计入运动副间隙的车辆制动摆振动力学分析及干预策略研究

摘要

汽车转向轮摆振是影响车辆运行状况的一种质量缺陷，其发生原因与车辆底盘系统的设计匹配及部组件的制造装配质量等有直接关系。尤其是制动过程的转向轮摆振易导致转向操纵性能下降，侧向动力学响应变差，严重时甚至会诱发车辆失控，影响行车安全。制动时的轴荷转移、轮胎侧偏和纵向滑移特性的动态变化以及多运动副间隙的耦合作用等因素都会影响摆振系统的动力学响应，综合考虑这些因素有助于更好地抑制转向轮摆振并提高汽车操作稳定性。
　　本文考虑转向传动机构中横拉杆和左右梯形臂之间的两个间隙运动副、汽车制动时引发的轴荷转移、轮胎纵滑侧偏联合工况、整车横摆等因素，根据第二类拉格朗日方程，建立了七自由度摆振系统动力学微分方程组。运用改进的Rosenbrock算法，将系统参数的时变特性及相互数据传递计入迭代过程，通过MATLAB数值算例对汽车摆振系统的动力学响应进行了模拟仿真。
　　首先从系统响应时间历程、功率谱、Poincaré映射、间隙运动副轨迹、分岔特性、随机装配间隙以及全局分析等角度对摆振稳态响应进行了深入考察。结果表明，间隙运动副之间的动力学耦合作用会导致摆振系统稳定性下降，摆振响应加剧，提高了混沌或拟周期运动的比例，并减小了发生混沌或拟周期运动的临界车速与临界间隙值。随着车速增大，摆振动力学响应出现Naimark-Sacker分岔，并伴随振幅跳跃现象。
　　进一步对比分析了制动时摆振系统的瞬态响应特性，并分别从瞬态响应持续时间和瞬态响应峰值的角度详细分析了车速、轴荷转移特性、间隙大小、间隙副接触刚度、轮胎质量、前轴距、定位参数等因素对制动摆振动力学响应行为的影响，从而明确了影响系统瞬态行为的关键参数，并总结分析了抑制摆振提高操纵稳定性的措施。
　　通过解析法研究了转向轮摆振的动力学机理，证明了摆振角与回正力矩之间存在的相位差，发现摆振是由于延时反馈引发的自激振动现象。利用数值算例对相关结论进行了验证，并进一步从能量的角度对摆振响应机理进行了深入阐释，明确了摆振能量的传递路径，掌握了间隙接触力的影响机制，通过系统能量输入的变化趋势解释了制动时摆振瞬态响应加剧的现象。最后根据试验样车设计了摆振试验，对试验方法与试验数据进行了分析，验证了理论模型的准确性，并通过对转向减振器最佳阻尼匹配特性的研究提出了防止摆振的有效措施。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 摆振研究概况

1．2．1 国内外研究概况

1．2．2 摆振机理概述

1．3 车辆摆振中的非线性因素

1．3．1 轮胎模型的非线性特征

1．3．2 运动副间隙的影响

1．3．3 干摩擦的影响

1．3．4 其它非线性因素研究

1．4 课题的研究意义和论文的主要内容

2 汽车摆振动力学分析模型

2．1 引言

2．2 摆振系统建模

2．2．1 间隙运动副描述

2．2．2 轮胎力学模型描述

2．2．3 轮胎力学模型参数辨识

2．2．4 汽车防抱死制动系统模型

2．2．5 摆振系统数学模型

2．3 小结

3 考虑运动副间隙耦合作用的摆振稳态响应分析

3．1 系统微分方程求解

3．2 非线性动力学分析方法

3．3 摆振系统动力学响应数值算例

3．3．1 转向轮摆振响应对比分析

3．3．2 间隙副轨迹分析

3．3．3 摆振分岔特性分析

3．3．4 摆振响应的全局分析

3．4 小结

4 考虑制动时的摆振瞬态响应分析

4．1 制动时摆振系统的力学耦合关系

4．2 制动摆振瞬态响应特性分析

4．3 制动摆振瞬态响应影响因素分析

4．3．1 车速对摆振系统动力学的影响分析

4．3．2 垂向载荷对摆振系统动力学的影响分析

4．3．3 间隙副接触刚度对摆振系统动力学的影响分析

4．3．4 间隙大小对摆振系统动力学的影响分析

4．3．5 定位参数对摆振系统动力学的影响分析

4．3．6 轮胎因素对摆振系统动力学的影响分析

4．3．7 前轴距对摆振系统动力学的影响分析

4．4 小结

5 自激摆振机理分析

5．1 引言

5．2 摆振机理的解析分析

5．2．1 能量机制

5．2．2 反馈机制

5．2．3 摆振机理的解析证明

5．3 摆振机理的数值证明

5．4 小结

6 摆振试验及防摆措施研究

6．1 摆振试验

6．1．1 试验方案与测试设备

6．1．2 振动信号测试流程

6．1．3 振动信号测试结果

6．2 防摆措施研究

6．2．1 转向减振器原理

6．2．2 转向减振器最佳阻尼工作特性的标定方法

6．3 小结

7 总结与展望

7．1 论文总结

7．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况