汽车理论汽车的平顺性.pptx

第六章第六章 汽车平顺性汽车平顺性路面路面汽车汽车人人本章基本思路本章基本思路 如何评价汽车的行驶平顺性？如何评价汽车的行驶平顺性？对汽车振动系统如何进行简化？对汽车振动系统如何进行简化？对于振动的对于振动的“输入输入”的描述的描述 路面不平度的统计特性路面不平度的统计特性 单质量系统的振动单质量系统的振动 车身与车轮双质量系统的振动车身与车轮双质量系统的振动 双轴汽车模型的振动双轴汽车模型的振动 建立运动微分方程及系统建立运动微分方程及系统“输入输入”对对“输出输出”的影响分析的影响分析 汽车平顺性测试汽车平顺性测试 几种重要的评价方法几种重要的评价方法 汽车悬架参数设计的依据汽车悬架参数设计的依据 路面不平度及功率谱密度路面不平度及功率谱密度 本章共有本章共有7节：节：第一节第一节 人体对振动的反应和平顺性的评价人体对振动的反应和平顺性的评价第二节第二节 路面不平度的统计特性路面不平度的统计特性第三节第三节 汽车振动系统的简化。单质量系统的振动汽车振动系统的简化。单质量系统的振动第四节第四节 车身与车轮双质量系统的振动车身与车轮双质量系统的振动第五节第五节 双轴汽车的振动双轴汽车的振动第六节第六节“人体座椅人体座椅”系统的振动系统的振动第七节第七节 汽车平顺性试验和数据处理汽车平顺性试验和数据处理平顺性：保持汽车行驶过程中乘员所处的平顺性：保持汽车行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定舒适度的性能，振动环境具有一定舒适度的性能，并保持货物的完好无损。并保持货物的完好无损。评价方法：根据乘员舒适程度评价评价方法：根据乘员舒适程度评价 汽车振动系统及其评价指标汽车振动系统及其评价指标输入振动系统输出评价指标输入振动系统输出评价指标输输 入：路面不平度、入：路面不平度、车速。车速。振动系统：弹性元件、阻尼元件、质量。振动系统：弹性元件、阻尼元件、质量。输输 出：悬挂质量或人体加速度、车轮出：悬挂质量或人体加速度、车轮动载荷。动载荷。评价指标：人体对振动的响应、轮胎的接评价指标：人体对振动的响应、轮胎的接地性。地性。第一节第一节 人体对振动的反应和平顺性的评价人体对振动的反应和平顺性的评价 评价标准评价标准 ISO2631-1:1997(E)人人体体承承受受全全身身振动评价振动评价第一部分：一般要求第一部分：一般要求 GB/T4970-1996汽汽车车平平顺顺性性随随机机输输入行驶试验方法入行驶试验方法一、人体对振动的反应一、人体对振动的反应 机械振动对人体的影响，取决于振动的频率、强机械振动对人体的影响，取决于振动的频率、强度、作用方向和持续时间，而且每个人的心理与身体度、作用方向和持续时间，而且每个人的心理与身体素质不同，对振动的敏感程度也不同。素质不同，对振动的敏感程度也不同。所考虑的振动所考虑的振动 ISO2631-1规规定定，舒舒适适性性评评价价时时，考考虑虑座座椅椅支支承承处处的的3个个线线振振动动和和3个个角角振振动动，靠靠背背和和脚脚支支承承处处各各3个个线线振振动动，共共12个个轴轴向向振振动动。健健康康影影响响评评价价时时，仅仅考考虑虑座座椅椅支支承承处处的的3个个线线振振动动xs、ys、zs。1、轴加权系数、轴加权系数 对对不不同同方方向向振振动动，人人体体敏敏感感度度不不一一样样。该该标标准准用用轴轴加加权权系系数数描描述述这这种种敏敏感感度。度。2、频率加权函数、频率加权函数 对对不不同同频频率率的的振振动动，人人体体敏敏感感度度也也不不一一样样。