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1、主讲：胡爱军汽车振动与噪声控制1第第5 5章章 汽车平顺性汽车平顺性5.15.1平顺性的定义平顺性的定义5.35.3道路不平度统计特性道路不平度统计特性5.45.4平顺性分析平顺性分析5.25.2人体反应与平顺性评价人体反应与平顺性评价5.55.5影响汽车平顺性的结构因素影响汽车平顺性的结构因素25.1平顺性的定义平顺性的定义 平顺性是指保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定平顺性是指保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定舒适程度和保持货物完好的性能。舒适程度和保持货物完好的性能。 振动影响人的舒适性、工作效能、身体健康，影响货物的完整性以振动影响人的舒适性、工作效能、身体健康
2、，影响货物的完整性以及零部件的性能和寿命。平顺性研究的目的是有效控制汽车振动的传递，及零部件的性能和寿命。平顺性研究的目的是有效控制汽车振动的传递，使振动系统在给定使振动系统在给定“输入输入”的的“输出输出”不超过一定的界限。不超过一定的界限。输入输入路面不平路面不平车速车速汽车振动系统汽车振动系统轮胎、悬架、车身轮胎、悬架、车身座椅及人体系统座椅及人体系统质量、弹簧、阻尼质量、弹簧、阻尼输出输出车身传至人车身传至人体的加速度体的加速度悬架动挠度悬架动挠度车轮动载荷车轮动载荷评价指标评价指标加权加速度加权加速度均方根值均方根值撞击悬架限撞击悬架限位概率位概率行驶安全性行驶安全性3人体对振动的反
3、应人体对振动的反应垂直方向垂直方向48Hz水平方向水平方向12Hz人体最敏感人体最敏感传至人体的振动加速度传至人体的振动加速度人体对水平方向的振人体对水平方向的振动比垂直方向更敏感动比垂直方向更敏感心理心理生理生理客观因素客观因素主观因素主观因素持续时间持续时间强度强度作用方向作用方向频率频率5.人体反应与人体反应与平顺性评价平顺性评价无感觉无感觉稍有感觉稍有感觉有感觉有感觉强烈感觉强烈感觉非常强烈感觉非常强烈感觉人体对振动的反应人体对振动的反应45.人体反应与人体反应与平顺性评价平顺性评价 ISO2631标准用加速度均方根值给出在标准用加速度均方根值给出在180Hz振动频率范围内人体振动频率
4、范围内人体对振动反应的三个不同界限。对振动反应的三个不同界限。 (1)暴露极限暴露极限。当人体承受的振动强度在这个极限之内，将保持健康。当人体承受的振动强度在这个极限之内，将保持健康或安全。通常把此极限作为人体可以承受振动量的上限。或安全。通常把此极限作为人体可以承受振动量的上限。 (2)疲劳功效降低界限疲劳功效降低界限。这个界限与保持工作效能有关。当驾驶员。这个界限与保持工作效能有关。当驾驶员承受的振动强度在此界限之内时，能准确灵敏地反应，正常地进行驾驶。承受的振动强度在此界限之内时，能准确灵敏地反应，正常地进行驾驶。 (3)舒适降低界限舒适降低界限。此界限与保持舒适有关，在这个界限之内，人
5、体。此界限与保持舒适有关，在这个界限之内，人体对所暴露的振动环境主观感觉良好，能顺利完成读、写等工作。对所暴露的振动环境主观感觉良好，能顺利完成读、写等工作。人体对振动的反应人体对振动的反应5疲劳工效降低界限疲劳工效降低界限5.人体反应与人体反应与平顺性评价平顺性评价人体对振动的反应人体对振动的反应65.人体反应与人体反应与平顺性评价平顺性评价人体对振动的反应人体对振动的反应“疲劳工效降低界限疲劳工效降低界限”的振动加速度允许值的大小与振动频率、的振动加速度允许值的大小与振动频率、振动作用方向和暴露时间三个因素有关：振动作用方向和暴露时间三个因素有关：(1)振动频率。对垂直振动，乘员敏感的频率
