重型載貨汽車懸架系統(tǒng)多目標優(yōu)化設計系統(tǒng)的研究開發(fā)

1、合肥工業(yè)大學碩士學位論文重型載貨汽車懸架系統(tǒng)多目標優(yōu)化設計系統(tǒng)的研究開發(fā)姓名：韓燕申請學位級別：碩士專業(yè)：機械設計及理論指導教師：呂新生20090301重型載貨汽車懸架系統(tǒng)多目標優(yōu)化設計系統(tǒng)的研究開發(fā)摘要懸架是汽車的重要部件，對汽車的平順性、操縱穩(wěn)定性及壽命等多種使用性能有很大影響。鋼板彈簧目前仍被廣泛應用于重型載貨汽車的懸架，因此，鋼板彈簧懸架系統(tǒng)優(yōu)化設計系統(tǒng)的研究開發(fā)具有廣泛性和通用性。本論文在論述汽車平順性評價方法的基礎上，建立了重型載貨汽車的簡化物理模型和數(shù)學模型，應用語言工具箱對給定參數(shù)的某車型進行了仿真分析，得到了加速度均方根值以及加速度隨頻率變化的振動曲線圖。根據(jù)仿真結果分析影響

2、載貨汽車平順性的主要因素，為后面的回歸方程和優(yōu)化目標函數(shù)的建立提供依據(jù)。評價懸架性能的指標主要有汽車車身加速度、懸架動撓度、懸架動載荷，而這三個評價指標在懸架參數(shù)優(yōu)化過程中具有一定的矛盾性。為了在設計時能夠得到性能更好的板簧懸架，本文選用了交互式滿意協(xié)調(diào)的多目標優(yōu)化方法，對三個評價懸架的性能指標進行綜合優(yōu)化處理，運用編制了滿足不同要求載貨汽車的懸架優(yōu)化設計系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，設計人員在產(chǎn)品開發(fā)階段就能對產(chǎn)品的性能作出理論性的預測，從而縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。關鍵詞：鋼板彈簧平順性仿真動撓度動載荷多目標優(yōu)化滿意協(xié)調(diào)法，：，插圖清單圖減振器和彈性元件安裝示意圖圖非獨立懸架圖獨立懸架圖疲勞

3、功效降低界限曲線圖五自由度半車模型圖汽車振動系統(tǒng)框圖圖前后輪的兩個輸入圖汽車簡圖圖裝載貨物后汽車簡圖圖空載工況下的加速度功率譜圖滿載工況下的加速度功率譜圖空載情況下加速度均方根值圖滿載情況下加速度均方根值圖各程序段調(diào)用關系圖程序流程圖圖像圖圖一維無約束問題圖二維無約束問題圖三維無約束問題圖協(xié)調(diào)曲線法理想點、悲觀點、期望水平之間相互關系圖優(yōu)化程序的總流程框圖圖滿意解集圖圖表格清單表懸架系統(tǒng)一、或、怫的實用范圍表路面不平度級分類標準表軸荷分配表表某型號重型卡車計算輸入?yún)?shù)表兩種工況下的中心頻率從對應的加速度均方根值表因子個數(shù)與組合試驗次數(shù)表因子編碼表表方差分析表表因素水平編碼表試驗參數(shù)表表實驗安排

4、、實驗數(shù)據(jù)結構矩陣及計算結果表回歸方程方差分析表表目標函數(shù)的單目標優(yōu)化結果表。優(yōu)化前后結果分析表獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得金壁王些態(tài)堂或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。撇一魏沖象鼽多月加日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解金世王些太堂有關保留、使用學位論文的規(guī)定，有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。

5、本人授權金旦墾王些太堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后適用本授權書）學位論文簽字日期學位論文工作單位：通訊地址：觸弓月如日導師簽名：特醐：電話：郵編：致謝從年的金秋季節(jié)再次踏入學校算起，兩年半的研究生求學階段行將結束。在此期間，與老師和學長的交流，與同學的朝夕相處，獲得真知卓見的喜悅。本文的成稿算是這段寶貴經(jīng)歷的一種總結形式，藉此，向這兩年半間所有幫助和支持我的老師、朋友和家入表示衷心的感謝！首先感謝我的導師呂新生教授。導師呂新生教授的豐富理論知識與創(chuàng)新研究思維相結合，在研究領域顯示了很強的生命

6、力。我的論文正是基于導師呂新生教授嚴謹?shù)闹螌W風格，其間呂老師在研究方向上給予了很多的指導，每次與他交流后，自己對研究問題的看法都顯得更清晰。我在攻讀碩士學位期間所取得的每一點進步都離不開導師的指導和幫助。在這兩年多時間內(nèi)，導師不僅在學業(yè)上給予了我精心指導，而且在生活上也給予了我無微不至的關懷。值此論文完成之際，謹向我的導師表示衷心的感謝和崇高的敬意！感謝中心的王曉楓老師、曹文鋼老師、陳科老師、張曄老師在我研究生期間所給予的指導與關懷！感謝劉亞東、王敬之、石作維、喬依男、武立勝、劉濤等同學對我研究工作的支持和幫助！感謝父母多年來對我的理解和支持，他們給予了我莫大的支持和關愛，使我有不斷進取的氛圍

