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1、第六章 汽车平顺性,路面,汽车,人,本章基本思路,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？,建立运动微分方程及系统“输入”对“输出”的影响分析,汽车平顺性测试,几种重要的评价方法,汽车悬架参数设计的依据,路面不平度及功率谱密度,本章共有7节： 第一节 人体对振动的反应和平顺性的评价 第二节 路面不平度的统计特性 第三节 汽车振动系统的简化。单质量系统的振动 第四节 车身与车轮双质量系统的振动 第五节 双轴汽车的振动 第六节 “人体座椅”系统的振动 第七节 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振动环境具有一定舒适度的性能，并保持货物的完好无损。 评价方法
2、：根据乘员舒适程度评价 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：路面不平度、 车速。 振动系统：弹性元件、阻尼元件、质量。 输 出：悬挂质量或人体加速度、车轮动载荷。 评价指标：人体对振动的响应、轮胎的接地性。,第一节 人体对振动的反应和平顺性的评价,评价标准 ISO2631-1:1997(E) 人体承受全身振动评价第一部分：一般要求 GB/T4970-1996汽车平顺性随机输入行驶试验方法,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。,所考虑的振动 ISO2631-1规定，
3、舒适性评价时，考虑座椅支承处的3个线振动和3个角振动，靠背和脚支承处各3个线振动，共12个轴向振动。健康影响评价时，仅考虑座椅支承处的3个线振动xs、ys、zs。,1、轴加权系数 对不同方向振动，人体敏感度不一样。该标准用轴加权系数描述这种敏感度。 2、频率加权函数 对不同频率的振动，人体敏感度也不一样。例如，人体内脏在椅面z向振动4-8Hz发生共振，8-12.5Hz对脊椎影响大。椅面水平振动敏感范围在0.5-2Hz。标准用频率加权函数w描述这种敏感度。,平顺性名词解释,频率加权滤波网络,均方根值 ： a(t)是测试的加速度时间信号。 加权均方根值： aw(t)是通过频率加权函数滤波网络后得到
4、的加速度时间信号。频率加权函数见表6-1。,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T一般取120s。,椅面x,y向和靠背y, z向 ：,椅面z向和脚x，y，z：,靠背x向 ：,频率加权函数,2、 对记录的加速度时间历程a(t)进行频谱分析得到功率谱密度 ，按下式计算：,参阅教材图6-56“平顺性试验数 据的采集和处理”,3、同时考虑3个方向 3轴向xs、ys、zs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“人体振动测量仪”采用加权振级Law，它与加权加速度均方根值换算，按下式进行（参阅教材p250）：,第二节 路面不平度的统计特征,一、路面不
5、平度的功率谱密度,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 。,为了研究信号的能量（或功率）分布，并凸出信号频谱图中的主频率，需要做功率谱分析。特别是对于有明显的非确定性的随机信号，,1、随机信号的频谱分析,3.路面不平度q(I)的功率谱密度Gq(n)的意义： Gq(n) 表示路面不平度q2(I)的平均值Eq2(I)的空间频率分布。,掌握了路面不平度q(I)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，用来分析振动系统对各响应物理量的影响和评价平顺性。,2. 随机变量x(t)功率谱密度Gx(
6、f)的意义： Gx(f) 表示x(t)的平均功率Ex2(t)（均方值）在频率域的分布（参阅教材p248)。,功率谱密度的定义是单位频带内的“功率”（均方值），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。,4.路面不平度的功率谱密度,式中 n空间频率，m-1 n0参考空间频率，0.1 m-1 Gq(n0)参考空间频率n0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2,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，得到功率谱密度Gq(n）或方差2q,速度功率谱密度：是位移功率谱密度与频率二次方乘积； 加速度功率谱密度：是位移
7、功率谱密度与频率四次方乘积。,此时，路面速度功率谱密度在整个频率范围内为一常数，幅值大小只与不平度系数有关，这一路面输入的速度功率谱密度称为“白噪声”，用来分析计算会带来一定方便！,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 f=un 这里n是空间频率(每米波长数)。u是车速(m/s)，f是时间频率(Hz,每秒波长数)。,2.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,x(I)/ y(I)的自谱、互谱分别为:,四个车轮的不平度函数用q1(I) 、q2(I)、q3(I)、q4(I),q1(I) x(I),q3(I) y(I
