汽车振动基础

1、会计学1汽车振动基础汽车振动基础我国摆脱汽车制造大国而非制造强国的困境顺应汽车向高速化和轻量化发展趋势振动噪声分析是进行大量汽车动态性能分析的理论基础、汽车平顺性、乘坐舒适性、发动机的减振隔振及振动噪声控制、车身结构的模态分析等汽车振动是汽车行业必不可少的理论基础之一概论内容简介内容简介3 3、简谐振动、谐波分析及频谱分析、简谐振动、谐波分析及频谱分析 1、振动及其研究的问题振动及其研究的问题 在外力的作用下，弹性的机械或结构不仅产生刚体运动，还会产生由于在外力的作用下，弹性的机械或结构不仅产生刚体运动，还会产生由于自身弹性而引起在平衡位置附近的微小往复运动，这种往复运动通常称为振动。自身弹性

2、而引起在平衡位置附近的微小往复运动，这种往复运动通常称为振动。 振动所研究的问题通常分为振动所研究的问题通常分为振动分析、环境预测和系统辨识振动分析、环境预测和系统辨识三类。三类。4 4、汽车上的振动问题、汽车上的振动问题 发动机和传动系统、悬架系统、制动系统、转向系统、车身和车架发动机和传动系统、悬架系统、制动系统、转向系统、车身和车架2 2、振动的分类及研究振动的一般方法、振动的分类及研究振动的一般方法 自由振动、受迫振动、简谐振动、周期振动、非周期振动、随机振动自由振动、受迫振动、简谐振动、周期振动、非周期振动、随机振动 理论分析法、实验研究法、理论与实验相结合的方法理论分析法、实验研究

3、法、理论与实验相结合的方法基本概念振动的危害与利用？振动的危害振动的危害(1) Tacoma 峡谷大桥峡谷大桥 (1940.7.11940.11.07)舞动的格蒂“猎风行动”风洞试验强壮的格蒂强壮的格蒂 1950今天的塔科马海峡大桥今天的塔科马海峡大桥2007卡门涡街卡门涡街（K Krmrmn vortex streetn vortex street）卡门涡街卡门涡街是指流体绕过非流线形物体时，物体尾流左右两侧产生是指流体绕过非流线形物体时，物体尾流左右两侧产生的成对的、的成对的、 交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋 共振英国渡桥电厂冷却塔英国渡桥电厂冷却

4、塔 (1965)塔高塔高122m, 122m, 钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构19651965年年1111月月1 1日，英国渡桥电厂的日，英国渡桥电厂的8 8座冷却塔在座冷却塔在8 8级风中倒掉了级风中倒掉了3 3座座19731973年年9 9月月2727日，英国日，英国ArdeerArdeer又在大风中倒掉了又在大风中倒掉了1 1座冷却塔。共振座冷却塔。共振日本核试验引起的地震A声级声级(dB)影响影响后果后果噪声评噪声评价价3050保证休息保证休息4060保证脑力劳动保证脑力劳动70以下以下下限理想值下限理想值完全不使听力受损完全不使听力受损7090保护健康听力保护健康听力允许范围允许范围9

5、0略超略超工作不舒服、工作不舒服、但不痛苦但不痛苦经过休息可以恢复，但长期暴经过休息可以恢复，但长期暴露会产生永久性听力损失露会产生永久性听力损失强噪声强噪声115以上以上痛苦痛苦会产生不可恢复的永久性听力会产生不可恢复的永久性听力损失损失过强噪过强噪声声生活、工作和车辆噪声国内外均有法规加以约束和控制振动噪声的危害振动噪声的危害 虽然各个不同领域中的现象虽然各具特色，但往往有着虽然各个不同领域中的现象虽然各具特色，但往往有着相似的数学力学描述。正是在这个共性基础上，有可能建立某种相似的数学力学描述。正是在这个共性基础上，有可能建立某种统一的理论来处理各种振动问题。统一的理论来处理各种振动问题

