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两轴小巴车平顺性计算及分析毕业论文

 2020-02-17 12:02  

摘 要

随着我国经济的快速发展,国民生活水平不断提高,时至今日,汽车已成为人们日常生活中最为常见的一种交通工具。从1886年第一辆汽车诞生算起,汽车工业已经经历了130多年的发展,汽车的行驶平顺性早已成为各大汽车生产厂家竞争的关键点。本文以两轴小巴为例,计算并分析其平顺性,对此类车辆及其他车辆的平顺性计算以及分析、改进具有重要参考意义。

本文首先介绍了汽车平顺性的意义以及国内外在此领域的研究现状;介绍了国内外有关车辆平顺性的评定标准及其发展历程,详述了由我国多个研究部门共同合作制定的国家标准,选定以国标GBT 4970-2009《汽车平顺性试验方法》所规定的汽车平顺性实验方法和评价标准为指导,进行两轴小巴平顺性计算及分析;介绍了路面不平度的基本概念及其功率谱密度这一统计特性,在综合分析比较了几种不同了路面不平度模型之后,选择使用滤波白噪声法建立路面不平度的时域仿真模型。在SIMULINK中建立了B级路面激励的时域仿真模型后,计算了该模型的几何平均值和功率谱密度,计算结果表明该模型符合国标要求。最后又建立了两轴小巴8自由度平顺性分析模型,列出了描述此模型的动力学微分方程直接得到车辆质心处的垂直运动方程,再根据理论力学相关知识推导出座椅位置处共9个方向上的线振动方程。以此为基础在SIMULINK中搭建了考虑悬架伸张行程与压缩行程具有不同阻尼系数的悬架仿真模型,参照国家标准搭建了三个频率加权滤波网络,最后将这些仿真模块拼装成两轴小巴车平顺性仿真系统,按照国标要求进行了两轴小巴车的平顺性仿真,完成了不同车速下的驾驶员位置处的总加权加速度均方根值的计算,并以此为基础分析了该两轴小巴的平顺性,根据分析结果对该两轴小巴的悬架以及座椅参数进行了适当调整,优化了其整车平顺性。

关键词:平顺性;路面不平度;加权加速度均方根值;悬架系统;固有频率

Abstract

With the rapid development of China's economy and the continuous improvement of national living standards, today, automobiles have become the most common means of transportation in people's daily life. Since the birth of the first automobile in 1886, the automobile industry has experienced more than 130 years of development, and the ride comfort of automobiles has become the key point of competition among major automobile manufacturers. Taking the two-axle minibus as an example, this paper calculates and analyses its ride comfort, which has important reference significance for the calculation, analysis and improvement of ride comfort of such vehicles and other vehicles.

Firstly, this paper introduces the significance of vehicle ride comfort and the research status in this field at home and abroad, introduces the evaluation criteria of vehicle ride comfort at home and abroad and their development history, elaborates the national standards formulated jointly by several research departments in China, and chooses the experimental methods and evaluation criteria of vehicle ride comfort specified in the national standard GBT 4970-2009 "Test Method for Automobile ride comfort". Guided by this, the paper calculates and analyses the smoothness of two-axle minibuses, introduces the basic concept of road roughness and its statistical characteristics of power spectral density, and after comprehensive analysis and comparison of several different road roughness models, chooses the method of filtering white noise to build the time-domain simulation model of road roughness. After establishing the time domain simulation model of B-level road excitation in SIMULINK, the geometric average value and power spectral density of the model are calculated. The calculation results show that the model meets the requirements of the national standard. Finally, an 8-DOF ride comfort analysis model of two-axle minibus is established, and the dynamic differential equation describing the model is listed. The vertical motion equation at the center of mass of the vehicle is obtained directly. Then the linear vibration equation in nine directions at the seat position is deduced based on the theoretical mechanics knowledge. Based on this, a suspension simulation model considering different damping coefficients of suspension stretching and compression stroke is built in SIMULINK. Three frequency weighted filtering networks are built according to national standards. Finally, these simulation modules are assembled into a two-axle minibus Ride Simulation system. The ride comfort simulation of two-axle minibus is carried out according to the requirements of national standards, and the ride comfort simulation of two-axle minibus is completed at different speeds. The calculation of the mean square root of the total weighted acceleration at the driver's position is carried out, and the ride comfort of the two-axle minibus is analyzed on this basis. According to the analysis results, the suspension and seat parameters of the two-axis minibus were properly adjusted to optimize the ride comfort.

