影响汽车振动特性的几个参数研究

影响汽车振动特性的几个参数研究3

INVEST I GAT I O N O F S OM E PARAM ETERS AFFECT I NG THE

V I BRAT I O NAL CHARACTER I ST I CS O F AUTOMO T I VES

严世榕33

(福州大学车辆工程系,福建350002)

Y AN Sh i R o ng

(D epart m ent of V ehicle Engineering,Fuzhou U niversity,Fuzhou350002,China)

摘要　建立汽车制动时的4自由度动力学模型,并利用仿真方法研究汽车动态特性。研究表明,即使当路面为简谐的情形,车身与轮子的振动均为非简谐的,甚至不是周期的。汽车的结构参数对其整车的振动影响是剧烈、不同和复杂的,合理选择有关结构参数,如距离l

1

、悬架弹簧刚度等,可以使车身的振动很小。道路表面的波长也会影响汽车的振动且扮演着变频激励的作用。

关键词　振动特性　汽车　参数　制动　仿真

中图分类号　U461.56

Abstract　A dyna m ical model f or an aut omobile while braking was established and the model was with f our degrees of free2 dom.The dyna m ic characteristics about the aut omotive were investigated in a si m ulati on way.It is f ound that even though the wavy surface is si m p ly har monic,all vibrati ons of the car body and wheels are not har monic and even not peri odic.The effects of the structure para meters of a car on vibrati ons of the aut omotive are severe,different and comp licated t o different parts of the au2 t omotive.W ise selecti on of s ome structure para meters such as the distance l1,s p ring constants of sus pensi on devices,etc,can make the vibrati ons of the car body s mall.The r oad wave length als o affects the vibrati ons of the car and p lays as an excitati ons of variant frequencies.

Key words　V i bra ti ona l character isti cs;Auto m oti ve;Param eter;Brak i n g;S i m ul a ti on

Corresponding auther:YAN Shi R ong,E2m ail:m esryan@

Manuscri p t received20060123,in revised for m20060223.

1　引言

振动是现代汽车不得不面临的一个重要问题。随着汽车速度和人们对生活要求的不断提高,人们对降低汽车的振动要求越来越高。解决汽车的振动问题,首先从产生、影响振动的众多因素中寻找答案,国内外许多学者在这个方面做了许多工作。目前已知产生并影响汽车振动的有发动机及其与车架的连接形式、传动系统、道路表面因素、汽车启动或制动、转弯、风与汽车外型、汽车整体布置方案及其参数等[1～8]。在此基础上,通过动态优化和引进主动、半主动控制悬架的方法,实现汽车在任意路况下作任何运动时均能大幅度降低车身的振动[4～8],达到驾乘人员可以舒适地乘坐并快速抵达野外目的地。

了解掌握汽车动态特性及与其结构参数等的关系,是汽车动态优化设计的前提,也是合理采用与科学布置主动、半主动悬架的一个重要保证。虽然,国内外不少学者对汽车的动力学特性做过许多研究[1～4],但查找有关汽车制动过程的汽车动力学特性及与有关结构参数的关系的研究文献,还是困难重重。为此,本文专门对此进行研究,以期发现其中的规律和相互关系

。

图1　动力学模型

Fig.1　Dyna m ic

model

Journa l of M echan i ca l Strength2006,28(S):22～25

3 3320060123收到初稿,20060223收到修改稿。

严世榕,男,1960年7月生,福建省福州市人,汉族。教授,博士,研究方向为机械动力学与控制、机器人技术、车辆工程等。

2　动力学模型

当汽车沿直线道路行驶时,采用4个自由度的动力学模型基本可以满足工程需要[4]

。本文的动力学模型如图1所示。图中,l 1、l 2分别为前后车轮中心距车身质心的距离,l 为前后车轮的中心距,h 为车身质心距悬架上端的垂直距离(这里假设,车身水平时前后悬架的上端地面高度相同)。