6、。 借助数学、物理、实验和计算技术，探讨各种振动现象借助数学、物理、实验和计算技术，探讨各种振动现象，阐明振动的基本规律，以便克服振动的消极因素，利用其积极，阐明振动的基本规律，以便克服振动的消极因素，利用其积极因素，为合理解决各种振动问题提供理论依据。因素，为合理解决各种振动问题提供理论依据。学习振动理论的目的之一：学习振动理论的目的之一：掌握振动的基本理论和分析方法，用以确定和限制振动对工程掌握振动的基本理论和分析方法，用以确定和限制振动对工程结构和机械产品的性能、寿命和安全的有害影响。结构和机械产品的性能、寿命和安全的有害影响。 振动系统：以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受

7、一定的机械载荷为目的的系统。振动系统：以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统。可以是一个零部件、一台机器或者一个完整的工程结构等可以是一个零部件、一台机器或者一个完整的工程结构等 振动系统的输入和输出，往往又分别称为振动系统的输入和输出，往往又分别称为“激励激励”和和“响应响应”。输入或激励是表示初始干扰和激振力等外界因素对系统的作用。输出或响应是指系统在输入或外激励作用下所产生的动态响应。输入或激励是表示初始干扰和激振力等外界因素对系统的作用。输出或响应是指系统在输入或外激励作用下所产生的动态响应。 振动系统的振动系统的“激励激励”一般是外界对系统的作用，

8、它可能是力，也可能是位移。而一般是外界对系统的作用，它可能是力，也可能是位移。而“响应响应”则一般是系统的变形、位移、速度或加速度。则一般是系统的变形、位移、速度或加速度。振动研究的问题（振动研究的问题（1 1）输入激励f(t)输出响应x(t)振动系统h(t)对于一般的振动系统问题，可以用下图所示的框图来说明，振动系统对于一般的振动系统问题，可以用下图所示的框图来说明，振动系统是指所研究的振动对象。是指所研究的振动对象。振动研究的问题（振动研究的问题（2 2）减小汽车在不平路面上行使时传给车身的振动减小汽车在不平路面上行使时传给车身的振动模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在

9、工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。 根据给定的条件及求解的问题不同，振动所研究的问题主要有如下三类：根据给定的条件及求解的问题不同，振动所研究的问题主要有如下三类： 振动分析：振动分析：如已知路面条件和车辆结构，如已知路面条件和车辆结构，乘坐舒适性和操纵稳定性分析。振动隔离振动隔离动态特性分析动态特性分析如为减小汽车在不平路面上行驶时传给车身振动的如为减小汽车在不平路面上行驶时传给车身振动的汽车悬架设计。已知激励和系统特性，求系统响应已知激励和系统特性

10、，求系统响应。振动的正问题。振动的正问题。已知系统特性和振动响应，求系统所受到的激励。已知系统特性和振动响应，求系统所受到的激励。有在线控制、工具开发等，如有在线控制、工具开发等，如振源判断、载荷识别、工况监控与故障诊断振源判断、载荷识别、工况监控与故障诊断等等，基于五轮仪的，基于五轮仪的路面谱测量路面谱测量就是这方面的应用。就是这方面的应用。 环境预测：环境预测： 振动的逆问题振动的逆问题这类问题往往用模态实验的方法识别出系统，以建立振动模型或检验已有的这类问题往往用模态实验的方法识别出系统，以建立振动模型或检验已有的理论模型。理论模型。 系统辨识：系统辨识：已知激励和系统响应，确定系统的特

