（农业机械化工程专业论文）双轴车辆整车振动特性试验研究.pdf

摘要 车辆是一个复杂的多自由度“质量一一刚度一一阻尼”振动系统，它是由多 个具有固有振动特性的振动子系统所组成，这些不同形式的振动及其耦合是影响 汽车行驶平顺性、舒适性、安全性及汽车零部件使用寿命的主要原因。本文将利 用理论研究与试验研究帽结合的办法，对发动机系统、行驶系统及平顺性三个方 面对车辆整车振动性能进行研究。 通过对四轮车辆的动力学分析，建立了八自由度车辆的力学模型，计算得到 车辆四点随机激励的八自由度耦合振动方程，并用分块矩阵的方法推得车辆振动 系统的传递函数。选用五十铃牌双排座载货汽车作为样车，利用先进的测试仪器 d h 一5 9 2 2 动态信号测试分析系统，对驱动桥、车架、车厢、驾驶座椅及后排座 椅进行测试，获得其在不同路况、不同行驶速度下的振动加速度的时域和频域曲 线，然后对这些数据比较处理，分析发动机振动、路况、和行驶速度三个因素对 车辆振动的影响，结果显示，三个工况因素对车辆振动都有不同程度的影响，且 权重也不相同。探索改善车辆整车振动性能的方法和措施。 关键词：八自由度；传递函数；随机激励；振动测试；振动分析 a b s t r a c t v e h i c l ei sac o m p l i c a t e d ”q u a n t i t y - - r i g i d i t y d a m p i n g ”v i b r a t i o n s y s t e m w h ic hi sm u l t i d e g r e eo ff r e e d o m i tism a d e u po fm a n y s u b s y s t e m st h a th a v et h e i rr e s p e c t i v ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i t s t h e s e v i b r a t i o n sa n dt h e i rc o u p l e dv i b r a t i o n sa r et h em a i ar e a s o n st h a ta f f e c t t h es m o o t h l y ，c o m f o r t ，s a f e t yo fa u t o m o b i l ea n dp a r t ss e r v i c e1 i y e s t h ist e x tw i l lr e s e a r c ht h ew h o l ec a rv i b r a t i o nc h a r a c t e r is t i cf r o mm o t o r s y s t e m ，r u ns y s t e ma n ds e a t s i nt h ew a yo ft h e o r yr e s e a r c hw i t ht e s t r e s e a r c h i nt h i sa r t i c l e ，f r o mt h ed y n a m i ca n a l y s i so ft h ef o u r w h e e lv e h i c l e ， w ee s t a b l i s h e dt h em e c h a n i c a lm o d e lo fe i g h td e g r e e so ff r e e d o m w ee o u d a ls og e tc o u p l e dv i b r a t i o ne q u a t i o n sf o rt h ev e h i c l eo ff o u rp o i n t r a n d o m e x c i t a t i o na c c o r d i n gc a l c u l a t i o n t h em e t h o dt h a td i v i d i n gam a t r i xt o b l o c k sc o u l dg e tt h es y s t e mt r a n s f e rm a t r i x c h o o s i n gn h ri s u z ut ob e t h ek i n de a r m a k i n gu s eo fd h 5 9 2 2d y n a m i cs i g n a lt e s ta n a l y s i ss y s t e m t ot e s td r i v i n gb r i d g e ，v e h i c l ef r a m e ，c o m p a r t m e n t ，d r i v e rc h a i ra n dr e a r r o wc h a i r s ，a c q u i r et h e i rv i b r a t i o na c c e l e r a t i o no nd i f f e r e n tr o a di n d i s s i m i l a r i t ys p e e d t h e nc o