小尺度汽车人车动力学耦合模型与动态稳定性研究

摘要

小尺度汽车由于占据空间小，能缓解汽车日益增长的交通拥堵、停车困难等问题，而且体积小、重量轻、节省材料、能耗低、运输效率高，更加节能环保，具有广阔的市场前景和开发价值。但是，随着小尺度汽车整备质量降低，驾驶员质量占比增大，驾驶员的动力学行为对汽车动态稳定性的影响将不可忽略。汽车行驶过程中，驾驶人体的振荡摇摆容易加剧小尺度汽车车身的振动，影响汽车动态稳定性。考虑人车动力学耦合效应的小尺度汽车动态稳定性研究具有重要的理论意义和应用价值。　　本文在国家自然科学基金与汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室开放基金的支持下，以小尺度汽车为研究对象，从低频多向大幅度激振下的人椅系统动态特性试验着手，深入研究了人椅系统参数识别和小尺度汽车人车动力学耦合建模方法，仿真分析了典型工况下人车动力学耦合对小尺度汽车动态稳定性的影响。主要研究内容和结论如下：　　①提出了低频、多方向、大幅度激励下的人椅系统动态特性测试方法，获得了大量试验数据。研制了“曲柄-连杆”式大幅度激振下的人椅系统动态特性测试台架，采用单方向分别激振代替多向同时加振的试验方法，用姿态传感器测量了人椅系统在纵向、侧向、垂向、侧倾、俯仰和横摆大幅度激励下的动态行为，对具有代表性的15名志愿者进行了试验，计算了志愿者的主轴传递率和轴间耦合传递率，为建立人椅系统模型、辨识相关模型参数以及建立小尺度汽车人车动力学耦合模型奠定了基础。　　②建立了表达人椅系统三维六向运动的多体动力学模型，并基于遗传算法提出了相应的参数识别方法。将人椅界面复杂的力学特性进行必要的简化处理，并视坐姿人体为上、下两个刚体，考虑人体六个方向的运动，建立了人椅系统十二自由度多体动力学模型；为方便参数识别并与人椅系统试验相对应，将该模型简化成6个二自由度模型，分别模拟和表达人椅系统的纵向、侧向、垂向、侧倾、俯仰和横摆动态特性；以上下体试验传递率和模型预测数据的误差平方和为目标函数，采用遗传算法辨识了人椅模型的刚度、阻尼系数，为建立人车动力学耦合模型提供了依据。通过拟合度评价可以发现，本文提出的模型对试验结果的拟合效果良好；通过肯德尔相关系数分析，得到了各方向刚度、阻尼系数与身高、体重之间的相关性；模型参数灵敏度分析结果表明，各方向主轴峰值传递率及其对应的共振频率分别对下体或上体质心处的阻尼和刚度系数变化最敏感，而对腰部连接参数均不敏感。　　③建立了小尺度汽车操纵动力学模型和虚拟样机模型，并校验了模型的有效性。考虑驾驶员和汽车的侧向、横摆和侧倾运动，根据达朗贝尔原理和欧拉方程，建立了小尺度汽车人车动力学耦合的六自由度非线性数学模型；在ADAMS多体动力学仿真软件中建立了小尺度汽车和驾驶员模型，并通过弹簧-阻尼元件将驾驶员约束到车身，得到了小尺度汽车人车动力学耦合的虚拟样机模型；通过对比数学模型和虚拟样机模型在正弦转向、鱼钩转向和双移线事件下的侧向加速度、横摆角速度和侧倾角响应，验证了虚拟样机模型的有效性。　　④基于小尺度汽车虚拟样机模型，进行了方向盘角阶跃、稳态转向特性、正弦扫频转向等一系列动力学分析，研究了人车动力学耦合对小尺度汽车动态稳定性的影响，探讨了人车质量比、结构尺度、车速等因素对人车动力学耦合的作用效果。时域分析结果表明，人车动力学耦合略微减小了小尺度汽车的横摆角速度和侧向加速度的稳态响应，但是明显延长了侧倾角响应时间，增大了侧倾角的瞬态峰值、稳态值和超调量。频域分析结果表明，人车动力学耦合对0.71 Hz以后的横摆角速度增益产生了比较明显的影响；耦合作用不同程度地增加了侧倾角稳态增益、共振时的增幅比以及0.1 Hz和0.6 Hz处的相位滞后角，并且显著地降低了侧倾角共振频率。随着人车质量比的增大或者结构尺度的减小，由耦合作用引起的在横摆角速度、侧向加速度和侧倾角上的差异普遍愈加明显。匀减速情况下，人车动力学耦合对小尺度汽车俯仰运动的影响很小，但在一些特殊情形下，比如加减速交替执行时，将会产生明显影响。车速、方向盘转角和路面附着系数都影响着人车动力学耦合的作用效果，且对车速的变化最敏感，而附着系数的变化对其影响并不明显。　　⑤结合试验设计方法，以人椅界面连接参数为变量，侧倾角稳态值和峰值为响应，进行了小尺度汽车侧倾角的人车动力耦合效应灵敏度分析。结果表明，侧倾角稳态值和峰值仅对侧向和侧倾刚度、阻尼系数的变化比较敏感；面向汽车稳定性问题，探讨了座椅的人体约束改进策略，以降低人车动力学耦合对小尺度汽车动态稳定性的影响。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状综述