7、和信心，才使我有再次得以提高自己的求學機會。最后，感謝評閱本文和出席論文答辯的各位專家教授在百忙中給予本人的指導。作者：韓燕年月第一章緒論汽車懸架系統(tǒng)簡介懸架的功用懸架是車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間的一切傳動連接裝置的總稱。它的功用是把路面作用于車輪上的垂直反力（支承力）、縱向反力（驅動力和制動力）和側向反力以及這些反力所造成的力矩都要傳遞到車架（或支承式車身）上，以保證汽車的正常行駛【。懸架的組成現(xiàn)代汽車的懸架盡管有各種不同的結構形式，但是一般都由彈性元件（使車架或車身與車橋或車輪之間做彈性連接）、減振器（使振動迅速衰減）和導向結構（使車輪按一定軌跡相對于車架和車身跳動）三部分組

8、成】。（一）彈性元件彈性元件的分類主要有鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、油氣彈簧及橡膠彈簧等。（）鋼板彈簧由多片不等長和不等曲率的鋼板疊合而成。安裝好后兩端自然向上彎曲。鋼板彈簧除具有緩沖作用外，還有一定的減震作用，縱向布置時還具有導向傳力的作用，非獨立懸掛大多采用鋼板彈簧做彈性元件，可省去導向裝置和減震器，結構簡單【】。由于這些特性，鋼板彈簧在載貨汽車尤其重型載貨汽車上得到廣泛應用，而本文在后面的研究中都是以鋼板彈簧為研究對象。（）螺旋彈簧只具備緩沖作用，多用于轎車獨立懸掛裝置。由于沒有減震和傳力的功能，還必須設有專門的減震器和導向裝置。（）扭桿彈簧將用彈簧桿做成的扭桿一端固定于車架，另一端通

9、過擺臂與車輪相連，利用車輪跳動時扭桿的扭轉變形起到緩沖作用，適合于獨立懸掛使用。（）橡膠彈簧橡膠彈簧是利用橡膠本身的彈性來起彈性作用。它可以承受壓縮載荷和扭轉載荷。其優(yōu)點是單位質(zhì)量的儲存能量較金屬彈簧多，隔音性能好，橡膠彈簧多用做懸架的副簧和緩沖塊】。在某些汽車的懸架中也有用它作為主簧的。（）油氣彈簧油氣彈簧以氣體作為彈性介質(zhì)，液體作為傳力介質(zhì)，它一般由氣體彈簧和相對于液力減振器的液壓缸所組成。它不但具有良好的緩沖能力，還具有減震作用，同時還可調(diào)節(jié)車架的高度，適用于重型車輛和大客車使用【】。（二）減振器彈性系統(tǒng)在受到?jīng)_擊后，將會產(chǎn)生振動。持續(xù)的振動易使乘員感到不舒適和疲勞，故懸架還應當具有減振

10、作用，使振動迅速衰減（振幅迅速減小）。為此，在許多結構型式的汽車懸架中都設有專門的減振器，減振器與懸架彈性元件一般采用并聯(lián)安裝，如圖。圖減振器和彈性元件安裝不意圖目前汽車懸架系統(tǒng)中最廣泛采用的是液力減振器，其作用原理【】是當車架與車橋作往復相對運動，而活塞在缸筒內(nèi)往復運動時，減振器殼體內(nèi)的油液便反復地從一個內(nèi)腔通過一些窄小的孔隙流入另一內(nèi)腔。此時，孔壁與油液間的摩擦及液體分子內(nèi)摩擦便形成對振動的阻尼力，使車身和車架的振動能量轉化為熱能，而被油液和減振器殼體所吸收，然后散到大氣中。除了液力減振器以外，目前又陸續(xù)研究開發(fā)了一系列新型減振器，如充氣式減振器、阻尼可調(diào)式減振器等。（三）導向機構車輪相對

11、于車架和車身跳動時，車輪（特別是轉向輪）的運動軌跡應符合一定的要求，否則對汽車某些行駛性能（特別是操縱穩(wěn)定性）有不利的影響【】。因此，懸架中某些傳力構件同時還承擔著使車輪按一定軌跡相對車架和車身跳動的任務【】，因而這些傳力構件還起導向作用，故稱導向機構。除了彈性元件、減振器和導向機構之外，在許多轎車和客車上，為防止車身在轉向等情況下發(fā)生過大的橫向傾斜，在懸架中還設有輔助彈性元件一橫向穩(wěn)定器等。所有這些元件共同組成了汽車的懸架系統(tǒng)，共同承擔著緩沖、減振和傳力的作用，保證汽車正常行駛【】。懸架的分類根據(jù)導向機構型式的不同，汽車懸架可分為兩大類：非獨立懸架和獨立懸架川。（）非獨立懸架的結構特點是兩側

