汽車震動仿真分析

廉清泉，徐晶才

（華晨汽車工程研究院 外飾工程室，遼寧 沈陽 110141）

汽車震動仿真分析

廉清泉，徐晶才

（華晨汽車工程研究院 外飾工程室，遼寧 沈陽 110141）

首先概述了汽車的行駛平順性課題研究的意義和背景，隨著私家車和重型汽車的需求量不斷提高，私家車和重型汽車的行駛平順性研究變得非常重要，體現了汽車行駛平順性的建模與仿真分析研究具有的重要意義，介紹了國內外汽車行駛平順性的建模與仿真研究的現實狀況，確定了文章研究的主要議題。本文圍繞汽車行駛平順性的模型建立與仿真分析展開了研究，提出建模與仿真新方法：虛擬激勵法的頻域及時域仿真，基于有限元思路建立汽車振動結構數學模型的方法，基于變分理論時域數值方法，應用這二者對汽車行駛平順性建模與仿真展開了研究，得出了有益結論。將平穩隨機振動虛擬激勵方法應用到了汽車行駛的平順性仿真分析中，介紹了虛擬激勵方法在行駛平順性的仿真中的應用，探討了虛擬激勵法對于整車行駛平順性仿真的有效性。

華晨；汽車；震動；仿真分析

CLC NO.: U461.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)03--

前言

從1886年世界第一輛汽車問世到現在，汽車工業經過了一百多年的歷史。這一百多年以來，汽車工業使得人類社會生活發生了巨大的變化，成為人類文明的重要篇章。在信息高速發展的今天，汽車成為方便、快捷、安全、舒適的代步工具及貨運工具，是世界上使用最為廣泛、產量最多的交通工具。伴隨著科學技術的快速發展、新的設計、新技術的不斷應用使汽車工業的發展萬象更新。與此同時，汽車工業反映時代的變化和文化發展，促進了各個技術領域的革新。

汽車在行駛時，路面起伏和發動機、傳動系統和車輪等旋轉部件引起汽車的振動。車輛振動改善，直接影響汽車的行駛平順性，舒適性，操控穩定性等。汽車的振動不僅可以導致車上乘客疲勞及貨物損壞，還會使得整車部件過快磨損和疲勞受損，影響汽車的使用壽命。另外，汽車的平順性不佳，還會限制汽車動力性能和經濟性能。保證汽車的振動在一定程度，以保證司機在長時間復雜的行駛及操控過程中，保持良好的心態和生理狀態及準確靈敏的反應，對于影響“人—汽車—道路”系統的操作穩定性，保證行駛安全非常重要。舒適的振動頻率對于乘客，不僅在行駛過程中非常重要，并且可以保證乘客到達目的地后以良好狀態投入工作。之于貨車來說，平順性會影響到貨物保持完好的程度。所以說，汽車的振動影響著汽車行駛平順性，而且平順性是現代快速，高效率車輛的一個重要指標，研究如何使汽車具有良好的振動特質，已得到汽車工程師的高度重視。

我國作為發展中國家，過去的20多年里，國民經濟持續的、健康的、快速的發展，汽車工業也獲得了跨越性發展，我國汽車生產能力得到了巨大的提高。近些年來，我國城市私家車保有量快速增長，高速公路及高等級公路網迅速建設，汽車的行駛里程越來越長，乘客乘車時間越來越多，汽車振動更受到汽車生產廠商和用戶關注，因此，汽車振動研究具有很強的現實意義。

