滿載汽車動(dòng)力學(xué)模型及仿真

張功學(xué)， 葉東

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

滿載汽車動(dòng)力學(xué)模型及仿真

張功學(xué)， 葉東

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

以某款轎車為研究對(duì)象，建立12自由度汽車乘坐動(dòng)力學(xué)模型，通過達(dá)朗貝爾原理推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程.首先，采用濾波白噪聲法建立路面不平度時(shí)域模型，生成的C級(jí)路面隨機(jī)激勵(lì)高程變化在-0.05～0.05 m范圍以內(nèi)，符合實(shí)際路面.然后，在Simulink中建立人-車-路系統(tǒng)仿真模型，對(duì)轎車在不同車速下不同位置的人體振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行舒適性評(píng)價(jià).最后，進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證模型的正確性.結(jié)果表明：在50 km·h-1車速下，所有乘員的主觀感受為稍有不舒適;隨著車速的增加，前排乘客和駕駛員稍有不舒適的主觀感受越來越強(qiáng)，而后排乘客的主觀感受由稍有不舒適增加到有些不舒適. 關(guān)鍵詞： 汽車; 動(dòng)力學(xué)模型； 12自由度; 隨機(jī)激勵(lì)； 濾波白噪聲； Simulink仿真

汽車在行駛中，由于路面不平整及發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)等因素會(huì)引起汽車的振動(dòng)，從而影響乘坐舒適性.其中，路面的凹凸不平是主要的影響因素.路面不平對(duì)行駛中汽車的激勵(lì)有離散事件激勵(lì)和隨機(jī)激勵(lì)兩類[1]，一般取路面激勵(lì)為隨機(jī)過程.研究汽車在路面隨機(jī)激勵(lì)下的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)提高汽車乘坐舒適性有重要的意義.國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究[2-4].在以往的研究中，大多建立較低的8自由度模型，研究對(duì)象只有車身和駕駛員，對(duì)其他位置乘員的乘坐感受少有顧及，很難見到綜合考慮全車乘員振動(dòng)的高自由度模型.建立合理的模型是分析汽車振動(dòng)特性的關(guān)鍵，模型的精確程度決定了仿真的準(zhǔn)確性.本文建立包含所有乘員的滿載汽車12自由度動(dòng)力學(xué)模型，利用Matlab/Simulink工具構(gòu)建人-車-路仿真模型，分析汽車的乘坐舒適性.

圖1 汽車12自由度力學(xué)模型Fig.1 12 DOF vehicle dynamic model

1 模型的建立

1.1 汽車動(dòng)力學(xué)模型

假定車身是一個(gè)剛體，則滿載汽車在水平面行駛時(shí)，車身具有垂直、俯仰、側(cè)傾3個(gè)自由度，加上駕駛員、4名乘客及4個(gè)非懸掛質(zhì)量的垂向自由度，共12個(gè)自由度.

汽車12自由度的力學(xué)模型，如圖1所示.圖1中：x1～x4分別為左前、右前、左后、右后4個(gè)非懸掛質(zhì)量的垂向位移；x5為車身質(zhì)心處的垂向位移；x6為駕駛員的垂向位移；x7～x10分別為乘客1～4的垂向位移；θ為車身俯仰角位移；φ為車身側(cè)傾角位移；k1～k4為4個(gè)懸架系統(tǒng)等效剛度；kt1～kt4分別為左前、右前、左后、右后4個(gè)輪胎的等效剛度；k6～k10為座椅等效剛度；c1～c4為4個(gè)懸架系統(tǒng)等效阻尼；c6～c10為座椅等效阻尼；a為車身質(zhì)心至前軸距離；b為車身質(zhì)心至后軸距離；c為車身質(zhì)心至前排座椅的縱向距離；f為車身質(zhì)心至后排座椅的縱向距離；d為車身質(zhì)心至座椅的橫向距離；e為輪距的1/2.