8、),q2(I) x(I-L),q4(I) y(I-L),q1、q2、q3、q4四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谱共16个谱量G i k (n)(i,k=1，2，3，4）,其中12个互谱两两共轭。谱量可按下式计算：,为q i(I）、 q k(I）的傅里叶变换；,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 算出 各谱量和两个轮迹之间的自谱G xx(n) G yy(n)互谱 G xy(n) G yx(n)的关系：,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。,a互功率谱密度,b相干函数：,相干函数 在频域内描述了
9、 与 中频率n分量之间的线性相关程度。,表明 与 中频率为n的分量之间 幅值比和相位保持不变。,表明 与 中频率为n的分量之间 幅值比和相位是随机变化的。,路面对四轮汽车输入的谱矩阵：,第三节 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,x(I)= y(I),悬挂质量m2按动力学等效条件,车身3自由度 车轮4自由度,四自由度模型双轴汽车简化,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。,等效质量大小由三个条件决定,二、单质量系统的自由振动,汽车单自由度振动模型,令 2n=C/m2，20=K/ m2， 齐次方程变为,0称为系统固有圆频率，定义阻尼比,方程的解为,单自
10、由度自由振动衰减曲线,复振动,三、单质量系统频响特性,频率响应函数的物理意义,频率响应函数的模 =幅频特性=|输出复振动/输入复振动| =输出实振幅/输入实振幅,频率响应函数的幅角=-=,即,频率响应函数的特点,(1)描述了定常线性系统（动态特性）。是频率的复函数。 (2)系统所固有。 (3)具有不同的形式，横摆角速度/转向盘输入，车身（车轮）输出位移、速度、加速度/地面输入,座椅/地面输入,等。 (4)可通过理论计算或方便地通过测试得到。,频响函数的测试,汽车单质量系统频响函数的推导,令输入复振动为,式中复振幅,令输出复振动为,a/复振动求法,令,代入上式，得,上式模（幅频特性）为,b/傅里
11、叶变换法,傅里叶变换,上式模（幅频特性）为,（1）在0= 的高频段，= 时 =1，与无关。 时， 1，阻尼比较小时衰减更多。,平顺性分析的振动响应量有3种： 1、车身振动加速度 2、悬架动挠度（涉及限位行程、悬架击穿） 3、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,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用于： a.了解振动加速度功率频谱的分布。 b.求加速度均方根值 或加权均方根值评价汽车平顺性。,从式：,（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,输入q车身加速度功率谱密度均
12、方根为：,输入 车身加速度功率谱密度均方根为,输入 车身加速度功率谱密度均方根为,=常量（白噪声）,式中,同理得：,当=1时，前式变为,（共振峰值）,显然固有频率越低，峰值越低。此外，低频段阻尼比越大 ， 越小。高频段阻尼比越大， 越大。二者效果相反，须折衷。,对单质量系统,它与簧载荷重量G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g。故可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F d /G对 幅频特性的分析,悬架弹簧动挠度复振幅为 ，故频响函数,幅频特性为,（四）悬架挠度f d对 幅频特性的分析,1、固有频率越低，车身振动加速度均方根值越低，
13、平顺性越好。但固有频率太低，动挠度f d会增大，导致汽车载荷变化时车身高度变化过大、悬架“击穿”和乘员晕车； 2、汽车悬架阻尼比不能过大或过小，有一最佳值，在0.2和0.4之间。,（五）悬架固有频率与阻尼比的选择,表中： f0 固有频率 fs 悬架静挠度 fd 限位行程 阻尼比,悬架参数实用范围,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,建立运动方程 振型分析 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 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 主动与半主动悬架,第五节 双轴汽车的振动,振型分析 使 Z，减小俯仰角加速度 计算前、
14、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Z c和车身俯仰角位移对前轴上方车身位移Z2c的 幅频特性 车身上任一点P的垂直位移Z2p对前轴上方车身位移Z2f的幅频特性 及 功率谱密度和均方根值的计算,第六节 “人体座椅”系统的振动,第七节 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 测试仪器 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,
