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摘要随着汽车工业的发展，汽车试验场的作用越来越凸现出来，汽车试验场的基础设施就是各种道路，道路试验对于车辆的研发具有重要的影响。以路面不平度为研究对象的路面研究就成为了车辆理论研究的重要方面。本文从卵石路的特征参数进行分析，建立理想化的三文模型。首先对试验场的道路建设现状的优缺点进行分析，对卵石路面的参数进行研究，分析卵石路的特征。运用三文仿真软件 Adams 进行三文路面的创建，将车辆模型与路面模型进行联合仿真分析，通过对得到的试验数据进行处理，分析车辆的振 动响应，评价振动标准，预测车辆的可靠性，对仿真数据进行优化，得到最佳的试验数 据。通过对数据的分析，得到不同的卵石路面参数对特定的车辆模型的影响。 27369
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毕业论文关键词 汽车试验场 卵石路面 可靠性分析 运动仿真 数据处理
Title The Research and Design of Pebble Road Parameters in the Proving Ground
Abstract With the development of vehicle industry, the role of the proving ground is more and more apparent, the infrastructure of automotive proving ground is a variety of roads, road test for vehicle research and development has an important influence. To meet the requirements of the actual driving, automotive proving ground are the main facilities of focus to build all kinds of test road. With road roughness as the research object of road surface spectrum research becomes one of the most important aspects of the theoretical research of vehicles. This article from the characteristics of the gravel road parameters to study. This article first to analyze the advantages and disadvantages of modern road construction status quo of proving ground, parameters of gravel pavement design. Using 3D simulation software Adams to create three-dimensional surface and the vehicle model simulation analysis of road surface spectrum is obtained by the experimental data processing, using LMS Tecware software to analyze the fatigue life and optimize the simulation data. Through the analysis of the data, optimize the three-dimensional road. Keywords Automotive Proving Ground Pebble road Fatigue life analysis Dynamic Simulation Data processing
目 次
1 绪论 . 1
1.1 课题背景与研究目的和意义 . 1