Key words: ride comfort; road roughness; weighted acceleration rms value; suspension system; natural frequency

目录

第1章 绪论 1

1.1 本课题研究背景及意义 1

1.2 车辆平顺性国内外研究现状 2

1.3 研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 3

1.3.1 主要研究内容 3

1.3.2 技术方案及措施 3

1.4 本章小结 4

第2章 平顺性评价方法以及路面仿真模型 5

2.1 平顺性评价方法以及标准 5

2.2 路面不平度模型的建立 7

2.2.1 路面不平度 7

2.2.2 路面不平度时域模型 10

2.2.3 基于滤波白噪声法的路面时域仿真模型 12

2.3 本章小结 15

第3章 两轴小巴平顺性分析模型的建立 16

3.1 车辆振动模型简介 16

3.2 两轴小巴的平顺性分析模型 16

3.3 平顺性分析模型的动力学方程 19

3.4 本章小结 21

第4章 两轴小巴平顺性仿真分析 22

4.1 悬架仿真模型 22

4.2 频率加权滤波网络 23

4.3 平顺性仿真分析 23

4.4 平顺性仿真实验的振动响应量 35

4.5 本章小结 39

第5章 整车平顺性优化 41

5.1 悬架系统模型及其参数分析 41

5.2 “人体—座椅”系统参数分析 43

5.3 悬架以及座椅参数的适当调整 44

5.4 调整后的整车平顺性 45

5.5 本章小结 48

第6章 总结 49

参考文献 50

致谢 53

第一章 绪论

    1. 本课题研究背景及意义

从1886年第一辆汽车问世起,汽车已经经历了130多年的发展并深刻的改变了人类的交通方式,它是人类工业时代最具代表性的发明之一。在这130多年的发展历程中,无论是汽车实验技术还是有关汽车的理论都得到了相当完善的发展。现如今,汽车行业内部的竞争越来越激烈,客户在选择汽车产品时越来越重视汽车的乘坐舒适性,这也成为了各个汽车厂商竞争的焦点。汽车的平顺性就是衡量驾驶是否舒适的一项重要指标[1]

汽车平顺性,是指汽车在一般行驶速度范围内行驶时,避免因汽车在行驶过程中所产生的振动和冲击,使人感到不舒服、疲劳,甚至损害健康,或者使货物损坏的性能[2]。由于平顺性主要是根据车辆乘坐人员主观感受到的舒适度来评价,所以又称为乘坐舒适性。平顺性是现代高速汽车的主要性能指标之一。

当汽车以某一车速行驶时,路面不平造成的车身振动会对乘员产生不利影响甚至还会危害到乘员的身心健康[3]。如何对车辆的平顺性进行研究和评价,是一个很早以前就有的课题。在一百多年的时间里,一代又一代的研究者都对这个问题进行了研究。早期的研究方法和评价指标主观性极强,现如今的更具有普遍客观的参考价值。这其中,国际标准组织对汽车平顺性这一研究领域做出了不小的贡献。我国就是以国际标准组织发布的标准为参照,公布了国标《汽车平顺性随机输入行驶实验方法》[4]

近些年来,随着计算机技术的飞速发展,以往几乎无法求解的多自由度复杂系统的动力学方程现在可以借助计算机轻松的解决。在此背景下,各种动力力学仿真分析软件也应运而生[5]。在这样一种背景下,汽车的平顺性仿真及分析有了更为有效的方法,且结果也能更加较为准确的反应实际情况。

两轴小巴作为一种载客车辆,对于其整车性能而言,平顺性是十分重要的一项评价指标。对驾驶员来说,驾驶的过程中能保持良好的身心舒适感是非常关键的。平顺性很差的汽车会使驾驶员容易产生疲劳,增加事故率,这是应该极力避免的。让乘坐人员感到身心上的舒适,对提高一款车的产品形象尤为重要。总而言之,提高两轴小巴车的平顺性尤为重要。

