车辆悬架系统的乘坐舒适性研究

1、第6卷第2期2006年6月湖南工业职业技术学院学报Vol16No12Jun12006车辆悬架系统的乘坐舒适性研究周华祥,曾霞文(湖南工业职业技术学院汽车教研室,湖南长沙410082)摘要本文根据车辆振动模型,分析不平路面对车辆运行引起的振动规律。关键词车辆;悬架系统;舒适性;研究中图分类号U27011文章标识码A-02ResearchAroundifortheComforts-xiang,ZENGXia-wenIPolytechnic,AutomobileEngineeringRoomDept,Changsha410082,Hunan)AbstractTheaccordingtothevehi

2、clevibrationmodel,analysesthevibrationregulationofthevehiclemovementtothegravamenroad.Relatedmeasuresofraisingthecomfortofembarkingvehiclesareputforward.Keywordsvehicle;hangingsystem;comfortandresearch车辆的行使系是由车架、车桥和车轮、悬架等组成。车辆在行驶中,不平路面将激起车辆的振动。振动的幅度、频率等特性与车辆的悬架系统的刚度有关。振动与人乘坐舒适性(也称行驶平顺性)、结构耐久性、操纵稳定性以

3、及车辆通过性都有关。如果改变悬架的结构以及调整悬架系统的刚度就可改善乘坐的舒适性。本文仅考虑振动对乘坐舒适性的影响。振动现象按系统响应的性质可分为规则振动与随机振动。由路面不平度激起的汽车振动是一类复杂的随机振动。但考虑到以下原因,仍按规则振动理论来建立数学模型分析:(1)对一个振动系统,我们关心的是输出与输人的幅值比以及相位角,即系统的动力响应(也称传递特性),系统的响应特性决定于系统的固有参数,与激励方式(规则激励或随机激励)无关,因此规则振动是随机振动分析的基础。(2)规则振动便于分析,其结论能反映汽车的振动本质。(3)根据朋戈德(R.A.Bangold)等人的研究,砂土路和雪地都有一种

4、类似于正弦曲线的波形。1.模型一:车身的振动的模型是如图1所示的二自由度系统,竖直方向的振动位移用z表示,绕横轴的纵向角振动用B表示,振动方程为:图1)-K2(z-b)Mz=-K1(z+a)b-K1(z+a)aMp=K2(z-b径,K1,KZ分别为前后弹簧的刚度。令K+KM22(1)车辆振动系统的数学模型式中M为车身质量,p为绕通过车重心的横轴的回转半车辆是一个复杂的多自由度振动系统,为了便于分析,视研究的问题可将其简化成单自由度、二自由度及多自由度系统。假设11车辆只有竖直上下振动与绕横轴的纵向俯仰角振动,这两种振动对乘坐舒适性影响最大;21将汽车质量分为悬挂质量与非悬挂质量。悬挂质量也称车

5、身质量,用M表示;非悬挂质量(车轮与车轴的质量)也称车轮质量,用m表示。当悬挂质量分配系数等于1时,悬挂质量可分解为前轴上的集中质量M1和后轴上的集中质量M2,并且这二部分质量的竖直方向振动是相互独立的。=pz22Ka+KbMKa-KbMKa-KbMp22=p2=1=2PZ与Pe分别为竖直振动部分固有频率和角振动部分固有频率,则方程(1)可改写成收稿日期2005-10-10作者简介周华祥(1956-),男,湖南常德人,湖南工业职业技术学院高级工程师,研究方向:汽车。© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing Hou

6、se. All rights reserved. 第2期周华祥等:车辆悬架系统的乘坐舒适性研究z+pzz+1=0=2z=09(2)m1+K2(-z)=0Mz+K(z-)+m1=0m+K1-K(z-)=K1q(8)求解以上方程可得车身自由振动的二个主频率:22222(p212p1,2=(px+p) )+4x-p9与低频p1对应的主振型振幅比:Ap-p=22=2B1p1-px对高频p2对应的主振型振幅比:Ap-p=2=2B2p2-p2x22(3)21振动模型和舒适性分析1)当竖直振动部分固有频率Px小于角振动部分固有频率(4)P大于低频振动频率P1时,则说明低频主振型主要表现为竖(5)模型二:车身

7、型振动与车轮型振动。为了研究车轮、轮胎等对振动的影响,现将车辆简化为车身与车轮二个自由度系统(图2),并用移,不计阻尼的自由振动方程为:图2Mz+K(z-)=0m-K(z-)+K1=0(6)解之,可得二个主频率:p1,2=22(pm+pM) 2+K,pM=mKK122(pm+pM)-4Mm(7)其中pm=分别为车轮部分和车身部分的固有频率。模型三:乘坐舒适性模型。乘坐舒适性是以座位传到人体的加速度来评价的,为了计算座位传到人体的振动加速度,讨论的对象要扩展到车轮、车身与人体组成的系统。设人的质量为m1,车身质量为M,车轮质量为m,弹簧钢度依次为KZ,K及K1,不计阻尼.振动方程为:直上下振动。

8、当竖直振动部分固有频率Px大于角振动部分固有频率P小于高频振动频率P2,低频主振型主要表现为角振动,设计时若在悬架系统增加铰链结构,P,Px;车辆角振P都与车辆弹性刚度K有关。弹性刚度K,可按计算机的指令变化控制,乘坐舒适性得到进一步改善。2)在强迫振动情况下,当干扰力频率接近P1时,产生低频共振,主要表现为车身型振动。当车辆质量比M/m=6,刚度弧度/秒时,有P1=比K1/K=6;车身部分固有频率PM=30192PM;P2=615PM关系。当干扰力频率接近P1时,产生低频共振,为避免低频共振应适当加大车身弹性刚度K。适当减小车身质量M。现代车辆车身弹性刚度K通常是由计算机来控制的。PM是与车

9、身弹性刚度K成正比关系;与车身质量M成反比关系。车身质量M通常是由结构设计时确定的。当干扰力频率接近P2时,系统主要表现为高频共振,为车轮型振动。通过模型二可以看出:车辆振动高频固有频率Pm是与车身弹性刚度K和车轮弹性刚度K1成正比关系;与车轮质量m成反比关系。减小车轮部分共振的有效方法是:提高相对阻尼系数,减小轮胎刚度及车轮车轴的质量,降低高频振动频率,提高乘坐舒适性。同时对提高车轮与地面附着性能也有明显的好处。3)通过模型三可以看出:车辆通过以上控制后振动已经得到有效衰减,一般都能达到国家规定的舒适性标准。为了更好地服务人类在模型三中,乘坐弹簧刚度K2应适当减小,保证座位能对人体最敏感的4-8HZ振动进行衰减,以达到座位系统固有频率2-3Hz范围。满足人体对车辆舒适性要求。31结论1)使车辆竖直振动部分固有频率Px小于角振动部分固有频率P且大于低频振动频率P1,车辆处于低频主振型。2)设计时在悬架系统增加铰链结构。3)结构设计时应选定匹配模式,确定车身质量M和系统刚度K。4)减小轮胎刚度及车轮车轴的质量。5)选择乘坐弹簧刚度K2,保证座位系统固有频率2-3Hz范围。6)车辆弹性刚度K采用计算机的指令控制。参考文献1庄继德编著1汽车通过性1吉林人民出版社,1980,P20812余志生主编1汽车理论1机械工