汽車(chē)?yán)碚?2011年12月,第五章 汽車(chē)垂向動(dòng)力學(xué)平順性,汽車(chē)行駛舒適性、平順性 ( Ride Comfort, Ride Quality, Ride Evaluate) 什么是汽車(chē)平順性？ 保持汽車(chē)在行駛過(guò)程中乘員所處的振動(dòng)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(chē)的平順性？ 振動(dòng)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(chē)振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性！,汽車(chē)振動(dòng)系統(tǒng)“路面-汽車(chē)-人”系統(tǒng),評(píng)價(jià)指標(biāo) 加權(quán)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(chē)速 發(fā)動(dòng)機(jī)、 傳動(dòng)系和車(chē)輪 等旋轉(zhuǎn)部件 非平衡干擾,振動(dòng)系統(tǒng)： 彈性元件 阻尼元件 車(chē)身質(zhì)量 車(chē)輪質(zhì)量,輸出： 車(chē)身/傳至人體 的加速度 懸架彈簧動(dòng)撓度 車(chē)輪與路面間 動(dòng)載,振動(dòng)系統(tǒng),輸入,輸出,評(píng)價(jià),汽車(chē)平順性主要內(nèi)容,人體對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)和平順性的評(píng)價(jià) 振動(dòng)“輸入” 路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性 汽車(chē)振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，系統(tǒng)頻響特性和系統(tǒng)參數(shù)對(duì)“輸出”影響的分析 汽車(chē)平順性的測(cè)試,人體對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)和平順性的評(píng)價(jià),國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631：“人體承受全身振動(dòng)評(píng)價(jià)指南” 1974年制定, 1985年開(kāi)始進(jìn)行全面修訂, 1997年公布了ISO2631-1:1997（E） Mechanical vibration and shock Evaluation of human exposure to whole-body vibration Part 1: General requirements 我國(guó)對(duì)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，公布了“GB/T4970-1996 汽車(chē)平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法 ”,1.人體對(duì)振動(dòng)的響應(yīng) 人體對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)取決于：頻率與強(qiáng)度； 作用方向； 暴露時(shí)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(duì)于汽車(chē)的振動(dòng)環(huán)境， 8Hz以下振動(dòng)頻率占比重相當(dāng)大。 3.反應(yīng)界限（疲勞、不舒服）都是由人體感覺(jué)到的振動(dòng)強(qiáng)度大小和暴露時(shí)間長(zhǎng)短綜合作用的結(jié)果。,人體對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)和平順性的評(píng)價(jià),ISO2631：“人體承受全身振動(dòng)評(píng)價(jià)指南”,ISO 2631用加速度均方根值(rms)給出了180Hz振動(dòng)頻率范圍內(nèi)人體對(duì)振動(dòng)反應(yīng)的三個(gè)不同界限。, 暴露界限：當(dāng)人體承受的振動(dòng)強(qiáng)度在此界限內(nèi)，將保持人的健康或安全。它作為人體可承受振動(dòng)量的上限。 疲勞工效降低界限：當(dāng)人承受的振動(dòng)強(qiáng)度在此界限內(nèi)時(shí)，能準(zhǔn)確靈敏地反應(yīng)，正常地進(jìn)行駕駛。它與保持人的工作效能有關(guān)。 舒適降低界限：在此界限之內(nèi)，人體對(duì)所暴露的振動(dòng)環(huán)境主觀(guān)感覺(jué)良好，能順利地完成吃、讀、寫(xiě)等動(dòng)作。它與保持人的舒適有關(guān)。,ISO2631：“人體承受全身振動(dòng)評(píng)價(jià)指南”,人體對(duì)振動(dòng)的反應(yīng),把人看成一個(gè)多自由度系統(tǒng).有其固有頻率如: 腹系統(tǒng): 3-6Hz 頭-頸-肩:20-30Hz 眼球: 6090Hz 生理反應(yīng):腸胃,呼吸,神經(jīng),循環(huán)系統(tǒng)等 心理反應(yīng),振動(dòng)頻率 人體對(duì)振動(dòng)最敏感的頻率范圍： 垂直振動(dòng)：412.5Hz 48Hz 人的內(nèi)臟器官產(chǎn)生共振 812.5Hz 人的脊椎系統(tǒng)影響大 水平振動(dòng)：0.52Hz 3Hz以下水平振動(dòng)比垂直振動(dòng)更敏感且汽車(chē)車(chē)身 部分系統(tǒng)在此范圍內(nèi)產(chǎn)生共振,人體對(duì)振動(dòng)的反應(yīng),平順性的評(píng)價(jià)方法,ISO2631-1:1997(E) 規(guī)定加權(quán)評(píng)價(jià)方法： 1/3倍頻分別評(píng)價(jià)法： 對(duì)傳至人體的加速度進(jìn)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(píng)價(jià)方法,1/3倍頻法認(rèn)為:同時(shí)有許多個(gè)1/3倍頻帶都有能量作用于人體時(shí)，各個(gè)頻帶振動(dòng)作用無(wú)明顯聯(lián)系，對(duì)人體產(chǎn)生的影響主要是人體感覺(jué)振動(dòng)強(qiáng)度最大的一個(gè)1/3倍頻帶所造成的。