1、課題研究背景

1.1 研究現狀

伴隨著社會進步與發展，汽車已經成為了陸路運輸的基本方式之一，為使乘客保持舒適，貨物不會在運輸過程中受到損壞，有必要對汽車振動性能進行研究。因此，自從有汽車以來，對車輛的振動分析就已經開始了。汽車震動的輸入是路面的隨機輸入，對于機械系統隨機振動，基本是從上個世紀五零年代開始的，自從上世紀的七零年代以來，因為電子計算機技術的迅猛發展，使得計算機在很多領域廣泛應用，于此同時，因為快速傅里葉變換算法的發展，讓隨機振動的研究廣泛發展。在國內，郭孔輝1976年發表在《汽車技術》中的《汽車振動與載貨的系統分析及懸掛系統的參數選擇》一篇文章，是最初在國內汽車學術刊物上發表過的應用隨機振動理論來論述汽車隨機振動的文章。該文章從理論上描述了兩個自由度上的簡化汽車行駛振動模型，在隨機路面輸入時的各種響應，從而得出了汽車在典型得實際路面上行駛時振動和載貨的數學規律，并且分析了懸架參數對于各種響應的影響。之后，張洪鑫和胡子正等在1983年發表在吉林工業大學學報的《BJ-212A輕型越野車隨機振動的模型計算與實驗分析》一篇文章，結合了對BJ-212A輕型吉普車平順性研究，把汽車簡化成無自由度的振動系統模型，充分運用在設計階段能夠得到的一些結構參數，計算出了汽車在路面激勵下的響應，王仲范在八零年代初期，論證了九個自由度汽車模型和其解的問題，理論上克服了單自由度和兩自由度汽車振動模型的計算精度低，難以在汽車理論方向做深入分析論證的缺陷。

近些年來，更多專門的軟件被開發出來用以進行運動分析，國外已有了多種類型的大型軟件，這些軟件在機械、建筑、汽車等多個工程領域中進行更加復雜的動力學分析仿真，例如一些多剛體運動學軟件，但這些軟件一方面價格很高，一方面，使用者出于安全考慮，應該開發自主軟件。

汽車振動主要是研究“輸入”-“系統”-“輸出”之間的關系，并得出符合實際情況的評價。它可以由圖1所示的汽車振動系統圖來進行分析。系統“輸入”主要由汽車以一定速度駛過隨機路面不平度引起，由此產生的振動特性也是隨機的。此“輸入”通過輪胎、懸架、座椅等彈性元件、阻尼元件和懸掛質量，非懸掛質量組成的振動系統，傳遞到懸掛質量和人體，這兩部分的加速度即是“輸出”的振動物理量，然后依據人體對振動的響應（乘坐者的舒適程度）來評價車輛的振動特質。總的來說，即是把路面不平整度的統計學規律作為汽車振動的輸入，然后利用一定的數學算法求解出與事實相一致的響應，并做出符合實際的評價。多數時候汽車振動系統的“輸出”同時還要考慮車輪與路面之間的動載荷。研究分析汽車振動的目的即是要盡量控制振動的傳遞，使乘客不舒適的感覺控制在一定的范圍之內。

1.1.1 研究方法的分類

當前，人們對于汽車振動的研究方面得出了大量的研究方案。總的來說，可分為兩大類：試驗研究法和理論研究法（見圖2）。

(1)試驗研究法

最新設計或者改裝的汽車，在試制以后要對其進行振動試驗，以對這些車輛振動特性進行評價。通過試驗方法可以發現振動方面存在的問題點，研究產生問題的原因，并得出結構參數(車輪、懸架、座椅的剛度及阻尼)對于汽車振動的影響，所以對于汽車進行試驗分析是必要的。近些年來，計算機及信號處理技術的發展為汽車試驗提供了高端的測試工具和試驗手段，汽車振動試驗的研究按試驗方法可分為三類：室外道路試驗：在現實路面上進行試驗，可以全面考核、評價車輛的技術性能，最主要用于真實車輛評價試驗及驗證試驗，目前采用較為廣泛。但因為道路條件難于控制，行駛受到交通狀況和其它條件的諸多限制，實驗結果重復性、可比性較差。