12、的車輪由一根整體式車橋相連，車輪連同車橋一起通過彈性懸架懸掛在車架（或車身）的下面，如圖。這種懸架結構簡單，傳力可靠，但兩輪受沖擊震動時互相影響。而且由于非懸架質(zhì)量較重，懸架的緩沖性能較差，行駛時汽車振動，沖擊較大。圖非獨立懸架（）獨立懸架則是每個車輪單獨通過一套懸掛安裝于車身或者車橋上，車橋采用斷開式，中間一段固定于車架或者車身上，如圖。此種懸架兩邊車輪受沖擊時互不影響，而且由于非懸架質(zhì)量較輕，緩沖與減震能力很強，乘坐舒適。各項指標都優(yōu)于非獨立式懸架，但該懸架結構復雜，而且還會使驅動橋、轉向系變得復雜起來。圖獨立懸架重型載貨汽車懸架系統(tǒng)的工作狀況提高汽車的使用性能一直是汽車研究者的研究方向和

13、汽車生產(chǎn)商的目標，隨著科技的進步和發(fā)展，汽車生產(chǎn)商盡一切可能從汽車的平順性，操縱穩(wěn)定性，轉向性，一致性，標準性，燃料經(jīng)濟性等方面去滿足使用者的需求，目前在小轎車方面的研究已取得了很大的突破甚至成熟，但是由于貨車的作用和工作狀況等特點，貨車某些方面的研究還有待進一步的提高和深入【】。例如，貨車尤其是大型工程運輸車在凹凸不平的路面甚至是露天礦山上長時間往返的行駛時，要求懸架具有高阻尼系數(shù)的“硬”懸架，而隔離隨機路面不平度對汽車的擾動應具有低阻尼系數(shù)的“軟”懸架。但是在低阻尼系數(shù)的“軟”懸架情況下，車身又容易出現(xiàn)共振振幅過大現(xiàn)象】。其次，對于載貨汽車，當其承載一定量的貨物甚至是滿載時，其座椅處的加速

14、度均方根值相對于空載時要小很多，即其振動會比較小，表現(xiàn)為平順性時，承載的貨車比空載時的平順性要好，司機的承受能力也較強。但貨車不可能一直裝載貨物，司機有一半的時間是駕駛空車而回，這種情況下司機會感覺汽車顛簸的非常厲害，很容易形成疲勞駕駛，造成交通事故。第三，從載貨汽車作用的角度考慮，我們希望汽車的懸架剛度是越大越好，這樣貨車的承載能力就強，而目前的種種研究表明懸架的剛度對汽車的平順性有很大的影響，一般是剛度越大，平順性也就越差【】。等等這些矛盾使目前懸架性能的改善，貨車平順性的提高受到了很大的限制。因此，在汽車懸架系統(tǒng)設計中既要考慮承載能力，又要考慮平順性，對于乘用車，平順性是主要考慮因素（因

15、承載能力較小且基本固定），而對于載貨車，則兩者必須綜合考慮，且不同用途、不同工況、甚至不同用戶的載貨車，對兩者的要求相差很大，因此，承載能力與平順性一直是載貨汽車懸架系統(tǒng)設計中一對永恒的矛盾。汽車懸架系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀目前對汽車懸架系統(tǒng)的研究主要有：（）根據(jù)汽車振動原理，建立汽車的平順性模型，通過某種軟件仿真求出加速度均方根值和加速度功率譜，分別改變懸架的設計參數(shù)、路譜、速度依次得到加速度均方根值，得到汽車平順性的影響因素。這種研究是最基本的研究，為有關懸架其他的分析研究提供了直接的理論依據(jù)，但未涉及到懸架的設計研究，所以根本不能為懸架的設計提供依據(jù)。（）根據(jù)汽車工作狀況建立不同自由度的平順性模型

16、，將建立的不同模型進行仿真再與試驗數(shù)據(jù)進行比較，得出哪種自由度的模型更和實際情況相符，更能很好的反應汽車的振動系統(tǒng)。這種研究只是在模型的建立上進行了研究，并未對汽車的懸架系統(tǒng)和汽車的平順性進行分析和研究。（）根據(jù)以上兩種研究，選定較合理模型，進行懸架剛度和阻尼系數(shù)的研究，對懸架剛度和阻尼系數(shù)進行匹配。這種研究通過建立更符合實際行駛情況的模型，非常準確的研究了汽車的平順性，為今后的研究提供了可靠的理論基礎，但是由于其研究的只是剛度和阻尼以及他們之間的匹配，而忽略了其他因素對平順性以及承載能力的影響，這種分析只能對設計方案起到校核和驗證的作用，不能直接作為設計工具，具體的說就是：分析發(fā)現(xiàn)懸架性能有

17、改進的必要時，卻不知道具體調(diào)整哪個或哪些參數(shù)，具體調(diào)整多少，顯然這種研究方法存在一定的局限性。（）針對某種車型，建立幾個自由度的平順性模型，建立平順性函數(shù)，進行某些約束條件的單目標優(yōu)化，這種研究在汽車的平順性進行了很大改善的基礎上為懸架參數(shù)設計提了可靠的參考，但對于載貨汽車，司機的舒適性和貨物的運輸量同樣重要，所以提高汽車的平順性不是唯一目的，提高其承載能力或說板簧的“反弓”能力也是我們的一個主要目標。汽車懸架系統(tǒng)設計中，既要考慮承載能力，也要考慮平順性，兩者常常是矛盾的，因此這是個典型的多目標優(yōu)化問題，顯然這種研究方法并未考慮這一問題。（）根據(jù)懸架性能要求建立多目標函數(shù)，采用某種數(shù)學方法進行

