汽车振动与噪声控制.ppt

1、汽车振动与噪声控制Control of Vibration and Noise in Road Vehicles,2014.春,内容安排,第1章 振动理论基础 第2章 声学理论基础 第3章 发动机振动分析与控制 第4章 动力传动及转向系统振动 第5章 汽车平顺性 第6章 发动机及动力总成噪声 第7章 底盘系统噪声 第8章 车身及整车噪声,第一章 振动理论基础,引言 单自由度系统 双自由度系统 多自由系统 连续系统振动 随机振动分析基础,问题,什么是振动？ 振动研究哪些问题？ 什么是机械振动，机械振动有哪些类型？ 一个机械振动系统由哪些部分构成？ 如何进行机械振动的分析研究？ 汽车振动包含哪些振

2、动问题？,什么是振动 Vibration？,物体以其平衡位置为中心所做的往复运动 Any motion that repeats itself after an interval of time 振动是自然界中常见的现象,心脏的搏动、耳膜和声带的振动等 汽车、火车、飞机及机械设备的振动 家用电器、钟表的振动 地震以及声、电、磁、光的波动等等 股市的升跌和振荡等,振动的危害,地震，海啸等灾害 运载工具的振动（车辆、船舶、航天器） 机械设备以及土木结构的破坏 (Tacoma Narrows Bridge) 噪声 降低机器及仪表的精度,振动的用途,钟表 琴弦振动 振动沉桩、拔桩、捣固、压路机 振动给

3、料机 振动清筛机,什么是机械振动,研究的物理量是位移、速度、加速度、应力、应变等机械量，在某一数值附近随着时间 t 变化。,机械振动有哪些类型,1.按振动系统所受的激励类型分类,自由振动系统受初始干扰或原有的外激励取消后产生的振动； 强迫振动系统在外激励力作用下产生的振动； 自激振动系统在输入和输出之间具有反馈特性，并有能源补充而产生的振动（架空电缆、机翼颤振、琴弦） 参数振动 通过周期或随机地改变系统的特性参数而实现的振动（秋千）,2.按振动系统的自由度数分类,单自由度系统振动确定系统在振动过程中任何瞬时几何位置只需要一个独立坐标的振动；,机械振动有哪些类型,确定系统在振动过程中任何瞬时几何

4、位置所需独立坐标的数目,两自由度系统振动确定系统在振动过程中任何瞬时几何位置需要两个独立坐标的振动；,2.按振动系统的自由度数分类,机械振动有哪些类型,多自由度系统振动确定系统在振动过程中任何瞬时几何位置需要多个独立坐标的振动；,2.按振动系统的自由度数分类,机械振动有哪些类型,3.按系统的响应（输出振动规律）分类,周期振动能用时间的周期函数表示系统响应的振动； 瞬态振动只能用时间的非周期衰减函数表示系统响应的振动； 随机振动不能用简单函数或函数的组合表达运动规律，而只能用统计方法表示系统响应的振动。(汽车行驶在路面),机械振动有哪些类型,4. 按描述系统的微分方程分类,线性振动能用常系数线性

5、微分方程描述的振动； 非线性振动只能用非线性微分方程描述的振动。,本课程仅讨论线性振动,机械振动有哪些类型,振动研究的问题,响应分析,振动系统,输入/激励,输出/响应,?,已知系统参数及外界激励,求系统的响应(位移、速度、加速度和力的响应等）,已知路面状况和车辆结构，分析驾驶人受到的振动,振动研究的问题,环境预测,振动系统,输入/激励,输出/响应,?,已知系统响应和系统参数,求系统的激励,振动研究的问题,系统设计,振动系统,输入/激励,输出/响应,?,已知系统响应和外界激励,求系统的参数,系统尚不存在，需要设计合理的系统参数，使系统在已知激励下达到给定的响应水平,汽车产品开发过程中的正向设计,

6、振动研究的问题,系统辩识,振动系统,输入/激励,输出/响应,?,已知系统响应和外界激励,求系统的参数,系统已经存在，需要根据测量获得的激励和响应识别系统参数，以便更好地研究系统特性,汽车产品开发过程中的对标 Benchmark,振动研究的问题,振动隔离：汽车悬架、发动机悬置 在线控制：发动机故障监测诊断 动态性能分析：操稳和平顺性能 模态分析：车身模态分析（特征频率） 研发产品,2014-4-24,一个振动系统由哪些部分构成,构成机械振动系统的基本元素 惯性、恢复性和阻尼 质量(mass) 弹簧(spring) 阻尼(damping),量纲： m:kg k:N/m c: N.s/m,如何进行机

