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1、汽車理論,2011年12月,第五章 汽車垂向動力學平順性,汽車行駛舒適性、平順性 ( Ride Comfort, Ride Quality, Ride Evaluate) 什么是汽車平順性？ 保持汽車在行駛過程中乘員所處的振動環(huán)境具有一定舒適程度和保持貨物完好的性能。 為什么要研究汽車的平順性？ 振動影響人的舒適性、工作效能、身體健康和貨物的完整性以及零部件的性能和壽命-控制汽車振動系統(tǒng)的動態(tài)特性！,汽車振動系統(tǒng)“路面-汽車-人”系統(tǒng),評價指標 加權加速度 均方根值 撞擊懸架限 位概率 行駛安全性,輸入： 路面不平度 車速 發(fā)動機、 傳動系和車輪 等旋轉部件 非平衡干擾,振動系統(tǒng)： 彈性元件

2、阻尼元件 車身質量 車輪質量,輸出： 車身/傳至人體 的加速度 懸架彈簧動撓度 車輪與路面間 動載,振動系統(tǒng),輸入,輸出,評價,汽車平順性主要內容,人體對振動的反應和平順性的評價 振動“輸入” 路面不平度的統(tǒng)計特性 汽車振動系統(tǒng)的簡化，系統(tǒng)頻響特性和系統(tǒng)參數對“輸出”影響的分析 汽車平順性的測試,人體對振動的反應和平順性的評價,國際標準ISO2631：“人體承受全身振動評價指南” 1974年制定, 1985年開始進行全面修訂, 1997年公布了ISO2631-1:1997（E） Mechanical vibration and shock Evaluation of human exposur

3、e to whole-body vibration Part 1: General requirements 我國對相應標準進行修訂，公布了“GB/T4970-1996 汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法 ”,1.人體對振動的響應 人體對振動的響應取決于：頻率與強度； 作用方向； 暴露時間。 2.頻率8Hz以下水平方向允許的加速度值低于垂直方向48Hz允許的加速度；水平方向12Hz比垂直方向48Hz加速度允許值低1.4倍。對于汽車的振動環(huán)境， 8Hz以下振動頻率占比重相當大。 3.反應界限（疲勞、不舒服）都是由人體感覺到的振動強度大小和暴露時間長短綜合作用的結果。,人體對振動的反應和平順性的評價,

4、ISO2631：“人體承受全身振動評價指南”,ISO 2631用加速度均方根值(rms)給出了180Hz振動頻率范圍內人體對振動反應的三個不同界限。, 暴露界限：當人體承受的振動強度在此界限內，將保持人的健康或安全。它作為人體可承受振動量的上限。 疲勞工效降低界限：當人承受的振動強度在此界限內時，能準確靈敏地反應，正常地進行駕駛。它與保持人的工作效能有關。 舒適降低界限：在此界限之內，人體對所暴露的振動環(huán)境主觀感覺良好，能順利地完成吃、讀、寫等動作。它與保持人的舒適有關。,ISO2631：“人體承受全身振動評價指南”,人體對振動的反應,把人看成一個多自由度系統(tǒng).有其固有頻率如: 腹系統(tǒng): 3-

5、6Hz 頭-頸-肩:20-30Hz 眼球: 6090Hz 生理反應:腸胃,呼吸,神經,循環(huán)系統(tǒng)等 心理反應,振動頻率 人體對振動最敏感的頻率范圍： 垂直振動：412.5Hz 48Hz 人的內臟器官產生共振 812.5Hz 人的脊椎系統(tǒng)影響大 水平振動：0.52Hz 3Hz以下水平振動比垂直振動更敏感且汽車車身 部分系統(tǒng)在此范圍內產生共振,人體對振動的反應,平順性的評價方法,ISO2631-1:1997(E) 規(guī)定加權評價方法： 1/3倍頻分別評價法： 對傳至人體的加速度進行頻譜分析，可得1/3倍頻帶的加速度均方根值譜。,平順性的評價方法,1/3倍頻法認為:同時有許多個1/3倍頻帶都有能量作用于