18、多目標優(yōu)化，這種研究方法比以前的研究考慮的更全面更嚴謹，但是其缺陷在于優(yōu)化的數(shù)學方法的選擇，大多數(shù)采用的是線性加權統(tǒng)一目標法，這種研究方法實用范圍很狹窄，不能給多型號多噸位載貨汽車的設計提供可靠依據(jù)。論文研究的主要內(nèi)容針對以上懸架系統(tǒng)的研究缺陷，本文主要研究的是汽車行駛平順性建模與仿真，并將多目標優(yōu)化引入汽車懸架系統(tǒng)設計，考慮了平順性，輪胎相對動載荷，懸架動撓度等多個目標，考慮了速度、載重量、重心、轉動慣量等變化因素，編制了可以在懸架設計系統(tǒng)設計中直接作為設計工具的系統(tǒng)程序。具體主要包括以下幾部分內(nèi)容：（）平順性模型的建立。根據(jù)目前研究的可靠性理論已經(jīng)載貨汽車實際行駛狀況建立五自由度的載貨汽車

19、的平順性模型，選擇倍頻法的平順性評價方法，以及道路輸入模型。（）對建立的五自由度模型進行仿真。通過編制語言程序對給定參數(shù)的模型進行仿真，得到加速度均方根值以及加速度功率譜圖。為后面的回歸方程和目標函數(shù)的建立提供依據(jù)。（）建立平順性的二次回歸方程。將影響平順性的某些因素作為獨立變量，進行二次正交回歸試驗的平順性一般顯性函數(shù)的建立。（）優(yōu)化懸架設計參數(shù)。根據(jù)載貨汽車的作用和特點，建立多目標函數(shù)和多設計變量和約束條件，編制優(yōu)化程序，將多優(yōu)化結果進行分析，驗證其可靠性和正確性。本章小結本章從介紹懸架系統(tǒng)的功用分類出發(fā)，分析了載貨汽車的工作狀況，發(fā)現(xiàn)懸架系統(tǒng)設計中需要解決的各種矛盾，介紹了汽車行駛平順性

20、及汽車懸架研究等相關領域的研究發(fā)展與現(xiàn)狀，最后根據(jù)提出的矛盾，給出了本文的主要研究內(nèi)容及相關的研究方法與路線。第二章汽車懸架系統(tǒng)平順性與仿真平順性評價概述汽車平順性是指避免汽車在行駛過程中所產(chǎn)生的振動和沖擊使人感到不舒適、疲勞甚至損害健康或使貨物損壞的性能。汽車的平順性是現(xiàn)代高速汽車的主要性能之一，是檢驗汽車性能的重要指標之一，它的好壞直接影響到汽車多種使用性能的發(fā)揮和行駛系的壽命，也是同類汽車在市場競爭中的一項重要性能指標【】。汽車在實際使用中，常因路面不平而引起強烈的車身振動，對乘坐者的生理反應或所運貨物的完整，均產(chǎn)生不利的影響；其次，振動還在汽車上產(chǎn)生動載荷，加速零件磨損，使某些部件早期

21、疲勞失效；第三，振動產(chǎn)生的車輛動荷載通過車輪作用在路面上，使路面易于產(chǎn)生疲勞損傷和宏觀破壞【。相比乘用車而言，通用載貨車的工作條件比較惡劣，行駛的道路標準低、彎道多、坡路多、轉彎半徑小，車輛頻繁轉向與制動，并長期在滿載、振動與沖擊載荷下工作，座椅部位的振動水平是一般客車的倍，更為嚴重的是大多數(shù)載貨車駕駛員在這種環(huán)境中一天工作長達、，時【，這給駕駛員帶來較大疲勞和更多的危險。同時，平順性對車輛油耗和車體損傷也有重要影響。因此在著力研究汽車平順性為減少這些危險和損傷的同時還要根據(jù)需要選擇平順性評價指標。平順性評價方法一般認為，汽車平順性評價的影響因素有三個：客觀的生理學因素、主觀的心理學因素和評價

22、方法的差異。目前平順性評價方法大致可分為主觀評價法和客觀測量法。主觀評價法是由有經(jīng)驗的乘員組成的專門小組來完成汽車平順性的主觀評價【。該評價法的缺點是：需要根據(jù)經(jīng)驗認真的規(guī)劃、需要統(tǒng)計上的無偏見采樣、人們對振動的感覺的復雜性以及不同次或不同組人員給出的評價汽車平順性的比較定性的數(shù)據(jù)具有差異等。僅用定性的說明或描述不容易確定汽車平順性，而客觀測量評價法是借助于測量儀器來完成對隨機振動機數(shù)據(jù)的采樣、記錄，在專用數(shù)據(jù)處理機上進行數(shù)據(jù)處理，通過得到相關的分析值與相對應的限制指標相比較，可較為客觀的確定汽車平順性。目前有以下幾個評價指標【：（）倍頻率評價法在頻譜圖上，將頻率分成倍頻帶。任意頻帶的上限頻率

