汽车震动仿真分析

廉清泉，徐晶才

（华晨汽车工程研究院 外饰工程室，辽宁 沈阳 110141）

汽车震动仿真分析

廉清泉，徐晶才

（华晨汽车工程研究院 外饰工程室，辽宁 沈阳 110141）

首先概述了汽车的行驶平顺性课题研究的意义和背景，随着私家车和重型汽车的需求量不断提高，私家车和重型汽车的行驶平顺性研究变得非常重要，体现了汽车行驶平顺性的建模与仿真分析研究具有的重要意义，介绍了国内外汽车行驶平顺性的建模与仿真研究的现实状况，确定了文章研究的主要议题。本文围绕汽车行驶平顺性的模型建立与仿真分析展开了研究，提出建模与仿真新方法：虚拟激励法的频域及时域仿真，基于有限元思路建立汽车振动结构数学模型的方法，基于变分理论时域数值方法，应用这二者对汽车行驶平顺性建模与仿真展开了研究，得出了有益结论。将平稳随机振动虚拟激励方法应用到了汽车行驶的平顺性仿真分析中，介绍了虚拟激励方法在行驶平顺性的仿真中的应用，探讨了虚拟激励法对于整车行驶平顺性仿真的有效性。

华晨；汽车；震动；仿真分析

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

前言

从1886年世界第一辆汽车问世到现在，汽车工业经过了一百多年的历史。这一百多年以来，汽车工业使得人类社会生活发生了巨大的变化，成为人类文明的重要篇章。在信息高速发展的今天，汽车成为方便、快捷、安全、舒适的代步工具及货运工具，是世界上使用最为广泛、产量最多的交通工具。伴随着科学技术的快速发展、新的设计、新技术的不断应用使汽车工业的发展万象更新。与此同时，汽车工业反映时代的变化和文化发展，促进了各个技术领域的革新。

汽车在行驶时，路面起伏和发动机、传动系统和车轮等旋转部件引起汽车的振动。车辆振动改善，直接影响汽车的行驶平顺性，舒适性，操控稳定性等。汽车的振动不仅可以导致车上乘客疲劳及货物损坏，还会使得整车部件过快磨损和疲劳受损，影响汽车的使用寿命。另外，汽车的平顺性不佳，还会限制汽车动力性能和经济性能。保证汽车的振动在一定程度，以保证司机在长时间复杂的行驶及操控过程中，保持良好的心态和生理状态及准确灵敏的反应，对于影响“人—汽车—道路”系统的操作稳定性，保证行驶安全非常重要。舒适的振动频率对于乘客，不仅在行驶过程中非常重要，并且可以保证乘客到达目的地后以良好状态投入工作。之于货车来说，平顺性会影响到货物保持完好的程度。所以说，汽车的振动影响着汽车行驶平顺性，而且平顺性是现代快速，高效率车辆的一个重要指标，研究如何使汽车具有良好的振动特质，已得到汽车工程师的高度重视。

我国作为发展中国家，过去的20多年里，国民经济持续的、健康的、快速的发展，汽车工业也获得了跨越性发展，我国汽车生产能力得到了巨大的提高。近些年来，我国城市私家车保有量快速增长，高速公路及高等级公路网迅速建设，汽车的行驶里程越来越长，乘客乘车时间越来越多，汽车振动更受到汽车生产厂商和用户关注，因此，汽车振动研究具有很强的现实意义。

1、课题研究背景

1.1 研究现状

伴随着社会进步与发展，汽车已经成为了陆路运输的基本方式之一，为使乘客保持舒适，货物不会在运输过程中受到损坏，有必要对汽车振动性能进行研究。因此，自从有汽车以来，对车辆的振动分析就已经开始了。汽车震动的输入是路面的随机输入，对于机械系统随机振动，基本是从上个世纪五零年代开始的，自从上世纪的七零年代以来，因为电子计算机技术的迅猛发展，使得计算机在很多领域广泛应用，于此同时，因为快速傅里叶变换算法的发展，让随机振动的研究广泛发展。在国内，郭孔辉1976年发表在《汽车技术》中的《汽车振动与载货的系统分析及悬挂系统的参数选择》一篇文章，是最初在国内汽车学术刊物上发表过的应用随机振动理论来论述汽车随机振动的文章。该文章从理论上描述了两个自由度上的简化汽车行驶振动模型，在随机路面输入时的各种响应，从而得出了汽车在典型得实际路面上行驶时振动和载货的数学规律，并且分析了悬架参数对于各种响应的影响。之后，张洪鑫和胡子正等在1983年发表在吉林工业大学学报的《BJ-212A轻型越野车随机振动的模型计算与实验分析》一篇文章，结合了对BJ-212A轻型吉普车平顺性研究，把汽车简化成无自由度的振动系统模型，充分运用在设计阶段能够得到的一些结构参数，计算出了汽车在路面激励下的响应，王仲范在八零年代初期，论证了九个自由度汽车模型和其解的问题，理论上克服了单自由度和两自由度汽车振动模型的计算精度低，难以在汽车理论方向做深入分析论证的缺陷。

