部分 汽车行驶平顺性6.5 概述6.6 人体对振动的响应以及(1).ppt

第二部分 汽车行驶平顺性 6.5 概述 6.6 人体对振动的响应以及平顺性评价 6.7 汽车振动系统的简化 6.8 影响汽车行驶平顺性的结构因素,6.5 概述 振动：路面不平等原因引起汽车振动，它影响舒适性和身体健康。 保持振动环境的舒适性，以保持驾驶员在复杂行驶和操纵条件下具有良好的心理状态和准确灵敏的反应。 汽车的平顺性影响“ 人汽车”系统的操纵稳定性以及行驶安全性。,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：根据乘员舒适程度评价 汽车振动系统及其评价指标,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、弹簧动挠度、 车轮动载荷。 评价指标：人体对振动的响应、行驶安全性。,研究平顺性的主要目的：控制汽车振动系统的动态特性，使振动系统的“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 。 平顺性分析建立在随机振动理论的基础上。,一、随机振动基础和路面输入（补充）,1. 随机振动基本概念 （1）随机过程变化规律不能用确定的函数来描述 平顺性分析所讨论的随机过程，都具有平稳的可用一个样本函数代表整个过程的各态历经性。,（2）加速度均方根值 对于平稳随机过程，样本函数X(t)每时每刻都在变化，其均方根值为：,（3）功率谱密度 在平顺性分析中，常需利用傅里叶变换来确定时间（或空间）函数的频率结构； 用功率谱密度函数Gx(f)反映不同频率上的振动能量和振幅，代表单位频带上所具有的平均功率，简称谱密度。 谱密度与加速度均方根值之间的关系为： 谱密度可用来表示一个系统受到的激励及其响应。,一、随机振动基础和路面输入（补充）,fu上限频率；fl下限频率；fc中心频率。 若每个频带按fu/ fl=2确定，称为“倍频带”；,（4）1/3倍频带 随机过程属非周期函数，将其视为频率连续变化的周期函数叠加而成。为分析方便，将连续频率按一定规则划分成一些频段，称之为频带，频带所表示的频率范围称为带宽。,一、随机振动基础和路面输入（补充）,（5）常系数线性系统 常系数：系统的质量、刚度和阻尼等不随时间变化； 线性：能够满足叠加原理，其运动微分方程为线性常系数微分方程； 通常将汽车近似看成常系数线性系统。,其中心频率,若将“倍频带”按比例分成三个频带，则称之为1/3倍频带，其上、下限频率之比为：,一、随机振动基础和路面输入（补充）,（6）频率响应 对于一个振动系统，关注的是输出与输入的幅值比和相位角； 幅值比和相位角实际反映了系统的传递特性，它们都取决于系统的固有参数； 一个复数具有模和相角两个参数，因此一个系统的传递性可以用一个复数H(jf)来表示，称H(jf)为频率响应函数，简称频响函数。频响函数与输入、输出之间具有如下十分重要的关系：,Gy输出功率谱密度；Gx输入功率谱密度,一、随机振动基础和路面输入（补充）,6.6 人体对振动的响应以及平顺性评价,人体对振动的响应 人体对振动的响应取决于：频率与强度； 作用方向； 暴露时间。 对于汽车的振动环境， 8Hz以下振动频率占相当大比重，频率8Hz以下水平方向允许的加速度值低于垂直方向允许的加速度。 反应界限（疲劳、不舒服）都是由人体感觉到的振动强度大小和暴露时间长短综合作用的结果。,评价方法通常根据人体对振动的生理反应及对保持货物完整性的影响来制订。 评价指标振动的物理量。如频率、振幅、加速度、加速度变化率等。汽车车身振动的固有频率和振动加速度常用来评价汽车行驶平顺性。 评价标准 人体承受全身振动的评价指南（ISO 2631，以短时间简谐振动的实验结果为基础）（讲授重点） 汽车平顺性随机输入行驶试验方法（GB/T4970-1996）主要货车采用； 客车平顺性评价指标及极限（QC/T 474-1999，原标准GB/T 12477-1990已作废）主要客车采用。,路面输入随机输入、凸块输入,ISO2631用加速度均方根值（rms）表示人体在180Hz范围内的三个感觉界限，即： “舒适降低界限TCD”人体感觉良好，可以顺利完成吃、写、读等动作； “疲劳工效降低界限TFD”驾驶员能够保持正常进行驾驶； “暴露极限”人体可以承受振动量的上限。 “舒适降低界限TCD”为“疲劳工效降低界限TFD”的1/3.15；“暴露极限”为“疲劳工效降低界限TFD”的2倍。,一、汽车行驶平顺性的评价指标,人体最敏感的频率范围： 垂直振动：48Hz；水平振动：12Hz。 当频率小于2.8Hz时，水平振动加速度容许值低于垂直振动。,可以看出，驾驶员在此车速下连续工作超过位于25分钟到1小时之间的某时间后将会使工作效率下降 。,某单排座货车人体垂向振动加速度与 “疲劳降低工效界限,可以看出，驾驶员在此车速下连续工作超过位于1小时到2.5小时之间的某时间（该时间距1小时较近）后，将会使工作效率下降。,某双排座货车人体垂向振动加速度与 “疲劳降低工效界限,为了用“疲劳工效降低界限”评价汽车平顺性，需要对经过汽车座椅传至人体的振动进行频谱分析，得到1/3倍频带的加速度均方值谱。 ISO2631推荐两种方法： 1/3倍频带分别评价的方法（讲授重点）； 总加速度加权均方值评价法。