本次研究将两轴小巴车作为研究对象,基于滤波白噪声法建立B级路面不平度时域仿真模型和两轴小巴车多自由度振动模型,利用Matlab计算并分析其平顺性,对此类车辆及其他车辆的平顺性计算、分析以及改进具有重要参考意义。

1.2车辆平顺性国内外研究现状

在二十世纪三十年代初,外国就已经有学者开始研究如何评价汽车行驶平顺性这一问题,相继有不少研究人员都试图建立一套客观的评价标准。时至今日,这一领域也得到了长远的发展。发展历程简要概括如下[6]。Reiher和Meister[7]利用振动试验对平顺性评价方法进行了初步的研究。Janeway[8]制定了主观性较强的舒适性的评价标准。德国专家Dickman[9]提出了基于K系数法的评价标准。D.E.Goldman[10]等人提出了在低频振动时将人体系统简化为刚度、阻尼以及质量的集中体模型,并在此基础上进行了更加深入的研究。他们得到了此模型在不同振动频率下发生共振的部位。1968年,Pradko[11]等人根据对实验结果的分析提出了吸收功率法。这一方法考察的是人体被动吸收的能量,这具有明确的物理意义,但由于没有明确的规定评判界限,故只适合于现有车型间的相互比较,不能有效地指导产品研发工作。1970年后,国际标准化组织与众多学术机构展开合作,开始对这一领域的相关问题进行研究,最终提出了“人体承受全身振动评价指南”。这一国际标准的提出对有关人体系统的振动响应的研究具有极大的指导和参考意义。后来,由于该标准存在一些不足的地方,国际标准组织又先后在1978年和1985年对其做了一些修订并重新颁布。在此之后,国际标准化组织考量了英国在1987年颁布的“总体乘坐值法”。有众多研究工作都对国际标准的重新颁布做出了积极的贡献[12]

在二十世纪八十年代初,长春汽车研究所、清华大学以及其他多个相关部门展开合作,研究有关车辆平顺性的问题。以国际标准ISO 2631 [13] 为参考,这批研究者最终完成了有关此领域的一整套国标的制定。我国对于车辆平顺性的评价方法和体系就是在这时正式形成的。虽然我国进入这一领域进行研究的时间较短,但也取得了一定的研究成果并成功的制定出了我们国家自己的平顺性评价标准。

在对某一车辆进行平顺性计算以及分析时,除了需要有一套能够客观评价车辆平顺性的标准之外,建立一个能够符合实际的汽车振动模型也是一个十分关键的问题。车辆平顺性这一领域的早期研究由于受到了计算能力上的限制,所建立的模型大都较为简单,最常见的就是1/4车辆模型与1/2车辆模型,而对1/2车辆模型的数学处理就已经较为复杂。在20世纪60年代的后期,由于电子计算机技术的日渐成熟和不断推广,同时随机振动理论在汽车基本性能方面的研究更加深入,使得有关车辆平顺性的理论研究有了较大的发展,就车辆平顺性分析模型的自由度而言,有了很大的提升。一些复杂的模型在此背景下出现[14]。现今几大主流多刚体动力学分析软件都是在那个时候发展起来的,比如美国MDI公司的ADAMS就是1973年时美国密歇根大学的N.Orlandeo和M.A.chace等人基于拉格朗日方法研制的能够简单分析二位和三维、开环或闭环系统动力学问题的多刚体动力学分析软件。在这一背景下,越来越多高自由度的模型乃至非线性动力学模型被用于研究车辆的平顺性问题。1997年,清华大学的张越今[15]利用ADAMS软件进行了整车动力学仿真及优化,分析了柔性元素对车辆动力学性能的影响。2002年,中国农业大学的王国权建立了596个自由度的卡车虚拟汽车模型[16]。这一研究实现了整车样机在随机输入激励下车辆模型的时域仿真求解。可见,借助于计算机可以方便的对复杂的多刚体力学系统进行仿真分析,在计算机的帮助下,人们对车辆平顺性的研究更加深入。

1.3 研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

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