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河北工业大学硕士学位论文基于悬架系统的客车平顺性分析姓名：韩亚平申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：武一民;刘华娥20061001河北工业大学硕士学位论文I基于悬架系统的客车平顺性分析摘要悬架是现代汽车上的重要总成之一。其主要任务是传递作用在车轮与车架（或车身）之间的一切力和扭矩，它规定车轴（或车轮）与车架（或车身）之间的相对运动，并且缓和由不平路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车平顺的行驶。汽车悬架系统将直接影响汽车的使用性能，特别是汽车平顺性、操作稳定性、转向轻便性和轮胎的使用寿命等方面的性能。本文首先对汽车平顺性的评价方法进行了论述，对汽车振动理论中振动信号的频域分析、传递函数、相干函数等方法进行了总结，对发动机、传动轴等主要部件的振动特性进行了分析。在此基础上建立了客车平顺性分析的四自由度模型及悬架系统的两自由度模型，并分析了悬架参数对车身振动响应的影响。编制了相应的悬架系统计算分析程序。针对某客车行驶时产生的振动问题，在大量实验的基础上，确定了该车产生共振的原因。基于悬架系统的分析，提出了新的悬架参数配置方案，并进行了相应的道路试验。实验表明，装配新悬架的某客车的振动现象得到了改善，通过悬架匹配分析可有效的提高汽车的平顺性。关键词：悬架，建模，平顺性，振动，试验基于悬架系统的客车平顺性分析IIAnalysisOfRideComfortPerformanceOfPassengerCarBasedOnSuspensionSystemABSTRACTSuspensionisoneoftheimportantassembliesinmodernvehicle.Themainfunctionofthesuspensionistotransferallforceandtorque,itregulatestherelativemotionbetweentheaxle(wheels)andtheframe(body),absorbstheimpactduetounevensurface,reducesthevibrationcausingbytheimpactatthesametime,sothatthevehiclecouldridecomfortably.Thesuspensionsystemeffectsdirectlyontheperformanceofvehicle,especiallyhandlingstability,ridecomfortperformance,steeringability,andprolongsthetires’life,etc.Itisdiscussedfirstthattheestimatemethodaboutridecomfortperformanceofvehicleinthispaper,andwesummarizethemethodsoffrequencydomainanalysis,transferfunctionandcoherencefunctionaboutthevibrationsignalofthevehiclevibrationtheory,thenweanalysisthevibrationcharacteristicofsomeimportantcomponentssuchasengine,driveshaft,etc.Basingtheresearchwebuildthefour-freedommodelofridecomfortperformanceanalysisofpassengercarandthetwo-freedommodelofthesuspensionsystem,thenanalyzetheinfluenceofsuspensionsystemparametersonthevehiclebodyvibrationresponse,buildtheanalysisprogramofsuspensionsystematlast.Aimedatthevibrationproblemofthepassengercarduringoperating,wedeterminethereasonofsympatheticvibrationdependingonabundantexperiments.Theanalysisaboutsuspensionsystemcanputanewdesign-projectofsuspensionparameters,andwemakecorrespondingroadexperiments.Theresultoftheseexperimentsshowthatthevibratingofthepassengercarcouldbeimprovedbyequippedthenewestsuspension,sothematchinganalysisofthesuspensionsystemcanincreasegreatlyridecomfortperformanceofvehicle.KEYWORDS:suspension,buildingmodel,ridecomfortperformance,vibration,experiment河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1立题的意义1-1-1研究意义自1886年第一辆汽车问世至今，汽车发展已经历了一百多年。昀初开始汽车只有少数贵族才能消费得起，而现在汽车己成为大众的消费品，它已进入了普通人家。中国作为发展中国家，在过去的20多年里，国家经济取得了很大的发展，汽车工业也取得了飞跃性的发展，我国的汽车生产能力得到很大的提高。近几年来，我国私人汽车的拥有量增长很快，人们对汽车要求与过去相比也有了很大的变化。过去汽车仅仅是一种载运工具，人们只关注汽车的载运能力，而现在汽车己成为一种代步工具，人们不再只追求汽车的动力性能，还讲究汽车的环保、舒适、安全等更高层次的性能引起了日益的重视。