近些年来，更多专门的软件被开发出来用以进行运动分析，国外已有了多种类型的大型软件，这些软件在机械、建筑、汽车等多个工程领域中进行更加复杂的动力学分析仿真，例如一些多刚体运动学软件，但这些软件一方面价格很高，一方面，使用者出于安全考虑，应该开发自主软件。

汽车振动主要是研究“输入”-“系统”-“输出”之间的关系，并得出符合实际情况的评价。它可以由图1所示的汽车振动系统图来进行分析。系统“输入”主要由汽车以一定速度驶过随机路面不平度引起，由此产生的振动特性也是随机的。此“输入”通过轮胎、悬架、座椅等弹性元件、阻尼元件和悬挂质量，非悬挂质量组成的振动系统，传递到悬挂质量和人体，这两部分的加速度即是“输出”的振动物理量，然后依据人体对振动的响应（乘坐者的舒适程度）来评价车辆的振动特质。总的来说，即是把路面不平整度的统计学规律作为汽车振动的输入，然后利用一定的数学算法求解出与事实相一致的响应，并做出符合实际的评价。多数时候汽车振动系统的“输出”同时还要考虑车轮与路面之间的动载荷。研究分析汽车振动的目的即是要尽量控制振动的传递，使乘客不舒适的感觉控制在一定的范围之内。

1.1.1 研究方法的分类

当前，人们对于汽车振动的研究方面得出了大量的研究方案。总的来说，可分为两大类：试验研究法和理论研究法（见图2）。

(1)试验研究法

最新设计或者改装的汽车，在试制以后要对其进行振动试验，以对这些车辆振动特性进行评价。通过试验方法可以发现振动方面存在的问题点，研究产生问题的原因，并得出结构参数(车轮、悬架、座椅的刚度及阻尼)对于汽车振动的影响，所以对于汽车进行试验分析是必要的。近些年来，计算机及信号处理技术的发展为汽车试验提供了高端的测试工具和试验手段，汽车振动试验的研究按试验方法可分为三类：室外道路试验：在现实路面上进行试验，可以全面考核、评价车辆的技术性能，最主要用于真实车辆评价试验及验证试验，目前采用较为广泛。但因为道路条件难于控制，行驶受到交通状况和其它条件的诸多限制，实验结果重复性、可比性较差。

试验场试验：由各种试验路况、试验场地、试验室以及多种辅助设备组成，用以测定车辆的结构参数（及振动参数）和基本性能参数来评价车辆的各种性能，例如：经济性、动力性以及行驶平顺性等等。按预先确定的试验项目及试验规则在规定的试验条件下进行试验，实验场的试验路况模拟汽车实际行驶工况，与实际使用工况基本相同，因此可在较短的试验里程以内取得试验结果，缩短的试验时长，提高试验效率并且不会受到外界交通条件等因素的限制，可保证试验条件的一致性。

室内模拟试验：是指在实验室内应用专用试验设备(例如MTS)模拟路面实际情况对汽车进行输入激励，因此可控制试验的条件，得到的试验重复性好，但是试验设备价格相对昂贵。这种试验结果准确性更多依赖于道路工况模拟实际路面状况的准确性，因此，对于路面不平度的研究一直以来都是汽车振动特性的研究的一个热点话题。早期路面研究的试验方法之一是利用路面计，直接测量实际路面而获得路面的不平度;其二是利用传感器及磁带记录仪记录车辆所测试位置在真实路况上行驶时的振动加速度信息，之后在路况模拟机上换算获得，这个方法耗时、费用高。近几十年来，伴随着计算机与数字技术的迅速发展，室内模拟试验应用随机加载、数据自动记录及采集处理系统，模拟车辆使用工况，以提高试验精度。例如ARMA(n.m)模拟方法、Monte- Carlo法等，此方法减少了实际测试的工作量，且更好地反映出了真实路面不平整度统计特性的需求，为进一步利用计算机模拟完整汽车振动系统的时频特性打下坚实基础。

