摘 要

随着国民经济水平的提高，我国汽车行业开始蓬勃发展，人们逐渐对改善商用车的乘坐舒适性这一研究方向产生了关注，而大量汽车公司也希望通过对重型载货车平顺性的改善，使生产出的汽车在市场上更受消费者欢迎。驾驶室悬置系统是整车减振系统的关键组成部分之一，其性能对整车的平顺性能有着极其重要的影响。目前商用车驾驶室一般采用相比于半浮式悬置系统性能更优的全浮式悬置系统。国内企业在全浮式商用车驾驶室悬置系统的研究与设计上过于依赖经验，本文希望通过全浮式驾驶室悬置系统，研究车辆在不同路面上以不同速度行驶时驾驶室的运动特性以及驾驶员的主观感受。本文对比了国内外的驾驶室悬置系统的研究情况，并对全浮式商用车驾驶室悬置系统进行了建模，然后利用MATLAB软件的多个模块对驾驶室的运动特性进行了仿真分析。

本文利用计算机设计辅助软件CATIA建立了驾驶室悬置系统三维模型，将模型进行简化从而建立了整车1/2动力学模型，并运用拉格朗日方法建立了1/2车六自由度系统振动微分方程及其矩阵形式。接着然后利用仿真软件MATLAB的Simulink模块对商用车悬置驾驶室在不同路面激励下的运动情况进行了仿真模拟，研究了行驶时车辆的时域特性。并计算出了路面对整车模型的输入功率谱密度及输出功率谱密度，由此求得驾驶室的综合总加权加速度均方根值，依照该值对驾驶员的主观感受进行了评价。最后利用MATLAB的GUI界面将整个仿真过程程序化，形成了一个交互良好的软件包。

关键字：驾驶室悬置系统；多自由度系统微分方程；商用车；仿真分析

Abstract

With the improvement of the national economic level, China's automobile industry began to flourish, people gradually focus on the research direction of improving the ride comfort of commercial vehicles, and a large number of automobile companies also hope to improve the ride comfort of heavy trucks, so that the produced cars will be more popular among consumers in the market. Cab suspension system is one of the key components of the vehicle vibration reduction system, and its performance has a very important impact on the vehicle smooth performance. At present, commercial vehicle cab generally adopts the full-floating suspension system with better performance than the semi-floating suspension system. Domestic enterprises rely too much on experience in the research and design of full-floating commercial vehicle cab suspension system. This paper hopes to study the cab motion characteristics and drivers' subjective feelings when the vehicle is running on different roads at different speeds through the full-floating cab suspension system. In this paper, the research situation of cab suspension system at home and abroad is compared, and the cab suspension system of full-floating commercial vehicle is modeled, and then the motion characteristics of the cab are simulated and analyzed by using several modules of MATLAB software.

In this paper, CATIA, a computer-aided design software, is used to establish a three-dimensional model of cab suspension system. The model is simplified to establish a 1/2 vehicle dynamics model, and Lagrange method is used to establish the vibration differential equation and its matrix form of 1/2 vehicle six-degree of freedom system. Then Simulink module of the simulation software MATLAB was used to simulate the movement of the commercial vehicle suspension cab under different road excitation, and the time-domain characteristics of the vehicle were studied. The input power spectral density and output power spectral density of the road surface to the vehicle model were calculated, and the root mean square value of the overall weighted acceleration of the cab was obtained, according to which the subjective feeling of the driver was evaluated. At last, the whole simulation process is programmed with the GUI interface of MATLAB, and a good interactive software package is formed.

Key Words: bridge suspension system; differential equation of multi-degree-of-freedom system; commercial vehicle; the simulation analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 研究目的及意义 1