6、范围为振动频率。对垂直振动，乘员敏感的频率范围为48Hz，对水平，对水平振动，乘员敏感的频率范围为振动，乘员敏感的频率范围为12Hz。(2)振动作用方向。垂直振动与水平振动的振动作用方向。垂直振动与水平振动的“疲劳工效降低界限疲劳工效降低界限”不不一样，同一暴露时间下，频率在一样，同一暴露时间下，频率在3.15Hz以下时容易感受到水平振动；高以下时容易感受到水平振动；高于此频率时，对垂直振动更敏感。于此频率时，对垂直振动更敏感。(3)暴露时间。人体达到一定反应的界限，都是由人体感觉到的振动暴露时间。人体达到一定反应的界限，都是由人体感觉到的振动强度大小和暴露时间长短两者综合的结果。强度大小和暴
7、露时间长短两者综合的结果。7 在进行舒适性评价时，除了考虑座椅支撑面处输入点在进行舒适性评价时，除了考虑座椅支撑面处输入点3 3个方向的线振个方向的线振动，还考虑该点动，还考虑该点3个方向的角振动，以及座椅靠背和脚支撑面两个输入个方向的角振动，以及座椅靠背和脚支撑面两个输入点点各各3个个方向的线振动，共方向的线振动，共3个输入点个输入点12个轴向的振动。个轴向的振动。5.人体反应与人体反应与平顺性评价平顺性评价平顺性评价指标平顺性评价指标81.1.基本评价基本评价法法(1)计算各轴向加权加速度均方根值aw1）滤波网络法 将测得的将测得的 通过通过相应的频率加权函数相应的频率加权函数 的滤波网络
8、，得到加权加的滤波网络，得到加权加速度时间历程速度时间历程 。2）频谱分析法 对对 进行频谱进行频谱分析，得到功率谱密度分析，得到功率谱密度函数函数 。5.人体反应与人体反应与平顺性评价平顺性评价平顺性评价指标平顺性评价指标9(2)三个方向总加权加速度均方根值(3)总加权振级Lawa0参考加速度均方根值参考加速度均方根值， 。5.人体反应与人体反应与平顺性评价平顺性评价平顺性评价指标平顺性评价指标102.辅助评价法 当峰值系数当峰值系数 9时，时，ISO 2631-1:1997(E)标准规定用加权加速度标准规定用加权加速度4次次方根值评价。它能更好地估计偶尔遇到过大的脉冲引起的高峰值系数方根值
9、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对人体的影响。此时采用辅助评价方法 振动剂量值。振动剂量值。5.人体反应与人体反应与平顺性评价平顺性评价平顺性评价指标平顺性评价指标115.3道路路面不平度的统计特性道路路面不平度的统计特性路面谱路面谱路面不平度函数路面不平度函数 路面相对基准平面的高度路面相对基准平面的高度 q ，沿道路走向长度，沿道路走向长度 I 的变化的变化 q（I）称为路面不平度函数。称为路面不平度函数。 用水准仪或路面计可以得到路面不平度函数。用水准仪或路面计可以得到路面不平度函数。12n空间频率空间频率（m-1），表示每
10、米长度包括几个波长；，表示每米长度包括几个波长；n0参考空间频率，参考空间频率，n0=0.1m-1；W频率指数。频率指数。5.3道路路面不平度的统计特性道路路面不平度的统计特性路面谱路面谱路面不平度的功率谱密度路面不平度的功率谱密度 的拟合公式的拟合公式 参考空间频率下的路面功率谱密度，也称路面不参考空间频率下的路面功率谱密度，也称路面不平度系数；平度系数；13路面等级路面等级Gq(n0)/(10-6m3)（n0=0.1m-1）q /(10-3m)0.011m-1n2.83m-1 几何平均值几何平均值几何平均值几何平均值A163.81B647.61C25615.23D102430.45E409
11、660.90F16384121.80G65536243.61H262144487.22路面不平度路面不平度8级分类标准级分类标准5.3道路路面不平度的统计特性道路路面不平度的统计特性路面谱路面谱14路面不平度分级图路面不平度分级图5.3道路路面不平度的统计特性道路路面不平度的统计特性路面谱路面谱15速度功率谱密度和加速度功率谱密度速度功率谱密度和加速度功率谱密度速度功率谱密度速度功率谱密度加速度功率谱密度加速度功率谱密度当当W=2时时与与n无关无关“白噪声白噪声”5.3道路路面不平度的统计特性道路路面不平度的统计特性路面谱路面谱16空间频率功率谱密度 化为时间频率功率谱密度 当空间频率当空间频
