汽车振动分析与测试课件：车辆行驶振动（舒适性评价）

汽车振动分析与测试车辆振动性能的评价

三、舒适性评价

舒适性是人的主观感受，对振动作用的评价不是只根据其强度，比如不是单独根据加速度振幅的大小，而是对于同样强度但不同频率、部位和方向的振动有不同的感受。（1）用以评价的振动强度、评价函数

为寻求评价的途径，让被试人员坐在振动椅上。振动椅只能以单正弦波振动，但其频率和振幅可以改变用KZ表示“用以评价的振动强度”，它分成若干个等级。按主观感受“没有感觉”、“刚有感觉”、“有感觉”、“感觉强烈”、“感觉很强烈”进行划分，如图9.13所示，“KZ”的K表示舒适，“Z”表示方向。KZ等值曲线与立姿、坐姿人体Z方向振动加速度和频率之间的关系为了便于计算，引评价函数车内人体所受振动的评价函数表中还给出一些其它评价指标人体最敏感频率范围：①对座椅上的人体承受垂直振动为4～12.5Hz；②侧倾运动为低7Hz，特别是低于1Hz；③对双手和双脚为8Hz到16Hz之间。（2）振动强度K的计算

如果振动中存在几个频率成分，则当振动存在于一个频率范围内时，可利用傅立叶变换和谱密度来求振动强度K。总的振动强度Kt为（3）作用时间舒适程度可由舒适度降低界限、疲劳降低工作效率界限以及健康界限这三个界限来评价。这三个界限都是由K值和作用时间T共同决定的，如图所示。按三个界限画出的振动强度与作用时间的关系第3节单轮车辆模型

车辆振动频率范围大致划分和典型的共振频率范围，如表9.2和9.3所示。对悬架设计而言，有些参数可以由设计者来确定，而有些则不受设计者控制。通常可由设计者确定的设计参数有（1）悬架刚度；（2）悬架阻尼；（3）簧上质量与簧下质量之比；（4）防撞缓冲块的特性；（5）轮胎垂直力学特性；（6）衬套刚度。

簧下质量和轮胎特性等，有时是事先给定的，这样就不由设计者确定。悬架系统中，衬套刚度主要影响高频响应的传递特性，它对低频段的行驶性能影响较小。此外，在悬架行程达到上、下极限位置引起缓冲块冲击时，由此引起的振动属于非线性响应。本章的研究内容侧重于悬架刚度和阻尼参数的设计。一、轮胎和座椅的简化模型

（1）轮胎简化模型当轮胎气压一定时，垂直方向的力-变形量曲线，在轮胎初始受力阶段有一小段呈现脚趾状的曲线，如图所示。轮胎的垂直刚度

虽然轮胎垂直力－变形量曲线存在非线性，且轮胎存在阻尼，但在行驶振动力学建模时，通常将轮胎简化为一个垂直于地面的线性弹簧。对于非线性，一般通过在该曲线的静态车轮法向力点附近作线性化处理加以解决，如图所示。轮胎垂直刚度kt与次切距s的解释静态车轮法向力点的斜率为

值是对于静止轮胎而言的。随着车速增加，轮胎滚动时的值有所增加。对子午线轮胎，车速为100km/h时值要比静止状态增加6％。如果轮胎变形量增加或减少，那么垂直力就按下式近似地变化用次切距s来取代垂直刚度是比较简单的，因为按下图，尽管轮胎的尺寸不同，但同一种类轮胎的次切距差不多是相等的。各种尺寸和种类轮胎的次切距与静载的关系

（2）座椅简化模型

座椅及其上的人体可以简化为一单质量系统，如图所示。人体-座椅系统的简化模型mp是座椅和座椅上的人体质量；kp是座椅弹簧刚度；cp是(液力)阻尼系数。轿车座椅的固有频率范围为2.5～3.5Hz，相对阻尼系数=0.1～0.25

在0～4Hz范围内，座椅增强了车辆振动的传递；超过4Hz后，又减弱了车辆振动的传递，如图所示。人体-座椅系统的幅频特性二、车辆单轮模型

对于车辆基本行驶特性分析来，七自由度又是比较复杂的。因此，可进一步简化成四自由度模型或二自度模型，简化过程如下：（1）在路面的长波激励下，可以认为车辆的左、右两个车轮轨迹输入具有较高的相关性，即认为左、右轮输入是一致的，如果同时考虑到车辆的对称性，则可认为左、右两侧以完全相同的方式运动；（2）在短波激励下，车辆所受的激励实际上大多只涉及到车轮跳动，对车身运动影响甚微，车身左、右两侧相互作用就几乎为零。因此，7自由度车辆振动模型可简化为4自由度单轨模型，如图所示。4自由度单轨模型（3）4自由度单轨模型可用一个等效系统来代替，如图所示。4自由度等效系统模型动力学等效系统必须满足三个条件，即总质量、质心位置和转动惯量不变，即（4）如果忽略前、后桥的联系质量mc，即mc＝0，则4由度的单轨车辆模型可进一步简化为两个更简单的子问题，每个子问题即为一个2自由度的单轮模型，如图所示。2自由度单轮模型三、单轮车辆模型运动方程在单轮模型基础上，增加乘员座椅模型，如图所示。考虑乘员座椅的单轮模型三质量振动系统，其振动微分方程为根据上述几式，可以求出对行驶安全性有重要影响的车轮动载荷为四、幅频特性和评价尺度根据路面功率谱密度、车速以及各个振动参数的幅频特性，可以求出作为评价尺度的标准差（1）行驶安全性尺度，即单位车轮动载（2）舒适性尺度，先列出座椅减振的人体、双手和双脚的振动强度，即(3)空间需要的尺度(动挠度)悬架：座椅：为求出各响应量对路面不平度的频率响应函数，对以上各式两边求拉氏变换，求出各位移和对路面不平度输入的传递函数，分别为式中，再令和传递函数中的s＝jω，即得到它们的频率响应函数。其它响应量的频率响应函数，也可按照类似方法，利用以下关系求得到五、评价尺度的影响因素

1.不平度和车速的影响已经知道任意一响应量或评价参数q的方差可以用下式计算将路面功率谱密度的拟合表达式和反映路面空间频率谱密度与时间频率密度关系式，代入上式，并考虑 可得三个评价参数与下列因素有关：（1）车轮动载、弹簧动挠度或振动强度差不多随车速的平方根成比例增加（2）标准差总是与不平度尺度的平方根成正比，即（3）车辆参数的影响可根据下式估计取w＝2时，以车轮动载为例，如下图所示。图9.29不同条件下车轮动载系数与车速的关系(a)频率指数的影响；(b)不平度尺度的影响；(c)车轮参数的影响2.车身固有频率的影响假设车辆其它参数不变，仅改变车身悬架弹簧刚度，此时悬架刚度和对应的车身固有圆频率也随之变化。假设车身固有频率在2.0Hz和0.7Hz之间变动。较高的频率2.0Hz是在空载的小型轿车和货车上遇到的；1.0Hz则对应于大型和满载的轿车(如图9.30所示)；而低频0.7Hz则是指装有车身高度调节装置的车辆。3.车身相对阻尼系数的影啊下图反映了标准差随相对阻尼系数变化的情况。4.座椅固有频率和座椅相对阻尼系数的影响评价尺度与座椅固有频率及相对阻尼系数之间的关系，如下图所示。5簧下质量的影响

反映了评价尺度与簧下质量的关系，如图所示。可以看出，反映舒适性的用以评价的振动强度与簧下质量几乎无关，车轮动载变化系数随mu增加，行驶安全性降低。所以，高速车辆(如赛