对汽车平顺性的研究毕业论文.doc
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摘要
摘要
随着生活水平的提高,人们对汽车环境舒适性的要求越来越高。
而汽车平顺性又是汽车各项性能中很重要的一个指标,直接影响着汽车的乘坐舒适性,因此对汽车平顺性的研究很有必要。
本课题首先介绍汽车平顺性的一些基本知识,然后对作为影响汽车平顺性的重要元件悬架的各个参数做出具体分析,最后建立汽车四自由度模型,直接利用Matlab/Simulink软件可视化功能对此模型进行仿真分析,从而实现汽车平顺性在汽车系统仿真分析研究中更为简便、快捷。
关键词:
汽车平顺性;汽车四自由度模型;Matlab/simulink;仿真分析
Abstract
Abstract
Withtheimprovementofpeople’slivingstandards,theautomotiveenvironmentisgettinghigherandhigherrequirements.Theautomobileridecomfortisofgreatimportanceamongalltheindexofautomobilequality,soitisessentialtofocusonthestudyofridecomfort.Thedocumentwillintroducethebasicknowledgeofautomobileridequalityfirst,andmakeabriefbutfullaccountofalltheparametersofthechassis,whichisoneoftheimportantpartofautomobileridecomfort,thenestablishtheautomobilefourfreedomdegreesvibrationmodelanddirectlyusetheMatlab/Simulinkvisiblefunctiontorealizetheautomobileridecomfortvisiblesimulation,soitmaycausetheautomobileridecomfortmoreeasyandquickintheautomobilesystemsimulationanalysisresearch.
Keywords:
automobileridecomfort;automobilefourfreedomdegreesmodel;Matlab/Simulink;simulationanalysis.
II
目录
目录
摘要 I
Abstract II
第一章绪论 1
1.1课题提出的背景 1
1.2课题提出的目的和意义 1
1.3本课题的主要内容 2
第二章汽车平顺性的概述 3
2.1汽车平顺性评价指标 3
2.1.1评价指标之间的关系 3
2.1.2评价指标统计数据的处理 3
2.2评价体系的建立 4
2.2.1 确定主观权重 5
2.2.2 建立判断矩阵 5
2.2.3 确定各层次权重和进行一致性检验 6
2.3 确定客观权重 8
2.4 确定最终权重与逐次求优 9
第三章汽车悬架系统对平顺性的影响 11
3.1悬架刚度 12
3.2悬架的静挠度 12
3.3非簧载质量 13
3.4相对阻尼比 14
第四章基于Matlab下的汽车平顺性仿真分析 16
4.1汽车动力学模型简介 16
4.2汽车四自由度模型的建立 17
4.3在matlab环境下建模 20
4.4数据分析 21
4.5在Simulink环境下仿真 22
总结 24
致谢 25
参考文献 26
第一章绪论
第一章绪论
1.1课题提出的背景
汽车是一种现代化的交通工具,为人们的生产生活提供了极其大的便利和帮助,汽车的逐渐普及,迫使汽车技术快速发展,汽车造型零部件也在不断跟新,汽车的舒适性、安全性、经济性、动力性等等都得到了很好的改善。
根据中国汽车工业协会统计的数据,2011年中国建成投产的汽车生产基地的产销量达2000万辆,汽车工业已成为国民经济的重要支柱.汽车行驶平顺性是指汽车在一般车速行驶时避免振动和冲击保持乘员舒适度的能力,对于货车还包括保持货物在运输过程中完好性的能力。
在汽车行驶过程中,如果平顺性能差,驾驶员就会因强烈的振动而被迫降低汽车行驶速度,从而使汽车的平均速度和运输生产率下降。
发动机不能在最佳转速运转又会使汽车的燃油经济性变差。
振动产生的动载加速机件的磨损,由于动载产生的交变应力会造成机件的疲劳破坏,这些都严重影响汽车的使用寿命。
汽车振动时,车轮相对于地面的跳动又会使接地性变差,使附着性能变坏,从而影响汽车的通过性和操纵稳定性,同时影响汽车的行驶安全性。