1.2 汽车试验场路面国内外研究现状及发展方向 . 1
1.3 本课题的研究内容 . 2
2.汽车试验场卵石路面的总体设计方案 3
2.1 卵石路面的基本参数规格 . 3
2.2 Adams 软件中道路建模的基本知识 5
2.3 试验场卵石路面建模方法的比较 . 6
3. 卵石路模型以及车辆模型研究 . 7
3.1 三文路面建模基本思想 . 7
3.2 卵石路建模设计方案选择 . 7
3.3 车辆模型建立 12
4 车辆—路面模型仿真及结果分析 . 16
4.1 仿真试验前期准备 16
4.2 卵石路对整车振动以及可靠性的试验结果和分析 16
4.3 对车辆的可靠性分析 23
结 论 . 28
致 谢 . 29
1 绪论 1.1 课题背景与研究目的和意义 试验场的强化路面包括卵石路、长短波路、坑洼路、扭曲路、搓板路、和石块路。 路面路形的不平对车辆行驶造成的车辆振动是造成车辆承载系统、结构件、连接件和各主要总成疲劳损伤的主要原因之一[1]。 考核和验证汽车可靠性、耐久性对于车企来说非常重要，汽车的强化试验是车辆研制过程重要的一步，试验场不同强化路面的特性测定是制定可靠性强化试验规范和对强化试验进行科学评价的重点研究对象[2]。汽车在试验场卵石路上进行可靠性强化试验，可以预测特定车型的振动、疲劳可靠性，可以帮助制定与优化准确的汽车的生成要求， 有效的缩短试验周期，优化产品性能，提高企业竞争力。 汽车道路试验场是汽车进行测试的场所，为了满足实际行驶的要求，要先进行车辆的实测试验，对车辆性能进行评定，在面向市场前对产品进行质量评估，汽车试验场的路面在车辆的测试工作中有着至关重要的作用。 为了得到理想的试验结果，需要合适的路面输入条件，路面不平度的研究在车辆测试工作中的研究因此非常重要，是进行车辆的性能分析不可缺少的部分。随着汽车产业全球化进程的推进，汽车试验场的试验标准，安全和环境法规将规范化，标准化的同一方向[3]。由于在普通路面上作行驶试验直至薄弱环节失效，一般要行驶十万公里左右。因此，为了缩短试验周期，道路耐久性试验一般都在具有各种特征强化路面的试验场进行[4]。本课题选择卵石路作为该试验道路，现以简单的汽车模型为研究对象，按照疲劳等损伤寿命原则，通过测定其关键部件的振动特征，针对特定的车辆设计符合汽车试验场要求的卵石道路模型。 ADAMS软件中自带有多种典型的路面，但是比较复杂的路面没有自带的路面文件，典型路面一般用来进行操纵稳定性等试验[4]，为了进行耐久性和可靠性试验，需要自己构建试验场的各种路面，本论文的主要目标是进行卵石路的参数设计，将针对汽车试验场卵石路路面参数进行研究，学习路面谱理论知识，通过车辆的仿真试验测得车辆的振动响应和载荷时域图，对特定的车辆模型得到理想的卵石路面参数。了解不同卵石路面特征参数对特定车辆疲劳载荷的影响，为试验场路面设计与可靠性规范制定提供技术支持。通过本课题的研究，培养学生独立工作的能力，使学生结合已学过的知识开展研究，提高知识应用水平。 1.2 汽车试验场路面国内外研究现状及发展方向 国外对路面的研究起步较早，对路面的三文模型再现水平也处于领先地位，国外对路面不平度的研究从上世纪早期已经开始，汽车试验场也随即建立起来。汽车试验场的典型道路类型众多，对于车辆不同的测试目的，需要选用不同的路面。国内外众多汽车公司现阶段进行试车试验对路面的要求非常之高，为了提高效益，需要对车辆试验进行前期的虚拟仿真，由于仿真的路面种类有限，一般工程人员对于不同的试验要求需要建立不同的路面模型，一般的汽车公司对于这一方向研究不深。对于现阶段的车辆试制过程中，车辆的仿真试验必不可少。因此，大的汽车公司会有自己的试验数据库，道路模型研究较为成熟。目前，国际上有关虚拟的试验场技术已经有啦很大的发展，ETA/VPG 是 ETA 公司的仿真软件，提供了标准的典型路面模型，包括卵石路、比利时路、搓板路等[5]。 而国内对路面不平度的关注要始于 20 世纪 60 年代对公路不平度的数据测量工作。汽车产业的发展也一直落后于国外发达国家，最早的汽车试验场—海南汽车试验场建于 1978 年，对于一般的试验路面，基本参照国外的试制标准。由于对这一方向的研究还处于发展阶段，因而对于特定路面的研究还不够成熟。 随着对不同路面的特性认识研究后，学者总结出了路面的不平度在总体能量及频率分布上有一定的统计规律，对使用计算机来模拟道路有着理论上的支持。