6、人體時，各個頻帶振動作用無明顯聯系，對人體產生的影響主要是人體感覺振動強度最大的一個1/3倍頻帶所造成的。,人體對各頻帶振動的敏感程度不同，所以1/3倍頻加速度均方根值分量 的大小不能反映人體感覺振動強度的大小,所以需要給加權系數。 方法：采用人體對不同頻率振動敏感程度的頻率加權函數，將人體最敏感以外各1/3倍頻帶加速度均方根值分量 進行頻率加權，即按人體感覺的振動強度相等的原則折算為最敏感頻率范圍，即加權加速度均方根值分量 。其大小可以反映人體對振動強度的感覺。,平順性的評價方法,平順性的評價方法,平順性的評價方法,ISO2631-1:1997(E) 規(guī)定總加權評價方法： 基本評價方法 (加

7、權加速度均方根值) 時域法 頻域法 其中:,平順性的評價方法,同時考慮 xs, ys, zs 這 3 個軸向時,-基本評價方法 (加權加速度均方根值) 加權振動級 Law 加權加速度均方根值 aw 同時考慮三個軸向振動時總加權加速度均方根值的計算： Law , aw 與人的主觀感覺關系如下表:,平順性的評價方法,平順性的評價方法,路面縱斷面曲線 (不平度函數),路面不平度的統(tǒng)計特性,路面縱斷面曲線 (不平度函數)-隨機統(tǒng)計特征,路面不平度的統(tǒng)計特性,隨機統(tǒng)計特征量(平穩(wěn)隨機過程各態(tài)歷經過程:固定時間和位置的概率分布與所有時間和位置的概率分布相同的隨機過程,均值和方差不隨時間和位置變化),均值:

8、,方差:,自相關函數:,自功率譜函數:,均方值:,能量密度函數,標準差:,一、路面不平度的功率譜: n空間頻率，它是波長的倒數，表示每米長度中 包括幾個波長，單位為m-1； n0參考空間頻率，n 0 = 0.1 m-1 ； Gq（n0） 參考空間頻率n 0下 的路面譜值，稱為 路面不平度系數，單位為m3； W頻率指數，為雙對數坐標上斜線的斜率，它 決定路面譜的頻率結構。,路面不平度的統(tǒng)計特性,Gq（n0）:西長安街:75.52*10-6 w = 2.51天安門 : 41.48*10-6 w = 2.11,路面不平度的統(tǒng)計特性,路面不平度的統(tǒng)計特性,路面不平度的統(tǒng)計特性,速度功率譜： 當w=2時

9、： 加速度功率譜：,白噪聲,位移功率譜：,路面不平度的統(tǒng)計特性,二、空間頻率功率譜密度化為時間頻率功率譜密度 時間頻率與空間頻率的關系,空間頻率功率譜密度化為時間頻率功率譜密度,路面不平度的統(tǒng)計特性,路面不平度的統(tǒng)計特性,當W = 2時,令,則,路面不平度的統(tǒng)計特性,三、路面對四輪汽車的輸入,圖6-9 四輪汽車示意圖,路面不平度的統(tǒng)計特性,共有16個譜量，其中有4個自譜和12個互譜。,路面不平度的統(tǒng)計特性,汽車振動系統(tǒng)的簡化，單質量系統(tǒng)的振動,一、汽車振動系統(tǒng)的簡化,1）總質量不變： m2f + m2 r+ m2c = m2 2）質心位置不變: m2f am2 r b = 0 3）轉動慣量Iy