随着人们对平顺性的要求越来越高,汽车平顺性研究的重要性也日益凸显。
1.2课题提出的目的和意义
现代汽车除了保证其基本性能,即行驶性、转向性和制动性等之外,目前正致力于提高安全性与舒适性,向高附加价值、高性能和高质量的方向发展。
对此,尤其作为提高操纵稳定性、乘坐舒适性的轿车悬架必须进行相应的改进。
舒适性是汽车最重要的使用性能之一。
舒适性与车身的固有振动特性有关,而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。
悬架是汽车上的重要总成之一,它把车身和车轮弹性地连接在一起。
悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩,比如支撑力、制动力和驱动力等,并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。
悬架与汽车的多种使用性能有关,为满足这些性能,悬架系统必须能满足这些性能的要求:
首先,悬架系统要保证汽车有良好的行驶平顺性,对以载人为主要目的的轿车来讲,乘员在车中承受的振动加速度不能超过国标规定的界限值。
其次,悬架要保证车身和车轮在共振区的振幅小,振动衰减快。
再次,要能保证汽车有良好的操纵稳定性,一方面悬架要保证车轮跳动时,车轮定位参数不发生很大的变化,另一方面要减小车轮的动载荷和车轮跳动量。
还有就是要保证车身在制动、转弯、加速时稳定,减小车身的俯仰和侧倾。
最后要保证悬架系统的可靠性,有足够的刚度、强度和寿命。
所以,汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。
同时,汽车悬架做为车架(或车身)与车轴(或车轮)之间作连接的传力机件,又是保证汽车行驶安全的重要部件。
因此,汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表,作为衡量轿车质量的指标之一。
目前,全世界汽车总量已接近8亿辆,汽车工业已成为国民经济的重要支柱.汽车的平顺性指标,是汽车各项性能中一个很重要的指标,它的好坏不仅影响到驾驶员、乘员的疲劳程度,舒适性及货物的安全性,而且也影响到汽车的燃油经济性和运输效率,乃至安全问题.由于供求关系不断变化和现代技术的发展,人们对汽车行驶平顺性提出了更高的要求。
1.3本课题的主要内容
1.汽车平顺性的概念、重要性、评价指标;
2.汽车悬架系统对平顺性的影响;
3.汽车动力学模型介绍;
4.在Matlab环境下建立四自由度动力学模型的方法;
5.在Matlab环境下的仿真分析;
25
第二章汽车平顺性的概述
第二章汽车平顺性的概述
汽车行驶时,由于路面不平等因素激起汽车的振动,影响人的舒适性,而且产生动载荷加速零件的磨损,甚至导致疲劳失效。
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就是汽车的平顺性。
汽车的平顺性指标,是汽车各项性能中一个很重要的指标,它的好坏不仅影响到驾驶员、乘员的疲劳程度,舒适性及货物的安全性,而且也影响到汽车的燃油经济性和运输效率,乃至安全问题.由于供求关系不断变化和现代技术的发展,人们对汽车行驶平顺性提出了更高的要求。
为了对汽车平顺性进行评价以及对悬架参数进行优化选择,根据汽车平顺性的3个评价指标,充分利用主观评价法和客观评价法各自的优点,建立了一个汽车平顺性评价体系.根据各评价指标的重要性,利用层次分析法,确定它们的主观权重;根据各评价指标的性能统计数据,利用熵值法,确定它们的客观权重;综合主观权重与客观权重,确定各评价指标的最终权重;根据各评价指标的最终权重与性能统计数据计算汽车平顺性的评价值.该评价体系以逐次淘汰的方式求优,通过最小的评价值与最优的汽车平顺性相对应的方式评选出最优的悬架参数方案,
2.1汽车平顺性评价指标
汽车平顺性的主要评价指标是簧载质量加速度a2,车轮动载荷Fd和悬架动挠度fd对汽车平顺性也有影响.
2.1.1评价指标之间的关系
对反映悬架力学特性不变性方程进行研究可知:
低频段,车轮动载荷与车身加速度的改善具有一致性,而在高频段,它们的改善方向是相反的;无论在任何频段内,车轮动载荷与动挠度的改善方向是相反的;在低频段和接近悬架固有频率附近,车身加速度和动挠度的改善方向是相反的,仅在轮胎固有频率附近,它们的改善是一致的.因此,汽车平顺性的3个评价指标在悬架参数优化的过程中具有一定的不可调和性.
2.1.2评价指标统计数据的处理
簧载质量加速度a2是主要评价指标;车轮动载荷Fd反映车轮的接地性,与操纵稳定性有关;悬架的最大压缩行程|min(fd)|超过限位行程[fd]时,悬架系统的限位就会被撞击而使平顺性变坏.
