微型客车纵向冲击振动建模、仿真及优化分析
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摘要
随着改革开放不断发展，人民物质条件改善，我国微型汽车市场正蓬勃发展。在中国特定市场条件下，微型汽车比较满足百姓需求，微型汽车发展代表着我国普通人民的生活水平。目前，微型汽车占汽车行业比重已增加到31.65%，但是，微型汽车行驶时纵向平顺性不是很好，会产生较大振动。
对于平顺性研究，国内外已有很多，主要为垂向随机振动，很少研究纵向振动以及冲击振动。汽车行驶产生的纵向振动同垂向振动一样会使乘员乘坐舒适性降低，整车性能下降，并且人体对纵向振动敏感频率范围在0.5～2Hz，大约在3Hz以下，纵向振动比垂直振动更敏感。冲击是指由力、位移、速度等的突然变化引起的系统瞬态动变化过程，冲击振动也严重影响汽车平顺性。因此，对纵向振动和冲击振动研究非常重要。
本文主要基于企业提供的数据，使用参数化整车动力学仿真软件Carsim，对某微型客车进行纵向冲击振动研究，以提高该车纵向平顺性。论文主要内容为：
（1）某微型客车Carsim整车动力学模型参数描述与确定
在深入研究Carsim建模原理基础之上，对整车动力学模型的车体、车桥与悬架系统、轮胎、传动系统、制动系统和转向系统六大模块建模参数进行详细分析，根据企业提供的数据对建模参数进行确定，并对模型进行校验，以保证模型精确性。
（2）纵向冲击振动工况过程分析
本文研究的纵向冲击振动工况包括汽车起步、换挡和路面冲击激励三种工况。对于起步和换挡工况产生纵向冲击振动的主要原因是离合器接合操作，因此需要详细分析离合器接合过程，以及与离合器接合相配合的节气门开度。对于路面冲击激励工况是采用在水平路面上增加三角凸块激励研究纵向冲击振动。
（3）纵向冲击振动工况仿真分析
通过对纵向冲击振动工况过程分析，将工况过程体现在Carsim中进行仿真。起步工况分为慢起步、正常起步、快起步三种形式，换挡工况包括升挡、降挡、降挡急加速、越级降挡四种形式，路面冲击激励工况包括10、20、30、40、50、60km/h六种不同车速。此外，通过仿真简单冲击振动工况对模型进行验证。
（4）纵向冲击振动工况影响因素分析
分析参数的灵敏度对改进纵向冲击振动性能非常重要。采用单因素分析法进行影响因素分析。首先确定各工况的影响参数，对于起步工况，包括使用参数、冲击度公式中的整车参数、纵向整车参数以及悬架参数；对于换挡工况，包括使用参数和整车参数；对于路面冲击激励工况，包括前后弹簧刚度和前后减振器阻尼四个参数。然后通过单因素分析法对每个参数进行仿真分析。
（5）纵向冲击振动工况优化分析
使用正交试验设计方法对纵向冲击振动工况进行优化分析。以确定出的影响比较大的参数作为试验因素，对正交试验方案进行设计，以极差分析法对试验指标进行分析，获得使各工况纵向冲击振动最优的因素组合，以提高汽车行驶纵向平顺性。
本文结合与重庆长安汽车股份有限公司合作的“车辆瞬态振动冲击舒适性研究”项目，在所提供数据基础之上，通过参数化整车动力学仿真软件Carsim，对汽车起步、换挡以及路面冲击激励工况进行了仿真，对各工况进行了影响因素分析和优化分析，减小了该车的纵向冲击振动。
With the development of the reform and opening-up policy, and the improvement of people’smaterial conditions, China minicar market is booming. Minicars are very suitable forcommon people’s requirement, and its development represent common people’s livingstandard in the Chinese characteristic market conditions. Now, the minicar market is accountfor31.65%of the whole market. But its longitudinal ride comfort is not very good and bigvibration exists.
The ride comfort has been researched frequently at home and abroad, most of them are aboutvertical random vibration, few are about longitudinal vibration and impact vibration.Passengers are made uncomfortable and vehicle performance is dropped by the longitudinalvibration as well as vertical vibration. Human’s sensitive frequency range to longitudinalvibration is0.5～2Hz, longitudinal vibration is more sensitive than vertical vibration under3Hz. Impact is the system transient dynamic change process caused by sudden change of theforce, displacement, speed etc. Ride comfort is also seriously affected by impact vibration.So, it’s very important to research the longitudinal vibration and impact vibration.The purpose of this paper is to study the longitudinal impact vibration of a minibus and toimprove its longitudinal ride comfort, using the provided date and basing on parametricvehicle dynamics software Carsim. The main contents are as follows:
(1) Description and determination of a minibus’s dynamic model parametersThe parameters of six modules were described in detail based on the understanding ofmodeling theory, the six modules of Carsim includes body, axle and suspension, tire,powertrain, braking and steering systems. The parameters were confirmed based on the dataprovided by company, and the model was examined to test model accuracy.
