汽车行驶平顺性建模与仿真.docx
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汽车行驶平顺性建模与仿真
《物流系统建模与仿真》结课论文
汽车行驶平顺性建模与仿真
学院:
研究生学院
专业班级：
机械工程1402班
学生姓名：
剑江湖
时间：
2015年5月18日
摘要
通过分析汽车振动源和人体对振动的反应，用模态综合技术，
建立了十三自由度人-椅-车系统的动力学模型，运用随机振动理论，给出了振动形态、传递函数、悬架动挠度、车轮动载荷、座椅加速度等参量的计算方法，开发了一套“汽车平顺性仿真软件”并利用已有的汽车数据，对汽车行驶时的振动特性进行了仿真，得到了重要结论：
发动机与轮胎刚度、阻尼，后桥阻尼对驾驶员座椅处的振动影响不大；驾驶员座椅的垂直刚度增加很大时，对垂直方向振动响应比较大；前桥刚度、阻尼对驾驶员座椅处的振动影响较大；前轮胎刚度对前桥振动影响较大，前轮胎刚度增加，则振动加强；后桥刚度对汽车平顺性有一定影响，后桥刚度减小，则座椅处垂直加速度减小.利用该模型可对汽车行驶平顺性进行预测或评估.
关键词：
汽车；平顺性；建模；仿真
Abstract
Fromtheanalysisofautomobilevibrationsourcesandthehumanresponsestovibration,amechanicmodelofman-chair-vehiclesystemwith13degreesoffreedomisbuiltbyvibrationpatternanalyzingtechnology.Usingtherandomvibrationtheory,thecalculatingmethodsaredevelopedforparameters,includingvibrationpattern,transferfunction,wheeltransientload,andaccelerationofseat,automobileridequalitysimulationsoftwareisdeveloped.Withavailabledataofmotor,thesimulationcalculatingresultsaboutvibrationcharacteristicsaregiven,andimportantconclusionsdrawnareasfollows:
thestiffnessanddampingofthegeneratorandwheeltireandthedampingofback-axishavenotmucheffectonthevibrationoftheseat;Verticalstiffnessofdriver'sseathasmucheffectonthevibrationasitgetslarger;Thestiffnessanddampingoffore-axishavemucheffectonthevibrationofdriverseat.Thestiffnessoftheforetireshasmucheffectonthevibrationofthefore-axis.Thevibrationincreaseswiththestiffnessoffore-tireincreasing,Thestiffnessofback-axishassomeeffectontheautomobileridequality.Asthestiffnessofback-axisdecreased,theaccelerationofthedriver'sseatdecreases.Withthissimulationsoftware,automobileridequalitycanbepredictedorevaluated.
Keywords:
Automobile;ridequality;model;simulation
摘要I
AbstractIL
目录山
第1章绪论-..1-
1.1课题研究的背景和意义-1-
1.1.1汽车行驶平顺性研究的背景和意义-1-
1.1.2轿车和重型汽车行驶平顺性研究的意义-1-