m p a r i n ga n dp r o c e s s i n gt h e s ed a t a ，a n a l y z e t h ei n f l u e n c eo fm o t o rv i b r a t i o n ，r o a ds i t u a t i o na n ds p e e dt ot h ev e h i c l e v i b r a t i o n t h er e s u l t sm a n i f e s tt h a t ，t h r e ef a c t o r sv i b r a t i o nh a v e d i f f e r e n ti n f l u e n c et ot h ev e h i e l ev i b r a t i o nd e g r e e ，a n dt h ep o w e ri sa l s o d i f f e r e n t i n v e s t i g a t ea n di m p r o v et h em e t h o da n dm e a s u r eo fw h o l ev e h i c l e v i b r a t i o na c c o r d i n gt h i sr e s u l t s k e yw o r d s ：e i g h td e g r e e so ff r e e d o m ：t r a n s f e rm a t r i x ；r a n d o m e x c i t a t i o n ： v i b r a t i o nt e s t ； v i b r a t i o na n a l y s i s i i 第一章绪论 车辆振动性能是评价车辆质量的重要性能指标之，随着市场竞争的日趋激 烈和人们对车辆舒适性要求的提高，有关车辆整车振动性能方面的研究工作越来 越受到重视。车辆是一个复杂的多自由度“质量一刚度一阻尼”振动系统“”， 它是由多个具有固有振动特性的振动子系统所组成，这些不同形式的振动及其耦 合是影响汽车行驶平顺性、舒适性、安全性及汽车零部件使用寿命的主要原因。 本文将从发动机和路面两个方面影响对车辆整车振动性能进行系统研究，探索改 善车辆整车振动性能的方法和措施。 1 1 车辆发展简况 1 8 8 6 年，德国的卡尔本茨( k a r lb e n z ) 将发动机装在一辆三轮车上，哥 特利布戴姆勒( g o t t l i e bd a i m l e l f ) 把一部发动机装在一辆四轮马车上，分 别试制成功了以内燃机为动力的三轮和四轮汽车，标志着现代汽车的真正诞生。 此后的2 0 年之内，由于主要是手工生产方式，做工精细，比较考究，产量不大， 价格比较昂贵，因此当时汽车只是王富贵族的奢侈品，还没有大众化的交通工具。 汽车真正进入寻常百姓家始于2 0 世纪初，这时的汽车的生产中心已经开始转移。 到1 9 0 8 年，美国汽车大王福特推出t 型车，创造了汽车生产标准化和大规模流 水线作业的崭新现代化工业生产模式，这种模式降低了成本，使汽车的价格从 8 5 0 美元降到2 9 0 美元，成为普通人能买的起的汽车。从此，汽车生产的中心便 从欧洲转移到美国。在2 0 世纪2 0 年代，福特汽车公司的汽车产量已经占到全世 界的4 4 。与此同时，欧洲的汽车工业也逐步发展，特别是2 0 世纪3 0 年代， 欧洲各国也开始采用流水线生产方式，汽车的保有量不断增加，迎来了汽车工业 化时代。到8 0 年代，伴随着能源、环保、交通事故和交通堵塞等问题的目益严 重，人们开始把目光转移到解决这些问题上来。各种先进的科学技术被广泛的 应用到汽车生产制造中。在这个时期，世界各国的汽车工业都得到了快速发展， 各种新款式的汽车不断的推出，在性能和款式上都适应了现代人的需求。 1 9 0 0 年在上海的匈牙利人李恩进口了两辆福特汽车，这是首次在中国大地 上出现汽车。我国的汽车工业可以说是在2 0 世纪5 0 年代才真正起步的，但是从 5 0 年代到8 0 年代发展的非常缓慢，到了9 0 年代才真正进入高速发展期。 评价车辆性能的主要指标有： 1 经济性。伴随着能源短缺问题的日益加剧，这个问题也倍受关注，目前 汽车的燃油能量使用率相当低( 一般低于3 0 ) ，大量的能量随废气而浪费， 燃油使用率的提高研究也步履维艰，没得到突破性进展。 2 操纵稳定性。操纵稳定性直接影响了汽车的安全性能，目前对此课题的 研究方向二 要有：最小转弯半径、转向轮的摆振、方向盘的灵敏度和自动回正性 能、极限车速、a b s 、抗侧滑侧翻性能、轮胎的侧偏、悬架与车辆的匹配、驱动 力控制系统( t c s ) 、四轮转i 自系统( 4 w s ) 、车辆稳定性控制系统( v s c ) 、车辆动 力学控制系统( v d c ) 及电子稳定性程序等内容。 3 安全性。汽车的安全性，总是人们关心的重点，而针对安全性的研发， 也是汽车设计的重中之重。可溃缩转向柱、前后碰撞吸能区、聚氨酯胶合安全玻 璃、两级式安全气囊、预张紧三点式安全带、高刚度乘员舱、安全气帘、头部颈 部保护系统、安全带限力器等都是目前汽车安全方面的热门话题。 4 舒适性。