1.3 国内外研究情况 2

1.4 研究内容 3

第2章 商用车驾驶室悬置系统CAD模型的建立 4

2.1 CATIA软件介绍 4

2.2 驾驶室悬置系统建模中主要用到的CATIA模块与命令 4

2.2.1 零件设计模块 4

2.2.2 装配设计模块 4

2.2.3 拉伸命令与凹槽命令 5

2.2.4 相合、接触与偏移约束 5

2.3 使用CATIA软件建模 5

2.3.1 驾驶室CAD建模 5

2.3.2 驾驶室前后悬置CAD建模 6

2.3.3 驾驶室地板梁与车架建模 6

2.3.4 驾驶室悬置系统装配设计 7

2.4 AutoCAD二维图纸的绘制 7

2.5 本章小结 8

第3章 全浮式商用车驾驶室悬置系统动力学模型 9

3.1 商用车动力学模型简化 9

3.2 商用车振动系统的运动微分方程 10

3.3 驾驶室悬置系统的状态空间分析 12

3.4 本章小结 13

第4章 随机路面建模与仿真 14

4.1 路面不平度的功率谱表达式 14

4.1.1 路面功率谱拟合公式与路面不平度分级标准 15

4.1.2 路面不平度的时间功率谱密度 15

4.1.3 随机路面的滤波白噪声生成 16

4.2 重要响应量 17

4.2.1 路面对1/2整车模型的输入功率谱密度以及输出功率谱密度 17

4.2.2 人体脚部地面的响应量计算 18

4.3 本章小结 19

第5章 平顺性评价 20

5.1 国家标准规定的评价方法介绍 20

5.2 1/2整车模型的平顺性与舒适性评价 24

5.3 分析过程程序化与仿真软件制作 24

5.3 商用车在不同等级路面与车速时下行驶时乘员主观感受分析 25

5.4 本章小结 26

第6章 基于Simulink的商用车驾驶室运动状态仿真 27

6.1 基于Simulink的滤波白噪声路面时域模型的建立 27

6.1.1 在Simulink模块中建立单轮仿真模型 27

6.1.2 建立前后轮综合仿真模型 28

6.1.3 不同级别的路面不平度仿真 29

6.2 驾驶室运动特性仿真模拟 30

6.3 本章小结 32

第7章 总结与展望 33

参考文献 35

致 谢 37

附录A 关键代码 38

第1章 绪论

1.1 选题背景

随着新世纪的到来和人民生活水平的改善，汽车这一代步工具走入千家万户，越来越多的人学会驾驶汽车，国内的许多高校也开始重视对汽车工业极其原理的研究。同时，人们对汽车的要求也越来越高，这就对汽车厂商的设计水平以及制造工艺提出了巨大的挑战。汽车的行驶平顺性与乘坐舒适性是对于评价车辆有着重要意义，是主要性能指标之一，它对汽车的操作稳定性影响巨大，近年来被作为热点话题被反复提及。因此，对于汽车的行驶平顺性与乘坐舒适性的研究也迫在眉睫。同时，相比于轿车，商用车往往单次驾驶时间更长，其行驶平顺性对驾驶员的影响更大。近年来，商用车作为交通运输环节的重要组成部分，得到了极大的发展。商用车的发展企业和科研机构在提高商用车性能上投入巨大。也正因如此，这一课题十分具有研究价值。

同时，随着计算机技术的快速发展与提高，越来越多复杂的计算可以借由计算机来实现。随着软件技术与仿真计算的结合，建模仿真逐渐变成一个可程序化的过程。传统的仿真计算极为复杂，当仿真对象的某个参数发生改变时，会引起其他许多相关的参数发生改变，从而导致大量计算步骤必须从头来一遍，造成了建模、仿真的效率的低下与灵活性的缺失，也就提高了企业的设计或者是仿真成本。因此，如果能将整个仿真过程程序化，并使其形成一个交互良好的软件包，就避免了时间的浪费和大量不必要的成本的投入。并且，对平顺性分析不太擅长的人如果需要对舒适性进行模拟仿真，也必须利用已经写好的程序。在这样的背景下，本课题应运而生。

1.2 研究目的及意义

一般而言，汽车振动往往由路面不平度和发动机的激励所引起，并对乘坐舒适性产生重要的影响。根据这些振动的频率以及幅值的不同，汽车零件的受损速度和程度也会有相应的不同。为了提高舒适性，减小振动，科学家在悬置系统方面开展了大量研究。研制出了如汽车悬置系统，驾驶室悬置系统，发动机悬置系统等等。而在驾车时，驾驶员直接坐在驾驶室中，即形成一个由乘客、汽车各部件和路面组成的系统。振动的输入主要来自于路面的不平度，这些振动输入经过轮胎、悬架、车身、座椅等系统的衰减和吸收后，最后传递至人身上。可以看出，驾驶室悬置系统很大程度上对驾驶员的舒适感起决定作用。因此，对驾驶室悬置系统的平顺性研究已经迫在眉睫。