11、性。已知激励和系统响应，确定系统的特性。也是振动的逆问题也是振动的逆问题。振动研究的问题（振动研究的问题（3 3）研究机械振动的基本方法研究机械振动的基本方法理论分析方法试验研究理论分析与试验相结合理论分析方法理论分析方法建立振动系统的力学模型建立振动系统的力学模型建立运动方程建立运动方程求解方程，得到响应规律求解方程，得到响应规律力力学学知知识识单自由度系统单自由度系统高等数学高等数学（微分方程）（微分方程）多自由度系统多自由度系统线性代数线性代数（矩阵运算）（矩阵运算）系统之所以振动是因为：系统之所以振动是因为：（1 1）系统受到了外部）系统受到了外部激励激励这是外因；这是外因； （2 2

12、）系统具有）系统具有质量质量和和弹性弹性这是内因。这是内因。从能量转化的角度看，外界对系统的激励就是对系统做功，这个功被储存到系从能量转化的角度看，外界对系统的激励就是对系统做功，这个功被储存到系统中，一部分转化为质量块的动能，一部分转化为弹性体的变形势能。统中，一部分转化为质量块的动能，一部分转化为弹性体的变形势能。反复振动的过程就是激励功、动能和势能之间不断转化的过程。反复振动的过程就是激励功、动能和势能之间不断转化的过程。如果系统没有继续从外界获得能量，在经历一段时间后振动就会停止，这是因如果系统没有继续从外界获得能量，在经历一段时间后振动就会停止，这是因为系统存在为系统存在阻尼阻尼。0

13、( )sinf tFt0sinmxcxkxFt质量阻尼系数弹性激励质量弹性阻尼激励振动系统四要素如何确定？)(12xxkFs弹簧元件及表示符号 实际机器或结构元件的质量是分布的，弹性也是如此。这种分布参数系实际机器或结构元件的质量是分布的，弹性也是如此。这种分布参数系统往往不能按照解析法求解，所以，将实际上是分布参数的系统简化成离散统往往不能按照解析法求解，所以，将实际上是分布参数的系统简化成离散系统，也就是简化成具有若干集中质量并由相应的系统，也就是简化成具有若干集中质量并由相应的弹簧和阻尼器弹簧和阻尼器联接在一起联接在一起的系统。下面将的系统。下面将弹簧、阻尼器弹簧、阻尼器和和质量质量的特

14、性予以说明。的特性予以说明。 刚度（弹簧）刚度（弹簧）（1 1）弹簧是表示力与位移关系的元件。）弹簧是表示力与位移关系的元件。（2 2）在力学模型中被抽象为无质量并具有线弹性的元件）在力学模型中被抽象为无质量并具有线弹性的元件直线位移的弹簧直线位移的弹簧大家思考一下扭转振动系统中，质量作扭转运动时，力和相对位移关系是什么？大家思考一下扭转振动系统中，质量作扭转运动时，力和相对位移关系是什么？k弹簧刚度x1、x2弹簧两端点的位移 阻尼器阻尼器（1 1）阻尼器是表示力与速度关系的元件。）阻尼器是表示力与速度关系的元件。（2 2）在力学模型中被抽象为无质量并具有线性组你系数的元件）在力学模型中被抽象

15、为无质量并具有线性组你系数的元件粘性阻尼粘性阻尼C 为粘性阻尼系数为粘性阻尼系数大家思考一下哪些变送器带有阻尼系数？阻尼系数具体是什么概念？能起到什么具体作用？阻尼原理是什么？大家思考一下哪些变送器带有阻尼系数？阻尼系数具体是什么概念？能起到什么具体作用？阻尼原理是什么？ )(12xxcFd 粘性阻尼及表示符号xmFm 质量元件及表示符号m为比例常数，它是刚体所具有的惯性的一种度量。为比例常数，它是刚体所具有的惯性的一种度量。大家思考一下扭转振动系统中，质量作扭转运动时，力、加速度的表示及关系是什么？大家思考一下扭转振动系统中，质量作扭转运动时，力、加速度的表示及关系是什么？下面举例给大家讲述