当|min(fd)|小于[fd]时,就不会发生限位会被撞击的情况,此时,动挠度对平顺性的影响一样,即限位不会被撞击的概率为1;如果|min(fd)|大于[fd],则可根据[fd]和fd的有效值σfd计算限位不会被撞击的概率P,此概率P可以反映动挠度对平顺性的影响,P为[fd]与σfd比值的标准正态分布的概率的积分,按下式计算:
P=Normcdf([fd]/σfd)(2-1)
为了消除当|min(fd)|<[fd]时统计量对评价值的影响,以及不使评价指标的描述值出现0值,而避免出现不能计算的显著差异,这里提出将限位不会被撞击的概率P作为评价动挠度对平顺性影响的统计量.显然,概率P越大,表明该项指标越优,反之则反.
参与汽车平顺性评价的统计量为:
簧载质量加速度的最大值max(a2)与有效值σa2、车轮动载荷的最大值max(Fd)与有效值σfd、悬架系统限位不会被撞击的概率P.
2.2评价体系的建立
反映汽车平顺性的3个评价指标,由于其各自单位及数量级的不同而存在着不可公度性,难以进行比较.为了消除由于各项指标的单位不同以及其数量级间的悬殊差别所带来的影响,需要对指标进行无量纲化处理,并确定各指标的权重.对几套悬架参数方案的综合性能进行评比时,各评价指标可按归一化进行同度量化,那么确定各指标的权重就成了建立平顺性评价体系的关键问题.
由于主观赋权法是通过专家根据各指标的重要性来确定权重,易受专家主观意识的影响而带来偏差,并具有不反映各指标统计数据的相互关系的缺点;而客观赋权法是根据各指标统计数据的差异性确定权重,它反映各指标统计数据的相互关系,但忽略了各指标的重要性.为了充分利用这两种方法的各自优点,克服它们各自的缺点,这里采用主客观结合赋权法来确定各指标权重.
建立汽车平顺性评价体系的步骤为:
①根据汽车最经常的使用工况,获取各评价指标的统计数据,并对统计数据进行处理,确定参与赋权的各指标的参评数据;②利用层次分析法,根据各指标的重要性确定主观权重;③利用熵值法,根据各指标的统计数据确定客观权重;④利用主客观结合赋权法确定各指标的最终权重和计算综合评分,然后采用逐次求优法求取平顺性最优的悬架参数方案.
2.2.1 确定主观权重
层次分析法(AHP)是当前流行的一种多目标规划和决策方法,利用它来对平顺性各评价指标进行主观赋权.
利用层次分析法进行主观赋权的步骤为:
①构造层次结构模型,建立判断矩阵;②确定各层次权重和进行一致性检验;③确定各评价指标主观权重.
2.2.2 建立判断矩阵
根据平顺性的各指标的参评数据,可以构造如图1的层次结构模型,令a1ij是指标i与指标j重要性的比较值,表2-1是各比较值与相对重要性对应表.如果两指标相比的重要性介于两个比值之间,则取:
2,4,6,8.a2是平顺性的主要评价指标,因此,它比Fd和fd都重要,且Fd和fd是一样重要.
各指标的权A1
最大值C1
有效值C2
最大值C3
有效值C4
PC5
a2/B1
Fd/B2
Fd/B3
图2-1层次结构模型
表2-1指标与指标重要性的比较值
指标i/j
一样重要
略重要
比较重要
重要
很重要
a1ij
1
3
5
7
9
根据上述比值关系建立的层次结构模型中的B层的判断矩阵见表2-2.
表2-2层次结构模型中的B层判断矩阵
比较值
a2
Fd
fd
a2
1
7
7
Fd
1/7
1
1
fd
1/7
1
1
对于a2和Fd来说,由于评价平顺性时,主要使用的是有效值,即σa2和σFd比max(a2)和max(Fd)重要,它们关系的判断矩阵见表2-3.