12、率 n 一定时，时间频率一定时，时间频率 f 随车速成正比变化。随车速成正比变化。车速5.3道路路面不平度的统计特性道路路面不平度的统计特性 当当 时，有：时，有：175.3道路路面不平度的统计特性道路路面不平度的统计特性四轮输入的功率谱密度四轮输入的功率谱密度18 汽车有四个输入的振动传递时，要掌握四个车轮输入的自谱和四个汽车有四个输入的振动传递时，要掌握四个车轮输入的自谱和四个车轮彼此间的互谱，共车轮彼此间的互谱，共16个谱量个谱量 ，其中，其中12个谱量个谱量两两共轭。两两共轭。5.3道路路面不平度的统计特性道路路面不平度的统计特性四轮输入的功率谱密度四轮输入的功率谱密度19左、右轮迹间
13、的互谱可以表示为左、右轮迹间的互谱可以表示为两个轮迹的相关函数为两个轮迹的相关函数为5.3道路路面不平度的统计特性道路路面不平度的统计特性四轮输入的功率谱密度四轮输入的功率谱密度当两个轮迹当两个轮迹x（I）、）、y（I）的统计特性相同，即）的统计特性相同，即且相位谱且相位谱 时时20路面对四轮汽车输入的谱矩阵最后可以表示为路面对四轮汽车输入的谱矩阵最后可以表示为5.3道路路面不平度的统计特性道路路面不平度的统计特性四轮输入的功率谱密度四轮输入的功率谱密度21 车身质量有垂直、俯仰、车身质量有垂直、俯仰、侧倾侧倾3个自由度，个自由度，4个车轮质个车轮质量有量有4个垂直自由度，整车共个垂直自由度，
14、整车共7个自由度。个自由度。5.4平顺性分析平顺性分析平顺性分析模型平顺性分析模型 当当 汽车对称于其纵轴线，且左右车辙不平度函数汽车对称于其纵轴线，且左右车辙不平度函数 ，并忽略轮胎阻尼后，汽车立体模型可简化为平面模型。并忽略轮胎阻尼后，汽车立体模型可简化为平面模型。22 1）总质量保持不变）总质量保持不变 2）质心位置不变）质心位置不变 3）转动惯量保持不变）转动惯量保持不变简化前后应满足以下三个条件简化前后应满足以下三个条件解得解得把质量为把质量为m2的车身按动力学等效分解为前轴、后轴和质心上的三个集中质量。的车身按动力学等效分解为前轴、后轴和质心上的三个集中质量。5.4平顺性分析平顺性
15、分析平顺性分析模型平顺性分析模型令令 悬挂质量分配系数。悬挂质量分配系数。23 对于大部分汽车，对于大部分汽车， = 0.81.2，即接近，即接近1。当。当 = 1时时5.4平顺性分析平顺性分析平顺性分析模型平顺性分析模型24 在在 =1 的情况下，前、后轴上的情况下，前、后轴上方车身部分的集中质量方车身部分的集中质量m2f 、 m2r在在垂直方向的运动是相互独立的。垂直方向的运动是相互独立的。 双轴汽车模型可以简化为车身、双轴汽车模型可以简化为车身、车轮两个自由度振动系统模型。车轮两个自由度振动系统模型。5.4平顺性分析平顺性分析平顺性分析模型平顺性分析模型25 车轮部分的固有频率为车轮部分
16、的固有频率为1016Hz，如果激振频率如果激振频率（即（即5Hz以下）远离车轮固以下）远离车轮固有频率，轮胎的动变形很小，有频率，轮胎的动变形很小，可忽略车轮质量和轮胎的弹可忽略车轮质量和轮胎的弹性，从而得到车身单质量系性，从而得到车身单质量系统模型。统模型。5.4平顺性分析平顺性分析平顺性分析模型平顺性分析模型265.4平顺性分析平顺性分析单质量系统单质量系统平顺性分析平顺性分析27幅频特性曲线幅频特性曲线0.1110频率比=/010lg|z/q|-101-1lg0.11|z/q|10-2:1-1:1单质量系统位移输入与位移输出的幅频特性单质量系统位移输入与位移输出的幅频特性5.4平顺性分析