懸架與車身連接位置在垂直方向的位移為

(1)

座椅與車身連接位置在垂直方向的位移為

(2)

由達(dá)朗貝爾原理，4個(gè)非簧載質(zhì)量的垂向振動(dòng)微分方程為

(3)

車身質(zhì)心垂向振動(dòng)微分方程為

(4)

車身俯仰振動(dòng)微分方程為

(5)

車身側(cè)傾振動(dòng)微分方程為

(6)

司機(jī)-座椅垂向振動(dòng)微分方程為

(7)

乘客1-座椅垂向振動(dòng)微分方程為

(8)

乘客2-座椅垂向振動(dòng)微分方程為

(9)

乘客3-座椅垂向振動(dòng)微分方程為

(10)

乘客4-座椅垂向振動(dòng)微分方程為

(11)

1.2 路面激勵(lì)模型

在仿真之前，需建立合適的路面隨機(jī)激勵(lì)模型.根據(jù)研究對(duì)象和分析方法的不同，可以采用不同的路面輸入模型.路面激勵(lì)時(shí)域建模的主要方法有諧波疊加法[5-6]、濾波白噪聲法[7-8]、基于快速Fourier變換技術(shù)的AR/ARMA法[9-10]及小波分析法[11-12]等.其中，濾波白噪聲法建模的研究較成熟、物理意義清楚、使用方便[13].因此，采用濾波白噪聲法建立路面隨機(jī)激勵(lì)的時(shí)域模型.

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，單點(diǎn)激勵(lì)的時(shí)域模型為

(12)

式(12)中：n0為參考空間頻率0.1m-1；Gq(n0)為路面不平度系數(shù)，m3；n00為路面空間下截止頻率0.011m-1；v為車速.

左右兩側(cè)車轍具有異轍空間相關(guān)性，兩側(cè)輪轍相關(guān)性的狀態(tài)方程和輸出方程為

前后輪路面激勵(lì)有遲滯性，后輪滯后時(shí)間td=L/u，L為軸距.由此可得前后輪轍相關(guān)性的狀態(tài)方程和輸出方程為

最終導(dǎo)出四輪路面激勵(lì)的時(shí)域模型為

(13)

式(13)中：Q=[q1q2q3q4]T,q1,q2,q3,q4分別為左前、右前、左后、右后輪路面激勵(lì)高程；X為中間變量； w1(t)為左前輪路面白噪聲激勵(lì)；且有

a0，a1，a2，b0，b1，b2為道路品質(zhì)常數(shù)，可以通過對(duì)道路所測(cè)得相干函數(shù)擬合轉(zhuǎn)換得到，參考文獻(xiàn)[15]，取a0=3.181 5，a1=0.206 3，a2=0.010 8，b0=3.223 0，b1=0.590 0，b2=0.032 7.

根據(jù)式(13)，在Matlab/Simulink中建立四輪路面輸入的時(shí)域模型，取C級(jí)路面，Gq(n0)= 256×10-6m3，車速為50km·h-1.模擬的四輪路面不平度曲線，如圖2所示.從圖2可知：右輪激勵(lì)實(shí)際上是左輪激勵(lì)的濾波白噪聲，故左輪相對(duì)較平滑；路面的激勵(lì)位移q變化在-0.05～0.05m范圍內(nèi)，與文獻(xiàn)[14,16-17]的仿真結(jié)果對(duì)比，四輪路面輸入模型較符合實(shí)際路面，可作為整車振動(dòng)分析的輸入激勵(lì).

(a) 左前輪 (b) 右前輪 (c) 左后輪 (d) 右后輪圖2 四輪路面不平度曲線Fig.2 Four-wheel road roughness curves

2 汽車時(shí)域仿真與驗(yàn)證

2.1 汽車時(shí)域仿真

某款國(guó)產(chǎn)車型的參數(shù)[18]，如表1所示.

表1 某款國(guó)產(chǎn)車型汽車參數(shù)Tab.1 Vehicle parameters

各響應(yīng)量的加速度曲線均已求出，這里只列出了駕駛員和4名乘客的垂向加速度(a)時(shí)域仿真，如圖4所示.由圖4可知：同排人體振動(dòng)加速度的幅值接近，而異排之間稍有差異，其中，前排人體振動(dòng)加速度的幅值在1.0m·s-2以內(nèi)，后排約在1.5m·s-2內(nèi).前排加速度小于后排的原因是前懸架剛度比后懸架剛度小，且前排座椅距車身質(zhì)心較近.