表2-3max(a2)和max(Fd)与σa2和σfd的判断矩阵
比较值
max(a2)和max(Fd)
σa2和σfd
max(a2)和max(Fd)
1
1/7
σa2和σfd
7
1
2.2.3 确定各层次权重和进行一致性检验
通过计算矩阵的最大特征根及其相对应的特征向量,来确定各因素的权重,并进行一致性检验的步骤为:
(1)计算判断矩阵H每行元素的乘向量
M=[M1,M2,⋯,Mn]
Mi=hij;i,j=1,2,⋯,n(2-2)
(2)计算乘向量M的n次方根向量
W=[W1,W2,⋯,Wn]
Wi=, i=1,2,⋯,n(2-3)
(3)计算向量W的正则向量
W=, i=1,2,⋯,n(2-4)
则W为各因素所对应的权重.
(4)计算判断矩阵的最大特征值
λmax=, i=1,2,⋯,n(2-5)
(5)检验判断矩阵的一致性计算随机一致性比率
CR=(λmax–n)/RI(n-1)(2-6)
式中RI为判断矩阵的随机一致性指标,当n等于2时,RI等于0;当n等于3时,RI等于0158.
当CR<011时,一致性检验通过,否则,按文献提供的方法,对判断矩阵进行一致性校正.根据式
(2)~(6)可以计算出体现馈能型悬架综合性能的a2、Fd和fd的主观权重WB和判断矩阵HB随机一致性比率CRB分别为:
WB=[017778,011111,011111]
CRB=0(2-7)
根据表3很容易求出层次结构模型中的C层中max(a2)和max(Fd)与σa2和σFd的权重向量WC12和WC34:
WC12=WC34=[01125,01875](2-8)
二阶判断矩阵无需进行一致性检验.
综合式(7)和式(8),就可以得到平顺性评价指标的各参评统计量(max(a2)、max(Fd)、σa2、σFd和P)的主观权重向量
A1=[010972,016806,010139,010972,011111](2-9)
2.3 确定客观权重
利用熵值法对平顺性评价指标的各参评统计量进行客观赋权.
设有m套待评悬架参数方案,共有max(a2)、max(Fd)、σa2、σFd和P这5项评价指标,形成原始指标数据矩阵X=(xij)m×5,利用熵值法进行客观赋权的步骤为:
(1)将各指标同度量化,计算第j项指标下第i个方案指标值的比重
p(xij)=, i=1,2,⋯,m; j=1,2,⋯,5(2-10)
(2)计算第j项指标的熵值
ej=-k(2-11)
式中,k>0,ej≥0.一般取k=1/lnm.
(3)计算第j项指标的差异性系数
gj=1-ej(2-12)
当gj越大时,指标越重要.
(4)确定权重向量
A2=[A21,A22,⋯,A25]
A2j=(2-13)
2.4 确定最终权重与逐次求优
主客观结合赋权法是一种综合主、客观赋权的结果而确定权重的方法.设对第j项指标主、客观赋权的权重分别为A1j,A2j,则各指标的最终权重向量A可按下式确定:
A=[A1,A2,⋯,A5]
Aj=(2-14)
从确定客观权重的过程中可以看出,在利用熵值法进行客观赋权的过程中,参评方案数的增减会对客观权重造成影响;另外,在悬架参数优化的过程中,求优过程一般使用一对一比较方式进行.基于上述考虑,在对多套悬架参数方案平顺性的评价中,采用逐次淘汰的方式逐次求优.动挠度的参评统计量———限位不会被撞击的概率P对平顺性的影响是:
概率P越大,该项指标越优,反之则反;其他4项参评统计量是:
该项描述值的数值越小,表明该统计量描述的性能越优,反之则反.