10、的值不變 I y = m2 2= m2 f a2 + m2 r b2 y 繞橫軸y的回轉半徑 a、b 車身質量部分的質心至前、后軸的距離,汽車振動系統(tǒng)的簡化，單質量系統(tǒng)的振動,大部分汽車 = 0.81.2，即接近1。 在 =1的情況下，前、后軸上方車身部分的集中質量m2f 、 m2 r的垂直方向運動是相互獨立的。,汽車振動系統(tǒng)的簡化，單質量系統(tǒng)的振動, =1 遠離車輪部分固有頻率（1016Hz） 5Hz以下激振頻率 輪胎的動變形很小 可忽略車輪質量和輪胎的彈性得到單質量系統(tǒng) 分析車身垂直振動的最簡單的單質量系統(tǒng),汽車振動系統(tǒng)的簡化，單質量系統(tǒng)的振動,二、單質量系統(tǒng)的自由振動,汽車振動系統(tǒng)的簡化

11、，單質量系統(tǒng)的振動,汽車懸架系統(tǒng)的阻尼比大約為0.25,減幅系數:,通過實測衰減曲線得到 d 后,就可得到阻尼比,單質量系統(tǒng)的振動,三、單質量系統(tǒng)的頻率響應特性 對微分方程兩邊作傅立葉變換: Z() (m22jCK) = q() ( jC K) 并由此得頻響函數 :,單質量系統(tǒng)的振動,當1時，,漸近線為一水平線，漸近線斜率為0:1，漸近線的“頻率指數”等于0。,當1，,漸近線斜率為-2:1，漸近線的“頻率指數”等于-2。,漸近線斜率為-1:1，漸近線的“頻率指數”等于-1。,共振時的幅值：=1,（1）低頻段 阻尼比對這一頻段的影響不大。 （2）共振段 加大阻尼比 可使共振峰明顯下降。 （3）高

12、頻段 z / q= 1與無關。在 時， z / q 1，對輸入位移起衰減作用， 阻尼比減小對減振有利。,幅頻特性總結:,單質量系統(tǒng)的振動,用隨機振動理論分析汽車平順性 均值、 方差、 標準差、均方值、 均方根值 1、輸入、輸出功率譜密度的關系 2、應考慮的輸出譜 車身加速度 懸架的動撓度 車輪與路面間的動載,單質量系統(tǒng)的振動,四、單質量系統(tǒng)對路面隨機輸入的響應,單質量系統(tǒng)的振動,方差與功率譜的關系 車身加速度、動撓度和車輪與路面間動載的特征： 1）均值為零 2）正態(tài)分布,3、概率分布與標準差的關系, 平順性對振動響應的要求,有時是根據概率分布提出的.零均值正態(tài)分布情況下,振動響應的概率分布完全

13、由標準差確定。,幅值 超過標準差 的倍的概率P ,完全由查表得到。,概率,單質量系統(tǒng)的振動,3、概率分布與標準差的關系,規(guī)定的界限值,規(guī)定的界限值,標準差,知任一兩個，可求第三個,單質量系統(tǒng)的振動（作業(yè)）,一廠商要求其新開發(fā)轎車車身加速度超過1g的概率不超過1%，試問車身加速度的標準差應是多少？ 同時，該車懸架的動撓度fd的標準差是3cm，要求撞擊限位塊的概率為0.3%，確定其限位行程,單質量系統(tǒng)的振動,5、車身加速度功率譜的計算,加速度、速度、位移頻響函數之間的關系,單質量系統(tǒng)的振動,單質量系統(tǒng)的振動,單質量系統(tǒng)振動影響因素分析：,單質量系統(tǒng)的振動,6、車輪與路面間相對動載Fd / G對路面輸入速度譜輸入的幅頻特性 動載： 相對動載：,7、懸架動撓度對路面輸入速度譜輸入的幅頻特性,單質量系統(tǒng)的振動,懸架系統(tǒng)的動撓度對車身的位移，是一個低頻輸入衰減的高通濾波器,懸架系統(tǒng)對車身的位移，是一個高頻輸入衰減的低通濾波器,單質量系統(tǒng)的振動,單質量系統(tǒng)的振動,8、懸架系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比的選擇,降低固有頻率，可以明顯減小車身加速度振動，但隨著固有頻率降低，動撓度增大，在限位行程一定時，增加懸架限位撞擊概率，使平順性下降。,單質量系統(tǒng)的振動,8、懸架系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比的選擇,