23、是其中心頻率的倍，而其下限頻率是其中心頻率的倍，而且某頻帶的上限頻率即為下一頻帶的下限頻率?！捌诮档凸πЫ缦拊诜秶鷥?nèi)規(guī)定的倍頻帶中心頻率為，分成不同的頻帶，各段的上下限頻率與中心頻率的關系為：無丘，石，帶寬無一。各段頻帶的加速度均方根值璣，可以從傳至人體的加速度的功率譜密度對相應的頻帶中心頻率的帶寬積分然后開方而得：驢曬（）這種方法認為，同時有許多的倍頻帶的振動能量作用于人體時，各頻帶無明顯的聯(lián)系，對人體產(chǎn)生影響的主要由人體感覺的振動強度最大的一個頻帶造成的。由于人體對各頻帶振動的敏感程度不同，所以倍頻帶加速度均方根值分量的大小并不能反映人體感覺振動強度的大小。為此要用人體對不同頻率振動敏感

24、程度的頻率加權函數(shù)，將人體最敏感的頻率范圍以外的各倍頻帶加速度均方根值分量進行頻率加權，即按人體感覺的振動強度相等的原則折算為最敏感頻率范圍，垂直振動，水平振動的數(shù)值，稱為加權加速度均方根值分量口耐。它的大小可以反映人體對振動強度的感覺。其計算公式為：口謝（厶）口。（）式中：以厶）一頻率加權函數(shù)以，各頻帶的中心頻率（）（）軸方向們。曼篙品【（廠）（）（），軸方向以）：【（）得到口州的最大值后，把它與最敏感頻帶的允許的界限加以比較，進行評價。（）總加權值方法這種方法是用一的個倍頻帶加權加速度均方根值分量口講的均方根和值總加權加速度均方根值口來評價。其計算公式如下：叭仍）矽（）本文根據(jù)實際課題的研

25、究范圍以及目的，采用倍頻法的加速度均方根值作為平順性評價的指標，雖簡化了對平順性的仿真過程，但本文著重關注的是在載重車原始設計參數(shù)的基礎上，通過優(yōu)化后其加速度均方根值減少程度，以此確定優(yōu)化的正確性和可行性。（）吸收功率法年由美國機動系統(tǒng)實驗室的和提出的吸收功率法是根據(jù)人體的解剖學特性并建立在人體的能量輸入率的基礎之上的。該法認為人體是有阻尼的彈性物體，在一定范圍內(nèi)是線性系統(tǒng)，能量流動率可評價人體振動特性，這些能量的時間耗散率被定為吸收功率（）。吸收功率在時間域上可表示：以。三，；廠（）（）疵式中，）激勵的時間函數(shù)；礦（）速度值（）在頻域上可表示為：局（彳慨）（）式中，（）一各頻率段上的加速度均

26、方根值一考慮了人體特性的頻率函數(shù)；它在一定的頻率上是常數(shù)，是許多人試驗的平均值。吸收功率法有兩個特點：其一是這種方法是用物理量（瓦特）來表示指標，有明確的物理意義；其二是對多點多方向的振動輸入可以不考慮各輸入之間的相位關系而直接相加綜合成一個單值，便于工程上的應用。吸收功率法可以進行時域分析，這對于建立非線性系統(tǒng)模型是十分重要的。但是吸收功率法沒有明確的規(guī)定舒適界限，它只能評價已有車輛，而對產(chǎn)品的開發(fā)預測及汽車具體結構參數(shù)的改進不能提出指導意見。（）總體乘坐值法年，英國南安普敦大學聲振動研究所人體工程研究室的提出把人體在振動環(huán)境中的持久時間與人體舒適水平相對應的方法。至年，在多年試驗研究的基礎

27、上提出對各種情形下比較適用的“總體乘坐值法”。此方法被國際標準化組織采納，并以此為依據(jù)發(fā)布了委員會草案。該新方法有以下特點：）該標準使用具有個振動輸入的人體坐姿受振模型，除考慮座椅支承面處的個方向的線振動，還考慮該處的個角振動以及座椅靠背處和支承處個方向的線振動，三個輸入點及個軸向振動，認為人體對不同頻率的敏感程度不同；）該標準不但規(guī)定了“舒適性評價方法”，而且規(guī)定了“健康的評價方法”、“運動病評價方法”；）該標準認為，暴露時間的長短對人體舒適性的影響程度沒有原標準那么嚴重?？傮w乘坐值法是迄今為止較全面；適用場合較廣的振動舒適性評價方法。我國有些學者在這方面也進行了些研究工作，但由于它涉及到的

