第六章汽车平顺性

第六章汽车的平顺性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2/6/20231第一讲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2/6/20232汽车使用性能的主要指标——乘坐舒适性

1）振动频率

2）振动加速度

3）振幅第六章汽车的平顺性2/6/20233概述

汽车在运行过程中，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。第六章汽车的平顺性2/6/20234第六章汽车的平顺性路面汽车人2/6/20235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分别代表什么？第六章汽车的平顺性2/6/20236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。第六章汽车的平顺性2/6/20237人体的基本运动习惯：人体习惯的步行时，身体上下运动的频率为60-80次/min，即1-1.4Hz，振动的加速度极限值为0.2-0.3g。货物运动：

车身振动加速度不能大于1g。为什么？第一节人体对振动的反应和平顺性的评价2/6/20238身体的各个部分又有各自的固有频率。例如，头颅骨的固有频率大致为300-400Hz，而腹部内脏的固有频率约为4-8Hz，脊椎系统大致为8-12.5Hz等。车辆的随机振动，对人体系统来说就是一种激励。这种随机激励的频率往往不是一个或几个而是分布在某一频率范围内，形成一个频带。于是，它总可以使人体的某一部分发生共振，人就会感到不适。比方说，当车辆随机振动频带在4-8Hz附近时，腹腔将要发生共振，人就难受得会呕吐；当车辆随机振动的频率提高到300-400Hz时，脑腔要发生共振，人就会感到头昏难受。第一节人体对振动的反应和平顺性的评价2/6/20239第一节人体对振动的反应和平顺性的评价2/6/202310平顺性主要靠主观感觉判断。国际标准ISO2631《人体承受全身振动的评价指南》，以短时间简谐振动的实验结果为基础。我国国家标准《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》以及《客车平顺性评价指标及极限》。ISO2631用加速度均方根值给出了1～80Hz振动频率范围内人体对振动反应的三个不同界限。rms－加速度均方根值2/6/202311暴露界限：当人体承受的振动强度在此界限内，将保持人的健康或安全。它作为人体可承受振动量的上限。疲劳－工效降低界限TFD：当人承受的振动强度在此界限内时，能准确灵敏地反应，正常地进行驾驶。它与保持工作效率有关。舒适－降低界限TCD：在此界限之内，人体对所暴露的振动环境主观感觉良好，能顺利地完成吃、读、写等动作。它与保持舒适有关。2/6/202312ISO2631人体对振动反应的“疲劳-工效降低界限”（垂直方向）分别代表什么？2/6/202313第一节人体对振动的反应和平顺性的评价平顺性的评价标准评价标准

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》所考虑的振动ISO2631-1规定，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。2/6/202314人体坐姿受振模型第一节人体对振动的反应和平顺性的评价座椅支撑面处3+3脚支撑面处3座椅靠背处32/6/2023151、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、频率加权系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。第一节人体对振动的反应和平顺性的评价2/6/202316椅面x,y向和靠背y向：椅面z向：靠背x向：频率加权系数第一节人体对振动的反应和平顺性的评价2/6/202317频率加权滤波网络aw(t)a(t)3、均方根值

a(t)是测试的加速度时间信号。4、加权均方根值

aw(t)是通过频率加权函数滤波网络后得到的加速度时间信号。第一节人体对振动的反应和平顺性的评价2/6/202318第一节人体对振动的反应和平顺性的评价2/6/2023191、按加速度加权均方根值评价。样本时间T一般取120s。2、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：平顺性评价方法第一节人体对振动的反应和平顺性的评价2/6/202320第一节人体对振动的反应和平顺性的评价三个方向总加权加速度均方根值总加权振级Lawa0—参考加速度均方根值。2/6/202321第一节人体对振动的反应和平顺性的评价数据处理系统引进快速傅里叶变换，采用相应的软件，快速、精确的进行自谱、互谱、传递函数、相干函数和概率统计等各种数据处理。记录的模拟信号

模拟-数字转换i=1,2,···,N/2快速傅里叶变换K=1,2,···,N/2计算自功率谱

频率加权均方根值计算2/6/202322第一节人体对振动的反应和平顺性的评价按照ISO-2631标准进行频率加权的“人体振动测量仪”在平顺性评价试验中得到采用。这种仪器通常用模拟/数字混合法计算加权加速度均方根值。记录的模拟信号模拟-数字转换i=1,2,···,N/2模拟