例例如如，人人体体内内脏脏在在椅椅面面z向向振振动动4-8Hz发发生生共共振振，8-12.5Hz对对脊脊椎椎影影响响大大。椅椅面面水水平平振振动动敏敏感感范范围围在在0.5-2Hz。标标准准用频率加权函数用频率加权函数w描述这种敏感度。描述这种敏感度。平顺性名词解释平顺性名词解释频频率率加加权权滤滤波波网络网络aw(t)a(t)均方根值均方根值：a(t)是测试的加速度时间信号。是测试的加速度时间信号。加权均方根值：加权均方根值：aw(t)是是通通过过频频率率加加权权函函数数滤滤波波网网络络后后得得到到的的加加速速度度时时间间信信号。频率加权函数见表号。频率加权函数见表6-1。二、平顺性的评价方法二、平顺性的评价方法 1、按加速度加权均方根值评价。样本时间按加速度加权均方根值评价。样本时间T一般取一般取120s。椅面椅面x,yx,y向和靠背向和靠背y,zy,z向向：椅面椅面z z向和脚向和脚x x，y y，z z：靠背靠背x x向向：频率加权函数频率加权函数2、对记录的加速度时间历程对记录的加速度时间历程a(t)进行频谱分析得进行频谱分析得到到功率谱密度功率谱密度 ，按下式计算：，按下式计算：参阅教材图参阅教材图6-56“平顺性试验数平顺性试验数据的采集和处理据的采集和处理”3、同同时时考考虑虑3个个方方向向 3轴轴向向xs、ys、zs振动的总加权加速度均方根值为：振动的总加权加速度均方根值为：平顺性指标和人的感觉间的关系4、有些、有些“人体振动测量仪人体振动测量仪”采用加权振级采用加权振级Law，它与加，它与加权加速度均方根值换算，按下式进行（参阅教材权加速度均方根值换算，按下式进行（参阅教材p250）：）：第二节第二节 路面不平度的统计特征路面不平度的统计特征 路面纵向断面曲线路面纵向断面曲线q(I I)I I一、路面不平度的功率谱密度一、路面不平度的功率谱密度 因此，需要从统计的角度出因此，需要从统计的角度出发，引进适合于具有随机性质的谱分析方法，即发，引进适合于具有随机性质的谱分析方法，即功率谱分析方法。它是傅里叶分析法和统计分析功率谱分析方法。它是傅里叶分析法和统计分析法两者结合起来考虑的法两者结合起来考虑的。为了研究信号的能量为了研究信号的能量（或功率）分布，并凸（或功率）分布，并凸出信号频谱图中的主频出信号频谱图中的主频率，需要做功率谱分析。率，需要做功率谱分析。特别是对于有明显的非特别是对于有明显的非确定性的随机信号，确定性的随机信号，1、随机信号的频谱分析、随机信号的频谱分析不不平平度度函函数数3.路面不平度路面不平度q(I)的功率谱密度的功率谱密度Gq(n)的意义：的意义：Gq(n)表示路面不平度表示路面不平度q2(I)的平均值的平均值Eq2(I)的空间频率分布。的空间频率分布。掌握了路面不平度掌握了路面不平度q(I)的功率谱密度以及车辆系统的的功率谱密度以及车辆系统的频响函数。就可以求出响应量的功率谱，用来分析振动频响函数。就可以求出响应量的功率谱，用来分析振动系统对各响应物理量的影响和评价平顺性。系统对各响应物理量的影响和评价平顺性。2.随机变量随机变量x(t)功率谱密度功率谱密度Gx(f)的意义：的意义：Gx(f)表示表示x(t)的平均功率的平均功率Ex2(t)（均方值）在频率域的分布（均方值）在频率域的分布（参阅教材（参阅教材p248)。功率谱密度的定义是单位频带内的功率谱密度的定义是单位频带内的“功率功率”（均方（均方值），因此功率谱密度所反映的是信号幅值的平方，值），因此功率谱密度所反映的是信号幅值的平方，故频域结构特征更加明显。故频域结构特征更加明显。4.