第六章 汽车的平顺性.ppt

1、第六章 汽车的平顺性,讲述内容: 6.1 人体对振动的反应和平顺性的评价 人体对振动的反应 平顺性的评价方法 6.3 汽车振动系统的简化和单质量系统的振动 汽车振动系统的简化 中间涉及到功率谱密度的概念，需要专门讲述,1,第六章 汽车的平顺性,引言: 平顺性的含义: 汽车的平顺性就是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击对承员舒适性的影响在一定界限之内，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能。 平顺性主要是根据乘员的舒适性感觉来评价,但一些标准往往是采用客观评价指标。 平顺性是舒适性的主要内容,舒适性还包括：噪声、空调、 乘坐环境（空间）、驾驶操作性能,2,第六章 汽车的平顺性,汽车的平顺性可由下

2、图所示的“路面-汽车-人”系统的框图来分析：,3,随机振动的基本概念,汽车车厢地板上测得的振动加速度波形,振动加速度随时间的变化是不确定的，这种随时间变化的不规则振动叫随机振动。,时间,振动加速度,随机振动是非周期振动，振动加速度里面有各种频率成分。,4,第六章 汽车的平顺性,注意区别： 悬挂质量和非悬挂质量： 悬挂质量是悬架主弹簧上的质量，也称簧载质量，包括车身、车架、发动机等；非悬挂质量是弹簧之下的质量，也称非簧载质量，包括车轮，非独立悬架的车桥。联接车轮和车身、车架的那部分元件的质量要按照其相应的功能关系分成悬挂质量和非悬挂直量 研究平顺性的主要目的就是控制汽车振动系统的动态特性，使振动

3、的“输出”在给定工况的“输入”下不超过一定界限，以保持乘员的舒适性。,5,第一节 人体对振动的反应和平顺性的评价,日本对370名拖拉机司机的调查，发现他们之中，骨关节、胸部和腰椎发生病变的比例分别为71%、52%和8%，腰椎和胸部同时发现病变的高达40%，而且接触振动时间越长，发生病变的比例越高，从业10年以上的人病变比例竟高达80%。当振动加速度达到65dB（分贝）时，对睡眠有轻微影响；达到69dB时，所有轻睡的人将被惊醒；达到74dB时，除酣睡的人外，其他人将惊醒；达到79dB时，所有的人都将惊醒。,6,平顺性的评价,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、强度、作

4、用方向和持续时间，而且每个人的心理与身体素质不同，故对振动的敏感程度有很大差异。 平顺性的评价比较困难，现在一般以国际标难化组织(ISO) 制定的国际标准ISO2631：人体承受全身振动评价指南为依据 后来对它进行过修订、补充。从1985年开始进行令面修订，于1997年公布了ISO2631-1：1997(E)人体承受全身振动评价第一部分：一般要求,7,ISO2631-1：1997(E)人体承受全身振动评价第一部分：一般要求：此标准对于评价长时间作用的随机振动和多输入点多轴向振动环境对人体的影响时，能与主观感觉更好地符合。适用于全身振动，不只适用于汽车 许多国家都参照它进行汽车平顺性的评价，我国

5、对相应标准进行了修订，公布了GBT49701996汽车平顺性随机输入行驶试验方法。现在又有新国家标准GB/T 4970-2009 汽车平顺性试验方法,平顺性的评价依据,我们国家的GB/T 13441.1-2007 机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价 第1部分：一般要求也是等效采用等效采用ISO2631-1：1997(E) 制定的,8,人体坐姿受振模型,ISO26311：1997(E)标准规定了图62所示的人体坐姿受振模型。 在进行舒适性评价时，它除了考虑座椅支承面处输人点3个方向的线振动，还考虑该点3个方向的角振动，以及座倚靠背和脚支承面两个输入点各3个方向的线振动，共3个输入点12个轴

