第6章 汽車的平順性學(xué)習(xí)目標通過本章的學(xué)習(xí)，要求掌握汽車行駛平順性的評價指標和人體對振動反應(yīng)的感覺界限；掌握汽車振動系統(tǒng)的簡化方法，并能正確分析車身振動的單質(zhì)量系統(tǒng)模型；了解汽車通過性的影響因素。汽車行駛平順性，是指汽車在一般行駛速度范圍內(nèi)行駛時，避免因汽車在行駛過程中所產(chǎn)生的振動和沖擊，使人感到不舒服、疲勞，甚至損害健康，或者使貨物損壞的性能。由于行駛平順性主要是根據(jù)乘員的舒適程度來評價，所以又稱為乘坐舒適性。汽車是一個復(fù)雜的多質(zhì)量振動系統(tǒng)，其車身通過懸架的彈性元件與車橋連接，而車橋又通過彈性輪胎與道路接觸，其他如發(fā)動機、駕駛室等，也是以橡皮墊固定于車架上。由于道路不平而引起的沖擊和加速、減速時的慣性力，以及發(fā)動機與傳動軸振動等產(chǎn)生的激振力作用于車輛系統(tǒng)，將使系統(tǒng)發(fā)生復(fù)雜的振動，對乘員的生理反應(yīng)和所運貨物的完整性，均會產(chǎn)生不利的影響。在壞路上，汽車的允許行駛速度受動力性的影響不大，主要取決于行駛平順性；而因壞路被迫降低行車速度，因而使汽車的平均技術(shù)速度減低，運輸生產(chǎn)率下降。其次，振動產(chǎn)生的動載荷，加速了零件的磨損，乃至引起損壞，降低了汽車的使用壽命。此外，振動還引起能量的消耗，使燃料經(jīng)濟性變差。因此，減少汽車本身的振動，不僅關(guān)系到乘坐的舒適和所運貨物的完整，而且關(guān)系到汽車的運輸生產(chǎn)率、燃料經(jīng)濟性、使用壽命和工作可靠性等方面。6.1節(jié) 人體對振動的反應(yīng)和平順性的評價6.1.1 汽車行駛平順性的評價指標汽車行駛平順性的評價方法，通常是根據(jù)人體對振動的生理反應(yīng)，以及對保持貨物完整性的影響制定的，并用振動的物理量，如頻率、振幅、加速度等作為行駛平順性的評價指標。目前常用汽車車身振動的固有頻率和振動加速度均方根值，評價汽車的行駛平順性。試驗表明，為了保持汽車具有良好的行駛平順性，車身振動的固有頻率應(yīng)為人體所習(xí)慣的步行時，身體上、下運動的頻率，它約為6080次min(11.6Hz),振動加速度的極限值為0.2g0.3g。為了保證運輸貨物的完整性，車身振動加速度也不宜過大。如果車身加速度達到1g,沒有經(jīng)固定的貨物，就有可能離開車廂底板。所以，車身振動加速度的極限值應(yīng)低于0.6g0.7g。6.1.2 人體對振動的反應(yīng)70年代，國際標準化組織（ISO）在綜合大量有關(guān)人體全身振動的研究工作和文獻的基礎(chǔ)上，訂出了國際標準IS026311978E人體承受全身振動的評價指南，這樣在人承受全身振動的評價方面才有了國際通用性標準。該標準用加速度的均方根值給出了在180Hz振動頻率范圍內(nèi)人體對振動反應(yīng)的三個不同的感覺界限。它們分別是暴露極限、疲勞降低工作效率界限和舒適降低界限。6.1.2.1 暴露極限當人體承受的振動強度在這個極限之內(nèi)，將保持健康或安全。通常把此極限作為人體可以承受振動量的上限。6.1.2.2 疲勞-降低工作效率界限這個界限與保持工作效率有關(guān)。當駕駛員承受的振動在此界限內(nèi)時，能保持正常地進行駕駛。6.1.2.3 舒適降低界限此界限與保持舒適有關(guān)，它影響人在車上進行吃、讀、寫等動作。這三個界限只是容許的振動加速度值不同。暴露極限的值為疲勞-降低效率界限的2倍，舒適降低界限為疲勞-降低工作效率界限的13.15。各界限容許加速度值，隨頻率的變化趨勢完全一樣。