28、自由度數(shù)目較多，具體考察時需要的要素也較多，因此它的普及還需要一段時間。人體反應與平順性評價機械振動對人體的影響，取決于振動的頻率、強度、振動作用方向和暴露時間，也取決于人的心理，生理狀態(tài)，而且心理品質(zhì)與身體素質(zhì)不同的人，對振動的敏感程度有很大差異【】。因此，人體對振動作用的反應也是個非常復雜的過程。為了評價振動對人體的影響，在振動心理學試驗中，一般將人體對振動的感受分為數(shù)個不同的感覺等級，如：“無感覺”、“稍有感覺”、“感覺”、“強烈感覺”等。取某一頻率的正弦振動作為基準，其振動加速度有效值和振動持續(xù)時間是一定的，并規(guī)定在此條件下的人體振動的感覺。然后，在相同的持續(xù)時間下，改變振動頻率和振動

29、加速度有效值，與振動基準比較，當感覺相同時，記錄振動頻率和有效值。如果把產(chǎn)生同樣感覺的各點連接起來，即可繪出人體對振動反應的等感度曲線【】。盡管年代以來在這方面進行了許多試驗研究工作，但難以得到公認的評價方法和指標。直到年，國際標準化組織（）在綜合大量有關人體全身振動研究成果的基礎上，制定了國際標準：人體承受全身振動評價指南，后來對它進行過修訂、補充。從年開始進行全面修訂，于年公布了：（）人體承受全身振動評價一第一部分：一般要求，此標準對于評價長時間作用的隨機振動和多輸入點多軸向振動環(huán)境對人體的影響時，能與主觀感覺更好地符合【】。許多國家都參照它進行汽車平順性的評價，我國對相應標準進行了修訂，

30、公布了汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法標準用加速度均方根值給出了在振動頻率范圍內(nèi)人體對這振動反應的三個不同界限】。（）暴露極限。當人體承受的振動強度在這極限之內(nèi)，將保持健康或安全。通常把此極限作為人體可以承受振動量的上限。（）疲勞一功效降低界限。這個界限與保持工作效能有關。當駕駛員承受的振動強度在此界限之內(nèi)時，能準確靈敏地反應，正常地進行駕駛。（）舒適降低界限。此界限與保持舒適性有關，在這個界限之內(nèi)，人體對所暴露的振動主觀感覺良好，能順利完成吃、讀、寫等動作。垂直加速度慕連就?！烤趱羲铀凫级染?，己方方芑根根豸多值一釤值一己倍頻帶中心頻率以（）倍頻帶中心頻率以（）圖疲勞功效降低界限曲線（）圖

31、所示的疲勞功效降低界限是用雙對數(shù)坐繪出的，即縱橫兩個坐標軸都是按照以為底的對數(shù)等間距刻度的。圖上縱坐標允許加速度值￥的間距和所的間距是相等的。圖上橫坐標的間距也是相等的，變化范圍都是倍。由圖可以看出，振動加速度允許值的大小與振動頻率、振動作用方向和暴露時間這三個因素有關。在這個圖上可以看到，垂直振動與水平振動的“疲勞功效降低界限”是不一樣的。人最敏感的頻率范圍，對垂直加速度是，對水平加速度是以下。在同一暴露時間下，頻率在以下時容易感受到水平振動；高于此頻率時，對垂直振動更敏感。達到以上的頻率范圍時，垂直振動允許值只是水平振動的。比較各自最敏感的頻率范圍內(nèi)同一暴露時間的振動允許值，垂直方向是水平

32、方向的倍。人體達到一定反應的界限，如：疲勞，不舒適等都是由人體感覺到的振動強度大小和暴露時間長短二者綜合的結果，在圖上可以看出在一定頻率下，隨暴露時間加長，曲線向下平移，即加速度允許值減小。影響汽車平順性的結構因素影響汽車平順性有很多的因素，基于本論文的研究方法和目的，只需考慮汽車的結構參數(shù)對平順性的影響。一般有以下幾個因素【】：（）懸架剛度。懸架剛度決定懸架系統(tǒng)的固有頻率疋（疋），對汽車平順的影響最大。降低固有頻率無可以明顯減小車身加速度，這是改善平順性的一個基本措施。但隨著正的降低，動撓度瓦增大，限位行程疋也就必須與固有頻率成反比的相應增大，而坑受結構布置的限制不能太大，所以降低，一是有限

33、度的。表是目前大多數(shù)汽車懸架系統(tǒng)的固有頻率無、靜撓度最和限位行程以的實用范圍【。表懸架系統(tǒng)、甌、【既】的實用范圍車型轎車載重車大客車越野車以（）（）阮】（鋤）西載重汽車和越野車行駛的路面較差，懸架動撓度正引起的撞擊限位的概率較大，為減少撞擊限位的概率，車身固有頻率以較高，般選擇在范圍。前后懸架系統(tǒng)剛度的匹配對汽車的平順性也有較大影響。一般希望前后懸架系統(tǒng)的固有頻率接近相等，這可以通過選擇前后懸架剛度毛【口來實現(xiàn)。為了減小車身的縱向角振動，一般將前懸架的固有頻率選的比后懸架固有頻率低點。懸架系統(tǒng)的彈性特性是指懸架變形與所受載荷之間的對應關系，分為線性和非線性兩種。具有線性彈性特性的懸架剛度為常數(shù)