試驗場試驗：由各種試驗路況、試驗場地、試驗室以及多種輔助設備組成，用以測定車輛的結構參數（及振動參數）和基本性能參數來評價車輛的各種性能，例如：經濟性、動力性以及行駛平順性等等。按預先確定的試驗項目及試驗規則在規定的試驗條件下進行試驗，實驗場的試驗路況模擬汽車實際行駛工況，與實際使用工況基本相同，因此可在較短的試驗里程以內取得試驗結果，縮短的試驗時長，提高試驗效率并且不會受到外界交通條件等因素的限制，可保證試驗條件的一致性。

室內模擬試驗：是指在實驗室內應用專用試驗設備(例如MTS)模擬路面實際情況對汽車進行輸入激勵，因此可控制試驗的條件，得到的試驗重復性好，但是試驗設備價格相對昂貴。這種試驗結果準確性更多依賴于道路工況模擬實際路面狀況的準確性，因此，對于路面不平度的研究一直以來都是汽車振動特性的研究的一個熱點話題。早期路面研究的試驗方法之一是利用路面計，直接測量實際路面而獲得路面的不平度;其二是利用傳感器及磁帶記錄儀記錄車輛所測試位置在真實路況上行駛時的振動加速度信息，之后在路況模擬機上換算獲得，這個方法耗時、費用高。近幾十年來，伴隨著計算機與數字技術的迅速發展，室內模擬試驗應用隨機加載、數據自動記錄及采集處理系統，模擬車輛使用工況，以提高試驗精度。例如ARMA(n.m)模擬方法、Monte- Carlo法等，此方法減少了實際測試的工作量，且更好地反映出了真實路面不平整度統計特性的需求，為進一步利用計算機模擬完整汽車振動系統的時頻特性打下堅實基礎。

(2)理論研究法

傳統理論研究方法是力求建立可完全反映客觀實際的一種振動模型，利用精確算法求解出與實際相一致的響應。對應簡化系統模型的微分方程，有線性及非線性之分，解法也有時域及頻域的分別。近些年來，工程師在汽車振動特性研究中提出了多樣的簡化模型及求解過程。對于汽車振動仿真的理論研究工作，已進行了半個多世紀的奮斗，最早的研究結果于1935年發表，但汽車振動的研究工作取得比較大的進展還是在60年代中后期，在60年代中后期，伴隨著電子計算機技術逐步推廣，振動理論的發展和對于汽車基本的性能研究的深入，在國外對汽車性能的計算機模擬工作廣泛開展，我國在這一領域起步較晚，1976年，長春汽車研究所郭孔輝在《汽車技術》上發表的“汽車振動與載貨統計分析及懸掛系統參數選擇”一文中，就如何提高汽車平順性對單輸入的兩自由度汽車系統，定性討論了如何合理選擇懸掛參數問題，在中國這是最早發表的一篇用隨機振動理論，討論汽車的振動特性的文章。在1982年，北京工業學院，章一鳴教授等人首先把優化設計應用于汽車振動特性研究，將以上問題定量化，獲取了一些懸掛參數影響車身行駛平順性的規律及定量結果。

目前，汽車行駛平順性計算機模擬運算，已經發展到較高的水準，它不僅能夠模擬車身振動情況，而且還能同時模擬汽車整個系統其他各種振動情況，并能通過計算機模擬，確定汽車在隨機路面激勵情況下的振動響應特性。而路面波譜的研究成果可以使設計人員掌握路面激勵的真實一手資料，這為優先預測行駛時的平順性提供了可能性，國外在該方面己經取得了進展。