6、向的振动。,9,ISO26311：1997(E)标准还规定了站姿和卧姿受振模型,10,人体对不同方向的振动敏感性不一样,在表6-1给出了对各轴向的轴加权系数，系数越大，对此轴向振动越敏感,11,人体对不同频率的振动敏感性不一样,在图6-3给出了各轴向0.5-80Hz的频率加权函数(渐进线，也就是近似的)，函数值越大，对此频率处的振动越敏感,12,人体对不同频率的振动敏感性不一样,ISO26311：1997(E) 规定的频率加权函数（与课本图6-3对照）,13,第六章 汽车的平顺性,另外，ISO26311：1997(E)标准还规定，当评价振动对人体健康的影响时，就考虑xs、ys、zs这三个轴向，

7、且xs、ys两个水平轴向的轴加权系数取k=1.4，比垂直轴向更敏感。 标准规定靠背水平轴向可以由椅面水平轴向代替，此时轴加权系数取k1.4。因此，我国在修订的相应标准GBT4970-1996汽车平顺性随机输入行驶试验力法时，评价汽车平顺性就考虑椅面Xs、Ys、Zs三个轴向。 新标准 GBT4970-2009采用座椅、靠背和脚三个点、各三个方向的线振动，共9个轴向,14,第六章 汽车的平顺性,补充一点： 原来标准认为(参看第2版教材)：振动对人体的影响有三个界限 (1)暴露极限，是保护健康与安全界限，通常称为人体承受振动的上限 (2）疲劳工效降低界限，此界限内能够保持工作效率 (3) 舒适降低界

8、限，保持舒适性界限。 A、暴露极限为疲劳工效降低界限的2倍，疲劳降低工效界限为降低舒适界限的3.15倍 B、三个界限、极限都随着时间的增加而降低,15,第六章 汽车的平顺性,椅面垂直轴向Zs的频率加权函数最敏感频率范围标准规定为412.5Hz，在48Hz这个频率范围，人的内脏器官产生共振，而812.5Hz频率范围的振动对入的脊椎系统影响很大。 椅面水平轴向xs、ys的频率加权函数最敏感频率范围为0.52Hz，大约在3Hz以下，水平振动比垂直振动更敏感，且汽车车身部分系统在此频率范围产生共振，故应对水平振动给予充分重视。,16,平顺性的评价方法,注意几个符号 a(t)：加速度的时间历程，是时间t

9、的函数，是瞬时值 aw(t) ：加权后的加速度的时间历程，也是时间t的函数；下标w（ weighted）代表加权的意思，也是瞬时值，一般来讲aw(t) a (t) aw：一段时间T内的加权加速度的均方根值，不是瞬时值,17,几个概念：信号x（物理量）均值、方差2 和均方值2,重要结论： 当均值为零时，方差等于均方值，标准差等于均方根值,18,平顺性的评价方法,两种方法： 基本评价方法加权加速度均方根aw 辅助评价方法振动剂量VDV,基本评价方法：当振动波形峰值系数9时采用 适用于一般汽车行驶,19,平顺性的评价方法,A、对随机加速度的时间历程，也就是a(t)，通过加权函数w (f) (加权网络

10、) ，得到加权加速度时间历程aw(t),注：一般（任意）加速度传感器测量时先得到一个电压或者电流信号，再经过一个网络就可以得到加权值,基本评价方法加权加速度均方根aw的计算,方法1,20,B、再按下式计算加权加速度均方根值：,平顺性的评价方法,式中，T为振动的分析时间，课本建议一般取120s。,基本评价方法加权加速度均方根aw的计算,这种方法是时间域内计算的方法,21,平顺性的评价指标,对随机加速度的时间历程a(t)，先进行频谱分析得到功率谱密度函数Ga(f)，计算得到aw,方法2,基本评价方法加权加速度均方根aw的计算,这种方法是频率域内计算的方法,22,3) 当同时考虑Xs、Ys、Zs椅面

11、这三个轴向振动时，三个轴向的总加权加速度均方根值，按下式计算（老国家标准GB/T 4970-1996 ） ：,平顺性的评价指标,注意：x、y轴方向有个1.4的系数，为什么,23,4) 有些“人体振动测量仪”采用加权振级Law(dB) ，它与加权加速度均方根值aw 换算，按下式进行：,a0为参考加速度均方根值， a0=10-6 m.s-2 表62给出了加权振级和加权加速度均方根值与人的主观感觉之间的关系,振动加速度aw增大10倍， Law增加20dB,平顺性的评价指标,GB/T 4970-1996 称Law为等效均值,24,平顺性的评价指标,ISO2631,0.5,25,（二)辅助评价方法： 当