16、一下利用以上四要素表示的单自由度系统平移运动：平动自由度质量kg刚度（拉压簧）N/ m阻尼N/(m/s)激励: 力N扭转振动：扭转自由度转动惯量kg -m*m扭转刚度（扭簧）(N-m)/rad扭转阻尼(N-m)/(rad/s)激励：扭矩N-m怎么能将建立的模型用来分析呢？怎么能将建立的模型用来分析呢？ 当一个实际振动系统比较复杂时当一个实际振动系统比较复杂时，建立的模型越复杂，越接近，建立的模型越复杂，越接近实际情况，也越能进行逼真的实际情况，也越能进行逼真的模拟。模拟。建立的模型越复杂，分析越困建立的模型越复杂，分析越困难，建立的模型越简单，分析难，建立的模型越简单，分析越容易，但是得到的结

17、果可能越容易，但是得到的结果可能不精确。不精确。解决办法：在建立振动系统力学模型的过程中，总是在求的简化表达和逼真模解决办法：在建立振动系统力学模型的过程中，总是在求的简化表达和逼真模拟二者之间的折衷。但是，一个完整系统的力学模型不仅与实际机械的结构有拟二者之间的折衷。但是，一个完整系统的力学模型不仅与实际机械的结构有关，还与研究内容和侧重点有关。关，还与研究内容和侧重点有关。以汽车这样一个复杂的振动系统为例，要根据分析的问题进行简化。把汽车车以汽车这样一个复杂的振动系统为例，要根据分析的问题进行简化。把汽车车身看作刚体的立体模型。由车身、车架及其上的零部件组成，通过减振器和悬身看作刚体的立体

18、模型。由车身、车架及其上的零部件组成，通过减振器和悬架弹簧与车轴、车轮相连接。架弹簧与车轴、车轮相连接。四个自由度（对称于纵轴线）：车身质量的垂直、俯仰两个车轮质量的垂直七个自由度：车身质量的垂直、俯仰、侧倾四个车轮质量的垂直二个自由度（前后轴悬架质量分配定值）：车身质量（簧载）的垂直坐标车轮质量（簧下）的垂直坐标单自由度（远离车轮、低频）：车身质量（簧载）的垂直坐标011iNiiiNiirfrF1()0Nii iiiFm rr0(1,2,jjjdTTUjndtqqq)虚功原理（静动法，J.Bernoulli）01iNiirf理想约束达朗贝尔（DAlembert）原理（动静法）拉格朗日（Lag

19、range）方程=0 (iii iFm r=1,2,n)牛顿第二定律jjUQq 保守力动力学普遍方程动力学普遍方程在广义坐标系下的具体表示放大器测振仪频谱分析信号发生器振动系统传感器激振器振动分析结果的验证直接测量振动系统的振动响应，并进行分析以了解其振动特性。系统辨识 用已知的振源法激振研究对象，并测取振动响应，也就是利用系统的输入和输出信号建立系统数学模型的理论和方法3）理论与实验相结合的方法）理论与实验相结合的方法 通过理论分析与实验相结合的方法可以更好地研究振动。 通过模态分析实验方法识别出系统，建立系统特性模型，或通过振动响应实验来验证理论分析的结果，也可以用理论分析的方法预测系统的

20、响应。)sin()2sin()2sin()(tAftAtTAtx)2sin()cos()(tAtAtxv)sin()cos()(22tAtAtxa 加速度方向始终指向静平衡位置A 幅值T 周期 频率（圆频率） 相位2xx 2sin()sin()sin(2)xAtAtAftT振幅周期初相位圆频率频率旋转矢量投影旋转矢量投影)sin(tAxbabaAtAxtbxtaxtan)sin(sincos2221)( )sin()cos(tjAetjAtAz)Im()(tjAex)()()(tjtjeAjAedtdx )(2)()(tjtjeAeAjdtdx 1010)cos(sincos2)(nnnnnn

