f o r I m a c t o f y p 1 .S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n i n e e r i n S o u t h w e s t J i a o t o n n i v e r s i t C h e n d u6 1 0 0 3 1, C h i n a; g g, gU y, g 2 .C h o n i n n s t i t u t eo fA u t o m o b i l e, C h o n i n n i v e r s i t fT e c h n o l o C h o n i

34、n 0 0 0 5 4, C h i n a g q gI g q gU yo g y, g q g4 / / t h ea c c e l e r a t i o n t i m eh i s t o r i e so f t h es e a ts u r f a c ei nx z a x i s .As e c i a lMAT L A Bp r o r a mw a sc o m p g y t h ec a rm o d e lw i t hb u s h i n sw a ss m a l l e r t h a nt h a to f t h ec a rm o d e lw

35、i t h o u tb u s h i n sb e f e r e n c i n u b g g yr gs - , c o r d i n os o m er e l e v a n t t e s t r e u l a t i o n so f r i d ec o m f o r t o f f l i n e t i m e i n t e r a t i o n sw e r ep e r f o r m e dt og e t gt g g , i l e dt oc a l c u l a t e t h ev a l u eo f t o t a lw e i h t

36、e dRM Sa c c e l e r a t i o nb a l l i n h ea b o v eh i s t o r i e s t h ev a l u eo f p g yc gt b u s h i n sw e r eb u i l tb n u t t i n o m ep a r a m e t e r so fs r i n n dr u b b e rb u s h i n sf r o me x e r i m e n t s .A c g yi p gs p ga g p - : , A b s t r a c t B a s e do nr e l a t i v ec o o r d i n a t e s i nS I MP A C Ks s t e m,m u l t i b o d a rm o d e l sw i t ha n dw i t h o u t y yc - , e c t i v er e a c t i o n s t o t o t a