1.2.1 人椅系统动态特性研究现状

1.2.2 人体模型在汽车动力学系统中的应用现状

1.2.3 汽车操纵稳定性影响因素的研究现状

1.3 本文主要研究内容与技术路线

2 低频多向大幅度人椅系统动态特性试验研究

2.1 人椅系统动态特性试验的必要性和假设

2.2 人椅系统动态特性测试方案

2.2.1 试验方案与流程

2.2.2 低频多向大幅度激励方法与装置设计

2.2.3 人椅系统3D动态坐姿检测方法

2.2.4 试验数据处理方法

2.3 传递率测试结果与分析

2.3.1 纵向激振试验结果及数据分析

2.3.2 侧向激振试验结果及数据分析

2.3.3 垂向激振试验结果及数据分析

2.3.4 侧倾激振试验结果及数据分析

2.3.5 俯仰激振试验结果及数据分析

2.3.6 横摆激振试验结果及数据分析

2.4 本章小结

3 人椅系统多体动力学模型与参数识别

3.1 人体与座椅力学简化

3.2 人椅系统十二自由度模型

3.3 人椅系统模型参数识别

3.3.1 参数识别原理

3.3.2 遗传算法

3.4.3 参数识别

3.4 模型参数相关性分析

3.5模型参数灵敏度测试

3.5.1 纵向振动主轴传递率

3.5.2 侧向振动主轴传递率

3.5.3 垂向振动主轴传递率

3.5.4 侧倾振动主轴传递率

3.5.5 俯仰振动主轴传递率

3.5.6 横摆振动主轴传递率

3.6 本章小结

4 小尺度汽车人车动力学耦合建模与校验

4.1 人车动力学耦合数学模型

4.1.1 参考坐标系的定义

4.1.2 小尺度汽车三自由度动力学模型

4.1.3 非线性轮胎模型

4.1.4 驾驶员三自由度动力学模型

4.1.5 人车界面弹性连接力计算

4.2 人车动力学耦合虚拟样机模型

4.2.1 小尺度汽车虚拟样机模型

4.2.2 驾驶员虚拟样机模型

4.3 模型对比验证

4.4 本章小结

5 小尺度汽车动态稳定性分析与人车动力学耦合效应

5.1 汽车动态稳定性理论概述

5.1.1 横摆角速度与动态稳定性

5.1.2 侧倾角与动态稳定性

5.2 典型工况下的人车动力学耦合效应

5.2.1 角阶跃转向的耦合效应

5.2.2 稳态转向特性的耦合效应

5.2.3 正弦扫频转向的耦合效应

5.2.4 侧向风下的耦合效应

5.2.5 对开路面上的耦合效应

5.2.6 直线行驶的耦合效应

5.3 影响人车动力学耦合的因素

5.3.1 人车质量比的影响

5.3.2 结构尺度的影响

5.4.3 行驶条件的影响

5.4人椅界面参数灵敏度分析与座椅人体约束改进

5.4.1 侧倾角的人椅界面参数灵敏度分析

5.4.2 座椅人体约束改进探讨

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 论文的主要结论

6.2 论文的主要创新点

6.3 后续研究工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间申请的专利

C. 作者在攻读博士学位期间参与的科研工作

D. 作者在攻读博士学位期间所获荣誉

E. 十五名志愿者的识别参数

F. 学位论文数据集

致谢