衡量车辆的舒适性可以从以下四方面来判断：第一是车身的尺 寸以及隔绝振动的能力，这个振动包括发动机、底盘的振动和噪音振动；第二是 车厢内的自动化程度；第三是车厢内装备功能的多少；第四是内饰的材质。 噪声、振动与舒适性，是衡量汽车制造质量的一个综合性问题“”，它给汽 车用户的感受是最直接和最表面的。业界将噪声、振动与舒适性的英文缩写为 n v h ( n o i s e 、y i b r a t i o n 、h a r s h n e s s ) ，统称为车辆的n v h 问题，它是国际汽车 业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。有统计资料显示，整车约有 1 3 的故障问题是和车辆的n v h 问题有关系，而各大公司有近2 0 的研发费用消 耗在解决车辆的n v h 问题上。n v h 问题是系统性的。例如有些轿车行驶时车厢嗓 声大，查源头在发动机，那么这一个噪声问题可能就涉及到三个部分，一个是发 动机本身的噪声大，一个是发动机悬置部件减振效果差，一个是车厢前围和地板 隔音技术不好，是一个互相关联的系统问题。遇到车厢噪声大时，人们一般考虑 加强车厢隔音技术和材料，而对真正的噪声发生源一发动机则是无能为力，这只 能是“亡羊补牢”，无法从根本上解决问题。但如果运用n v h 解决方案，就会涉 及发动机、悬置及车架等，从根本上减少噪声产生的来源。 汽车的发动机和车身都通过弹性元件支承在车桥和轮胎上“，构成一个弹 性振动系统，整个系统按照各总成部件又分成多个“弹性振动子系统”。当汽车 因路面凸凹不平、发动机及传动系抖动或车轮不平衡而受激振动时，各“弹性振 动子系统”发生振动且互相关联。振动是噪声产生的根源之一，行驶时振动大的 车辆往往噪声也大。因此，从汽车n v hf d 题的角度看，解决噪声不能头痛治头， 脚痛治脚，而应该考虑到整车其他方面的问题，例如要考虑到车身、发动机、轮 胎、弹性支承等诸方面。汽车n v h 问题也涉及到零部件生产企业。近年随着专业 化分工，整车制造企业已经逐渐将大部分零部件交给零部件生产企业来做。盛行 的“模块化”生产方式把汽车装配生产线上的部分装配劳动转移到装配生产线 以外的地方去进行。这样，零部件生产企业必然遇到n v h 问题。设计者考虑的问 题也不单纯是零部件的本身，而是零部件与零部件2 _ f j ，零部件与整车之间的关 系。例如在解决发动机n v h 问题时，c o o p e r s t a n d a r d 发动机公司为了获得更好 的降噪效果，除了对发动机做降噪处理外，还对车辆的发动舱、车厢内部设计结 构都进行了声学研究，以求最好的解决方案。另外，轮胎也是噪声的主要来源之 ，一些厂商除选用低噪声轮胎外，还对车轮罩衬垫进行声学特性设计，使其起 阻隔噪声的作用。 噪音和振动对人体健康的影响是多方面的。噪音和振动作用于人的中枢神经 系统，使人们大脑皮层的兴奋与抑制平衡失调，导致条件反射异常，使脑血管扩 张，遭到损害。这些生理上的变化，在早期能够恢复原状，但时间一久，就会导 致病理上的变化，使人产生头痛、脑胀、耳鸣、失眠、记忆力衰退和全身疲乏无 力等症状。如果孕妇长期乘坐嗓音和振动较大的车辆，噪音和振动会通过作用于 中枢神经系统影响胎儿发育。汽车噪音和振动不但增加驾驶员和乘员的疲劳，而 且影响汽车的行驶安全。另一方面，噪音和振动对消化系统、心血管系统也有严 重不良影响，会造成消化不良，食欲不振，恶心呕吐，从而导致胃病及胃溃疡病 的发病率提高，使高血压、动脉硬化和冠心病的发病率比下常情况明显提高。噪 音和振动对视觉器官也会造成不良影响。 1 2 车辆振动研究进展 1 2 1 车辆振动研究的历史 1 6 5 6 1 6 5 7 年，荷兰的惠更斯c 首次提出物理摆的理论，并创制了单摆机 械钟。1 8 2 7 年，b r o w n 在观察悬浮在液体中的极细微粒子的运动时，发现这些微 粒子因连续受到分子的碰撞其运动是无规则的，这是对随机振动的最早研究。2 0 世纪初，人们关心的机械振动问题主要集中在避免共振上，因此，研究的重点是 机械结构的固有频率和振型的确定。1 9 0 5 年，e i n s t e i n 提出用概率方法和微分 方程理论来分析研究随机振动现象，得到了若干结果。1 9 2 1 年，德国的h 霍尔 泽提出解决轴系扭转振动的固有频率和振型的计算方法。1 9 2 3 年，著名的美国 控制论之父w i e n e r 把b r o w n 运动正式作为随机过程来研究。由于当时的数学、 力学理论、计算手段和试验方法的限制，人们只把汽车简化为两自由度的四分之 一车辆模型。这模型认为车身前后部分的振动是相互独立的，此模型简单，计算 量小，容易求解，但只能分析车身和车轮的垂直振动，分析结果的精度不高。3 0 年代，机械振动的研究开始由线性振动发展到非线性振动。5 0 年，机械振动的 研究从规则的振动发展到要用概率和统计的方法才能描述其规律的不规则振动 随机振动。随着航天技术的高速发展，人们认识到随机理论在工程中具有广 泛的应用。此时人们建立的整车力学模型主要是二分之一车体的平面模型，自由 度也达到3 到j 个，该模型反映了车身的垂直振动和纵向角振动以及路面的不平 度激励输入，其结果也优于二自由度模型。