(2) Analysis of the longitudinal impact vibration operating conditionsThere are three operating conditions in this paper such as start, gear-shift and road impactexcitation. For the start and gear-shift conditions, the cause of the longitudinal impactvibration is the clutch operation, so the engaging process of clutch and throttle opening inkeeping with clutch engagement is analyzed in detial. For the road impact excitationcondition, add triangle bump to the level road as the impact excitation input, the same as theride comfort impact input running test.
(3) Simulation of three longitudinal impact vibration conditionsThe analysis of the longitudinal impact vibration conditions was reflected in Carsim, andthen the longitudinal impact vibration conditions were simulated. Vehicle start was divided into three forms, slow start, normal start and fast start; Gear-shift condition included upshift,downshift, downshift and rapid acceleration, leapfrog downshift; Road impact excitationcondition had six simulations of different speed, includes10,20,30,40,50,60km/h.Furthermore, the correctness of the model was verified through simple impact vibrationconditions simulation.
(4) Analysis of influencing factors to longitudinal impact vibration conditionsThe sensitivity analysis of parameters is significant to improve longitudinal impact vibrationperformance. The influence of parameters was analyzed using single factor analysis method.Firstly, the parameters were chosen to analyze for every condition. There were usageparameters, vehicle parameters in impact formula, vehicle longitudinal parameters andsuspension parameters for the start; there were usage parameters and vehicle parameters forgear-shift; there were spring rate and absorber damping for road impact excitation. Then, theinfluence of every parameter was analyzed through single factor analysis method.
(5) Optimization of the longitudinal impact vibration conditionsThe method of optimization is Orthogonal Design. The parameters which have significantinfluence were chosen as the experimental factor. Designed orthogonal pilot program, andanalyzed experimental index using the extreme difference analysis to get the best levelcombination for the longitudinal ride comfort improvment.Combining with “Transient Vibration Comfort of Vehicle Impact Study” of ChongqingChangan Automobile Corporation, basing on the provided data, simulated the start, gear-shift,road impact excitation condition through Carsim dynamic software. Then analyzed andoptimized the parameters influence to lower the longitudinal impact vibration.
对于平顺性研究，国内外已有很多，主要为垂向随机振动，很少研究纵向振动以及冲击振动。汽车行驶产生的纵向振动同垂向振动一样会使乘员乘坐舒适性降低，整车性能下降，并且人体对纵向振动敏感频率范围在0.5～2Hz，大约在3Hz以下，纵向振动比垂直振动更敏感。冲击是指由力、位移、速度等的突然变化引起的系统瞬态动变化过程，冲击振动也严重影响汽车平顺性。因此，对纵向振动和冲击振动研究非常重要。
本文主要基于企业提供的数据，使用参数化整车动力学仿真软件Carsim，对某微型客车进行纵向冲击振动研究，以提高该车纵向平顺性。论文主要内容为：
（1）某微型客车Carsim整车动力学模型参数描述与确定
在深入研究Carsim建模原理基础之上，对整车动力学模型的车体、车桥与悬架系统、轮胎、传动系统、制动系统和转向系统六大模块建模参数进行详细分析，根据企业提供的数据对建模参数进行确定，并对模型进行校验，以保证模型精确性。
（2）纵向冲击振动工况过程分析
本文研究的纵向冲击振动工况包括汽车起步、换挡和路面冲击激励三种工况。对于起步和换挡工况产生纵向冲击振动的主要原因是离合器接合操作，因此需要详细分析离合器接合过程，以及与离合器接合相配合的节气门开度。对于路面冲击激励工况是采用在水平路面上增加三角凸块激励研究纵向冲击振动。
（3）纵向冲击振动工况仿真分析
通过对纵向冲击振动工况过程分析，将工况过程体现在Carsim中进行仿真。起步工况分为慢起步、正常起步、快起步三种形式，换挡工况包括升挡、降挡、降挡急加速、越级降挡四种形式，路面冲击激励工况包括10、20、30、40、50、60km/h六种不同车速。此外，通过仿真简单冲击振动工况对模型进行验证。
（4）纵向冲击振动工况影响因素分析
分析参数的灵敏度对改进纵向冲击振动性能非常重要。采用单因素分析法进行影响因素分析。首先确定各工况的影响参数，对于起步工况，包括使用参数、冲击度公式中的整车参数、纵向整车参数以及悬架参数；对于换挡工况，包括使用参数和整车参数；对于路面冲击激励工况，包括前后弹簧刚度和前后减振器阻尼四个参数。然后通过单因素分析法对每个参数进行仿真分析。
（5）纵向冲击振动工况优化分析
使用正交试验设计方法对纵向冲击振动工况进行优化分析。以确定出的影响比较大的参数作为试验因素，对正交试验方案进行设计，以极差分析法对试验指标进行分析，获得使各工况纵向冲击振动最优的因素组合，以提高汽车行驶纵向平顺性。
本文结合与重庆长安汽车股份有限公司合作的“车辆瞬态振动冲击舒适性研究”项目，在所提供数据基础之上，通过参数化整车动力学仿真软件Carsim，对汽车起步、换挡以及路面冲击激励工况进行了仿真，对各工况进行了影响因素分析和优化分析，减小了该车的纵向冲击振动。
With the development of the reform and opening-up policy, and the improvement of people’smaterial conditions, China minicar market is booming. Minicars are very suitable forcommon people’s requirement, and its development represent common people’s livingstandard in the Chinese characteristic market conditions. Now, the minicar market is accountfor31.65%of the whole market. But its longitudinal ride comfort is not very good and bigvibration exists.