,人體對(duì)各頻帶振動(dòng)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(jué)振動(dòng)強(qiáng)度的大小,所以需要給加權(quán)系數(shù)。 方法：采用人體對(duì)不同頻率振動(dòng)敏感程度的頻率加權(quán)函數(shù)，將人體最敏感以外各1/3倍頻帶加速度均方根值分量 進(jìn)行頻率加權(quán)，即按人體感覺(jué)的振動(dòng)強(qiáng)度相等的原則折算為最敏感頻率范圍，即加權(quán)加速度均方根值分量 。其大小可以反映人體對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度的感覺(jué)。,平順性的評(píng)價(jià)方法,平順性的評(píng)價(jià)方法,平順性的評(píng)價(jià)方法,ISO2631-1:1997(E) 規(guī)定總加權(quán)評(píng)價(jià)方法： 基本評(píng)價(jià)方法 (加權(quán)加速度均方根值) 時(shí)域法 頻域法 其中:,平順性的評(píng)價(jià)方法,同時(shí)考慮 xs, ys, zs 這 3 個(gè)軸向時(shí),-基本評(píng)價(jià)方法 (加權(quán)加速度均方根值) 加權(quán)振動(dòng)級(jí) Law 加權(quán)加速度均方根值 aw 同時(shí)考慮三個(gè)軸向振動(dòng)時(shí)總加權(quán)加速度均方根值的計(jì)算： Law , aw 與人的主觀(guān)感覺(jué)關(guān)系如下表:,平順性的評(píng)價(jià)方法,平順性的評(píng)價(jià)方法,路面縱斷面曲線(xiàn) (不平度函數(shù)),路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性,路面縱斷面曲線(xiàn) (不平度函數(shù))-隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特征,路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性,隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特征量(平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程各態(tài)歷經(jīng)過(guò)程:固定時(shí)間和位置的概率分布與所有時(shí)間和位置的概率分布相同的隨機(jī)過(guò)程,均值和方差不隨時(shí)間和位置變化),均值:,方差:,自相關(guān)函數(shù):,自功率譜函數(shù):,均方值:,能量密度函數(shù),標(biāo)準(zhǔn)差:,一、路面不平度的功率譜: n空間頻率，它是波長(zhǎng)的倒數(shù)，表示每米長(zhǎng)度中 包括幾個(gè)波長(zhǎng)，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(chēng)為 路面不平度系數(shù)，單位為m3； W頻率指數(shù)，為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上斜線(xiàn)的斜率，它 決定路面譜的頻率結(jié)構(gòu)。,路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性,Gq（n0）:西長(zhǎng)安街:75.52*10-6 w = 2.51天安門(mén) : 41.48*10-6 w = 2.11,路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性,路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性,路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性,速度功率譜： 當(dāng)w=2時(shí)： 加速度功率譜：,白噪聲,位移功率譜：,路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性,二、空間頻率功率譜密度化為時(shí)間頻率功率譜密度 時(shí)間頻率與空間頻率的關(guān)系,空間頻率功率譜密度化為時(shí)間頻率功率譜密度,路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性,路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性,當(dāng)W = 2時(shí),令,則,路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性,三、路面對(duì)四輪汽車(chē)的輸入,圖6-9 四輪汽車(chē)示意圖,路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性,共有16個(gè)譜量，其中有4個(gè)自譜和12個(gè)互譜。,路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性,汽車(chē)振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),一、汽車(chē)振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化,1）總質(zhì)量不變： m2f + m2 r+ m2c = m2 2）質(zhì)心位置不變: m2f am2 r b = 0 3）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iy的值不變 I y = m2 2= m2 f a2 + m2 r b2 y 繞橫軸y的回轉(zhuǎn)半徑 a、b 車(chē)身質(zhì)量部分的質(zhì)心至前、后軸的距離,汽車(chē)振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),大部分汽車(chē) = 0.81.2，即接近1。 在 =1的情況下，前、后軸上方車(chē)身部分的集中質(zhì)量m2f 、 m2 r的垂直方向運(yùn)動(dòng)是相互獨(dú)立的。