由于自动控制理论和电子计算器的发 展，过去认为甚感困难的多自由度系统的计算，已成为容易解决的问题。振动理 论和实验技术的发展，使振动分析成为机械设汁中的一种重要工具。6 0 年代， 有限元法开始用于车辆领域，它成功的将无限多自由度的连续结构振动问题变为 有限多自由度的振动问题。但是，用有限元法作较精确的分析时，往往需要求解 上万个自由度的问题，计算过程会产生很多影响计算精度的误差，因而有限元法 有一定的局限性。1 9 6 5 年，c o o l e y 提出了快速傅立叶变换( f f t ) ，使数据处理 的速度发生了大数量级的变化，之后随着计算机技术的发展，随机振动理论在工 程领域得到了广泛应用。到8 0 年代，随着计算机技术和振动理论的飞速发展， 车辆振动也得到了长足的进步。为了全面反映垂直振动、纵向角振动及侧向角振 动，并把路面通过各车轮将不平激励传递给车身反映出来，人们将车体简化为三 位立体模型，自由度也从7 个到1 5 个，该模型比较全面真是的反映了车辆振动 的实际状况。 1 2 2 车辆振动研究的现状 国外对车辆系统振动系统的研究起步较早，包括对车辆系统的模态分析和试 验，碰撞，冲击和噪声，振动的优化与控制及振动分析的各种反问题。随机振动 理论是5 0 年代开始发展起来的，现今已成为车辆工程中可靠性设计不可缺少的 理论依据。常参数线性系统在平稳随机激励和调制型非平稳随机激励下的频域和 时域方法都比较成熟。对于非线性系统”3 ，人们发展了一系列近似解法，包括特 征函数法、有限元法、有限差分法、随机步行法和等效线性法，这些方法为深入 研究和解决车辆的振动和噪声问题提供了理论基础。近十几年，随着振动理论和 计算机的不断发展、深入和完善，人们又开始研究汽车的高速旋转轴振动故障诊 断理论及方法”1 、高速汽车的操纵性和稳定性。7 “”1 、用新型高分子化合物粘弹 性材料制品减振和降噪“”、磁流变液减振控制等新的课题”。 对整车振动，国内学者做了一些工作。以前一般采用的六自由度物理模型， 与汽车的实际状况相差较多，近年来用建立整车的运动微分方程来研究整车振动 特性的方法，全面考虑路面激励和发动机激励的影响，用m a t l a b ”、a d a m s 、a n s y s 等软件编制计算程序对整车振动进行模拟计算、分析评价和优化设计，以求改善 农用车的整车振动特性。由于模型与现实存在一定差异，方程的建立很复杂，且 环节间很难做到精确，故最后的模型与实际情况总有一定的差异。 发动机系统是车辆系统的一个重要组成部分。随着道路条件改善和汽车轻量 化设计要求的提高，发动机振动对整车舒适性的影响越来越受到关注，各汽车生 产厂家也十分重视发动机悬置系统和悬置元件的研究“2 “。发动机悬置系统的主 要功能是控制发动机工作时激振力向底盘的传递，合理选择发动机悬置系统，可 以明显降低发动机和车辆的振动，减少发动机经悬置系统传递给车架的力以及由 此激发车身钣金件和底盘相关零部件振动的噪声，因此可以明显提高汽车的耐久 性和乘坐舒适陛。早期的车辆设计中，发动机直接用螺栓刚性地连接在车架上， 发动机产生的振动直接传递给车体，同时路面不平度产生的振动又通过车架传递 给发动机，加剧了发动机的振动，因此人们开始使用发动机悬置系统来减少发动 机的振动。发动机悬置系统一般由三到四个悬置元件来支承发动机的重量，并使 各支承元件上的载荷分配合理。发动机悬置系统的设计原则是： ( 1 ) 为减小低频区段的大振幅振动，需要系统有较大的阻尼； ( 2 ) 为保证悬置系统在高频区段具有良好的隔振效果，需要系统有较低动 刚度。 目前，车辆发动机悬置系统主要有橡胶悬置系统和液力悬置系统两大类。传 统的橡胶悬置系统具有结构简单、成本低的特点，目前仍在车辆上得到广泛应用， 但实践证明橡胶悬置系统的动态特性不能很好地满足低频大阻尼，高频低动刚度 的要求，具体表现在不能在路面激起发动机颤振和怠速转矩的低阶谐波激起发动 机在悬置上共振时提供较大的阻尼以有效抑制发动机这种低频大振幅的振动，致 使车内振动过大，乘坐舒适性较差；发动机在中高速运转时，橡胶悬置在高频小 振幅条件下刚度又显得过大，从而不利于整车振动噪声的降低。橡胶悬置系统动 态特性的局限性决定了其不可能从根本上解决发动机激励引起的整车振动问题， 但可以通过优化设计来改善橡胶悬置系统的性能。目前发动机悬置系统优化设计 的主要方法是：建立发动机悬置系统振动分析模型，以发动机悬置系统的固有频 率为目标函数，以悬置位置和刚度为设计变量，建立发动机悬置系统的优化数学 模型，选择优化算法编制优化计算程序对发动机悬置系统进行优化计算，使得发 动机悬置系统的固有频率避开发动机的怠速区和常用工作区，从而达到改善发动 机悬置系统性能的目的。 由于橡胶悬置系统在动态特性方面存在局限性，因此汽车厂家致力于发展更 有效的隔振元件液力悬置，并己成功地应用于轿车，也在逐步向其它车型普 及。发动机液力悬置系统是在橡胶悬置内封装有液体并借助液力特性来改善橡胶 悬置动态特性的新型隔振元件。由于液力悬置在低频大振幅时有较大的阻尼( 滞 后角大于4 0 5 0 。以上，普通橡胶悬置滞后角通常小于1 0 。) ，可有效衰减车辆振 动，在高频小振幅时具有较低的动刚度，可以降低车内噪声和车腔共鸣声。