12、峰值系数9时，ISO26311：1997(E)标准规定用均4次方和根值的方法来评价，它能更好地估计偶尔遇到过大的脉冲引起的高峰值系数振动对人体的影响，此时采用辅助评价方法振动剂量值(VDV,vibration dose value)为：,平顺性的评价指标,ISO2631认为：此处的T与式（6-1）相同,新国家标准GB/T 4970-2009认为是作用时间，即：从前轮接触凸块到汽车驶过凸块且冲击响应消失时间段,26,第六章 汽车的平顺性,6.3 汽车振动系统的简化，单质量系统的振动 一、汽车振动系统的简化： 汽车是一个复杂的振动系统，应根据所分析的问题进行简化。,27,第六章 汽车的平顺性,左图

13、是把汽车车身质量看作为刚体的立体模型。 汽车的悬挂(车身)质量为m2，它由车身、车架及其上的总成所构成。该质量绕通过质心的横轴y的转动惯量为Iy，悬挂质量通过减振器和悬架与车轴、车轮相连接。 车轮、车轴构成的非悬挂(车轮)质量为m1。车轮再经过具有一定弹性和阻尼的轮胎支承在不平的路面上。 在讨论平顺性时，这一立体模型的车身质量主要考虑垂直、俯仰、侧倾3个自由度，4个车轮质量有4个垂直自由度，共7个自由度。,28,第六章 汽车的平顺性,汽车对称于其纵轴线且左、右车辙的不平度函数x(I)y(I)（也就是左右车辙相同），此时汽车车身只有垂直振动和俯仰振动，这两个自由度的振动对平顺性影响最大。 左图为

14、汽车简化成4个自由度的平面模型。 在这个模型中，又因轮胎阻尼较小而予以忽略,29,第六章 汽车的平顺性,把质量为m2，转动惯量为Iy的车身按动力学等效的条件分解为前轴上、后轴上及质心C上的三个集中质量m2f、m2r、m2c，三个质量由无质量的刚性杆连接，它们的大小由下述三个条件决定：,30,第六章 汽车的平顺性,式中，y一为绕横轴y的回转半径；a、b为车身质量部分的质心至前、后轴的距离。,31,第六章 汽车的平顺性,由此得出三个集中质量分别为：,称为悬挂质量分配系数,当=1时，联系质量m2c=0。 根据统计，大部分汽车的=0.8-1.2，接近1。在=1的情况下，前、后轴上方车身部分的集中质量m

15、2f、m2r的垂直方向运动是相互独立的,32,第六章 汽车的平顺性,在1的情况下，当前轮遇到路面不平度面引起振动时，质量m2f运动而质量m2r不运动；反之亦然。因此，在这种特殊情况下，可以分别讨论图612上m2f和前轮轴以及m2r和后轮轴所构成的两个双质量系统的振动。 经常称为1/4汽车模型,33,双质量系统的振动,该系统除了具有前述车身部分的动态特性外，还能反映车轮部分在10-15Hz范围产生高频共振时的动态特性 它对平顺性和车轮的接 地性有较大影响，更接近汽车悬挂系统的实际情况,经常称为1/4汽车模型,34,单质量系统的振动,在远离车轮部分固有频率人(10-15Hz)的较低激振频率范围(如

16、5Hz以下)，轮胎变形很小，忽赂其弹性与车轮质量，得到分析车身垂直振动的最简单的单质量系统。,35,单质量系统的振动,车身单质量系统振动的动力学方程,通解是对应齐次方程的通解与非齐次方程一个特解之和组成。,令：,齐次方程为：,或：,两个主要参数,固有频率,阻尼比,36,单质量系统的振动,齐次方程的解为,为有阻尼固有频率,汽车悬架系统阻尼比的数值通常在0.25左右，属于小阻尼,37,单质量系统的振动,受迫振动频率响应特性,非齐次方程表示的是一线性系统，满载叠加原理。 取路面的某次正弦（或者余弦）谐波输入，得到的输出也是同频率的正弦（或着余弦）,38,单质量系统的振动,受迫振动频率响应特性，频响特

