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基于越野路面谱汽车行驶平顺性建模与仿真

1引言

汽车的行驶平顺性就是保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境中具有一

定舒适度的性能，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能，它是评价现代汽车

的重要性能指标之一。随着汽车工业的发展，如何改善汽车行驶平顺性，已经成

为汽车设计者十分关注的问题。

汽车行驶时,路面的不平度会引起汽车的振动。当这种振动达到一定程度

时，将使乘客感到不舒适和疲劳、或使运载的货物损坏，汽车行驶平顺性正是根

据乘座者的舒适度来评价汽车性能的，又可称为乘座舒适性。汽车是一个复杂的

多质量振动系统，其车身通过车架的弹性元件与车桥连接，而车桥又通过弹性轮

胎与道路接触，其他如发动机、驾驶室等，也是以橡皮垫固定于车架。在激振力

作用下，如道路不平而引起的冲击和加速、减速时的惯性力，以及发动机与传动

轴振动等，系统将发生复杂的振动，对乘员的生理反取决于行驶平顺性，而被迫

降低行车速度，因而使汽车的平均技术速度减低，运输生产应和所运货物的完整

性，均会产生不利的影响。在坏路上，汽车的允许行驶速度受动力性的影响不

大，主要率下降。其次，振动产生的动载荷，加速了零件的磨损，乃至引起损

坏，降低了汽车使用寿命。此外，振动还引起能量的消耗，使燃料经济性变坏。

因此，减少汽车本身的振动，不仅关系到乘坐的舒适和所运货物的完整，而且关

系到汽车的运输生产率、燃料经济性、使用寿命和工作可靠性等。

1.1研究的意义

中国作为发展中国家，在过去的20多年里，国民经济持续、健康、快速发

展，汽车工业也取得了跨越式的发展，我国的汽车生产能力也得很大的提高。近

几年来，我国私人汽车拥有量快速增长，道路的建设，汽车行驶里程越来越远，

乘客乘坐时间越来越长，汽车的行驶平顺性更加受到生产厂家及用户的关注。

私人汽车拥有量快速增长,道路的建设，汽车行驶里程越来越远，乘客乘坐时

间越来越长，汽车的行驶平顺性更加受到生产厂家及用户的关注。

舒适的振动环境，对于乘员，不仅在行驶过程中很重要，而且可以保证乘员到

达目的地后，以良好的状态投入工作。对于载货汽车来说，平顺性影响着货物保持

完好的程度。因而如何最大限度地降低汽车在行驶过程中产生的振动，甚至更进一

步利用振动来为我所用是一项十分有价值和意义的工作，而有关振动在汽车领域的

研究更是逐步发展为其一个重要分支——汽车的平顺性研究。

1.2研究方法

安全、舒适、环保、节能是半个世纪以来汽车工业发展所面临的重要课题，是

21世纪汽车发展的方向。汽车的平顺性主要研究“输入”——“系统”——“输

出”三者之间的关系，并进行符合实际的评价。系统的“输入”主要由汽车以一

定车速驶过随机路面不平度所引起，因此产生的振动也是随机的。此“输入”经

过轮胎、悬架、座垫等弹性原件、阻尼元件及悬挂质量、非悬挂质量构成的振动

系统，传递到悬挂质量或人体，这两部分的加速度就是“输出”的振动物理量。

然后根据人体对振动的反应——乘坐者的舒适程度来评价汽车的平顺性。总的

讲，就是把路面不平度的统计规律作为汽车振动系统的输入，然后用一定的算法

求出与事实一致的响应，并进行复合实际的评价。有时汽车振动系统的“输出”

还要考虑车轮与路面间的动载。研究平顺性的目的就是要控制振动的传递，使乘

坐者的不舒适的感觉控制在一定的界限以内。

汽车平顺性的研究内容非常广泛，主要包括：汽车振动模型的研究、路面谱

的研究、汽车振动响应的求解、汽车行驶平顺性评价方法和评价内容的研究和汽

车平顺性的试验研究等。

汽车作为一个复杂的多自由度振动系统，定量分析和评价平顺性的关键在于

建立理想的力学模型和数学模型。在计算机广泛参与研究之前，常将汽车简化为

单自由度或几个自由度的简单模型，虽然这在当时为汽车平顺性的研究起到了非

常积极的作用，但难以真实的反应汽车在不同行驶工况下行驶的实际情况，只能

进行定性分析。

随着计算机技术和仿真技术的发展，平顺性的模型以从单自由度、简谐输入分析

发展到多自由度、多输入随机振动分析水平，并逐渐由线性模型发展到非线性复

合参数模型。其中比较有代表性的是：D.J.Segals建立的十五自由度模型，美

国密歇根大学的十七自由度模型等。我国研究工作者较常使用的模型有七自由度

模型、八自由度模型、十自由度模型以及十五自由度模型。

汽车的激励主要来自路面，因而研究平顺性就必需研究路面，作为车辆振动

输入的路