圖6.1 ISO2631人體對振動反應(yīng)的疲勞-降低效率界限 a)垂直方向 b)水平方向圖6.1示出垂直和水平方向振動時，對人體影響的疲勞-降低效率界限。由圖中可以看出，隨著暴露時間(承受振動的時間)的加長，感覺界限容許的加速度值下降。圖上標明的暴露時間，是指常年累月每天重復(fù)在振動環(huán)境中持續(xù)的時間，對于偶爾乘車的人，加速度的容許值可以高很多。由圖6.1上還可以看出人最敏感的頻率范圍，對于垂直振動是48Hz，對于水平振動是2Hz以下。而且在2.8Hz以下同樣暴露時間；水平振動容許的加速度值，低于垂直振動；在2.8Hz以上則相反。6.2節(jié) 汽車振動系統(tǒng)的簡化，單質(zhì)量系統(tǒng)的振動6.2.1 汽車振動系統(tǒng)的簡化圖6.2 四輪汽車簡化的立體模型汽車是一個復(fù)雜的振動系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)所分析的問題進行簡化。圖6.2為一個把汽車車身質(zhì)量看作為剛體的立體模型。汽車的懸掛質(zhì)量（車身）質(zhì)量為，它有車身、車架及其上的總成所構(gòu)成。該質(zhì)量繞通過質(zhì)心的橫軸的轉(zhuǎn)動慣量為，懸掛質(zhì)量通過減振器和懸架彈簧與車軸、車輪相連接。車輪、車軸構(gòu)成的非懸掛（車輪）質(zhì)量為。車輪在經(jīng)過具有一定彈性和阻尼的輪胎支承在不平的路面上。這一立體模型，車身質(zhì)量在討論平順性時主要考慮垂直、俯仰、側(cè)傾3個自由度，4個車輪質(zhì)量有4個自由度，共7個自由度。圖6.3 雙軸汽車簡化的平面模型當汽車對稱于其縱軸線，且左、右車轍的不平度函數(shù)，此時汽車車身只有垂直振動和俯仰振動，這兩個自由度的振動對平順性影響最大。圖6.3為汽車簡化成4個自由度的平面模型。在這個模型中，又因輪胎阻尼較小而予以忽略，同時把質(zhì)量為，轉(zhuǎn)動慣量為的車身按動力學(xué)等效的條件分解為前軸上、后軸上及質(zhì)心上的三個集中質(zhì)量、。這三個質(zhì)量由無質(zhì)量的剛性桿連接，它們的大小由下述三個條件決定（1） 總質(zhì)量保持不變 （6.1）（2） 質(zhì)心位置不變 （6.2）（3） 轉(zhuǎn)動慣量的值保持不變 （6.3）式中繞橫軸的回轉(zhuǎn)半徑； ，車身質(zhì)量部分的質(zhì)心至前、后軸的距離。由上三式得出三個集中質(zhì)量的值為 （6.4） （6.5） （6.6）式中軸距。通常令，稱為懸掛質(zhì)量分配系數(shù)。由式（6.6）可知，當時，聯(lián)系質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計，大部分汽車=0.81.2，即接近1。而通過分析可知在的情況下，前、后軸上方車身部分的集中質(zhì)量、的垂直方向運動是相互獨立的。這樣在的情況下，當前輪遇到路面不平度而引起的振動時，質(zhì)量運動而質(zhì)量不運動，反之亦然，因此在這種特殊情況下，可以分別討論圖6.3上和前輪軸以及和后輪軸所構(gòu)成的兩個雙質(zhì)量系統(tǒng)的振動。在遠離車輪部分固有頻率(1016Hz)的較低激振頻率范圍（如5Hz以下），輪胎動變形很小，忽略其彈性與車輪質(zhì)量，得到分析車身垂直振動的最簡單的單質(zhì)量系統(tǒng)。6.2.2 單質(zhì)量系統(tǒng)的自由振動圖6.4 車身單質(zhì)量系統(tǒng)模型圖6.4時分析車身振動的單質(zhì)量系統(tǒng)模型，它由車身質(zhì)量和彈簧剛度、減振器阻尼系數(shù)為的懸架組成。