频率加权滤波均方根值计算2/6/202323平顺性指标和人的感觉间的关系第一节人体对振动的反应和平顺性的评价Law和aw与人的主观感觉之间的关系加权加速度均方根值aw加权振级Law人的主观感觉<0.315110没有不舒适0.315～0.63110～116有一些不舒适0.5～1.0114～120相当不舒适0.8～1.6118～124不舒适1.25～2.5112～128很不舒适>2.0126极不舒适2/6/202324路面纵向断面曲线第二节路面不平度的统计特征2/6/202325第二节路面不平度的统计特征2/6/202326

路面不平度的功率谱通常把相对基准平面的高度q，沿着道路走向长度I的变化q(I)

称为道路纵(断面)曲线或不平度函数。

根据测量的路面不平度随机数据，在计算机上处理得到路面不平度功率谱

或方差

。如何理解？第二节路面不平度的统计特征2/6/202327第二节路面不平度的统计特征一、路面不平度的功率谱密度式中

n—空间频率，m-1

n0—0.1m-1

Gq(n0)—路面不平度系数(m2/m-1)

w—频率指数，一般取为20.011-2.832/6/202328第二节路面不平度的统计特征2/6/202329纵坐标和横坐标均采用对数单位第二节路面不平度的统计特征2/6/202330第二节路面不平度的统计特征2/6/202331第二节路面不平度的统计特征位移功率谱速度功率谱加速度功率谱2/6/202332第二节路面不平度的统计特征大小在整个频率范围内不变，即:为一常数，称为白噪声。2/6/202333第二节路面不平度的统计特征二、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=u*n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)。时间频率范围？2/6/202334第二节路面不平度的统计特征2、路面时间谱密度与空间频率谱密度的关系2/6/202335空间频率和时间频率谱密度的关系时间频率谱密度Gq(f)空间频率谱密度Gq(n)nfu=1/2u=1u=2112Gq(f)Δn速度u不同时，空间频率与时间频率的关系2/6/202336第二节路面不平度的统计特征上式可化为还可得到2/6/202337第二节路面不平度的统计特征位移功率谱密度速度功率谱密度加速度功率谱密度覆盖了在常用车速下车身质量的振动频率范围1-2Hz以及车轮质量振动的频率范围10-15Hz2/6/202338左、右轮相关前、后轮相关路面的冲击大小还与汽车行驶速度直接相关。第二节路面不平度的统计特征2/6/202339time(sec)路面对前轮的激励（v=36km/h）q(m)第二节路面不平度的统计特征2/6/202340time(sec)路面对后轮的激励（v=72km/h）q(m)第二节路面不平度的统计特征2/6/202341第二节路面不平度的统计特征2/6/2023422/6/202343第二讲第三节单质量系统的振动第四节车身与车轮双质量系统的振动2/6/202344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自由度的判定？2/6/202345第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动1）质量不变；2）质心位置不变；3）转动惯量不变（绕质心）将车身的质量进行简化（悬挂质量）2/6/202346第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动悬挂质量分配系数能否再进行简化？2/6/202347第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动二、汽车单自由度振动模型前、后质量分别进行单独的振动2/6/202348第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动汽车单自由度振动方程忽略车轮部分的振动2/6/202349第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动汽车单自由度振动方程1、建立坐标系2、假设质量沿坐标正方向移动一个距离3、利用牛顿运动定律建立运动方程2/6/202350第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动汽车单自由度振动方程2/6/202351第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动汽车单自由度振动方程2/6/202352第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动1）为何会收敛？2）意义？2/6/202353第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动三、汽车单自由度系统频率响应特性1）描述2）意义2/6/202354第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动？2/6/202355第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动汽车单质量系统幅频特性ζ分别为0，0.25，0.51）为何会收敛？2）意义？2/6/202356第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动四、汽车单自由度系统对路面随机输入的响应1、振动响应参数与舒适性直接相关与悬架寿命相关与安全性直接相关如何得到这些参数？