17、平顺性分析单质量系统单质量系统平顺性分析平顺性分析28车身加速度的功率谱密度 的计算分析 路面输入除采用路面输入除采用 外，还可以采用外，还可以采用 和和 。 相应地，幅频特性要采用相应地，幅频特性要采用 和和 。5.4平顺性分析平顺性分析单质量系统单质量系统平顺性分析平顺性分析2921101000.1110激振频率激振频率 f / Hz=0.25=0.5f0=1Hzf0=2Hz5.4平顺性分析平顺性分析单质量系统单质量系统平顺性分析平顺性分析单质量系统车身加速度均方根谱与固有频率成正比。单质量系统车身加速度均方根谱与固有频率成正比。30车轮与路面间的相对动载 对 的幅频特性 对单质量振动系统
18、，对单质量振动系统， 与与 只相差系数只相差系数1/g，因此，因此0和和对对 幅频特性的影响与幅频特性的影响与 幅频特性的影幅频特性的影响，从变化趋势上讲完全一样。响，从变化趋势上讲完全一样。5.4平顺性分析平顺性分析单质量系统单质量系统平顺性分析平顺性分析31悬架弹簧的动挠度 对 幅频特性的分析5.4平顺性分析平顺性分析单质量系统单质量系统平顺性分析平顺性分析322:10:11:1-1:15.4平顺性分析平顺性分析单质量系统单质量系统平顺性分析平顺性分析单质量系统动挠度的均方根谱与固有频率和阻尼比成反比。单质量系统动挠度的均方根谱与固有频率和阻尼比成反比。33无阻尼自由振动时无阻尼自由振动时
19、如果如果m1不动（不动（z1=0）如果如果m2不动（不动（z2=0） 0与与t是双质量系统只有单独一个质量振动时的部分频率（偏频）。是双质量系统只有单独一个质量振动时的部分频率（偏频）。5.4平顺性分析平顺性分析双质量系统双质量系统平顺性分析平顺性分析34 无阻尼自由振动时，设两个质量以相同的圆频率无阻尼自由振动时，设两个质量以相同的圆频率和相角和相角 做简谐振动，振幅为做简谐振动，振幅为z10、z20 。代入左式后可得代入左式后可得将将代入代入得得5.4平顺性分析平顺性分析双质量系统双质量系统平顺性分析平顺性分析35 方程有非零解的条件是方程有非零解的条件是z z10和和z z20的系数行列
20、式为零。的系数行列式为零。5.4平顺性分析平顺性分析双质量系统双质量系统平顺性分析平顺性分析由主频率可求出振动系统的两个主振型由主频率可求出振动系统的两个主振型365.5影响汽车平顺性的结构因素影响汽车平顺性的结构因素1.悬架刚度悬架刚度2.“人体人体-座椅座椅”系统的参数选择系统的参数选择 悬架刚度决定悬架系统的固有频率，对平顺性有很大影响。降低固悬架刚度决定悬架系统的固有频率，对平顺性有很大影响。降低固有频率，可以明显减小车身加速度；但悬架固有频率的降低，动挠度增有频率，可以明显减小车身加速度；但悬架固有频率的降低，动挠度增大，限位行程也相应地增大，而限位行程受结构限制不能太大，所以降大，
21、限位行程也相应地增大，而限位行程受结构限制不能太大，所以降低悬架固有频率是有限度的。低悬架固有频率是有限度的。 为改善汽车平顺性，使传至人体的振动比较小，在选择为改善汽车平顺性，使传至人体的振动比较小，在选择“人体人体- -座椅座椅”参数时，首先要保证人体垂直方向最敏感的频率范围参数时，首先要保证人体垂直方向最敏感的频率范围48Hz处于减振处于减振区。区。375.5影响汽车平顺性的结构因素影响汽车平顺性的结构因素3.轮胎轮胎 轮胎在很大程度上吸收了因路面不平产生的振动，因此，希望轮胎轮胎在很大程度上吸收了因路面不平产生的振动，因此，希望轮胎的缓冲性能越来越好。的缓冲性能越来越好。 (1)增大轮
22、胎断面、轮辋宽度和空气容量，并相应降低轮胎气压；轮胎断面、轮辋宽度和空气容量，并相应降低轮胎气压； (2)改变轮胎结构形式，如采用子午线轮胎；轮胎结构形式，如采用子午线轮胎； (3)提高帘线和橡胶的弹性，采用较柔软的胎冠。线和橡胶的弹性，采用较柔软的胎冠。4.非悬挂质量非悬挂质量 非悬挂质量的振动对悬架质量振动加速度有较明显的影响，减小非非悬挂质量的振动对悬架质量振动加速度有较明显的影响，减小非悬挂质量，可以减小传给悬挂质量的冲击力；因此，提高悬挂质量和非悬挂质量，可以减小传给悬挂质量的冲击力；因此，提高悬挂质量和非悬挂质量的比值，有利于改善汽车的平顺性。悬挂质量的比值，有利于改善汽车的平顺性。38