为了便于评价,需要在计算各方案的最后评分前进行一致性处理,即让评价指标的描述值代表的优劣性相同.令参加评比的两套方案的最后评分向量为Q,各评价指标的统计量按归一化法所确定的量化矩阵p2×5=p(xij)2×5,则可以通过下式进行一致性处理:
Q=[Q1,Q2]
Qi=A[p(xi1),⋯,{1-p(xi5)}]T(2-15)
如果最后评分向量中的Qi最小,那么第i套悬架参数方案的平顺性较优,此时,就可以淘汰另外一套悬架参数方案;然后将胜出悬架参数方案与剩下的悬架参数方案中的任意一套进行评比,再次比较淘汰;按照这种逐次淘汰的方式继续求优,最后胜出的悬架参数方案的平顺性就是最优的。
第三章汽车悬架系统对平顺性的影响
第三章汽车悬架系统对平顺性的影响
振动产生的动载加速机件的磨损,由于动载产生的交变应力会造成机件的疲劳破坏,这些都严重影响汽车的使用寿命。
汽车振动时,车轮相对于地面的跳动又会使接地性变差,使附着性能变坏,从而影响汽车的通过性和操纵稳定性,同时影响汽车的行驶安全性。
减少汽车振动除了调整汽车结构本身外,还有两个重要途径:
一方面是改善路面,减少振动来源;另一方面要求车辆对路面不平度有良好的隔振特性。
汽车平顺性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内,因此平顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价,对于载货汽车还包括保持货物完好性,他是现代高速汽车的主要性能之一。
汽车平顺性可由图3-1所示的“路面—汽车—人”系统的框图来分析。
路面不平度和车速形成了对汽车振动系统的输入,此输入经过轮胎、悬架、座垫等弹性、阻尼元件和簧载质量、非簧载质量构成的振动系统的传递,得到振动系统的输出时簧载质量或进一步经座椅传至人体的加速度,此加速度通过人体对振动的反应——舒适性来评价汽车的平顺性。
当振动系统的输出作为优化的目标时,通常还要综合考虑车轮与路面间的动载和悬架弹簧的动挠度,他们分别影响行驶安全性和撞击悬架限位的概率。
输入路面
不平度车速
振动系统
弹性元件
阻尼元件
车身、车轮质量
输出车身传至人体的加速度
悬架弹簧动挠度
车轮与路面之间的动载
评价指标
加权加速度均方根值
撞击悬架限位概率
行驶安全性
图3-1“路面—汽车—人”系统框图
汽车前后悬架与其簧载质量组成的振动系统的固有频率,是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。
它由悬架刚度和簧载质量所决定。
人体所习惯的垂直振动频率约为1~1.6Hz。
车身振动的固有频率应接近或处于人体适应的频率范围,才能满足舒适性要求。
固有频率按下式计算:
n=
式中:
g-重力加速度;f-悬架静挠度;M-悬架簧载质量
3.1悬架刚度
悬架刚度(C=Mg/f)是指悬架产生单位垂直压缩变形所需加于悬架上的垂直载荷,从固有频率公式可以看出,在悬架垂直载荷一定时,悬架刚度越小,固有频率就越低。
但悬架刚度越小,载荷一定时悬架垂直变形就越大。
这样若没有足够大的限位行程,就会使撞击限位块的概率增加。
若固有频率选取过低,很可能会出现纵向角振动、转弯侧倾角过大等影响行驶安全的问题。
悬架的侧倾角刚度和悬架的垂直刚度之间是正比关系,减小垂直刚度的同时使侧倾角刚度随之减小。
当汽车受侧向力作用发生车身侧倾时,若侧倾角过大,乘客会感到不舒适、降低行车安全感;如侧倾角过小,车身受到横向冲击较大,平顺性较差,乘客也会感到不舒适,司机路感也不好。
整车侧倾角刚度应满足:
当车身受到0.4g侧向加速度时,其侧倾角在2.5°~4°范围内,前悬架侧倾角刚度应大于后悬架侧倾角刚度,汽车有一定不足转向特性。
一般前悬架侧倾角刚度与后悬架侧倾角刚度比应在1.4~2.6范围内,如前后悬架本身不能满足上述要求或为了提高乘坐舒适性,可在前后悬架中加装横向稳定杆,在不增加垂直刚度的前提下提高汽车操纵稳定性。
3.2悬架的静挠度
悬架的静挠度直接影响车身振动的偏频(汽车前、后部分车身的固有频率),在选取前、后悬架静挠度值时,应当使之接近,并希望后悬架的静挠度fc2比前悬架的静挠度fc1小些,这有利于防止车身产生较大的纵向角振动,推荐取fc2=(0.8~0.9)fc1。
但微型轿车因轴距短使后排座椅接近后轮,为了改善后排乘客的舒适性,常常将后悬架设计的偏软些。
表3-1为各类汽车的偏频值和静、动挠度值的一般取值范围,对于舒适性要求高的汽车的偏频值取下限,而对于货车考虑到前后轴荷的差别和避免司机疲劳,前后静挠度值之比要更大些。
表3-1各类汽车的偏频值和静、动挠度值的一般取值范围
车型
满载时偏频n/Hz
满载静挠度fc/cm
满载动挠度fd/cm
前悬架n1
后悬架n2
前悬架fc1
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