2/6/202357第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动输入功率谱与响应功率谱之间的关系利用响应功率谱得到响应位移的大小（均方值）2/6/202358第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动2、车身加速度功率谱的计算和分析如何得到？2/6/202359第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动车身加速度与输入速度之间的频率响应函数2/6/202360第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动为何选用这个关系？2/6/202361第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动ζ分别为0.25，0.5激振频率f(Hz)车身固有频率f0分别为1Hz和2Hz。随着车身固有频率f0的增大，车身加速度的响应值也增大，舒适性降低。如何理解？2/6/202362第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动3、车轮与路面相对载荷与速度的幅频特性分析相对动载荷与车身加速度的关系相对动载荷与速度的频率特性则与车身加速度与速度的频率特性近似2/6/202363第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动ζ分别为0.25，0.5激振频率f(Hz)车身固有频率f0分别为1Hz和2Hz。随着车身固有频率f0的增大，动载荷也增大，安全性降低。如何理解？2/6/202364第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动4、悬架动挠度与速度的幅频特性分析2/6/202365第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动ζ分别为0，0.25，0.52/6/202366第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动ζ分别为0.25，0.5激振频率f(Hz)车身固有频率f0分别为1Hz和2Hz。随着车身固有频率f0的增大，动挠度的响应值降低，舒适性提高。如何理解？2/6/202367第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动总结在与平顺性直接相关的三个参数：1）加速度；2）动挠度；3）动载荷与车身的固有频率以及阻尼的分析中可以看到：1）降低车身固有频率将使得响应的加速度减小，舒适性提高；2）降低车身固有频率将使得响应的动载荷减小，安全性提高；3）降低车身固有频率将使得响应的动挠度增大，影响悬架的使用。2/6/202368第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动车型f0/Hzfs/cm[fd]/cmζ轿车1.2-1.115-307-90.2-0.4大客车1.8-1.27-155-8货车2-1.56-116-9越野车2-1.36-137-13各自的特点？2/6/202369双质量汽车平顺性模型第四节车身——车轮双质量系统的振动m1z1ktkm2z2qc增加非簧载质量的运动2/6/202370系统的运动微分方程第四节车身——车轮双质量系统的振动强迫振动m1z1ktkm2z2qc2/6/202371系统自由振动状态第四节车身——车轮双质量系统的振动如果仅有某一质量振动，另一质量不动，则可将方程简化为两个单自由度系统的振动。m1z1ktkm2z2qc2/6/202372系统自由振动状态（独立振动）第四节车身——车轮双质量系统的振动2/6/202373系统自由振动状态第四节车身——车轮双质量系统的振动利用振动知识可以得到系统的两个固有频率m1z1ktkm2z2qc2/6/202374系统自由振动的主振型第四节车身——车轮双质量系统的振动m1z1ktkm2z2c按照某个固有频率自由振动时的振幅比值。如何理解？2/6/202375系统自由振动的主振型（1）第四节车身——车轮双质量系统的振动m1z1ktkm2z2c2/6/202376系统自由振动的主振型（1）第四节车身——车轮双质量系统的振动m1z1ktkm2z2c16.77m1m2车身与车轮组成的两个自由度系统的主振型。在一阶主振型时，车身质量的振幅约为车轮质量振幅的6.77倍，即主要是车身质量在振动，故称为车身型振动。它与汽车简化为单质量系统的振动比较接近。2/6/202377系统自由振动的主振型（2）第四节车身——车轮双质量系统的振动m1z1ktkm2z2c2/6/202378系统自由振动的主振型（2）第四节车身——车轮双质量系统的振动m1z1ktkm2z2c10.0243m1m2节点车身与车轮组成的两个自由度系统的主振型。在二阶主振型时，车轮质量的振幅约为车身质量振幅的40倍，即主要是车轮质量在振动，故称为车轮型振动。它可以看做车身不动。2/6/202379第四节车身——车轮双质量系统的振动2/6/202380系统的频率响应函数第四节车身——车轮双质量系统的振动m1z1ktkm2z2qc2/6/202381系统的频率响应函数第四节车身——车轮双质量系统的振动与下面的参数有关：1）车身的固有频率f0；2）车身阻尼比ζ；3）车身与车轮的质量比μ；4）悬架与轮胎的刚度比γ。2/6/202382第四节车身——车轮双质量系统的振动1、车身固有频率f0的影响f0=0.5,1,2Hz激励频率f/Hz1）车轮固有频率ft=10f0；2）车身阻尼比ζ为0.25。