,一、汽车行驶平顺性的评价指标,一、汽车行驶平顺性的评价指标,1、1/3倍频带分别评价法 把经过汽车座椅传至人体的加速度进行频谱分析，得到1/3倍频带的加速度均方值，便可检查各频带的加速度均方差是否都保持在感觉界限之内。,将振动传至人体加速度的功率谱密度Gp(f)所对应的1/3倍频带中心频率fci在带宽fi区间积分，得到各个1/3倍频带的加速度均方根值分量pi,一、汽车行驶平顺性的评价指标,pi不能真正反映人体感受振动强度大小。,1/3倍频法认为：同时有许多个1/3倍频带都有能量作用于人体时，各个频带振动作用无明显联系，对人体产生的影响主要是人体感觉振动强度最大的那个1/3倍频带所造成的。,人体对各频带振动的敏感程度不同，所以1/3倍频加速度均方根值分量的大小不能反映人体感觉振动强度的大小。 方法：采用人体对不同频率振动敏感程度的频率加权函数，将人体最敏感以外各1/3倍频带加速度均方根值分量进行频率加权，即按人体感觉的振动强度相等的原则折算为最敏感频率范围，即加权加速度均方根值分量。其大小可以反映人体对振动强度的感觉。,式中：fci第i频带的中心频率，Hz W(fci)频率加权函数,加权加速度均方根值pwi分量为：,1/3倍频带评价法小结 pwi反映了人体对各1/3倍频带振动强度的感觉。1/3倍频带分别评价法的评价指标就是pwi中的最大值(pwi)max 1/3倍频带分别评价法认为：多个频带振动能量作用于人体时，对人体影响主要由单个影响最突出频带所造成。 要改善行驶平顺性，主要避免振动能量过于集中，尤其在人体最敏感的频率范围内，不应该有突出的尖峰。,2. 总加权值评价法 采用传至人体振动的加速度均方根值p或车身振动的加速度均方根值z作为评价平顺性的指标。 特点：方法简单，适用于振动频率分布相似的条件下进行对比。p和z值等于180Hz中的20个倍频带加速度均方根值分量pi和zi平方和的平方根。即：,N频带数，20,总加权值反映了全部振动能量的大小，其振动加速度均值为零，故p和z代表加速度幅值波动的范围。,在只有一个1/3倍频带有值的窄带振动条件下（n=1），能量分布都集中在该1/3倍频带内。p显然就是前面1/3倍频带分别评价方法中所考虑的，对人体影响最突出的那个频带的加速度均方值。,此值已折算到人体最敏感的频率范围，可将p与“疲劳工效降低界限”上人体最敏感频率范围的容许值比较来进行评价。,当各1/3倍频带加速度加权均方根值分量pwi彼此相等时，1/3倍频带分别评价指标(pwi)max和总加速度加权均方根值p的关系为：,n总的频带数,汽车座椅传给人体的振动主要是10Hz以下的宽带随机振动，总频带数n约为10。若各pwi都相等，则： 实际上各1/3倍频带的pi不相等，实际测算为：,因ISO2631的界限值是针对1/3倍频带分别评价法给出的，若用总加速度加权均方差值p评价时，允许的界限值也要相应调整。,汽车是多质量模型组成的复杂振动系统。为便于分析，需要进行简化，根据分析问题的不同，简化模型不同。 影响汽车平顺性的主要因素有：悬架结构、轮胎参数、悬挂质量M和非悬挂质量 m,6.7 汽车振动系统的简化,一、7自由度模型： 车身的垂直、俯仰、侧倾以及4个车轮质量的四个垂直自由度,簧载质量的垂直、俯仰自由度,2个车轮垂直自由度,二、4自由度模型,三、两自由度模型 车身的垂直自由度和车轮的垂直自由度,四、单自由度模型,6.8 影响汽车行驶平顺性的结构因素,1. 悬架结构弹性元件、导向装置和减振装置。以弹性元件和悬架系统中的阻尼装置影响较大。 1）弹性元件减少悬架刚度可降低车身的固有振动频率，改善平顺性。 将车身看成在弹性悬架上作单自由度振动的质量时，其固有频率为：,式中：C 悬架刚度，N/mm；G 悬挂重力，N；g 重力加速度，g =9810 mm/s2,6.8影响汽车行驶平顺性的结构因素,减少C，可降低f0 当汽车的其它结构参数不变，要使悬架具有低的f0，悬架就必须具有很大的静挠度fs（指汽车满载时，刚度不变的悬架在静载荷下的变形量）。为防止经常出现冲击，悬架还需要有足够大的动挠度（fm）。 为解决增加静挠度带来的其它问题，通常采用刚度可变的非线性悬架或采用副簧的办法。 对变刚度悬架，静挠度为：fs=G/C mm,对于载荷变化较大的货车而言，会明显改善行驶平顺性。,悬架刚度随行程而变化，实现了在有限的动行程范围内有足够的动容量。,为减小车身纵向角振动，前后悬架静挠度要做到合理匹配。通常后悬架刚度较大些。 2）悬架系统的阻尼阻尼来源于减振器、摩擦副、轮胎变形等。 减振器的阻尼系数选择适当，可以提高汽车行驶平顺性。,2. 轮胎减少轮胎径向刚度，可以使悬架换算刚度减少1015%，改善汽车平顺性。 3. 悬挂质量 车身的振动主要以自振频率进行。,6.8影响汽车行驶平顺性的结构因素,6.8 影响汽车行驶平顺性的结构因素,为研究方便，将汽车的悬挂质量M分解为由无质量的刚性杆互相连接的前轴质量M1，后轴质量M2以及质量中心C上的质量M3 三个集中质量分别为：,式中：y绕横轴y的回转半径； M1、 M2在垂直方向的运动相互独立。,座位距质量中心的距离越近振动越小。,4. 非悬挂质量减少非悬挂质量可降低车身振动频率，增高车轮振动频率。有利于将高频率共振移向更高的行驶速度，对行驶平顺性有利。 常用非悬