是輸入的路面不平度函數(shù)。車身垂直位移坐標的原點取在靜力平衡位置，根據(jù)牛頓第二定律，得到描述系統(tǒng)運動的微分方程為 （6.7）此方程的解由自由振動齊次方程的解與非齊次方程特解之和組成。令；，則齊次方程為 稱為系統(tǒng)固有圓頻率，而阻尼對運動的影響取決于和的比值，稱為阻尼比。 （6.8）汽車懸架系統(tǒng)阻尼比的數(shù)值通常在0.25左右，屬于小阻尼，此時微分方程的解為 （6.9）這個解說明，有阻尼自由振動時，質(zhì)量以有阻尼固有頻率振動，其振幅按衰減，如圖6.5所示。圖6.5 衰減振動曲線阻尼比對衰減振動有兩方面影響（1） 與有阻尼固有頻率有關(guān) （6.10）由式（6.10）可知，增大下降，當=1時，=0，此時運動失去振蕩特征。汽車懸掛系統(tǒng)阻尼比大約為0.25左右，比只下降了3%左右，在工程上可以近似認為，車身部分振動的固有圓頻率rad/s、固有頻率s-1或Hz為 （6.11） （2） 決定振幅的衰減程度圖6.5上兩個相鄰的振幅與之比稱為減幅系數(shù)，以表示 （6.12）對式（6.12）取自然對數(shù) （6.13） 可以由實測的衰減振動曲線得到減幅系數(shù)，由下式求出阻尼比 （6.14）6-3節(jié) 影響汽車行駛平順性的因素上節(jié)我們對汽車這一復(fù)雜的振動系統(tǒng)進行了簡化。而將汽車視為由彼此相聯(lián)系的懸掛質(zhì)量與非懸掛質(zhì)量所組成。汽車的懸掛質(zhì)量由車身、車架及其上的總成所構(gòu)成。該質(zhì)量由減振器和懸架彈簧與車軸、車輪相連。車輪、車軸構(gòu)成非懸掛質(zhì)量，車輪再經(jīng)過具有一定彈性和阻尼的輪胎支承路面上。懸架結(jié)構(gòu)、輪胎、懸掛質(zhì)量和非懸掛質(zhì)量是影響汽車平順性的重要因素。6.3.1 懸架結(jié)構(gòu)懸架結(jié)構(gòu)主要指彈性元件、導(dǎo)向裝置與減振裝置，其中彈性元件與懸架系統(tǒng)的阻尼對平順性影響較大。6.3.1.1 彈性元件將汽車車身看成一個在彈性懸架上作單自由度振動的質(zhì)量時，減少懸架剛度，可降低車身的固有頻率，提高汽車行駛的平順性。但是，如果增加高頻的非懸掛質(zhì)量的振動位移，大幅度的車輪振動有時會使車輪離開地面，在緊急制動時，會產(chǎn)生嚴重的汽車“點頭”現(xiàn)象。為解決這一問題，可采取一些相應(yīng)措施，如采用具有非線性特性的變剛度懸架，即懸架的剛度隨載荷而變，這樣可以使得在載荷變化時，保持車身振動的固有頻率不變，從而獲得良好的平順性。懸掛的非線性彈性特性，可通過下述方法來實現(xiàn)：6.3.1.1.1 在線性懸架中，加入輔助彈簧、復(fù)合彈簧，采用適當?shù)膶?dǎo)向機構(gòu)，以及與車架的支承方式等。6.3.1.1.2 選用具有非線性特性的彈性元件，如空氣彈簧、油氣彈簧、橡膠彈簧和硅油彈簧等。6.3.1.2 阻尼系統(tǒng)的阻尼為了衰減車身自由振動和抑制車身、車輪的共振，以減小車身的垂直振動加速度和車輪的振幅，懸架系統(tǒng)中應(yīng)具有適當?shù)淖枘帷Ｔ趹壹芟到y(tǒng)中，引起振動衰減的阻尼來源很多。如輪胎變形時，橡膠分子間產(chǎn)生摩擦、系統(tǒng)中的減振器、鋼板彈簧葉片間的摩擦等。減振器的阻尼效果好，可提高汽車行駛平順性，改善車輪與道路的接觸條件，防止車輪離開路面，因而可改善汽車的穩(wěn)定性，提高汽車的行駛安全性。改進減振器的性能，對提高汽車在不平道路上的行駛速度有很大的作用。