路面不平度的功率谱密度路面不平度的功率谱密度式中式中 n空间频率，空间频率，m-1 n0参考空间频率，参考空间频率，0.1 m-1 Gq(n0)参考空间频率参考空间频率n0下的功率谱密度，即路面不平度系数下的功率谱密度，即路面不平度系数(m2/m-1)w频率指数，一般取为频率指数，一般取为2 用水准仪或路面计测量路面不平度，测量得到用水准仪或路面计测量路面不平度，测量得到的大量路面不平度数据用计算机处理，得到功率的大量路面不平度数据用计算机处理，得到功率谱密度谱密度Gq(n）或方差）或方差2q 速度功率谱密度速度功率谱密度：是：是位移功率谱密度与频率二次位移功率谱密度与频率二次方乘积；方乘积；加速度功率谱密度加速度功率谱密度：是位移功率谱密度与频率四是位移功率谱密度与频率四次方乘积。次方乘积。此时，路面速度功率谱密度在整个频此时，路面速度功率谱密度在整个频率范围内为一常数，幅值大小只与不平率范围内为一常数，幅值大小只与不平度系数有关，这一路面输入的速度功率度系数有关，这一路面输入的速度功率谱密度称为谱密度称为“白噪声白噪声”，用来分析计算，用来分析计算会带来一定方便！会带来一定方便！二、路面空间频率谱密度化为时间谱密度二、路面空间频率谱密度化为时间谱密度1.空间频率与时间频率的关系空间频率与时间频率的关系 f=un 这里这里n是空间频率是空间频率(每米波长数每米波长数)。u是车速是车速(m/s)，f是时间频率是时间频率(Hz,每秒波长数每秒波长数)。2.路面时间谱密度与空间频率谱密度的关系路面时间谱密度与空间频率谱密度的关系 f=un f=un三、路面对四轮汽车的输入功率谱密度三、路面对四轮汽车的输入功率谱密度x(I I)y(I I)I IBL2134x(I I)/y(I I)的自谱、的自谱、互谱分别为互谱分别为:四个车轮的不平度函数用四个车轮的不平度函数用q1(I I)、q2(I I)、q3(I I)、q4(I I)q1(I I)x(I I)q3(I I)y(I I)q2(I I)x(I-LI-L)q4(I I)y(I-LI-L)1-3 3-12-4 4-21-4 4-12-3 3-21-2 2-13-4 4-312个个互互谱谱两两两两共共轭轭q1、q2、q3、q4四个输入的振动传递时，要四个输入的振动传递时，要掌握四个车轮的自谱和四个车轮彼此间的互掌握四个车轮的自谱和四个车轮彼此间的互谱共谱共16个谱量个谱量G i k(n)(i,k=1，2，3，4）,其其中中12个互谱两两共轭。谱量可按下式计算：个互谱两两共轭。谱量可按下式计算：为为q i(I I）、）、q k(I I）的傅里叶变换）的傅里叶变换；四个车轮不平度函数的傅里叶变换为：四个车轮不平度函数的傅里叶变换为：将四个车轮不平度函数的傅里叶变换代入将四个车轮不平度函数的傅里叶变换代入 算出算出各谱量和两个轮迹之间的自谱各谱量和两个轮迹之间的自谱G xx(n)G yy(n)互谱互谱 G xy(n)G yx(n)的关系：的关系：两个轮迹之间不平度的统计特性，用它们之两个轮迹之间不平度的统计特性，用它们之间的互功率谱密度或相干函数来描述间的互功率谱密度或相干函数来描述。a互功率谱密度互功率谱密度互振幅谱互振幅谱相位谱相位谱 b相干函数：相干函数：相干函数相干函数 在频域内描述了在频域内描述了 与与 中频率中频率n分量之间的线性相关程度。分量之间的线性相关程度。表明表明 与与 中频率为中频率为n的分量之间的分量之间幅值比和相位保持不变。幅值比和相位保持不变。表明表明 与与 中频率为中频率为n的分量之间的分量之间幅值比和相位是随机变化的。幅值比和相位是随机变化的。