(2)理论研究法

传统理论研究方法是力求建立可完全反映客观实际的一种振动模型，利用精确算法求解出与实际相一致的响应。对应简化系统模型的微分方程，有线性及非线性之分，解法也有时域及频域的分别。近些年来，工程师在汽车振动特性研究中提出了多样的简化模型及求解过程。对于汽车振动仿真的理论研究工作，已进行了半个多世纪的奋斗，最早的研究结果于1935年发表，但汽车振动的研究工作取得比较大的进展还是在60年代中后期，在60年代中后期，伴随着电子计算机技术逐步推广，振动理论的发展和对于汽车基本的性能研究的深入，在国外对汽车性能的计算机模拟工作广泛开展，我国在这一领域起步较晚，1976年，长春汽车研究所郭孔辉在《汽车技术》上发表的“汽车振动与载货统计分析及悬挂系统参数选择”一文中，就如何提高汽车平顺性对单输入的两自由度汽车系统，定性讨论了如何合理选择悬挂参数问题，在中国这是最早发表的一篇用随机振动理论，讨论汽车的振动特性的文章。在1982年，北京工业学院，章一鸣教授等人首先把优化设计应用于汽车振动特性研究，将以上问题定量化，获取了一些悬挂参数影响车身行驶平顺性的规律及定量结果。

目前，汽车行驶平顺性计算机模拟运算，已经发展到较高的水准，它不仅能够模拟车身振动情况，而且还能同时模拟汽车整个系统其他各种振动情况，并能通过计算机模拟，确定汽车在随机路面激励情况下的振动响应特性。而路面波谱的研究成果可以使设计人员掌握路面激励的真实一手资料，这为优先预测行驶时的平顺性提供了可能性，国外在该方面己经取得了进展。

1.1.2 汽车动力学模型的研究

研究汽车振动仿真的目的是要控制车辆振动的传递，使乘客不舒适的感觉控制在一定范围，这就需要掌握汽车振动过程中各个环节的特性，即人对于振动的反应、汽车的振动系统传递特性，和作为振动情况“输入”的路面不平整度的统计学规律。要想准确的预测汽车的振动响应，首先应该建立合理的运动模型，目前主要建立的汽车震动平顺性模型有三维空间八自由度、二维空间五自由度、三维空间七自由度，整车三维空间十三自由度模型、整车三维空间十五自由度模型，二维空间十五自由度模型以及将车辆简化为十自由度运动学模型等。通常来讲，若自由度选择符合车辆力学特性，自由度数量越多，仿真的结果就越接近汽车实际振动状况。整车模型因为考虑到整车所有轮胎、悬架等挠性元件之间的藕合作用，较四分之一模型、二分之一模型更为准确。然而，自由度越多，所需测定的有关参数就越多，困难是有些参数在新车设计阶段不能够准确测定(例如结构刚度，结构阻尼等)，这样就会带来计算误差。此外对于研究行驶平顺性来说，由路面凹凸激起的各种振动成分作用也会有大小及主次之分。从试验基础得知，车身地板左右及前后振动很微弱，对平顺性影响不到3%，所以构造模型时忽略这些自由度引发的误差并不会比利用粗略参数代入的更多自由度数学模型更大，但在应用中，却节省了很多参数测定工作。因此，从实用性观点出发，确定力学模型自由度时，应该比较这几种不同模型以找到既满足工程精度又不会太复杂的一种。国外在研究牵引车（挂车）振动问题时曾经用3、 6、 19三种不同的自由度模型进行了比较，最终认为6自由度模型已具有足够的精度，较为实用。另外，国内研究中，文献使用五自由度，八自由度，十自由度模型进行了计算发现，八自由度的模型已足够准确。国外对于乘用车的分析说明，简单的单轮模型也能够较为准确的反应出车辆基本行驶特性。