21、tnAAtnbtnaatx2222220sin)(2 cos)(2 )(2TTnTTnTTtdtntxTbtdtntxTadttxTa22nnnbaA2/00aA )/(nnnabarctg 为基频 为直流分量T/20a傅氏级数系数0aTnn/22/02/, 002/ 101)(TtTttTtx1sin)(nntnbtx为奇数时当为偶数时当nn 40 1) 1(2sin)(22/2/nntdtntxTbnTTn12) 12sin(33sin1sin4)(ntntttx )(21sin )(21costjntjntjntjneejtneetn )(21)(2)(110tjnnnnntjnnnej

22、baejbaatx 1111nntjnntjnnnntjnntjnnejbejbeaea )(212)(00nntjnnnejbaatx2/ )(2/ )( nnnnnnjbacjbac )(ntjnnectx2 00ac 2/2/)(T1 TTtjnndtetxc, 2, 1, 0 /2 nT式中 与 是共轭复数ncnctjnntjnnnnecectnbtnasincosnnnnAbac212122nnjnnjnneccecc 实质上一样，但工程上复数形式较为方便汽车振动学就是把汽车作为研究对象，其本身就是一个具有质量、弹簧和阻尼汽车振动学就是把汽车作为研究对象，其本身就是一个具有质量、弹簧

23、和阻尼的振动系统。由于汽车内各部分固有频率不同，常因以下一些原因发生整车或的振动系统。由于汽车内各部分固有频率不同，常因以下一些原因发生整车或局部强烈振动：局部强烈振动：汽车上的主要振动问题：汽车上的主要振动问题： 发动机和传动系统、悬架系统、制动系统、转向系统、车身和车架发动机和传动系统、悬架系统、制动系统、转向系统、车身和车架路面不平路面不平车速和运动方向的变化车速和运动方向的变化车轮、发动机和传动系统的不平衡车轮、发动机和传动系统的不平衡齿轮的冲击齿轮的冲击动力性发挥不充分动力性发挥不充分经济性变坏经济性变坏通过性、操纵稳定性和平顺性不好通过性、操纵稳定性和平顺性不好损坏零部件和货物损坏

24、零部件和货物缩短使用寿命缩短使用寿命四冲程内燃机的示功图导致曲轴干扰力的最主要原因是：导致曲轴干扰力的最主要原因是：气缸内周期变化的气体压力和活塞连杆气缸内周期变化的气体压力和活塞连杆曲柄机构运动时产生的惯性力。曲柄机构运动时产生的惯性力。（1）发动机和传动系统主要有：曲轴受周期干扰力作用而产生的扭振发动机在车架上的整机振动气门机构的振动（2）悬架系统平顺性就是保持汽车在行驶过程中平顺性就是保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定的舒乘员所处的振动环境具有一定的舒适度的性能，对于载货汽车还应包适度的性能，对于载货汽车还应包括保持货物完好的性能。括保持货物完好的性能。悬架系统振动主要研究汽

25、车平顺性悬架系统振动主要研究汽车平顺性由弹簧和减震器组成的悬架系统功能是：由弹簧和减震器组成的悬架系统功能是：缓和由不平路面传给车身的冲击载荷，缓和由不平路面传给车身的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动。衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动。（3 3）制动系统）制动系统 汽车制动时，行驶方向的惯性力和作用在轮胎上的地面制动力所形成的力矩会使前轴负荷增大，后轴负荷减小，从而加强了制动时整车的振动。制动性是指汽制动性是指汽车行驶时能在车行驶时能在短距离内停车短距离内停车且维持行驶方且维持行驶方向稳定性和在向稳定性和在下长坡时能维下长坡时能维持一定车速的持一定车速的能力。能力。汽车防抱死制动