利用机械振动理论,很容易推出与图1相对应的汽车运动微分方程,如下式

x 1=x 2

x 2=-k 1[(x 1-l 1x 3)-x 5]-c 1[(x 2-l 1x 4)-x 6]-k 2[(x 1-l 2x 3)-x 7]-c 2[(x 2-l 1x 4)-x 8]}M x 3=x 4

x 4=M a (h cos x 3+l 1sin x 3)+l 1k 1[(x 1-l 1x 3)-x 5]cos x 3+l 1c 1[(x 2-l 1x 4)-x 6]cos x 3-l 2k 2[(x 1-l 2x 3)-x 7]cos x 3-l 2c 2[(x 2-l 1x 4)-x 8]cos x 3/J c

x 5=x 6

x 6=k 1[(x 1-l 1x 3)-x 5]+c 1[(x 2-l 1x 4)-x 6]-k 1t (x 5-z g f )/m 1

x 7=x 8

x 8=k 2[

(x 1-l 2x 3)-x 7]+c 2[(x 2-l 1x 4)-x 8]

k 2t (x 7-z g r )/m 2

(1)

式中,x 1、x 3、x 5、x 7分别为车身质心的垂直位移、车身

绕过其质心的垂直于纸面轴的摆动角位移、前轮与后轮质心的垂直位移,k 1、c 1为前悬架的刚度与阻尼系数,k 2、c 2为后悬架的刚度与阻尼系数,M 、J c 为车身的质量与绕车身质心的转动惯量,,m 1、k 1t 为前轮的质量与轮胎刚度,m 2、k 2t 为后轮的质量与轮胎刚度,z g f 、z g r 为前后轮接触处路面高度,a 为减速度大小。

3　仿真研究

从公式(1)可知,影响汽车刹车过程振动的除了

与制动减速度大小有关外,还与汽车本身的结构参数(如l 1、l 2、l 、h 、k 1、c 1、k 2、c 2、M 、J c 、m 1、k 1t 、m 2、k 2t )大小及相互关系紧密相关。由于方程(1)本身是时变与非线性的,通过解析法直接建立振动特性与结构参数间的关系是难以实现的,这里借助计算机仿真方法加以研究。仿真参数为一种国产车稍加改变后得到,它们为m 1=30.0kg ,m 2=32.0kg ,M =400.0kg ,J c =2200.0kg/m 2

,h =0.3m ,k 1=30000.0N /m ,c 1=3000.0kg/s ,k 2=32500.0N /m ,c 2=3050.0kg/s ,

a =6.0m /s 2

,k 1t =425000.0N /m ,k 2t =425000.0N /

m ,l 1=1.2m ,l 2=1.1m 。为简化问题,仅研究路面为

正弦函数情形

,即前轮处为z g f =A sin (2

πs /L r ),后轮处为z g r =A sin[2

π(s -L )/L r ]。这里s 为制动过程前轮行驶距离,L r 为路面波长。

图2　制动过程汽车振动

Fig .2　Car vibrati ons during braking

图2为该车在一种直线行驶制动过程中的振动情况。制动前汽车以60km /h 速度匀速行驶,制动从第1秒开始。道路的波动大小为A =0.01m ,L r =15m 。

从该图可见,因制动产生的汽车振动不同与在同样路况下直线行驶时汽车的振动。制动不但不会使车身的垂直振动变大,还使其振动速度下降。尽管如此,制动却使车身绕其垂直于纸面的水平轴的摆动幅度增大数倍,且其速度也突然加大许多。制动对两个轮子的振动位移几乎没有影响,虽然在刚制动瞬间,它们的振动速度有个较大的突变。除了制动对汽车振动大小产生影响外,制动还使车身与轮子的振动频率逐渐减小,直至停车为止。

汽车结构参数的变化对车身与轮子等的振动大小产生影响。图3描述当结构参数l 1变化时,车身与轮子的振动位移最大值随其变化的规律。在仿真过程中,保持车身总长与原来值一样。从该图可见,参数l 1对车身与轮子的振动影响是不同的。车身的垂直振动先随l 1的增大而减小,过了谷点后又随其增加而增大。车身的摆角x 1则随l 1的增大而增大。l 1对前后轮子的振动影响也不完全一样。这与前后悬架刚度大小不同有关。 图4是车身质量与汽车振动的关系。由该图可

　第28卷增刊严世榕:影响汽车振动特性的几个参数研究

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