汽车行驶平顺性就是保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定舒适度的性能，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能，它是评价现代高速、高效率汽车的重要性能指标之一[1]。由于平顺性主要是根据乘坐者的舒适程度来评价，因此也叫乘坐舒适性。车辆振动不仅会导致车上乘员疲劳和货物的破损，而且，车辆振动会使整车零部件过早的磨损和疲劳损坏，影响车辆的正常使用寿命。此外，车辆的平顺性不好，还限制了汽车的行驶速度。保持振动环境的舒适性，以保证驾驶员在复杂的行驶和操纵条件下具有良好的心理状态和准确灵敏的反应，它将影响“人一汽车”系统的操纵稳定性，对确保安全行驶是非常重要的。汽车乘坐舒适性是汽车的一个主要性能，它的优劣直接影响到汽车动力性和经济性的发挥，影响到零部件的使用寿命。所以它是同类汽车在市场竞争中一项重要性能指标。因而，研究如何使汽车具有良好的平顺性的工作越来越受到重视。以前对于一辆新设计汽车的乘坐舒适性一般是在制成样车并进行试验后才能昀后确定。因而在设计阶段由于计算工具的限制和缺少路面谱资料难于精确的预测这种性能，影响平顺性的悬架参数和有关整车参数主要凭设计人员的经验和粗略计算来确定，故难于迅速达到优化水平。近年来，人们通过对汽车参数的测试及模型的建立，可以用理论的方法进行比较精确的模拟仿真，以便缩短设计周期，提高设计质量，进行优化设计，尽可能达到一次设计成功的要求。在我国，汽车平顺性的研究越来越受到汽车生产厂商的重视，特别是针对轿车和豪华大客车的乘坐舒适性研究取得了很大进展。但是，对于普通车辆，特别是SUV汽车以及货车的平顺性研究却并未引起足够重视。近年来，随着我国经济的飞速发展，人民生活水平的不断提高，人们对SUV汽车的舒适性也提出了新的要求。因此，为了开拓市场，更好地占有市场份额，开展汽车平顺性的研究对各个汽车生产厂商来说也是具有实际意义的一项工作。1-1-2车辆悬架的基本结构及分类车辆悬架是汽车行驶系的一个组成部分，是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。悬架的功能是把路面作用于车轮的垂直反作用力(支承力)、纵向反作用力(驱动力基于悬架系统的客车平顺性分析和制动力)和侧向反作用力以及这些反作用力所造成的力矩传递到车架(或承载式车身)上，以保证汽车的正常行驶。现代汽车的悬架虽有多种结构形式，但一般均由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成。汽车行驶的路面不可能绝对平坦，路面作用于车轮的垂直反作用力往往具有冲击性，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将达到很大的数值。冲击力传到悬架和车身时，可能引起车辆机件的早期损坏，冲击引起的振动传给乘员或货物时，将使乘员感到极不舒适，也可能损毁货物。为了缓和冲击，在汽车行驶系中，除了采用弹性的充气轮胎之外，在悬架系统中装有弹性元件，使车架与车桥之间作弹性联接。因弹性元件受到冲击力后将产生持续的振动，使乘员感到疲劳，悬架系统中专门的减振器将使振动迅速衰减，提高乘坐的舒适性。导向机构是具有导向作用的传力构件，它使车轮按一定轨迹相对于悬架和车身跳动，以符合转向轮的运动轨迹要求。采用钢板弹簧作弹性元件的车辆，悬架本身具有一定的减振能力，在对减振要求不高的车辆上，可以不再安装独立的减振器，如一般中型货车后悬架和重型货车。对于乘坐舒适性要求较高的轿车来说，为了达到迅速可靠的减振目的，悬架机构中都应设有专门的减振器。车辆悬架按其基本结构，可分为非独立悬架和独立悬架[2]，前者由车轴连接左右车轮，后者的左右车轮可独立动作。图1.1为两类悬架的示意图，图a为非独立悬架，图b为装有减振器的独立悬架。非独立悬架结构简单，成本低廉，强度高，耐久性好，但非簧载质量大，左右轮动作容易产生干涉，不利于乘坐舒适性及操纵稳定性的提高，主要用于承载较大负荷的客车和卡车。独立悬架则主要用于轿车，几乎所有轿车的前轮都采用这种方式。a)非独立悬架b)独立悬架图1.1非独立悬架及独立悬架示意图Fig1.1Thesketchofdependentandindependentsuspension与非独立悬架相比，独立悬架结构复杂，造价昂贵，但非簧载重量轻，车轮对路面的作用力大，因而对乘坐舒适性和操纵稳定性的指标来说，这种悬架的效果更好。另外，独立式悬架在设计上的自由度大，便于根据汽车的性能设计出相应的装置，同时可将发动机、底板及车头设计得很低，以降低车辆的重心，减弱造型约束的限制。§1-2车辆悬架的模型及振动控制悬架系统的动力学建模和分析是一个不断深入的课题，就乘坐舒适性的角度，近五十年的历史看，从控制策略到实现部件——作动器都经历了快速发展的过程。随着分析模型自由度数的增加，悬架系的真实2河北工业大学硕士学位论文动力系统变得更加清晰。现代计算机技术和控制理论的进步使得先进的控制策略能够实现。同时，机械作动器到智能作动器的转变开辟了悬架系振动控制的新前景[6]。1-2-1车辆悬架的平顺性问题行进中的车辆是一个空间运动体。其运动包括前后、左右和上下方向的移动和绕三个互相垂直轴线的转动。在分析车辆的操纵稳定性和行驶平顺性时，常采用固结于运动车辆上的动坐标系来建立运动微分方程。图1.2为固结于汽车上的直角动坐标系，称为车辆坐标系[3]。图1.2固结于刚体的车辆坐标系Fig1.2Vehiclecoordinatessystembuildinginvehiclebody图中，xoz处于汽车左右对称平面内，当车辆在水平路面上等速直线行驶时，x轴平行于地面指向前方，z轴通过汽车中心指向下方，y轴指向驾驶员的右方。坐标系的原点因所讨论的汽车简化模型不同，这里，令其与汽车重心重合。沿x轴方向的速度、加速度称为汽车行驶速度V与行驶加速度j。沿y轴方向的速度、加速度称为汽车的侧向速度(侧偏速度)v与侧向加速度i。沿z轴方向的速度称为汽车的垂直速度(跳动速度)w与垂直加速度k。绕x轴的转动称为侧倾运动，转动的角度为侧倾角ф，转动的角速度称为侧倾角速度p