6.3.2 輪胎輪胎由于本身的彈性，在很大程度上吸收了因路面不平所產(chǎn)生的振動，因此它和懸架系統(tǒng)共同保證了汽車的平順性。輪胎性能的好壞，是用輪胎在標準氣壓和載荷下，壓縮系數(shù)的大小(輪胎被壓下的高度與充氣斷面高度的百分比)來表示的。在最大允許負荷作用下，普通輪胎的壓縮系數(shù)為10% 12%，為了乘坐舒適，客車輪胎的壓縮系數(shù)稍大些，為12%14%。近年來，隨著車速的提高，希望輪胎的緩沖性能越來越好。目前，提高輪胎緩沖性能的方法如下：6.3.2.1 增大輪胎斷面、輪輞寬度和空氣容量，并相應(yīng)降低輪胎氣壓。6.3.2.2 改變輪胎結(jié)構(gòu)型式，如采用子午線輪胎。它因輪胎徑向彈性大，可以緩和不平路面的沖擊，并吸收大部分沖擊能量，使汽車子順性得到改善。6.3.2.3 提高簾線和橡膠的彈性，要用較柔軟的胎冠。車輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的不平衡，對汽車的行駛平順性和穩(wěn)定性都有影響。為了避免因轉(zhuǎn)向輪不平衡而引起振動，必須對每一車輪進行靜平衡和動平衡。越是車速高的轎車，對平衡的要求就越高。6.3.3 懸掛質(zhì)量如前所述，懸掛質(zhì)量分配系數(shù)為，是評價汽車平順性極其重要的參數(shù)。它取決于懸掛質(zhì)量的分布情況。懸掛質(zhì)量的布置應(yīng)使1。當1時，前、后懸掛質(zhì)量的振動彼此互不影響。6.3.4 非懸掛質(zhì)量減少非懸掛質(zhì)量，可以減少傳給車身上的沖擊力。非懸掛質(zhì)量的振動，對懸掛質(zhì)量振動加速度有較顯著的影響，會使其數(shù)據(jù)值加大。因此，為了提高汽車的平順性，采用非懸掛質(zhì)量較小的獨立懸掛更為有利。非懸掛質(zhì)量對行駛平順性的影響，常用非懸掛質(zhì)量與懸掛質(zhì)量之比進行評價。比質(zhì)量越小，則行駛平順性越好?？傊绊懶旭偲巾樞缘慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)是很多，并且彼此間的關(guān)系較復(fù)雜，必須對這些參數(shù)進行綜合分析，以便正確地選擇參數(shù)，提高汽車行駛的平順性。小結(jié)1. 汽車行駛平順性的評價指標：汽車行駛平順性的評價方法，通常是根據(jù)人體對振動的生理反應(yīng)，以及對保持貨物完整性的影響制定的，并用振動的物理量，如頻率、振幅、加速度等作為行駛平順性的評價指標。目前常用汽車車身振動的固有頻率和振動加速度均方根值，評價汽車的行駛平順性。2. 人體對振動反應(yīng)的三種感覺界限：暴露極限：當人體承受的振動強度在這個極限之內(nèi)，將保持健康或安全。通常把此極限作為人體可以承受振動量的上限。疲勞-降低工作效率界限：這個界限與保持工作效率有關(guān)。當駕駛員承受的振動在此界限內(nèi)時，能保持正常地進行駕駛。舒適降低界限：此界限與保持舒適有關(guān)，它影響人在車上進行吃、讀、寫等動作。這三個界限只是容許的振動加速度值不同。暴露極限的值為疲勞-降低效率界限的2倍，舒適降低界限為疲勞-降低工作效率界限的13.15。3. 汽車振動系統(tǒng)的簡化和車身振動的單質(zhì)量系統(tǒng)模型。4. 汽車平順性的影響因素：懸架結(jié)構(gòu)（彈性元件、導(dǎo)向裝置與減振裝置）、輪胎、懸掛質(zhì)量和非懸掛質(zhì)量。復(fù)習(xí)思考題1、 評價汽車行駛平順性的方法有哪些？2、 人對振動的三種不同的感覺界限是如何劃分的?3、 什么情況下易于采用變剛度懸架？為什么？