2/6/202383第四节车身——车轮双质量系统的振动f0=0.5,1,2Hz激励频率f/Hz1）车轮固有频率ft=10f0；2）车身阻尼比ζ=0.25。2/6/202384第四节车身——车轮双质量系统的振动f0=0.5,1,2Hz激励频率f/Hz1）车轮固有频率ft=10f0；2）车身阻尼比ζ为0.25。2/6/202385第四节车身——车轮双质量系统的振动2、车身部分阻尼比ζ的影响ζ=0.125,0.25,0.5激励频率f/Hz1）车身固有频率f0=1；2）车轮固有频率ft=10f0;3）车身与车轮质量比μ=10；4）悬架与轮胎的刚度比γ=9。2/6/202386第四节车身——车轮双质量系统的振动激励频率f/Hzζ=0.125,0.25,0.51）车身固有频率f0=1；2）车轮固有频率ft=10f0;3）车身与车轮质量比μ=10；4）悬架与轮胎的刚度比γ=9。2/6/202387第四节车身——车轮双质量系统的振动激励频率f/Hzζ=0.125,0.25,0.51）车身固有频率f0=1；2）车轮固有频率ft=10f0;3）车身与车轮质量比μ=10；4）悬架与轮胎的刚度比γ=9。2/6/202388第四节车身——车轮双质量系统的振动3、车身与车轮质量比μ的影响μ=5,10,20激励频率f/Hz1）车身固有频率f0=1；2）车轮固有频率ft=10f0;3）车身阻尼比ζ=0.25；4）悬架与轮胎的刚度比γ=9。2/6/202389第四节车身——车轮双质量系统的振动激励频率f/Hzμ=5,10,201）车身固有频率f0=1；2）车轮固有频率ft=10f0;3）车身阻尼比ζ=0.25；4）悬架与轮胎的刚度比γ=9。2/6/202390第四节车身——车轮双质量系统的振动激励频率f/Hzμ=5,10,201）车身固有频率f0=1；2）车轮固有频率ft=10f0;3）车身阻尼比ζ=0.25；4）悬架与轮胎的刚度比γ=9。2/6/202391第四节车身——车轮双质量系统的振动4、悬架与轮胎的刚度比γ的影响γ=4.5,9,18激励频率f/Hz1）车身固有频率f0=1；2）车轮固有频率ft=10f0;3）车身阻尼比ζ=0.25；4）车身与车轮的质量比μ=10。2/6/202392第四节车身——车轮双质量系统的振动激励频率f/Hzγ=4.5,9,181）车身固有频率f0=1；2）车轮固有频率ft=10f0;3）车身阻尼比ζ=0.25；4）车身与车轮的质量比μ=10。2/6/202393第四节车身——车轮双质量系统的振动激励频率f/Hzγ=4.5,9,181）车身固有频率f0=1；2）车轮固有频率ft=10f0;3）车身阻尼比ζ=0.25；4）车身与车轮的质量比μ=10。2/6/202394第四节车身——车轮双质量系统的振动总结2/6/202395第三讲第五节双轴汽车的振动第六节人体——座椅系统的振动2/6/202396第五节双轴汽车的振动2/6/202397第六节人体——座椅系统的振动m1z1ktkm2z2qcmsp在车身-车轮双质量系统上增加了座椅部分，形成了一个三自由度系统。系统的特性也可以通过频率响应函数的形式进行分析。2/6/202398第六节人体——座椅系统的振动m1z1ktkm2z2qcmsp系统的频率响应函数kscs2/6/202399第六节人体——座椅系统的振动m1z1ktkm2z2qcmspkscsz2mspkscsm1z1ktkm2z2qc2/6/2023100第三节汽车振动系统的简化、单质量系统振动车身加速度与输入速度之间的频率响应函数2/6/2023101第六节人体——座椅系统的振动f0=1Hzft=10Hzfs=3Hz2/6/2023102第四节车身——车轮双质量系统的振动激励频率f/Hzf0=1Hzft=10Hzfs=3Hz2/6/2023103第四节车身——车轮双质量系统的振动激励频率f/Hzf0=1Hzft=10Hzfs=3Hz2/6/2023104第四节车身——车轮双质量系统的振动激励频率f/Hzf0=1Hzft=10Hzfs=3Hz2/6/2023105第四节车身——车轮双质量系统的振动“人体—座椅”系统的参数选择人体垂直方向最敏感的频率范围是4～12Hz。座椅的减振频率是“人体—座椅”系统的固有频率不能取得太小，否则与车身部分固有频率f0重合，传至人体的振动加速度会出现峰值，这对平顺性不利。希望“人体—座椅”系统的阻尼比达到0.2以上。2/6/2023106影响汽车行驶平顺性的结构因素①悬架结构②轮胎③悬挂质量④非悬挂质量2/6/2023107①悬架结构悬挂结构主要指弹性元件、导向装置与减振装置，其中弹性元件与悬架系统中阻尼影响较大。1）弹性元件车身振动频率的大小由哪些因素决定？车身振动主要是以自振频率进行振动。2/6/2023108当汽车的其它结构参数不变时，要使悬架系统有低的固有频率，悬架就必须具备很大的静挠度。它是指汽车满载时，刚度不变的悬架在静载荷下的变形量。对变刚度悬架，静挠度是由汽车满载时，悬架上的静载荷和与相应的瞬时刚度来确定。2/6/2023109汽车前、后悬架静挠度的匹配对行驶平顺性也有很大影响，若前、后悬架的静挠度以及振动频率都比较接近，共振的机会减少。为了减少车身纵向角振动，通常后悬架的静挠度设计得比前悬架小些，即后悬架硬一些。但对于一些短轴距的汽车，往往使后悬架软一些。汽车的静挠度会由于载荷的不同而发生变化。2/6/2023110例如：某货车在满载时，后悬架的载荷约为空车的4倍多，假定悬架刚度不变，若满载时的静挠度等于100mm时，则空车时的静挠度将不到25mm。不难算出，满载时的振动频率为1.6Hz，而空车时的频率则为3.2Hz。显然，空车时的振动频率过高，平顺性很差。如果采用变刚度悬架，使空车时的刚度比满载时的低，就会降低空车的振动频率而改善汽车行驶的平顺性。2/6/2023111为使载荷增减时，静挠度保持不变，较为理想的是在悬架系统中设置自动调节车身高度的装置或者改变汽车悬架的刚度。