34、。車身振動固有頻率一隨裝載質(zhì)量多少而改變，尤其是后懸架裝載質(zhì)量變化較大的貨車和客車。這種變化使汽車空載或部分載荷時前后懸架振動固有頻率過高或失配，造成車身猛烈顛簸，平順性很差。為此可采用具有非線性的彈性特性懸架，即懸架的剛度可隨載荷的改變而變化，以保持汽車各種載荷情況下，基本不變或變化不大，從而達到改善平順性的目的，這種懸架也稱為變剛度懸架。懸架的非線性彈性特性可以通過下述方法來實現(xiàn)【】：）在線性彈性懸架中加入輔助或復合彈簧，采用適當導向機構及與車架的支撐方式等。）選用具有非線性彈性特性的彈簧，如空氣彈簧，油氣彈簧，橡膠彈簧和硅油彈簧。近年來，人們不斷開發(fā)適應各種行駛工況的最優(yōu)懸架控制機構，汽

35、車工業(yè)中相繼出現(xiàn)了性能更加優(yōu)越的各種電子控制懸架系統(tǒng)，如空氣彈簧懸架【】。但是由于空氣彈簧懸架的制造費高，結構復雜，維修困等特點，載重汽車目前仍然采用的是普通懸架，最常用的是鋼板彈簧懸架，并且增加了一副簧提高平順性【。本課題的研究采用的是只有主簧未加副簧的鋼板彈簧懸架。（）“人體一座椅”系統(tǒng)參數(shù)的選擇為了改善汽車平順性使傳至人體的振動較小，在選擇“人體一座椅”系統(tǒng)參數(shù)時首先要保證人體垂直方向最敏感的頻率范圍處于減振區(qū)，按“人體一座椅”構成單質(zhì)量系統(tǒng)來考慮，其固有頻率¨（）輪胎。輪胎由于本身的彈性特性在很大程度吸收了因路面不平所產(chǎn)生的振動，因此它和懸架共同保證的汽車的平順性。車輪旋轉質(zhì)

36、量的不平衡會引起汽車振動，影響汽車的平順性和行駛穩(wěn)定性，這在高速時尤為明顯，所以必須對每一車輪進行靜平衡和動平衡，以保證高速行駛的舒適性。（）非懸掛質(zhì)量非懸掛的質(zhì)量的振動對懸掛質(zhì)量振動加速度有較顯著的影響，減小非懸掛質(zhì)量，可以減小傳給懸掛質(zhì)量的沖擊力。因此提高懸掛質(zhì)量與非懸掛質(zhì)量的比值，有利于改善汽車的平順性。另外，懸掛質(zhì)量的布置應盡量使懸掛質(zhì)量分配系數(shù)，以減少前后懸掛質(zhì)量振動的聯(lián)系。汽車一路面系統(tǒng)模型的建立汽車是一個復雜的多自由度振動系統(tǒng)，要對其進行定量分析和平順性評價就必須建立與實際工況相符但不復雜的一汽車一路面系統(tǒng)模型。車輛模型概述一輛四輪貨車汽車經(jīng)過簡化可以看成是由一個駕駛室一個車身和

37、四個車輪這六個質(zhì)量構成的，它們通過懸架的彈簧、減振器和導向機構有機的聯(lián)系在一起。因為每一個簡化為剛體的物體有六個自由度（三個平移自由度和三個旋轉自由度），所以整個汽車也就有個自由度【】。對于多自由度模型，當自由度數(shù)取得越多時，理論上就越逼近真實系統(tǒng)。但系統(tǒng)自由度數(shù)的增加意味著計算中要求測定的參數(shù)增多，為了描述汽車的運動，也就需要相當多的運動微分方程。這些微分方程也不是彼此無關的，通過上述彈性的、減振的或導向的聯(lián)系，其中大部分是彼此關聯(lián)的，并且通過作用于分布質(zhì)量上的加速度關系聯(lián)系在一起【引。如果把傳動系（發(fā)動機、變速器、萬向節(jié)、傳動軸、驅動軸）、轉向系（方向盤、轉向機以及具有橫拉桿的轉向部分）、

38、駕駛室、乘客、載重汽車上的貨物等更多的運動可能性以及假設為剛體的內(nèi)部運動都考慮在內(nèi)的話，那么就需要更多的自由度和微分方程。這么多相關聯(lián)的微分方程無疑給描述汽車的行駛特性帶來了困難。為了只是能掌握問題的本質(zhì)，我們寧愿退一步作某些省略，從計算精度及參數(shù)測定工作綜合考慮，根據(jù)實際問題的需要，對汽車系統(tǒng)進行適當?shù)哪Ｐ秃喕?，研究其主要因素，忽略其次要因素，使問題既簡單又符合實際。掌十粵一萼，比蘭十罌一旦，立立（）在己有的研究文獻中，汽車模型自由度的選擇多種多樣，線性研究的模型大都超過四自由度。本文的主要研究內(nèi)容為懸架的線性性能及參數(shù)優(yōu)化設計，在參數(shù)優(yōu)化設計部分，與己有的研究文獻不同，本文不單單只是做針對