x(I I)y(I I)I IBL21341-3 3-12-4 4-21-4 4-12-3 3-21-2 2-13-4 4-312个个互互谱谱两两两两共共轭轭路面对四轮汽车输入的谱矩阵：路面对四轮汽车输入的谱矩阵：第三节第三节 汽车振动系统的简化、单质量系统振动汽车振动系统的简化、单质量系统振动一、汽车振动系统的简化一、汽车振动系统的简化x(I I)=y(I I)悬挂质量悬挂质量m2按动力学等效条件按动力学等效条件 车身车身3自由度自由度车轮车轮4自由度自由度三个质量由无质量的刚性杆连接三个质量由无质量的刚性杆连接 此时可以分别讨论前、后轴此时可以分别讨论前、后轴 所构成的两个双质量系统的振动了。所构成的两个双质量系统的振动了。等等效效质质量量大大小小由由三三个个条条件件决决定定二、单质量系统的自由振动二、单质量系统的自由振动汽车单自由度振动模型汽车单自由度振动模型令令 2n=C/m2，20=K/m2，齐次方程变为齐次方程变为 0称称为为系系统统固固有有圆圆频频率率，定定义义阻阻尼比尼比方程的解为方程的解为单自由度自由振动衰减曲线单自由度自由振动衰减曲线复振动复振动ReImtZ=AejtjwtAcostAsint三、单质量系统频响特性三、单质量系统频响特性频率响应函数的物理意义频率响应函数的物理意义频率响应函数的模频率响应函数的模 =幅频特性幅频特性=|=|输出复振动输出复振动/输入复振动输入复振动|=输出实振幅输出实振幅/输入实振幅输入实振幅频率响应函数的幅角频率响应函数的幅角=-=即即频率响应函数的特点频率响应函数的特点(1)描述了定常线性系统（动态特性）。描述了定常线性系统（动态特性）。是频率的复函数。是频率的复函数。(2)系统所固有。系统所固有。(3)具有不同的形式，具有不同的形式，横摆角速度横摆角速度/转向转向盘输入盘输入，车身（车轮）输出位移、速度、车身（车轮）输出位移、速度、加速度加速度/地面输入地面输入,座椅座椅/地面输入地面输入,等。等。(4)可通过理论计算或方便地通过测试得可通过理论计算或方便地通过测试得到到。频响函数的测试频响函数的测试汽车单质量系统频响函数的推导汽车单质量系统频响函数的推导令输入复振动为令输入复振动为式中复振幅式中复振幅令输出复振动为令输出复振动为a/复振动求法复振动求法令令代入上式，得代入上式，得上式模（幅频特性）为上式模（幅频特性）为 b/傅里叶变换法傅里叶变换法傅里叶变换傅里叶变换上式模（幅频特性）为上式模（幅频特性）为 （1）在）在00.75的低频段，的低频段，既不减振也不增振。阻尼比既不减振也不增振。阻尼比影响不大。影响不大。（2）在）在0.75=的高频段，的高频段，=时时 =1，与，与无关。无关。时，时，1，阻尼比较小时衰减更多。，阻尼比较小时衰减更多。平顺性分析的振动响应量有平顺性分析的振动响应量有3种：种：1、车身振动加速度车身振动加速度2、悬悬架架动动挠挠度度（涉涉及及限限位位行行程程、悬悬架架击穿）击穿）3、车轮与路面间的动载荷车轮与路面间的动载荷1、平顺性分析的振动响应量（一）用随机振动理论分析汽车平顺性的概述（一）用随机振动理论分析汽车平顺性的概述四、单质量系统对路面随机输入的响应四、单质量系统对路面随机输入的响应车身加速度功率谱密度函数车身加速度功率谱密度函数车身加速度功率谱密度函数用于：车身加速度功率谱密度函数用于：a.了解振动加速度功率频谱的分布。了解振动加速度功率频谱的分布。b.求加速度均方根值求加速度均方根值或加权均方根值评价汽车平顺性。或加权均方根值评价汽车平顺性。