1.1.2 汽車動力學模型的研究

研究汽車振動仿真的目的是要控制車輛振動的傳遞，使乘客不舒適的感覺控制在一定范圍，這就需要掌握汽車振動過程中各個環節的特性，即人對于振動的反應、汽車的振動系統傳遞特性，和作為振動情況“輸入”的路面不平整度的統計學規律。要想準確的預測汽車的振動響應，首先應該建立合理的運動模型，目前主要建立的汽車震動平順性模型有三維空間八自由度、二維空間五自由度、三維空間七自由度，整車三維空間十三自由度模型、整車三維空間十五自由度模型，二維空間十五自由度模型以及將車輛簡化為十自由度運動學模型等。通常來講，若自由度選擇符合車輛力學特性，自由度數量越多，仿真的結果就越接近汽車實際振動狀況。整車模型因為考慮到整車所有輪胎、懸架等撓性元件之間的藕合作用，較四分之一模型、二分之一模型更為準確。然而，自由度越多，所需測定的有關參數就越多，困難是有些參數在新車設計階段不能夠準確測定(例如結構剛度，結構阻尼等)，這樣就會帶來計算誤差。此外對于研究行駛平順性來說，由路面凹凸激起的各種振動成分作用也會有大小及主次之分。從試驗基礎得知，車身地板左右及前后振動很微弱，對平順性影響不到3%，所以構造模型時忽略這些自由度引發的誤差并不會比利用粗略參數代入的更多自由度數學模型更大，但在應用中，卻節省了很多參數測定工作。因此，從實用性觀點出發，確定力學模型自由度時，應該比較這幾種不同模型以找到既滿足工程精度又不會太復雜的一種。國外在研究牽引車（掛車）振動問題時曾經用3、 6、 19三種不同的自由度模型進行了比較，最終認為6自由度模型已具有足夠的精度，較為實用。另外，國內研究中，文獻使用五自由度，八自由度，十自由度模型進行了計算發現，八自由度的模型已足夠準確。國外對于乘用車的分析說明，簡單的單輪模型也能夠較為準確的反應出車輛基本行駛特性。

1.1.3 研究汽車振動的意義和影響特性

汽車振動的特性是車輛行駛平順性的一個重要的指標，汽車振動特性研究主要是為了提高汽車行駛平順性，提高乘坐舒適度，行駛平順性的評價方法和指標優化意義重大。

因為平順性的評價涉及到人的乘坐感覺，而人的感覺又是主觀因素，所以評價起來非常復雜。據優化標準和目標函數的選擇不同，總結出的評價方法及準則較有響應的是Dieckman的K系數法，Janeway法則，前二者的試驗都是振動臺上以正弦振動模式進行輸入的，很難用它們評價隨機振動的車輛平順性；Pradko和Lee提出的能量吸收功率法(Absorbed Power)“吸收功率”為一量化值，輸入到人體各方向的吸收功率值可以直接累加；Griffin教授提出的“總體乘坐值法”(1986)，該方法比較全面，適用場合比較廣;國際標準化組織在1974年頒布了IS02631了最初版本-《人體承受全身振動評價指南》中，推薦的1/3倍頻率帶分別評價法、總加權值評價法及其評價指標目前已被普遍應用，這一標準被不斷修改并完善。目前最新舒適性評價標準是于1997年公布的IS02631-1∶ 1997 (E)-《人體承受全身振動評價-第一部分：一般要求》。該標準對于評價長時間段作用的隨機振動及多輸入點，多軸向振動環境對于人體的影響，能與主觀感覺更好的相符合。中國也依據國家標準制定出了相應國家標準，例如GB/T13442-92 《人體全身振動暴露的舒適性降低界限和評價標準》、GB 4970-96《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》、 《汽車平順性脈沖輸入試驗方法》、 《汽車平順性感覺評價試驗方法》等。

1.1.4 路面不平整統計學特性研究

汽車主要激勵源來自路面，路譜研究成為汽車平順性研究的重要的基礎工作。國內當前采用的，是國際標準協會在文件ISOlTC108/SC2N67中提出的“路面不平度表示方法草案”以及長春汽車研究所起草的“車輛振動輸入-地面平度表示方法”這兩個標準，利用冪函數形式路面功率譜密度描述路面特性，這兩個標準可以反映出實際路面的一般工況，但是有待于進一步完善。路面特性方面，研制出了多種較為接近真實路面的路譜，特別是多種不同路面對于四輪車輛輸入譜矩陣;按照路面不平度譜特性建設試驗路面（目前中國已利用計算機模擬方法設計并建造了海南、襄樊等試驗場，長春汽車研究所還成功研制了具有國際先進水準的雙跡真實路形計）。