26、系统汽车防抱死制动系统ABSABS（Anti-lock Braking SystemAnti-lock Braking System）的原理：车轮转速传感器将车轮转速信号传送到控制元件，假如车轮被抱死，轮胎与地面发生滑行）的原理：车轮转速传感器将车轮转速信号传送到控制元件，假如车轮被抱死，轮胎与地面发生滑行( (偏滑偏滑) )，信号会改变。使控制元件电路操作，产生信号到液压调整器，打开刹车阀门。减低作用于分泵上的压力，刹车力降低，信号会改变。使控制元件电路操作，产生信号到液压调整器，打开刹车阀门。减低作用于分泵上的压力，刹车力降低-车轮就可避免被抱死。刹车时，进油阀开，回油阀关，刹车油从总泵流

27、到分泵，产生刹车制动。车轮被抱死时，传感器传送信号给控制元件，使进油阀关，回油阀开，部分刹车油流回储油室，降低刹车分泵的液压，避免车轮被抱死。车轮就可避免被抱死。刹车时，进油阀开，回油阀关，刹车油从总泵流到分泵，产生刹车制动。车轮被抱死时，传感器传送信号给控制元件，使进油阀关，回油阀开，部分刹车油流回储油室，降低刹车分泵的液压，避免车轮被抱死。 防抱死制动系统主要目的是当车辆刹车时，防止车轮被抱死，造成轮胎与路面形成点接触的动摩擦，摩擦力小，刹车效果最差，车辆滑行距离长，且易造成车辆转向困难等。防抱死制动系统主要目的是当车辆刹车时，防止车轮被抱死，造成轮胎与路面形成点接触的动摩擦，摩擦力小，刹

28、车效果最差，车辆滑行距离长，且易造成车辆转向困难等。ABSABS系统有如下优点：缩短刹车距离；刹车时不影响转向性能；避免驾驶员紧急刹车时的恐慌；增进驾驶员刹车操作的稳定性；避免轮胎在刹车时的偏磨耗。系统有如下优点：缩短刹车距离；刹车时不影响转向性能；避免驾驶员紧急刹车时的恐慌；增进驾驶员刹车操作的稳定性；避免轮胎在刹车时的偏磨耗。 EBSEBS系统主要由气压制动系统和电子控制系统组成。气压制动系统包括制动踏板、储气筒、气压控制阀、气压制动管路和制动气室等。电子控制系统主要包括系统主要由气压制动系统和电子控制系统组成。气压制动系统包括制动踏板、储气筒、气压控制阀、气压制动管路和制动气室等。电子控

29、制系统主要包括ECUECU控制器、各种传感器控制器、各种传感器( (如如3D3D力传感器、制动器摩擦片磨损传感器、隅合力传感器等力传感器、制动器摩擦片磨损传感器、隅合力传感器等) )及电子控制线路等。及电子控制线路等。 EBS(E1ectric Braking System) EBS(E1ectric Braking System) 电子制动系统的特点：由于使用了电子系统，减少了制动系统机械传动的滞后时间，缩短了制动距离，从而增加了交通安全性。它在低制动强度时，使制动摩擦片磨损最小；在中等制动强度时，利用电子制动系统的特点：由于使用了电子系统，减少了制动系统机械传动的滞后时间，缩短了制动距离，从而增加了交通安全性。它在低制动强度时，使制动摩擦片磨损最小；在中等制动强度时，利用ABSABS功能达到最佳的道路附着系数利用率；而在高制动强度时，则可以施加最大的制动压力，从而获得最佳的控制制动力。功能达到最佳的道路附着系数利用率；而在高制动强度时，则可以施加最大的制动压力，从而获得最佳的控制制动力。 （4）转向系统 转向轮会绕主销的振动成为摆振，转向轮会绕主销的振动成为摆振，摆振将导致汽车出现蛇行现象。摆振将导致汽车出现蛇行现象。 蛇行现象增加了轮胎的滚动阻力，加剧了轮胎的磨损，增大了转向阻力，降低了零件寿命，使平顺性和操稳性变坏，影响汽车