1.1.3汽车行驶平顺性建模与仿真研究的意义-2-
1.2国内外汽车行驶平顺性建模与仿真研究现状-3-
1.2.1面向结构和面向参数的方法比较-3-
1.2.2路面对汽车激励建模研究的现状-3-
1.2.3汽车振动模型建模研究的现状-4-
第2章平稳随机振动虚拟激励法研究：
5-
2.1单点激励单点响应虚拟激励法的基本理论-5-
2.1.1平稳随机振动的基本假设-5-
2.1.2关于单点激励单点响应虚拟激励法的说明.....-5-
2.2广义单点虚拟激励法的基本理论-6-
2.2.1结构系统的频率响应.-6-
2.2.2广义单点平稳随机激励-6-
第3章平稳随机振动虚拟激励法的应用-7-
3.1虚拟路面激励的构造-.7-
3.1.11/2汽车结构系统的虚拟路面激励-7-
3.1.2四轮整车结构系统的虚拟路面激励•-7-
3.2应用实例.-.8-
第4章总结-.9-
参考文献-.10-
第1章绪论
汽车行驶平顺性⑴是指汽车行驶过程中能保证乘员不致因车身振动而引起不舒适和疲乏感觉，以及保持运载货物完整无损的性能。
汽车行驶平顺性的优劣直接影响到乘员的舒适性和货物的完整性，并
制约着汽车动力性和经济性的发挥及零部件的使用寿命。
随着汽车日新月异的发展，汽车行驶平顺性也被越来越加重视，体现着汽车技术的提高。
1.1课题研究的背景和意义
1.1.1汽车行驶平顺性研究的背景和意义
随着社会的发展和科学技术的进步，世界汽车工业已取得了令人瞩目的成就，正朝着安全、舒适、环保、节能的方向前进，尤其是汽车乘坐的舒适性更是人们追求高品质生活的重要体现，汽车行驶平顺
性是影响汽车乘坐舒适性的重要原因。
因此，汽车行驶平顺性的研究日益受到国内外的重视。
对于汽车本身而言，由于各种性能相互影响，因此，作为汽车的性能指标之一的行驶平顺性也影响着其它性能的发挥。
在行驶过程中，如果行驶平顺性很差，强烈振动产生的冲击会加速零部件的磨损，降低零部件的疲劳寿命，降低汽车的操纵稳定性和制动性。
为了减小振动产生的冲击，必须放慢车速，但却使运输效率降低。
低速行驶会使燃油燃烧不充分，而使燃油经济性变差，排放性也变差。
对于驾驶员而言，好的行驶平顺性能会让人心情愉快，充分享受驾驶带来的快乐。
否则，汽车的不停颠簸，会使驾驶员疲惫，注意力不集中，易引发交通事故，造成人财损失。
1.1.2轿车和重型汽车行驶平顺性研究的意义
汽车是综合性很强的耐用产品，它在工业、农业、国防建设中已经必不可少。
汽车工业在国际经济领域中占有重要的地位，例如，十大跨国公司在世界上具有举足轻重的作用
现在，世界轿车发展的趋势之一就是安全舒适，无论是在国内还是在国外，无论是低档轿车还是高档轿车，人们关注的仍然是轿车的舒适性⑶。
中国自主品牌的轿车在市场的竞争能力不如国外品牌轿车的主要原因之一：
舒适性不如国外品牌轿车。
国内路形复杂，影响轿车的行驶平顺性，从而更加影响轿车的乘坐舒适性。
因此，研究轿车的行驶平顺性，提高国产轿车的舒适性，对增强轿车市场的竞争能力有着至关重要的作用。
重型汽车目前在世界上是长途公路运输的主力军，其优势为高效、低成本、低油耗⑷，然而，较有实力的重型汽车制造公司基本上都在欧洲和美国。
正是由于上述原因，研究轿车、重型汽车的行驶平顺性也成为国家863高技术研究发展计划重点项目：
轿车集成开发先进技术
（2006AA110102）的子课题轿车底盘匹配与性能优化”的一部分和重型商用车集成开发先进项目（2006AA110104）的子课题底盘集成匹配与性能优化”的一部分。
1.1.3汽车行驶平顺性建模与仿真研究的意义
为了保证汽车具有良好的行驶平顺性，汽车性能的预测极其重
要。
最初是通过试验评价汽车行驶平顺性的好坏，同时验证汽车建模
与仿真结果的正确与否。
然而，汽车行驶平顺性的试验研究固然重要，但是由于采用样车试验的方法，设计周期长，浪费大量的人力、物力和财力，不能满足现代汽车快速更新、生产周期短和汽车生产商之间激烈竞争的要求，使得汽车行驶平顺性的建模与仿真研究变得非常重要。
汽车行驶平顺性的建模与仿真研究不受试验条件的限制，可以避
免试验中的一些随机因素的影响，便于比较分析。
不仅能够对已有汽车进行评价，提出改进措施。
更重要的是可以预测新产品的行驶平顺性，发现行驶平顺性存在的问题并及时解决，同时还能优化各参数间