1.1.5 汽車振動的其它方面研究

車輛懸架、輪胎、座椅及發動機懸置等是影響車輛振動特性的主要部分。懸架方面近年來研制出半獨立懸架、獨立懸架及空氣懸架系統等多種類懸架，對懸架中彈性元件及阻尼元件的設計也進行了大量研究，用以合理地匹配剛度參數值、阻尼參數值，以減小傳遞函數。工程師提出了多種參數匹配方法，把現代控制理論，特別是最優化控制、魯棒控制、模糊控制等用于汽車懸掛系統，并且對減震器進行了深入研究并且取得了很大進展。對于輪胎的研究主要包括輪胎種類、輪胎氣壓的不同及輪胎包容特性對于汽車行駛平順性的影響，進而開發出了能改善汽車平順性的輪胎動態模型。近年來的研究表明，座椅的振動對人體振動的影響也很大，座椅剛度和阻尼對改善汽車平順性同樣有很大意義。伴隨著車速的提高，發動機對于車輛的激勵作用研究也在汽車振動的研究之列。

此外，車輛結構動力學及平順性計算模擬的調查研究，動力學模型時頻域響應分析，用模態參數分析理論進行汽車振動特性分析和對于整車參數動態識別的研究，座椅特性、人-椅系統動態函數識別及其改進的研究，為平順性標準評價所用的人體模型的研發，更精密試驗測試設備的生產，面向整車系統數字化虛擬樣機技術的研發等。

汽車平順性不是孤立在車輛其它性能之外的，為此在提高車輛平順性的同時還要考慮到車輛的其它性能指數，不能盲目為了提高平順性而忽略其它性能的發揮，應該使二者達到一個最優化的折中，這也是在研究范圍之內的。

1.2 本文研究目的和意義

本文圍繞汽車行駛平順性的模型建立與仿真展開研究，提出了建模和仿真的新方法。首先要進行DASP試驗，將得到的試驗數據輸入到所建立的整車模型中，進行整車的振動仿真，從而得到一系列仿真數據和曲線，再通過這些數據和曲線，就可以快速而有效的進行整車設計中的優化和改進。

2、結論

本文主要針對建模仿真方法進行研究，這種新思路將為整車設計測試過程中節約大量不必要的時間和精力，為整車的設計和優化過程中避免不必要的損失。

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Simulatiom Analysis Of Car Vibration

Lian Qingquan, Xu Jingcai
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

Background and significance were dissertated for vehicle ride comfort research. With requirements of vehicle and heavy trucks increasing, research of ride comfortable becomes more and more important, so, researching of modeling and simulation is very important for vehicle ride comfort. Domestic and overseas status of modeling simulation was introduced to study of vehicle ride comfort, and main contents were defined in this dissertation.New method have been given for modeling and simulation of vehicle ride comfort. They were frequency simulation of pseudo-excitation methods and the methods of mathematical modeling for vehicle vibration structure base on ideas of finite element methods and numerical simulation methods of time field based on the variation theories. They have been applied to investigat modeling and simulation of vehicle ride comfort, better conclusions have been gained. Stationary random vibration pseudo-excitation methods were applied to simulation analysis of vehicle ride comfort. Steps of pseudo - excitation methods applied were introduced for simulation of automobile ride comfort. Different characteristics were compared between pseudo-excitation methods and Fourier analysis methods. Effective of pseudo-excitation method was discussed for simulation of full vehicle ride comfort. Results showed that pseudo-excitation method was equal to Fourier analysis methods for the simulation of automobile ride comfort, but it was better than Fourier analysis method.

Brilliance; Automobile；Stochastic Vibration, Automobile Ride Comfort

U461.4

A

1671-7988(2015)03--

廉清泉，就職于華晨汽車工程研究院外飾工程室。