根据 控制方式的不同，可将液力悬置系统分为被动式液力悬置、半主动式液力悬置和 主动控制式液力悬置三类。这三类悬置系统的主要优缺点是： ( 1 ) 被动式液力悬置结构尺寸d 、，制造安装简便，成本低，无功率损失，可 以在某一频段明显提高乘坐舒适性，目前应用较广，但由于结构局限性，被动式 液力悬置性能的进一步提高受到限制； ( 2 ) 半主动控制式液力悬置陛能明显优于被动式结构，但结构较被动式复 杂，由于增加了控制机构，使得成本增加，尺寸增大，性能尚不完善； ( 3 ) 主动控制式液力悬置响应速度快，与半主动控制式液力悬置相比性能明 显改善，但成本高，易损坏，不易维修，且功率消耗较大，该悬置在实车上应用 较少，以后应努力降低系统复杂程度和成本，提高可靠性，实现适用化。 目前农用运输车的发动机悬置系统，大多采用橡胶悬置系统，一些中小吨位 的农用运输车直接用螺栓将发动机固定在车架上。农用运输车选用柴油发动机作 为动力，其爆发压力较大，工作较为粗暴，未平衡的惯性力也很大，发动机悬置 系统简单的模仿不可能取得预期的隔振效果，因此发动机引起的整车振动是中小 吨位农用运输车一直未能解决的问题。农用运输车的特点决定了其不可能采用液 压悬置等高成本的发动机悬置系统，目前主要是借鉴汽车发动机悬置系统的优化 方法对农用运输车所采用的橡胶悬置系统进行改进设计。王锦雯“”对农用运输 车发动机悬置系统进行试验研究，通过分析悬置元件的刚度、结构形式及布置位 置对悬置系统隔振效果的影响，认为对于柴油发动机这种振动较大的激励源应比 较刚性地固定在车架上，将车架作为大的质量块来吸收振动，有利于振动和噪声 的降低。潘公宇“”在分析农用运输车发动机悬置系统振动的基础上，以发动机 六阶固有频率为优化目标，建立发动机悬置系统的优化数学模型，通过优化使发 动机悬置系统固有频率有较为合理的匹配。 车辆的行驶平顺性是评价车辆质量的重要性能指标之。车辆行驶平顺性的 好坏不仅直接影响到乘员的舒适性和货物的安全可靠运输，而且影响着车辆多种 使用性能的发挥和行驶系的寿命，因此有关改善车辆行驶平顺性的研究工作越来 越受到重视。目前对车辆行驶平顺性的研究，主要是建立车辆振动分析模型，以 路面不平度作为系统激励，对整车振动响应进行模拟计算，建立平顺性优化数学 模型，对车辆悬架的刚度和阻尼进行优化设计。根据研究目的的不同，可将实际 车辆系统进行不同程度的简化，然后建立整车振动分析模型，分析研究车辆行驶 平顺性。目前最常见的整车振动分析模型主要有三种：两自由度的四分之一车辆 振动分析模型、平面五自由度的二分之一车辆振动分析模型、三维整车振动分析 模型。如果车身的质量分配系数接近1 ，则认为车身前后部的振动是相互独立的， 就可以建立代表四分之一车辆的两自由度模型。用这种模型进行分析时，求解容 易，计算量小。但只能分析车身和车轮的垂直振动，因此分析结果的精度不高。 早期的有关悬架参数和座椅特性参数优化匹配的研究，大多采用这种模型。目前， 在许多有关主动和半主动悬架研究的文献中，也普遍应用这种模型来验证控制理 论和控制装置的正确性和有效性。由于这种模型忽略了车身的纵向角振动和侧向 角振动，因此，一般用于粗略的定性分析研究中。如果车辆相对于纵垂面完全对 称，并且左右车轮下的路面不平度变化完全一样，则可认为车辆在纵垂面上振动， 就可以将车辆简化为代表二分之一车辆的平面五自由度模型。该模型反映了车身 的垂直振动和纵向角振动，路面的不平激励输入包括前轮和后轮。五自由度模型 分析得到的结果精度高于二自由度模型，因此，在车辆振动预测与平顺性模拟分 析、悬架参数优化设计等研究中，平面五自由度模型得到更广泛的应用。要全面 反映车身的垂直振动、纵向角振动及侧向角振动，并把路面通过各车轮将不平激 励传递给车身这一特点反映出来，就应将车辆简化为三维立体模型。该模型以四 个车轮所受的路面激励的差异、以及车身的侧倾对车身振动的影响考虑进来，这 就比较真实地反映了车辆振动的实际状况。采用这种模型，还能将前后悬架结构 形式的不同组合情况表示出来，即前独立悬架、后非独立悬架、前后都是独立悬 架、前后都是非独立悬架等多种组合。 为能更精确地分析车辆振动，有的文献中采用了更复杂的车辆振动模型。如 研究长轴距的重型载货汽车的振动时，考虑车架的一阶弯曲和一阶扭转振动，建 立了三维十自由度模型“6 ”；或者为了减小驾驶员座椅的振动，进一步考虑驾 驶室本身的三维振动，从而将整车简化为十五个自由度的模型“9 ”1 。但是，随 着车辆振动模型复杂程度的增加，计算时所需的初始参数也大大增加，如果所有 的初始参数不能比较准确地得到，反而会降低计算结果的精度。因此，有学者指 出，在建立车辆振动模型时，应考虑在现有的条件下所得到的模型中所需的初始 参数的多少，不必过分追求模型的复杂程度。建立车辆平顺性的参数优化数学模 型，即正确选择优化设计变量、目标函数和约束条件，并把它们组合在一起，成 为一组能准确反映车辆平顺性的参数优化问题实质的、容易计算和处理的数学表 达式。一般选取悬架系统的刚度和阻尼作为设计变量，从悬架的偏频、阻尼、动 行程、车轮动载荷、悬架抗侧倾和抗纵倾性能及前后悬架侧倾刚度的匹配等方面 提出约束条件。目标函数的选择取决于具体的研究目的。