的匹配关系，改善行驶平顺性，缩短设计周期，降低生产成本，在设计初期就能够预测各部件对汽车行驶平顺性的影响［9］。
国内外学者在汽车行驶平顺性的建模与仿真方面进行了大量的
研究及其应用，但是，汽车建模与仿真方法等的简单、快速和精确程度不仅影响着预测结果的真实性，更影响着设计周期的长短、生产成本的高低。
探讨更为简单、快速和精确的建模与仿真方法，对促进汽车行驶平顺性研究具有重要的意义。
1.2国内外汽车行驶平顺性建模与仿真研究现状
1.2.1面向结构和面向参数的方法比较
20世纪50年代后，仿真技术开始发展，并被逐渐引入到汽车振动研究领域。
到20世纪70年代，汽车动态仿真技术已在国外得到普及，产生了不同复杂程度的汽车模型。
汽车动态仿真的方法可以分为两大类：
多体参数法和集中参数法。
但是无论应用哪一种方法进行汽车行驶平顺性分析，都必须建立合理而正确的汽车振动的力学模型。
多体参数法，是面向结构的方法，需要给定各部件的详细特征，将汽车的每一部件看作刚体或弹性体，通过各种约束连接建立汽车结构系统振动的拓扑结构，然后由相应的商业化软件，如ADAMS、
DADS等进行仿真。
集中参数法，是面向参数的方法，不必考虑汽车的具体结构，只要根据汽车振动分析需要给出描述汽车零部件结构的质量、刚度和阻
尼参数，即可进行汽车行驶平顺性的分析。
在汽车设计初期，由于不能完全得到汽车结构，应用集中参数法建立汽车结构系统振动的力学模型，对汽车行驶平顺性的预测与分析是非常有效的。
1.2.2路面对汽车激励建模研究的现状
大量的测量分析结果发现，路面不平度具有随机、平稳和各态历经的特性。
它有两种表达形式：
幕函数和有理数形式，两者具有等价性，在建立汽车路面激励模型方面得到广泛应用。
路面激励的频域模
型首先用于汽车单轮力学模型，即此时的汽车路面激励的功率谱密度就是路面不平度的时间功率谱密度。
在基于左右轮迹的统计特性相同，且相位谱等于零的假设，建立了前后轮距相等的路面对四轮汽车
激励的功率谱密度矩阵。
在四轮路面激励的模型基础上，出现了单一双一单六轮激励模型，其路面激励俯视图如图1-1所示。
1.2.3汽车振动模型建模研究的现状
在产品的设计初期，详细地给出汽车各部件的详细特征是不太可能的，因此，在产品开发设计阶段，基于集中参数法对汽车进行相应的简化，建立描述汽车真实运动的不同仿真模型仍旧是很常用的方法。
现在经常使用的基于集中参数法的汽车结构系统振动的力学模型
可分为三类：
1/4汽车模型、1/2汽车模型和空间整车模型。
第2章平稳随机振动虚拟激励法研究
虚拟激励法是研究结构系统随机振动的一种创新理论，在土木、海洋和航空等工程领域得到应用和重视，现有研究均是应用虚拟激励法的结论和处理技巧进行随机振动响应分析，对虚拟激励法的基本理论还缺乏详细深入的研究，不便虚拟激励法的进一步应用和推广。
因此，本章将对平稳随机振动虚拟激励法的基本理论进行详细的解释和探讨，以丰富和完备现有的虚拟激励法理论。
2.1单点激励单点响应虚拟激励法的基本理论
2.1.1平稳随机振动的基本假设
在随机过程中，比较容易计算并且已经在工程中得到最广泛应用的是平稳随机过程。
所谓平稳随机过程，是它的统计特性不随时间的推移而改变，即与时间的起点无关［11］。
结构系统在受到满足平稳随机过程的激励作用时，为了分析该激励作用下结构系统的响应，一般采用如下基本假设
（1）所研究的结构系统是线性系统，且系统的参数不随时间变化；
（2）所研究的结构系统的振动满足零初始条件；
（3）所研究的结构系统受到的激励是平稳随机过程。
满足上述基本假设的结构系统的随机振动，称为平稳随机振动，并将结构系统受到的平稳随机过程激励，称为平稳随机激励。
在平稳随机激励作用下引起的结构系统的振动状态，称为平稳随机振动响应。
2.1.2关于单点激励单点响应虚拟激励法的说明
构造的虚拟激励和获得的虚拟响应，并非实际激励和实际响应，但却能由它们得到实际响应的自功率谱密度、实际激励与实际响应的
互功率谱密度。
因此，把这种方法称为平稳随机振动的单点激励单点响应虚拟激励法，简称为单点激励单点响应虚拟激励法。
单点激励单点响应虚拟激励法规定的基本计算公式，不是通过数学计算得到的公