The ride comfort has been researched frequently at home and abroad, most of them are aboutvertical random vibration, few are about longitudinal vibration and impact vibration.Passengers are made uncomfortable and vehicle performance is dropped by the longitudinalvibration as well as vertical vibration. Human’s sensitive frequency range to longitudinalvibration is0.5～2Hz, longitudinal vibration is more sensitive than vertical vibration under3Hz. Impact is the system transient dynamic change process caused by sudden change of theforce, displacement, speed etc. Ride comfort is also seriously affected by impact vibration.So, it’s very important to research the longitudinal vibration and impact vibration.The purpose of this paper is to study the longitudinal impact vibration of a minibus and toimprove its longitudinal ride comfort, using the provided date and basing on parametricvehicle dynamics software Carsim. The main contents are as follows:
(1) Description and determination of a minibus’s dynamic model parametersThe parameters of six modules were described in detail based on the understanding ofmodeling theory, the six modules of Carsim includes body, axle and suspension, tire,powertrain, braking and steering systems. The parameters were confirmed based on the dataprovided by company, and the model was examined to test model accuracy.
(2) Analysis of the longitudinal impact vibration operating conditionsThere are three operating conditions in this paper such as start, gear-shift and road impactexcitation. For the start and gear-shift conditions, the cause of the longitudinal impactvibration is the clutch operation, so the engaging process of clutch and throttle opening inkeeping with clutch engagement is analyzed in detial. For the road impact excitationcondition, add triangle bump to the level road as the impact excitation input, the same as theride comfort impact input running test.
(3) Simulation of three longitudinal impact vibration conditionsThe analysis of the longitudinal impact vibration conditions was reflected in Carsim, andthen the longitudinal impact vibration conditions were simulated. Vehicle start was divided into three forms, slow start, normal start and fast start; Gear-shift condition included upshift,downshift, downshift and rapid acceleration, leapfrog downshift; Road impact excitationcondition had six simulations of different speed, includes10,20,30,40,50,60km/h.Furthermore, the correctness of the model was verified through simple impact vibrationconditions simulation.
(4) Analysis of influencing factors to longitudinal impact vibration conditionsThe sensitivity analysis of parameters is significant to improve longitudinal impact vibrationperformance. The influence of parameters was analyzed using single factor analysis method.Firstly, the parameters were chosen to analyze for every condition. There were usageparameters, vehicle parameters in impact formula, vehicle longitudinal parameters andsuspension parameters for the start; there were usage parameters and vehicle parameters forgear-shift; there were spring rate and absorber damping for road impact excitation. Then, theinfluence of every parameter was analyzed through single factor analysis method.
(5) Optimization of the longitudinal impact vibration conditionsThe method of optimization is Orthogonal Design. The parameters which have significantinfluence were chosen as the experimental factor. Designed orthogonal pilot program, andanalyzed experimental index using the extreme difference analysis to get the best levelcombination for the longitudinal ride comfort improvment.Combining with “Transient Vibration Comfort of Vehicle Impact Study” of ChongqingChangan Automobile Corporation, basing on the provided data, simulated the start, gear-shift,road impact excitation condition through Carsim dynamic software. Then analyzed andoptimized the parameters influence to lower the longitudinal impact vibration.
引文
[1] MSC．Carsim Help[R]．Version8.02．2009
[2]王英麟．基于CarSim与UniTire的爆胎汽车动力学响应研究[D]．长春：吉林大学硕士学位论文，2007
[3] Ying Chen，Brandon Jones．Software Testing Strategies for Model-Based ChassisControl System[C]．SAE Paper，2007-01-0505
[4] Naoto Ohkubo，Takehiro Horiuchi．Brake Torque Sensing for Enhancement of VehicleDynamics Control Systems[C]．SAE Paper，2007-01-0867
[5] Ming Une Jen，Ming-Hung Lu．Integration of Kinematics and Compliance Measurementwith Vehicle Dynamics Validation for a Shared Platform[C]．SAE Paper，2007-01-0832
[6] Mohammad Kamal，Taehyun Shim．Development of Active Suspension Control forCombined Handling and Rollover Propensity Enhancement[C]． SAE Paper，2007-01-0826
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