若要提高驾驶员的乘坐 舒适性，就应把最小化驾驶员座椅处的振动加速度作为目标函数“”；若要降低 整车振动，就应把最小化车身质心处垂直振动加速度或车身前后两点处加速度的 代数和作为目标函数”4 ”1 ，或者以同时最小化车身质心处垂直振动和纵向俯仰 振动为目标函数“”，也可把同时最小化车身质心处振动、车轮动态接地力及悬 架动行程作为目标函数“5 ”1 。对于双轴车辆的悬架系统优化，在确定目标函数 时，应注意两点“”，其一是不应单独以车身前部或后部的某点振动最小作为目 标函数，否则在优化过程中有的变量因为对目标函数影响较小，可能一直保持初 值不变或仅有很小的变化，从而得不到合理的优化结果；其二是不应仅以车身质 心或靠近质心的某点的振动最小作为目标函数，否则就不能反映车身的纵向俯仰 振动( 对于平面五自由度车辆模型) 和横向侧倾振动( 对于三维车辆模型) 。 1 2 3 车辆振动研究的趋势 1 利用具有强大分析功能的有限元分析法，画出精确的模型，设置确切的 参数，分析汽车的重要部件的振动问题，并利用仿真软件对汽车进行仿真分析； 2 实际的构件都是非线性的，而很多研究往往是在线性假设的基础上进行 的，具有一定的误差。随着振动理论的不断深入，也应深入研究汽车振动的非线 性问题，包括汽车振动的分岔和混沌现象“3 1 ： 3 利用先进精礁n 勺测试仪器对汽车进行全面的测试，充分认识汽车的实际 振动特性，所街结果用以指导汽车的设计“： 4 汽车的原始振动是很难避免的，因此，为了减震可采取振动的被动、半 主动和主动控制方法达到减震的目的67 。“。 1 3选题目的及意义 随着社会的进步和人们生活水平的不断提高，人们乘坐车辆的频率增多，而 且现在相当多的一部分人能够购买自己的交通工具一一汽车，他们生命中相当大 的一部分时间在车辆中度过，于是，人们对汽车乘坐舒适性的要求就越来越高。 另一方面，由于最近几年国内汽车制造业的迅猛发展，汽车制造业的竞争也日趋 激烈，各汽车制造公司加强研发力量，试图开发出乘坐舒适性好、高性能、经济 的产品。使自己公司在激烈的市场竞争中长盛不衰。因此，对汽车乘坐舒适性及 其评价方法的研究就显得十分的重要。其中汽车振动模型的研究是重要的、不可 或缺的内容。 汽车行驶时引起振动的激励因素，一般认为有两类：一是以发动机惯性力为 激振源的周期性受边振动；二是汽车行驶时，地面不平引起的随机振动。发动机 在运转中产生些振动，其原因可列举如下： ( 1 ) 出于发动机重心做周期性移功的影响： ( 2 ) 沿气缸上下方向做往复运动的部分的惯性力的影响； ( 3 ) 连杆左右摆动时的惯性力的影响； ( 4 ) 由所有运动部分的惯性力所引起的曲轴回转力变化的影响； ( 5 ) 由气体压力所引起的曲轴回转力周期性变化的影响。 在考虑发动机的振动问题时，可做如下两个假设： ( 1 ) 发动机是用弹性支承安装于底盘上，而底盘本身可看作是绝对刚体。 以前，是将发动机直接固定在底盘上的，而近来则是借助于橡胶等弹性地安装于 底盘上，即所谓橡胶减振。这样，可以使发动机运转时产生的不平衡力所引起的 不良影响在传到底盘时能有所减轻。对于小型汽车采用四缸发动机时出现的那种 不平衡力特别大的情况，这种安装方法尤为必要。 ( 2 ) 认为发动机曲轴的回转角速度是一定值。实际上，即使在发动机的一 个循环中，回转角速度也是在时刻变化的，而发动机运转时又是重复进行着这种 变化。可是在考虑不平衡力的影响时，这种回转角速度的变化就成为次要的了， 可以忽略其影响。 由于汽车受到凹凸不平路面的冲击，所以在行驶中不断地引起振动，当汽车 零部件的联接处有松旷时，这一振动会引起新的振动，结果使零部件逐渐损坏， 使乘客感到不舒适，易于疲劳。另外这些振动还经常引起噪声及空气振动，对人 耳的听觉机能会产生不良影响。由于其作用频率在人体反应的敏感区域内，早就 受到了国内外学者的普遍重视。 汽车是由几个具有固有振动特性的振动系统所组成，这些振动系统相互间又 有一定程度的联系而形成耦合。车轮的外周装有充气轮胎，车轮滚动时，通过其 弹性表面与凹凸的路面接触，而车身则通过弹性悬架支承在车桥上，乘客又以弹 性减振坐垫与底盘隔开。这样既用弹性悬架支承，又用弹性轮胎，特别是使用减 振坐垫都是为了使乘客感到舒适，对载重汽车来说是为了防止所运货物的损伤。 不仅如此，从机械工程学角度考虑，还要使车轮及汽车各总成不产生过大的应力， 使轮胎与路面接触平顺以延长轮胎寿命，减轻道路损坏，特别是使从发动机传到 驱动轮的驱动力更有效地驱动汽车行驶。 对于农用车来说，般用振动较大的单缸或多缸柴油机作为发动机，而且农 用车主要是在县、乡一级的公路、砂石路和机耕道路面行驶，随着车辆平均车速 的提高，农用运输车辆在不平路面上行驶时的振动问题已经影响到乘员的乘坐舒 适性、货物的完好无损和车辆零部件的可靠性。因此来自发动机自身和路面的激 励使得农用车的振动问题相当突出。而其本身的减振、隔振措施又比较简陋，如 悬架系统一般采用非独立钢板弹簧作为减振元件，驾驶员座椅没有减振装置等， 很难获得较好的减振效果。而发动机的作用频率虽然不在人体反应的敏感区域 内，但根据国际标准化组织制定的振动对人体综合反应所用的频率( o o e - e o h z ) 来看，这部分的影响显然是必须考虑的。实验研究农用车的振动特性，对于农用 车的设计改进具有重要的现实意义。 