国内外的学者和研究人员开展了许多的路谱再现研究工作，目前使用的方法有：功率谱分析模型、小波分析模型、时间序列模型等。路面不平度的测量和分析相对研究的不多，对于国内研究者而言更少，因此对于虚拟路面模型的研究是未来的研究方向之一。本文研究的卵石路面内容对于现阶段车辆的虚拟仿真有着比较大的现实意义，能够对汽车试验场的道路建设以及车辆仿真试验所要选取的路面都有着借鉴作用，对于整车的可靠性能评价指标也有帮助。 1.3 本课题的研究内容 在汽车试验场中，对于汽车的测试是具有多方面的，强化道路的测试是对整车性能测试一个比较重要的部分。因此本课题的研究内容基于试验场的要求来进行。 本论文的研究内容包括以下三个部分： （1）了解路面谱基本原理和方法，详细分析卵石路道路谱特征； （2）载荷谱分析基本方法，能够进行基本的载荷谱分析处理； （3） 建立简单的路面—车辆分析模型，通过对不同参数卵石路模型构建和车辆响应分析，提出针对特车型的理想路面参数。 2.汽车试验场卵石路面的总体设计方案 通常把路面相对基准平面的高度 q，沿道路走向长度 I 的变化q（I） ，称为路面纵断面曲线或不平度函数。路面不平度是作为汽车振动输入的，主要采用位移功率谱密度描述其基本特征，路面不平度的时间历程在误差范围作为平稳随机过程处理[6]。在实际的工程应用中，因为在目前没有形成完整的道路谱数据库，在很多仿真运动试验中，使用的道路模型都是按照路面不平度，根据现阶段的研究成果虚拟生成的。 在不同路面上对汽车振动曲线的采集和载荷谱的采集，是为实验室台架试验或者多体动力学仿真分析提供可靠地数据支持，而使工程师在车辆的研究和试制中对汽车各构件的疲劳寿命和可靠性能够做出准确的预测与判断。对路面的研究可以进行虚拟的车辆—路面模型试验，对车辆的研发有着重要的意义。 2.1卵石路面的基本参数规格 卵石路是随机分布的，没有什么规律，但有密度要求和卵石直径大小要求，卵石路是将直径 180-310mm 的鹅卵石稀疏地、不规则地埋入水泥混凝土路槽中。试验场的卵石路卵石高出地表部分最大高度为10-120mm，铺砌成几十米到几百米长。汽车在卵石路上行驶时，除了引起垂直跳动外，不规则分布的卵石还对车轮、转向系统和悬架系统造成较大的纵向和横向冲击。卵石路是大中型载货汽车、自卸车等可靠性试验路之一[7]。 卵石路路面是用混凝土浇注在跑道上，并且随机地铺设卵石。对单个卵石分析，卵石的大小主要根据卵石的长度，宽度和高度区分。根据不同的卵石铺设密度和大小，路面对车的影响不同。这种路面我们可有效检查底盘是否松散、悬挂滤震效果等舒适性相关项目，更考验整车在高频振动下的舒适性表现。此外，底盘异响、车内噪音以及内饰抖动等等也需要考察。根据卵石路面上卵石的分布规律，根据不同的需求对路面的参数进行修改生成五种试验路面，按照卵石大小分为：大卵石路，中卵石路，小卵石路，大卵石的直径为 180mm-310mm,中卵石直径为 80mm-180mm，小卵石直径为50mm-80mm[8]。卵石的凸起高度分别为大型卵石70-120mm、中型卵石 30-70mm、小卵石 10-30mm；按照卵石铺砌密度分为稀疏卵石路，一般密度卵石路，高密度卵石路，相邻的卵石距离分别为 800mm、400mm、200mm。建立的五条路面参数如表 1.1。 根据卵石路面的卵石参数的要求，进行三文的路面建模，卵石路面凸起的卵石具有随机性，应用随机路面的谐波叠加法原理，对于卵石路面，每一个卵石可以看成为一个谐波函数的大于零的部分。卵石路面中的卵石是随机分布的，其中卵石的大小和疏密程度将会影响整个卵石路面的频谱特性，汽车在不同类型的卵石路面上行驶，将会产生不同的振动响应，从而影响汽车的振动情况，对不同部件的使用寿命影响不同。通过Adams 软件的基础知识，我们可以知道，路面模型是由一系列的空间三角形平面组成。在构造三文等效容积路面时，首先要做的工作就是确定道路参数坐标中的每一个节点的坐标，然后将这些节点按照一定的顺序连接，形成完整的路面，制定道路的摩擦系数[9]。通过这种方法建立的模型可以精确的反映路面表面形状。本文通过改变卵石的垂向高度以及卵石相邻距离来建立不同的五种路面。
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