17、性,频率响应特性记为,为幅频特性，其中,39,单质量系统的振动,采用双对数坐标能够 1把小数扩大，大数压缩，扩展观察范围，2有利于图形的乘除法叠加，3渐近线的斜率表示其“频率指数” 但是也会使得图形有一定“失真”,40,单质量系统的振动,41,单质量系统的振动,42,单质量系统的振动,有三点需要注意 1)低频段。在这一频段，zq略大于1，不呈现明显的动态特性，阻尼比对这一频段的影响不大，悬架基本不起（减振）作用。 2)共振段。在这一频段，zq出现峰值，将输入位移放大，悬架起加振作用。加大阻尼比可使共振峰明显下降。 3)高频段。在 时，zq=1，与阻尼比无关。在 时，zq1，悬架起减振作用。对输

18、入位移起衰减作用，阻尼比减小对减振有利。,43,单质量系统的振动,要起到减振作用，必须使悬架工作在高频段，也就是激励频率大于共振频率的1.4倍。,44,单质量系统的振动,已汽车的结构参数和使用情况，如何评价汽车的平顺性？,首先可以根据悬架刚度K、阻尼系数C、车身质量m2，求出其幅频特性|z/q| 根据道路情况，确定道路和行驶的车速u，确定路面激励的功率谱密度Gq(n)和Gq(f) 根据|z/q|、Gq(f)求出车身位移z和加速度a的功率谱密度Gz(f)和Ga(f),45,单质量系统的振动,46,单质量系统的振动,经常采用路面输入的速度功率谱进行定性分析,低频,高频,47,单质量系统的振动,悬架

19、系统对于车身位移z来说，是将高频输入衰减的低通滤波器；对于动挠度fd来说，是将低频输人衰减的高通滤波器,48,振动响应量的功率谱密度与均方根值,关于功率谱密度的含义请看吴大正主编信号与线性系统分析第三版，高等教育出版社,请看课本P216 式（6-36）和（6-37）,49,车身与车轮双质量系统的振动,偏频：只有一个振动时的部分频率（固有频率） 两个偏频,作无阻尼自由振动时，有两个固有频率w1和w2，和偏频的关系： w1 w0， w2 wt，,一般wt 10 w0,50,3.车身与车轮部分质量比=m2/m1的影响,51,双质量系统的振型,52,双质量系统的幅频特性,双质量系统的幅频特性,53,轮

20、胎的影响（2010）,轮胎对行驶平顺性的影响取决于轮胎的径向刚度、轮胎的展平能力及内摩擦引起的阻尼作用 有资料介绍：采用子午线轮胎径向刚度减小，轮胎的静挠度增加40以上行驶平顺性得到改善。 但轮径向胎刚度过低，可能会引起侧向偏离加大（侧向刚度减小），影响汽车的操纵稳定性。 阻尼作用会衰减振动,54,轮胎的影响（2010）,轮胎的展平能力是指当汽车行驶在不平道路上时，由于轮胎的弹性作用，轮胎的位移曲线较道路断面轮廓要圆滑平整，其路径长度比道路实际长度要大，而位移曲线的波动幅值要比道路不平的幅值小，即为轮胎的展平作用。 轮胎的展平能力使汽车的高频振动减少 径向刚度越小，展平能力越好,55,搓板路,汽车试验场搓板路强化系数的研究周炜 李文亮.公路交通科技-2008年11期,搓板路上试车的最佳速度分析与研究 孙健美 汽车科技-1998年3期,56,方差 方差的正平方根叫标准差 ，是随机数据分析的重要参数。,57,均方值2描述随机信号的强度 均方值的正平方根称为均方根值，可表示为xrms （root mean square, r.m.s.) 。 均值、方差和均方值的相互关系是,当均值为零时，方差等于均方值，标准差等于均方根值,58,平顺性的评价指标,只考虑坐姿的人，因