要准确地评估人体对汽车振动响应的影响，首先要建立合理的汽车动力学模 型，模型建立时所考虑因素的多少与计算精度有很大关系，由于汽车各部件振动 情况十分复杂，欲通过一个完整的模型全面反映汽车的振动特性是比较困难的， 因此，在研究问题时，需根据问题的主次因素，对振动系统进行简化。 在建立汽车振动简化模型过程中，自由度选择至关重要，常见的线性振动模 型有如下三种：四分之模型、二分之一模型、整车模型。而对于整车模型又有 七自由度模型、八自由度模型、十自由度模型、十六自由度模型，后来由于a d a m s 软件的广泛应用，汽车振动模型的自由度数目多达几十甚至上千。通常如果自由 度的选择符合汽车的力学特性，自由度越多，其计算结果就越接近汽车的实际振 动规律。并且整车模型由于考虑了整车所有轮胎、悬架等元件之间的耦合作用， 较四分之一车模型、二分之一车模型较为准确。此外，对于多自由度模型，当自 由度数取的越多时，理论上就越逼近真实系统，雨应用计算机则正好为多自由度 系统的复杂计算提供了快速而又准确的工具，因而国内外的学者们又将汽车振动 模型拟合成八自由度、九自由度、十自由度甚至十二自由度等多自由度的各种三 维空间模型m - 7 ”，这些汽车的简化模型不但考虑了汽车的垂直振动，也考虑 了汽车的纵向和横向角振动，而且从汽车振动舒适性角度出发，考虑了人体的振 动响应，在系统中增加了“人一椅系统”，同时对四轮汽车，考虑了四个轮上由 于路面的不平激励而作用的四个互相有一定联系而又有不同的随机输入信号。再 者，对于某些车身刚度低轴距又较大的汽车，对其车架及车身的弯曲振动与扭转 振动的考虑，这些研究将使得模型更加接近汽车的真实行驶状况。系统自由度数 的增加意味着计算中要求测定的参数增多，同时带来的困难是有些参数根本不能 准确的测定( 如结构刚度，结构阻尼等) ，这必然给计算结果带来了误差。再说， 过分地追求计算精度会带来计算时间的延长，降低了计算效率。另外在国内研究 文献中使用五自由度、八自由度和十自由度的力学模型进行了计算，发现八自由 度的模型已经足够准确”“7 2 。 国内的汽车设计状况基本上还是停留在仿形设计阶段，引进车型一经改动就 会出现一些整车振动性能问题，但又不能从理论上给出改进的依据。同样，目前 农用运输车的设计制造中，在发动机悬置系统、悬架系统、座椅等方面又盲目仿 效汽车，这种简单的改进和模仿，势必从总体上改变原车的整车振动性能，不可 能取得预期的效果。事实上，车辆作为一个复杂的多自由度振动系统，其振动子 系统不仅有各自的振动形式，而且各振动子系统之间还存在一定程度的相互联系 形成振动耦合，对整车振动性能产生影响，然而目前有关发动机悬置系统、车辆 行驶平顺性和动力传动系扭转振动特性方面的研究，都是基于简化假设将其分别 视为独立的振动系统，而未能将这几个方面的作为一个完整的系统对整车振动性 能进行研究，这种研究方法具有明显的局跟性，难以达到全面改善车辆整车振动 性能的目的。在发动机悬置系统优化设计的建模中，通常假设车架为质量无限大 的刚体，将发动机：碌置系统从整车中独立出来而对发动机悬置系统进行振动分析 与优化设计。这对于车身质量很大、发动机质量小的车辆，这种简化假设引起的 误差是工程计算所许可的，但对于车身质量较小而发动机质量相对较大的车辆， 这种假设是否合理，还没人进行过这方面的研究。目前对农用运输车发动机悬置 系统的研究，仅仅停留在对橡胶悬置系统的优化设计上，却没有紧密结合农用运 输车的特点，从悬置方式和悬景元件方面进行研究，设计出结构简单、成本低廉、 适合农用运输车的发动机悬置系统，以改善农用运输车的整车振动性能。车辆在 路面上行驶时，在不平路面和发动机的共同激振作用下产生振动，但目前在车辆 行驶平顺性研究方面，所建立的车辆振动分析模型，仅考虑来自路面的不平激励， 忽略发动机激励对整车振动的影响。程京春“”在对三轮农用运输车平顺性进行 试验研究时发现，发动机激振力对车辆行驶平顺性有较大的影响。农用运输车均 选用柴油发动机，柴油发动机本身的不平衡惯性力较大，且发动机的悬置系统特 别简单甚至直接固接于车架，整个传递途径无有效的减振环节，发动机不平衡惯 性力对整车振动性能有较大的影响，由于车体质量比较小，发动机不平衡惯性力 对整车振动性能的影响显著。显然，如果车辆振动分析模型中，只考虑路面激励， 而不考虑发动机激振力的影响，这将直接影响到车辆振动响应模拟计算的准确 性，达不到改善整车振动性能的目的。在汽车动力传动系扭转振动固有频率的匹 配研究中，侧重考虑发动机和动力传动系扭转振动固有频率的匹配，而忽略动力 传动系扭转振动和整车振动的匹配。对于农用运输车，路面激励对动力传动系的 影响是不容忽视的，因此不仅要研究防止出现动力传动系扭转振动固有频率与发 动机激振频率的耦合共振，而且要研究整车振动对动力传动系扭转振动的影响， 以实现动力传动系扭转振动特性的优化。综合上述分机可知，在车辆整车振动性 能的研究方面，如果孤立地对发动机悬置系统、行驶平顺性和动力传动系扭转振 动特性进行研究，不可能从根本上解决车辆的整车振动问题，因此，必须以整车 振动为背景，对车辆的整车振动性能进行系统研究，才能提出能有效减振的方法 和措施。 