,汽車(chē)振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng), =1 遠(yuǎn)離車(chē)輪部分固有頻率（1016Hz） 5Hz以下激振頻率 輪胎的動(dòng)變形很小 可忽略車(chē)輪質(zhì)量和輪胎的彈性得到單質(zhì)量系統(tǒng) 分析車(chē)身垂直振動(dòng)的最簡(jiǎn)單的單質(zhì)量系統(tǒng),汽車(chē)振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),二、單質(zhì)量系統(tǒng)的自由振動(dòng),汽車(chē)振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),汽車(chē)懸架系統(tǒng)的阻尼比大約為0.25,減幅系數(shù):,通過(guò)實(shí)測(cè)衰減曲線(xiàn)得到 d 后,就可得到阻尼比,單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),三、單質(zhì)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性 對(duì)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(shù) :,單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),當(dāng)<<1時(shí)，,漸近線(xiàn)為一水平線(xiàn)，漸近線(xiàn)斜率為0:1，漸近線(xiàn)的“頻率指數(shù)”等于0。,當(dāng)1，,漸近線(xiàn)斜率為-2:1，漸近線(xiàn)的“頻率指數(shù)”等于-2。,漸近線(xiàn)斜率為-1:1，漸近線(xiàn)的“頻率指數(shù)”等于-1。,共振時(shí)的幅值：=1,（1）低頻段 阻尼比對(duì)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）高頻段 z / q= 1與無(wú)關(guān)。在 時(shí)， z / q 1，對(duì)輸入位移起衰減作用， 阻尼比減小對(duì)減振有利。,幅頻特性總結(jié):,單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),用隨機(jī)振動(dòng)理論分析汽車(chē)平順性 均值、 方差、 標(biāo)準(zhǔn)差、均方值、 均方根值 1、輸入、輸出功率譜密度的關(guān)系 2、應(yīng)考慮的輸出譜 車(chē)身加速度 懸架的動(dòng)撓度 車(chē)輪與路面間的動(dòng)載,單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),四、單質(zhì)量系統(tǒng)對(duì)路面隨機(jī)輸入的響應(yīng),單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),方差與功率譜的關(guān)系 車(chē)身加速度、動(dòng)撓度和車(chē)輪與路面間動(dòng)載的特征： 1）均值為零 2）正態(tài)分布,3、概率分布與標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系, 平順性對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的要求,有時(shí)是根據(jù)概率分布提出的.零均值正態(tài)分布情況下,振動(dòng)響應(yīng)的概率分布完全由標(biāo)準(zhǔn)差確定。,幅值 超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差 的倍的概率P ,完全由查表得到。,概率,單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),3、概率分布與標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系,規(guī)定的界限值,規(guī)定的界限值,標(biāo)準(zhǔn)差,知任一兩個(gè)，可求第三個(gè),單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng)（作業(yè)）,一廠(chǎng)商要求其新開(kāi)發(fā)轎車(chē)車(chē)身加速度超過(guò)1g的概率不超過(guò)1%，試問(wèn)車(chē)身加速度的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)是多少？ 同時(shí)，該車(chē)懸架的動(dòng)撓度f(wàn)d的標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),5、車(chē)身加速度功率譜的計(jì)算,加速度、速度、位移頻響函數(shù)之間的關(guān)系,單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),單質(zhì)量系統(tǒng)振動(dòng)影響因素分析：,單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),6、車(chē)輪與路面間相對(duì)動(dòng)載Fd / G對(duì)路面輸入速度譜輸入的幅頻特性 動(dòng)載： 相對(duì)動(dòng)載：,7、懸架動(dòng)撓度對(duì)路面輸入速度譜輸入的幅頻特性,單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),懸架系統(tǒng)的動(dòng)撓度對(duì)車(chē)身的位移，是一個(gè)低頻輸入衰減的高通濾波器,懸架系統(tǒng)對(duì)車(chē)身的位移，是一個(gè)高頻輸入衰減的低通濾波器,單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),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(chē)身加速度振動(dòng)，但隨著固有頻率降低，動(dòng)撓度增大，在限位行程一定時(shí)，增加懸架限位撞擊概率，使平順性下降。,單質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng),8、懸架系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比的選擇,