39、人體的舒適性研究，而對汽車振動過程中的輪胎動載荷、懸架動行程予以考慮，故本文為了方便仿真參數(shù)的測定和計算忽略發(fā)動機等次要影響因素，最終根據(jù)力學分析方法選取了建立相對比較真實的五自由度半車動力學模型，如圖。在建立半車動力學模型的過程中作了如下假設【】：（）汽車做勻速直線運動；（）汽車質(zhì)量分配系數(shù)為，前后懸架可單獨分析，可僅研究其中之一；（）車身、發(fā)動機、車架、前后軸為剛性件，車身、車架為剛性連接；（）貨車結構對于垂直面對稱，左右路面輪廓相同，只考慮垂直方向振動和縱向角振動；（）貨車懸架剛度、輪胎剛度、座椅剛度均為位移的線性函數(shù)；（）輪胎與路面保持接觸，無跳起，并且左右車輪下的路面相同：（）路面位

40、移輸入函數(shù)作用在輪胎與路面的接觸點中心上。，。冒，圖五自由度半車模型圖中：為駕駛員座椅質(zhì)量：、為前后懸架非簧載質(zhì)量：、為簧載質(zhì)量及其繞重心的轉動慣量；：為座椅垂直剛度和阻尼系數(shù)；局、硒為前、后懸架垂直剛度：、為前、后懸架阻尼系數(shù)：，為前、后輪垂直剛度；卜，為地面對前、后輪的激勵；至分別為至的廣義坐標；、分別為地、地到質(zhì)心的水平距離。半車數(shù)學模型的建立田力字分柳萬琺得：上圖動力學模型的系統(tǒng)動能為：嘎三每之粵乏粵乏幫歷系統(tǒng)的勢能為：系統(tǒng)的耗散能為：協(xié)，嘎巧（弓）畢（五）棗（互追）毛（互必吃）晦一；粥）了（）。三（靠應）烈厄）毛勺卜施：系統(tǒng)的動勢為：三由此可以得出：罷嵋。歷要：之；要：，三，；一一，

41、！要弛膨乙罷：鳩三，（）蓋一瑪（一口一）一心（一）巧（乙一）一（瑪丘巧）（螞一蠅厶巧）局局巧（）芝（如口一丘厶）一（毛）一七一墨呼（）老即一旅，：一（）”即，瓦，配般（）一群，（）（）老一吲）罷（）。一（口一）：一（）一，（）罷喝一口一口厶）（一）口，一口一（）要嵋罷：一（乏主：一三。）。罷：勺（，一三。三：）將上式代入拉格朗日方程并整理得：（島）（一口一，）一（礦）（一礦，）一一一曠：乏（口，）主。（口）之，（一礦）（口礦）礦一一口（礦），一一丘彪（丘），礦礦礦礦礦對上式（。）（）以矩陣形式表示為：】）】）【），）其中，）：【。，：，。，；口）：【乏，三：，三，三，】），質(zhì)量矩陣：（）（）（

42、）（）（）（）（）（）阻尼矩陣：一哆曠口白口一妒口一，曠】一旺剛度矩陣：七呼曠西、一曠哆曠一礦癢巧毛】一一一曠一墨驢輪胎的剛度矩陣：，】曠鏟輪胎輸入：【吼不同構造的路面模型汽車的行駛性可由圖所示的汽車振動系統(tǒng)框圖分析，系統(tǒng)的輸入主要是汽車以一定速度行駛過的隨機路面不平度，該輸入經(jīng)過由輪胎、懸架、座椅、減震器和懸掛質(zhì)量、非懸掛質(zhì)量所構成的振動系統(tǒng)，傳遞到懸掛質(zhì)量和人體的加速度即主要的輸出量【引，因此建立汽車振動模型后求解響應必須研究路面，利用一個真實的路面模型來預測車輛的響應十分重要，但完全真實的路面模型極難得到。人們?yōu)榱吮阌谟嬎愫瓦M行實驗室道路模擬試驗做了大量測量工作。通常將測量得到的大量路面

43、不平度隨機數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到路面功率譜密度。圖汽車振動系統(tǒng)框圖、按冪函數(shù)構造的路譜年國際標準協(xié)會在文件中提出的“路面不平度表示方法草案”和長春汽車研究所起草制定的“車輛振動輸入一路面平度表示方法”都均建議路面不平度的表示法采用路面功率譜密度描述其統(tǒng)計特性，功率譜（，）用下式作為擬合表達式【】：，、一）。）式中：（）以一空間頻率，是一無因次常數(shù)；咒。參考空間頻率，為波長的倒數(shù)，表示每米長度中某一譜量出現(xiàn)的次數(shù)，單位為次米；。）參考空間頻率櫛。下的路面譜值，稱為路面不平度系數(shù)，單位為，翻一頻率指數(shù)，這里取。式（）在雙對數(shù)坐標上為一斜線，對實測路面功率譜密度擬合時為了減少誤差，在不同的空間頻率范圍可以選用不同的擬合系數(shù)進行分段擬合，但不應超過段。上述兩個標準還提出