1 4 研究的主要内容 车辆是一个复杂的多自由度“质量一刚度一阻尼”振动系统，它是由多个具 有固有振动特性的振动子系统所组成，这些不同形式的振动及其耦合是影响汽车 行驶平顺性、舒适性、安全性及汽车零部件使用寿命的主要原因。 本文运用理论和试验相结合的方法，采用先进的d h - - 4 9 2 2 动态信号测试分析 系统，主要研究三个方面的问题。 1 、建立符合实际的多自由度车辆振动模型，推出其动力学方程和振动传递 函数，为试验研究奠定理论基础。 2 、研究驻车状态下，发动机不平衡惯性力对车辆平顺性的影响。 3 、研究行使状态下，路面的不平度和发动机不平衡惯性力对车辆平顺性和 安全性的影响。 4 、通过不同振源对车辆不同部位振动量的测量分析，进一步探索改善车辆 整车振动性能的方法和措施。 第二章车辆振动模型与动力学方程 2 1 车辆振动研究的理论基础 2 1 1 机械振动”7 ”。 振动( v i b r a t i o n ) 是在相对给定的参考系中，一个随时间变化的量值与其平 均值相比较所表现出的时大时小交替变化的现象，是一种特殊的运动形式。它随 着振动体和振动形态的不同，又有着各种不同的表现形式。同时具有质量和弹性 的机械系统的振动称为机械振动( m e c h a n i c a lv i b r a t i o n ) 。振动问题研究的内容 可以用如下框图加以说明： t 勘( i t 曩t 幻n 卜 系统 喃窿( 轴s p e ) i 辘入p ( 奶咖) 辅出i 图2 1 振动系统 f i g 2 - lv i b r a t i o ns y s t e m 图2 1 中所示的系统即为振动问题研究的对象，小至一个零件，大到一个庞大 的工程结构或复杂机器。都可以看作一个系统，通常称为机械系统或振动系统， 它具有自身的振动特性。 2 1 2 振动系统的模型及运动微分方程 实际的机械振动系统往往是很复杂的，影响振动的因素很多，所以在分析机 械振动系统的振动问题时，为便于分析和计算，必须抓住主要因素，而略去一些 次要因素，将实际系统简化和抽象为动力学模型。当然，简化的程度取决于系统 本身的复杂程度，振动的实际情况和要求计算结果的准确性以及采用的计算工具 和计算方法等需经过实测来检验。动力学模型要表示系统的主要动态特性及外部 激振情况。任何机械系统本身结构的动态特性参数是质量( m a s s ) 、刚度 ( s t i f f n e s s ) 和阻尼( d a m p i n g ) ，下面简要介绍一下各自由度机械振动系统的动力 学模型 2 1 2 1 单自由度振动系统 ( 1 ) 振动力学模型“”1 。振动系统的力学模型是由三种理想化的元件组成 的，它们是：质量块、阻尼器和弹簧。由它们所组成的单自由度系统如图2 2 所示。图中，刖表示质量，c 表示阻尼器，膏表示弹簧，f ( f ) 表示外界的激励力， x ( t ) 表示以胛的静平衡位置为起点的位移坐标。 盹) 乳( t ) 乳( t ) 图2 2 单自由度振动系统 f i g 2 - 2v i b r a t i o ns y s t e mwjt hs i n g l ed e g r e eo ff r e e d o m t 1 f ( t ) ( 2 ) 单自由度线性系统运动微分方程。图2 3 ( a ) 是一个典型的单自由振 动系统，质量块四直接受到外界激励力以幻的作用。对质块册取脱离体如图2 3 ( b ) 所示，以z ( 0 表示以i l l 的静平衡位置为起点的位移坐标，只( 幻表示弹簧 作用在历上的弹性恢复力，尼( 0 则表示阻尼器作用在t ? 7 上的阻尼力，按牛顿定 律有： m x ( t ) = f ( t ) 一e ( f ) 一只( f ) ( 2 一1 ) 又线性振动系统有： f d2cx fs = k x 则可得 啪x ( ) + cx ( f ) + k x ( ) = f ( f ) ( 2 - 2 ) 即( 2 2 ) 为单自由度线性系统运动微分方程。从数学上看，这是一个二阶常 系数、非齐次线性常微分方程。方程的左边完全由系统参数胛、c 与膏所决定， 反映了振动系统本身的固有特性，方程的右边则是外加的驱动力只) ，反映了 振动系统的输入特性。 2 1 2 2 多自由度振动系统 ( 1 ) 多自由度振动系统的力学模型“。”1 。工程中大量的复杂振动系统往往 需要简化成多自由度系统才能反映实际问题的物理本质。一般而占，工程实际中 的振动系统都是连续弹性体，其质量与刚度具有分布的性质，只有掌握无限个点 在每瞬时的运动情况，才能全面描述系统的振动。因此，理论上它们都属于无限 多自由度的系统，需要用连续模型才能加以描述。但实际上往往可通过适当的简 化，归结为有限多个自由度的模型来进行分析，即将系统抽象为由一些集中质块 和弹雎元件组成的模型，如图2 3 所示。如果简化的系统模型中有n 个集中质 量， 收它便是一个f l 自由度的系统，需要n 个独立坐标来描述它们的运动，系 统州运动方程是1 3 个二阶互相耦合的常微分方程。 图2 3 多自由度振动系统 f i g 2 - 3v i b r a t i o ns y s t e mw i t hm u l t i d e g r e eo ff r e e d o m 为了解决n 个二阶联立