式，而是将虚拟激励既作为虚拟激励又作为虚拟响应带入，得到的就
是实际激励的自功率谱密度。
2.2广义单点虚拟激励法的基本理论
2.2.1结构系统的频率响应
在零初始条件下，结构系统受到平稳随机激励xj的作用，
i=1,2,…，m,m为激励个数。
假设结构系统在Xit单独作用下，引起的响应ykit，k=1,2,…，n，门为结构系统响应的自由度数。
由于线性结构系统具有叠加关系，即结构系统在所有激励作用下，结构系统总的响应与各激励分别作用下产生的响应叠加后的结果相同。
2.2.2广义单点平稳随机激励
结构系统受到多个平稳随机激励的作用时，如果这些激励出自同
一个随机过程，且对系统的作用只相差一个时间差，则称这样的激励为广义单点平稳随机激励。
在零初始条件下，如果线性系统受到个
广义单点平稳随机激励来自同一个随机过程「xt八
第3章平稳随机振动虚拟激励法的应用
汽车行驶在路面上，路面的高低不平可看作平稳随机过程，故其使汽车产生的振动也是随机的，这种随机振动直接影响汽车行驶的平顺性。
当前汽车行驶平顺性的研究多应用是傅里叶方法，对于多自
由度汽车结构系统而言，傅里叶方法计算复杂。
本章将基于平稳随机振动虚拟激励法进行汽车随机振动分析，研究在汽车行驶平顺性方面的应用。
3.1虚拟路面激励的构造
3.1.11/2汽车结构系统的虚拟路面激励
当汽车沿纵向中心线左右对称，路面对汽车左右车轮的激励相同，可以将汽车振动简化为一个在纵向垂直平面内的1/2汽车模型,
即1/2汽车结构系统。
对于1/2汽车结构系统，前后各个车轮行驶在同一轨迹上，路面对各车轮的激励是一样的，彼此之间相差一个时间差，因此，1/2汽车结构系统的路面激励是广义单点平稳随机激励。
3.1.2四轮整车结构系统的虚拟路面激励
当四轮汽车作匀速直线运动，汽车在平衡位置附近作微幅振动
时，假设前后车轮的轮距相等，汽车在水平面内的振动和绕Z轴的
角振动忽略不计时，可将汽车振动简化为在空间内受到四轮垂直路面激励的整车模型，即四轮整车结构系统。
路面对四轮整车激励的俯视图如图3-1所示，其中，L为轴距，B为轮轮距。
图3-1四轮整车结构系统路面激励的俯视
3.2应用实例
为了验证虚拟激励法和傅里叶方法的等效性，对某载重汽车以不
同车速行驶在B级路面上的行驶平顺性进行了仿真。
仿真输入参数⑹
如表3-2所示，仿真结果如表3-3所示。
由表3-3可知，求取汽车振动响应量的统计特性，虚拟激励法和傅里叶方法具有相同的结果，说明了虚拟激励法的正确性。
当汽车以车速10km/h行驶在级路面
上，就会使人感觉有些不适，当以其它速度行驶时，则感觉到了不舒适。
因此，此车的行驶平顺性不好。
其原因从表3-3中可看出，悬
架的动挠度很小即悬架的刚度过硬，导致了汽车行驶平顺性的降低。
但车轮的地面附着能力很强，保证了行驶的安全。
a3-3喪动扁应昴均方繼值的比较
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第4章总结
平稳随机振动的虚拟激励法是一种新的时频域仿真方法，在汽车领域应用较少。
从应用角度出发，根据虚拟激励的特点：
单点虚拟激励、广义单点虚拟激励和多点虚拟激励，由浅入深地探讨了平稳随机振动的虚拟激励法基本理论，给出了严密的推导，进一步丰富和完备了虚拟激励法理论。
将虚拟激励法基本理论应用到汽车行驶平顺性仿真分析中。
给出
了虚拟激励法在行驶平顺性仿真中的具体应用，比较了虚拟激励法和傅里叶方法的不同特点。
结果表明了应用虚拟激励法进行汽车行驶平顺性仿真分析与傅里叶方法具有等价性，但虚拟激励法优于傅里叶分析方法。
基于有限元法思想，对汽车结构系统进行了离散化、单元分析和整体分析，采取强迫位移的约束处理方法建立了汽车振动结构的数学模型。
提出了总位移向量、总质量阵、总刚度阵和总阻尼阵的组装方法。
通过手工组装了汽车结构系统振动的数学模型，验证了建模方法
的有效性。
研制了单元分析、整体分析与约束处理的程序模块，不仅可手工完成数学模型系数的组装，更易程序实现，体现了方法的灵活性，解决了建立汽车结构系统振动数学模型繁琐易出错的问题。
参考文献
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