1.1.3 研究汽车振动的意义和影响特性

汽车振动的特性是车辆行驶平顺性的一个重要的指标，汽车振动特性研究主要是为了提高汽车行驶平顺性，提高乘坐舒适度，行驶平顺性的评价方法和指标优化意义重大。

因为平顺性的评价涉及到人的乘坐感觉，而人的感觉又是主观因素，所以评价起来非常复杂。据优化标准和目标函数的选择不同，总结出的评价方法及准则较有响应的是Dieckman的K系数法，Janeway法则，前二者的试验都是振动台上以正弦振动模式进行输入的，很难用它们评价随机振动的车辆平顺性；Pradko和Lee提出的能量吸收功率法(Absorbed Power)“吸收功率”为一量化值，输入到人体各方向的吸收功率值可以直接累加；Griffin教授提出的“总体乘坐值法”(1986)，该方法比较全面，适用场合比较广;国际标准化组织在1974年颁布了IS02631了最初版本-《人体承受全身振动评价指南》中，推荐的1/3倍频率带分别评价法、总加权值评价法及其评价指标目前已被普遍应用，这一标准被不断修改并完善。目前最新舒适性评价标准是于1997年公布的IS02631-1∶ 1997 (E)-《人体承受全身振动评价-第一部分：一般要求》。该标准对于评价长时间段作用的随机振动及多输入点，多轴向振动环境对于人体的影响，能与主观感觉更好的相符合。中国也依据国家标准制定出了相应国家标准，例如GB/T13442-92 《人体全身振动暴露的舒适性降低界限和评价标准》、GB 4970-96《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》、 《汽车平顺性脉冲输入试验方法》、 《汽车平顺性感觉评价试验方法》等。

1.1.4 路面不平整统计学特性研究

汽车主要激励源来自路面，路谱研究成为汽车平顺性研究的重要的基础工作。国内当前采用的，是国际标准协会在文件ISOlTC108/SC2N67中提出的“路面不平度表示方法草案”以及长春汽车研究所起草的“车辆振动输入-地面平度表示方法”这两个标准，利用幂函数形式路面功率谱密度描述路面特性，这两个标准可以反映出实际路面的一般工况，但是有待于进一步完善。路面特性方面，研制出了多种较为接近真实路面的路谱，特别是多种不同路面对于四轮车辆输入谱矩阵;按照路面不平度谱特性建设试验路面（目前中国已利用计算机模拟方法设计并建造了海南、襄樊等试验场，长春汽车研究所还成功研制了具有国际先进水准的双迹真实路形计）。

1.1.5 汽车振动的其它方面研究

车辆悬架、轮胎、座椅及发动机悬置等是影响车辆振动特性的主要部分。悬架方面近年来研制出半独立悬架、独立悬架及空气悬架系统等多种类悬架，对悬架中弹性元件及阻尼元件的设计也进行了大量研究，用以合理地匹配刚度参数值、阻尼参数值，以减小传递函数。工程师提出了多种参数匹配方法，把现代控制理论，特别是最优化控制、鲁棒控制、模糊控制等用于汽车悬挂系统，并且对减震器进行了深入研究并且取得了很大进展。对于轮胎的研究主要包括轮胎种类、轮胎气压的不同及轮胎包容特性对于汽车行驶平顺性的影响，进而开发出了能改善汽车平顺性的轮胎动态模型。近年来的研究表明，座椅的振动对人体振动的影响也很大，座椅刚度和阻尼对改善汽车平顺性同样有很大意义。伴随着车速的提高，发动机对于车辆的激励作用研究也在汽车振动的研究之列。

此外，车辆结构动力学及平顺性计算模拟的调查研究，动力学模型时频域响应分析，用模态参数分析理论进行汽车振动特性分析和对于整车参数动态识别的研究，座椅特性、人-椅系统动态函数识别及其改进的研究，为平顺性标准评价所用的人体模型的研发，更精密试验测试设备的生产，面向整车系统数字化虚拟样机技术的研发等。

汽车平顺性不是孤立在车辆其它性能之外的，为此在提高车辆平顺性的同时还要考虑到车辆的其它性能指数，不能盲目为了提高平顺性而忽略其它性能的发挥，应该使二者达到一个最优化的折中，这也是在研究范围之内的。

1.2 本文研究目的和意义

本文围绕汽车行驶平顺性的模型建立与仿真展开研究，提出了建模和仿真的新方法。首先要进行DASP试验，将得到的试验数据输入到所建立的整车模型中，进行整车的振动仿真，从而得到一系列仿真数据和曲线，再通过这些数据和曲线，就可以快速而有效的进行整车设计中的优化和改进。

2、结论

本文主要针对建模仿真方法进行研究，这种新思路将为整车设计测试过程中节约大量不必要的时间和精力，为整车的设计和优化过程中避免不必要的损失。

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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，就职于华晨汽车工程研究院外饰工程室。