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

(a) 駕駛員 (b) 乘客1(前排)

(c) 乘客2(后排) (d) 乘客3(后排) (e) 乘客4(后排)圖4 各乘員垂向加速度時(shí)域仿真Fig.4 Vertical acceleration time-domain simulation of each passenger

2.2 汽車乘坐舒適性

采用總加權(quán)加速度均方根值的方法評(píng)價(jià)汽車的乘坐舒適性.由仿真結(jié)果依次求出5名人體垂向、橫向及縱向的加速度均方根值aw，z，aw，x，aw，y.因此，總加權(quán)加速度均方根值av為

(14)

由式(14)得出5名人體的加權(quán)加速度均方根值依次為0.358 3，0.423 2，0.432 7，0.504 8，0.588 8 m·s-2.國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于舒適性的評(píng)價(jià)，如表2所示.由表2可知：所有乘員的主觀感受稍有不舒適， 汽車乘坐舒適度為0.8.

表2 加速度與人的主觀感受和汽車舒適度Tab.2 Acceleration, human subjective sensation and vehicle riding comfort

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在轎車行駛試驗(yàn)前，將三向加速度傳感器固定放置于各排座椅上.分別以50，60，70，80，90，100 km·h-1的車速勻速通過隨機(jī)路面.

利用數(shù)據(jù)采集裝置記錄各種車速下加速度傳感器數(shù)據(jù)，每種車速下進(jìn)行多次試驗(yàn)，取平均值.對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由式(14)得出各車速下的總加權(quán)加速度均方根值，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.

各均方根值隨車速變化的曲線，如圖5所示.由圖5可知：隨著車速的增加，車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的加權(quán)加速度均方根值也增加；車內(nèi)前排乘客和駕駛員的稍有不舒適的主觀感受越來越強(qiáng)，而后排乘客的主觀感受由稍有不舒適增加到有些不舒適；仿真結(jié)果稍小于實(shí)測(cè)結(jié)果，但二者比較貼近.

因此，該模型基本能正確地反映整車的實(shí)際振動(dòng)情況.此外，該車需要進(jìn)一步改善，以提高適應(yīng)C級(jí)路面的乘坐舒適性.

(a) 司機(jī)座椅處 (b) 第二排乘客3座椅處圖5 各測(cè)點(diǎn)加權(quán)加速度均方根值隨車速變化曲線Fig.5 Weighted acceleration RMS value of each measuring point varies with speed

3 結(jié)束語

建立滿載汽車12自由度動(dòng)力學(xué)模型，在Matlab/Simulink軟件中搭建人-車-路系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真，由求解加權(quán)加速度均方根值的方法評(píng)價(jià)各乘員的乘坐舒適性.隨后進(jìn)行的實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的正確性.結(jié)果表明：車內(nèi)各個(gè)位置的乘坐舒適性會(huì)隨著車速的增加而下降，其中,后排乘員的感受較突出，該車的乘坐舒適性還需進(jìn)一步改善.

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(責(zé)任編輯： 錢筠 英文審校： 崔長(zhǎng)彩)

Research on Dynamics Modeling and Simulation of Fully Loaded Vehicles

ZHANG Gongxue, YE Dong

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shanxi University of Science and Technology, Xi′an 710021, China)

In this work, a 12 degree of freedom (DOF) riding dynamics model for automobile is established for a (XX type) car. The dynamics equations of the model are derived by using D′Alembert principle. The white noise filtering method is applied to establish the time domain model for road roughness. The generated C level road surface random excitation displacements are within the range form -0.05 to 0.05 m, which is in consistent with actual pavement. Based on the human-vehicle-road system simulation model established in Simulink software, the simulation and analysis of human vibration response in vehicle at different speeds are carried out and riding comfort is evaluated for each human body. Finally, the real vehicle test is carried out to verify the correctness of the model. The result shows that all people feel slightly uncomfortable at a speed of 50 km·h-1. As speed increases, the feelings of front passenger and the driver are getting stronger, the rear passengers feel a certain degree of discomfort. Keywords： vehicle; dynamic model; 12 DOF; random excitation; filtered white noise; Simulink simulation

10.11830/ISSN.1000-5013.201701001

2016-05-21

張功學(xué)(1964-)，男，教授，博士，主要從事機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、可靠性及機(jī)電系統(tǒng)控制的研究.E-mail:1034274433@qq.com.

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2009ZX04001-014)； 陜西省科技廳自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014JM7264)

U 461.4

A

1000-5013(2017)01-0001-06