2/6/20231122）悬架阻尼减振器工作过程阻尼的作用？2/6/20231132）悬架阻尼问题：货车采用钢板弹簧，能否有减振的作用？阻尼的作用？2/6/2023114阻尼的大小是否可以调节？2/6/2023115②轮胎轮胎的变形来减少路面的冲击，使得传递到车身上的振动能量减少。因此最重要的为轮胎的径向刚度。刚度增大，滚动阻力小，燃料经济性好。刚度减少，滚动阻力大，平顺性好。与气压以及汽车其它性能的关系？2/6/2023116③悬挂质量车身振动主要是以自振频率进行振动。减少悬挂质量会使车身的低频振动加速度增加，降低平顺性。2/6/2023117

座位的布置对行驶平顺性也有很大影响。实际感受和试验表明：座位接近车身的中部，其振动最小。座位位置常由它与汽车质心间的距离来确定，用座位到汽车质心距离与汽车质心到前(后)轴的距离之比评价座位的舒适性。该比值越小，车身振动对乘客的影响越小。2/6/20231182/6/2023119

对载货汽车和公共汽车，座位在高度上的布置也是重要的。为了减小水平纵向振动的振幅，座位在高度方面与汽车质量中心间的距离应该不大。

弹簧座椅刚度的选择要适当，防止因乘客在座位上的振动频率与车身的振动频率重合而发生共振。对于具有较硬悬架的汽车，可采用较软的坐垫。对于具有较软悬架的汽车，可采用较硬的坐垫。2/6/2023120④非悬挂质量

非悬挂质量降低，将减少悬架所吸收的能量，使得其工作条件得到改善。

非悬挂质量降低，将减少车身的振动频率，因此将共振的频率移到更高的频率上，事实上提高了舒适性。2/6/2023121半主动悬架主动悬架2/6/2023122主动与半主动悬架被动悬架：弹簧刚度K

和减振器阻尼系数

C在设计时一旦选定后，使用过程中参数不改变的悬架。被动悬架的缺点是：当载荷、车速、路况等行驶状态变化时，悬架不能满足各种行驶状态下对悬架性能的较高要求。2/6/2023123可控悬架：将传感器测量的系统运