汽车系统动力学第8章

第二节 路面输入及其模型
一、路面测量技术及数据处理
1.路面测量技术 为了精确预测车辆对路面激励输入的响应,首先要做的工作就是对路面本身 进行恰当描述及表达。获得路面特征的唯一方法是测量,可供使用的测量技 术有: (1)经典测量技术 一种古老的测量方法是使用水平仪和标尺进行路面不平 度测量。这种方法非常精确,但费时费工,目前已很少采用。 (2)路面不平度测量仪 目前常采用的测量方法是使用路面不平度测量仪,其 结构及原理如图8-2所示。路面不平度测量仪有单轨和双轨两种形式。一般 安装在车体或拖车上,通过拖带的从动轮测量路面不平度。如要测量左右两 轮轨迹的路面输入之间的关系,可用双轨式测量仪通过两个从动轮测得。在 对路面不平度测量仪的悬架进行设计时,必须保证从动轮始终与地面接触,保 持在合理的行驶速度下,路面轮廓才能被准确测量。在对路面测量信号处理 和建模时,一般要对信号的频率范围有所限制。通过频宽的上、下截止,使所 建立的路面模型只包括认为有用的频率信号。相对一般汽车车轮来说,
第一节 概述
因此,行驶动力学研究的主要内容可以总结为以下三个问题: 1)如何建立一个能合理描述不平路面的输入模型; 2)如何合理地建立一个用于车辆行驶平顺性分析的车辆模型; 3)如何提出能合理表述车辆行驶平顺性的量化指标。
本章将围绕第一个和第三个问题展开,而第二个问题将在第九章的 行驶动力学模型中进行介绍。目的是通过车辆行驶动力学建模、仿真 及性能分析,预测车辆行驶平顺性能、优化车辆系统(这里主要是针对 悬架系统)的设计,以及通过采用先进的控制方法进行主动悬架控制系 统的设计,关于悬架控制部分的相关内容将在第十章中给予介绍。
第二节 路面输入及其模型
测量仪的从动轮较小、较硬,它通常由一个硬质的小窄轮胎构成。由于汽车 轮胎与地面有一定的接触长度,对不平路面中的那些微小凹坑和凸起有包络 效应,因而在建模中无需反映那些太细的路面纹理结构。而测量仪的硬质小 轮比通常的车用轮胎小,可以测量出更多的路面高频小幅值分量,故采用上 截止频率的办法来滤掉这些高频分量,以简化数据处理工作。如果仅考虑影 响平顺性的频段信号成分,则无需采集那些伴随大波长(如类似桥面的波峰 和桥洞下隧道般的波谷)的极低频段内的路面位移信号,因为车辆总归是要 跟随这样的路面行驶,故可用带通滤波器将这种没用的极低频信号去除。 (3)非接触式路面测量装置 假如路面的细致纹理也需考虑,则可采用非接 触式测量方法,如激光或超声波方法,工作原理如图8-3所示。路面与测量装 置中的质量块间的相对位移可由加速度传感器间接获得。非接触式路面测 量装置通常安装在车辆前部的支承横梁上,可安装多个测量装置进行多道同 时测量。 (4)倾斜测量装置 可使用一辆双轮小车(工作原理见图8-4)并配合自立式 陀螺仪来测量非路面的不平度。地表面的倾斜度由陀螺仪测量,然后通过积 分得出位移。
图8-5 由实测路面位移到频域表达的分析过程
显然,低频长波通常有较大的振幅,而高频短波具有较小的振幅。图8-6所示的 实际路面的频谱密度图就清晰地表明了这一点。
图8-6 实测的典型主干道路面谱密度
国际标准化组织推荐采用路面功率谱密度来描述路面不平度的统计特性,并制 定了《机械振动—地面车辆—测量数据报告方法》标准,为单道或多道路面不平度 测量数据提供了统一报告方法,适用于乡道、街道、公路以及非路面的不平度测量 的数据处理。
图8-1所示的输出部分即乘员的反应和感知。人可以通过触觉、视 觉及听觉等多方面感知周围环境,例如低频下的振动会引起人晕车,也就 是通常所指的“运动病”,眼的振动及中耳的不平衡也可以引起晕车。这 些问题涉及生理学这一更为广泛的范畴,这里仅讨论人体对振动的反应。
图8-1中介于输入与输出之间的内容是本章研究的核心问题,即车辆 行驶动力学模型,其中所涉及的实际因素有很多,但主要因素包括簧载质 量(即车身质量)和非簧载质量(即车轮质量)、悬架、轮胎、发动机质量 及其悬置、乘员和座椅等。尽管行驶动力学所涉及的内容较广泛,但本 书中会围绕行驶动力学所谓“主问题”展开,即通过数学建模、预测和分 析车辆行驶在不平路面输入下系统的响应。
第二节 路面输入及其模型
图8-2 路面不平度测量仪的结构及原理
第二节 路面输入及其模型
图8-3 非接触式路面测量的工作原理
图8-4 倾斜测量装置
2.数据处理
通常实测所得的路面轮廓不会遵循某一特定的模式,图8-5a所示为一典 型的实测路面截面曲线。假设所取的典型样段可在一段距离内重复出现,那 么就可以用代表性路段对该路面进行处理,将信号分解为一系列的傅里叶分 量,并可表示为由各种波长的正弦波组成的集合。例如以20m/s的车速行 驶,记录里程为2400m,记录时间T为120s,那么由傅里叶变换可生成如图 8-5b所示的线谱图,其中横坐标为频率,纵坐标表示正弦波幅值的平方,并以 双对数坐标表示。这里,线谱的频率分别为1/120Hz、2/120Hz、 3/120Hz等,其位置取决于记录的信号长度。为了克服线谱分析过程和方 式的影响,采用功率谱密度来代替频谱线,图8-5c所示的功率谱密度更为简 单地表达了路面位移的频域描述,而且其频率范围可扩展到1/(2T)以下。
第一节 扭振系统的激振源
路面功率谱密度一般采用双对数坐标来描述,通常在高频部分会出现剧烈的 波动,因而需对一定的频带进行光滑处理,用一段或几段直线来表示。其路 面功率谱密度光滑计算的频带划分区间见表8-1。
第八章 路面模型及舒适性标准
□第一节 概述 □第二节 路面输入及其模型 □第三节 车辆舒适性评Leabharlann Baidu标准
第一节 概述
与闭环的操纵动力学问题不同的是,或许可以先将车辆行驶动力 学看作一个典型的“开环系统”,它所涉及的主要内容如图8-1所示。
图8-1 车辆行驶动力学所涉及的主要内容
第一节 概述
由图8-1可知,左边的系统输入包括多个激励源,如来自不平路面的激 励、轮胎及车轮总成的影响(如动平衡问题)、发动机及传动系统的振动 引起的激励等。此外,还可能有许多其他潜在因素可以被乘员所感受到, 但本章中只介绍作为主要激励源的路面不平度,具体内容见下一节的路 面输入模型。