从式：从式：（二）车身加速度功率谱密度的计算方法（二）车身加速度功率谱密度的计算方法 式中路面速度均方根谱来自式中路面速度均方根谱来自输入输入q车身加速度功率谱密度均方根为：车身加速度功率谱密度均方根为：输入输入 车身加速度功率谱密度均方根为车身加速度功率谱密度均方根为输入输入 车身加速度功率谱密度均方根为车身加速度功率谱密度均方根为=常量（白噪声）常量（白噪声）式中式中同理得：同理得：当当=1时，前式变为时，前式变为（共振峰值）（共振峰值）显然固有频率越低，显然固有频率越低，峰值越低。此外，低频段阻尼比越大峰值越低。此外，低频段阻尼比越大，越小。高频段阻尼比越大，越小。高频段阻尼比越大，越大。二者效果相反，须折衷。越大。二者效果相反，须折衷。对单质量系统对单质量系统它与簧载荷重量它与簧载荷重量G的比值称为相对动载荷的比值称为相对动载荷这和车身振动加速度基本一样，只差一常数这和车身振动加速度基本一样，只差一常数g。故可。故可用同样公式求均方根值（标准差），求离地概率。用同样公式求均方根值（标准差），求离地概率。（三）车轮与路面间相对动载（三）车轮与路面间相对动载F d/G对对 幅频特性的分析幅频特性的分析悬架弹簧动挠度复振幅为悬架弹簧动挠度复振幅为 ，故频响函数，故频响函数 把频响函数把频响函数 代入上式，得代入上式，得 幅频特性为幅频特性为（四）悬架（四）悬架挠度挠度f d对对 幅频特性的分析幅频特性的分析1、固有频率越低，车身振动加速度、固有频率越低，车身振动加速度均方根值越低，平顺性越好。但固均方根值越低，平顺性越好。但固有频率太低，动挠度有频率太低，动挠度f d会增大，导致会增大，导致汽车载荷变化时车身高度变化过大、汽车载荷变化时车身高度变化过大、悬架悬架“击穿击穿”和乘员晕车；和乘员晕车；2、汽车悬架阻尼比不能过大或过小，、汽车悬架阻尼比不能过大或过小，有一最佳值，在有一最佳值，在0.2和和0.4之间。之间。（五）悬架固有频率与阻尼比的选择（五）悬架固有频率与阻尼比的选择表中：表中：f0 固有频率固有频率 fs 悬架静挠度悬架静挠度fd 限位行程限位行程 阻尼比阻尼比悬架参数实用范围第四节第四节 车身与车轮双质量系统的振动车身与车轮双质量系统的振动建立运动方程建立运动方程振型分析振型分析双质量系统的传递特性双质量系统的传递特性车身加速度、悬架弹簧动挠度和车轮相对动载荷的幅频特性车身加速度、悬架弹簧动挠度和车轮相对动载荷的幅频特性在路面随机输入下系统的振幅响应均方根值的计算在路面随机输入下系统的振幅响应均方根值的计算系统参数对振动响应均方根值的影响系统参数对振动响应均方根值的影响主动与半主动悬架主动与半主动悬架第五节第五节 双轴汽车的振动双轴汽车的振动振型分析振型分析使使 Z Z，减小俯仰角加速度，减小俯仰角加速度计算前、后双输入系统振动响应时的单轮输入折算幅频特性计算前、后双输入系统振动响应时的单轮输入折算幅频特性轴距中心处垂直位移轴距中心处垂直位移Z Z c c和车身俯仰角位移和车身俯仰角位移对前轴上方车身位移对前轴上方车身位移Z Z2c2c的的 幅频特性幅频特性车身上任一点车身上任一点P P的垂直位移的垂直位移Z Z2p2p对前轴上方车身位移对前轴上方车身位移Z Z2f2f的幅频特性的幅频特性 及及 功率谱密度和均方根值的计算功率谱密度和均方根值的计算第六节第六节“人体座椅人体座椅”系统的振动系统的振动第七节第七节 汽车平顺性试验和数据处理汽车平顺性试验和数据处理一、平顺性试验内容1悬架刚度、阻尼的测定2固有频率和阻尼比的测定 频率根据波形直接测定测出周期，再求倒数。阻尼比下式测定：3频响函数的测定 可在电液振动台上或路面上进行。传动系弯曲振动试验 传动系振型试验框图 传动系弯曲振动频率响应平顺性试验数据的采集和处理1.测试仪器2.数据处理 进行FFT、自谱、频率响应函数、加权均方根值的计算等。华南农业大学车辆工程系 朱余清