7、械振动的分析研究,理论分析,建立系统力学模型：将所研究的对象以及外界对其作用简化为一个即简单又能在动态特性方面与原来研究对象等效的力学模型 建立运动微分方程并求解，得出响应规律,7个自由度,2个自由度,单自由度,汽车模型,4个自由度,空间模型,平面模型,实验研究： 直接测量振系的响应并进行分析，以了解机械振动特性（振动分析）； 用已知振源、激振对象，测取响应，以了解系统特性（系统识别） 理论分析和实验结合 1.用实验方法(如模态分析)识别出系统，建立系统特性模型 2.通过实验来验证理论分析的结果,如何进行机械振动的分析研究,简谐振动,机械系统的某个物理量(位移、速度或加速度)按时间的正弦(或余

8、弦)函数规律变化的振动 研究其他形式振动的基础 可用函数表达式、矢量或复数等形式来表示，不同的表示方法运用于不同的场合(频域分析用复数表达法),如果系统的运动方程可表示如此，该系统做简谐振动,简谐振动,描述振动的基本参数,振动的快慢：频率f(Hz) frequency(周期period) 振动的强度：振幅A-amplitude 振动与初始位置有关：相位phase(某时刻振动体与固定位置之间的关系或者是某个瞬间两个振动物体位置的相对关系),例题1.1,某振动的位移x(m)与时间t(s)的关系可以写成,求(1)振幅(2)振动圆频率(3)振动频率(4)振动周期(5)相位角,简谐振动谐波分析,把一个周

9、期函数展开成傅里叶级数，即一系列简谐函数之和称为谐波分析 将谐波分析法用于振动理论，可把一个周期振动分解为一系列简谐振动的叠加 振动的振幅和相位与频率之间的关系用图形表示，即为振幅频谱图和相位频谱图,自由度和广义坐标,物体在约束条件下运动时，用于确定其位置所需的独立坐标数就是该系统的自由度数 质点：3个自由度 刚体：6个自由度,广义坐标,n个自由度的系统，可以用n个广义坐标来表示 广义坐标可以完全代表一个系统 系统上任何一个点的位置ri，均可以用这组广义坐标表示,车辆振动包含哪些振动问题,发动机和传动系：发动机在车架上的整机振动、曲轴系统的扭振 制动系：整车、制动器 转向系：前轮摆振、蛇行 悬

10、架：平顺性 车身和车架：,课程的意义,振动理论是分析任何机器和结构的动态特性的理论基础之一 汽车的动态性能：汽车行驶的舒适性、操纵稳定性、车内噪声水平以及音质等。 汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性、发动机减振和隔振、车身结构的模态分析均以振动为基础。 与课程汽车理论和汽车设计密切相关 与日后的工作或继续学习密切相关,小结,了解车辆振动的研究内容、意义和作用 掌握车辆振动的主要概念 了解机械振动系统的基本构成元素的数学描述 正确理解自由度和广义坐标的概念,振动分析的三类问题,固有特性问题 振动响应问题 振动的稳定性,三类问题-固有特性,振动系统的固有频率、固有振型,三类问题-系统响应,振动系统受到外

11、界激励作用后的振动响应 研究振动引起的结构动态变形，加速度是否超过允许值，产生的噪声水平 研究构件动态应力、结构疲劳强度、寿命,三类问题-振动稳定性,研究影响系统稳定性的主要因素 确定稳定性临界条件,振动设计/振动控制,振动分析的逆问题 在产品设计中采取必要措施来满足振动要求：避开共振，限制振动响应水平、不发生自激振动 一般仍然转化为振动分析问题来处理：先根据经验选取振系的质量，确定其刚度分布以及是否加装减振装置，再分析其固有特性、振动响应和振动稳定性问题,自由振动 强迫振动 对任意激励的响应,1.2 单自由度系统的振动Vibration of Single Degree-of-Freedom

12、 System,1.2 单自由度系统的振动Vibration of Single Degree-of-Freedom System,系统动力学方程的建立方法 系统固有频率的计算方法 无阻尼系统自由振动响应的计算 有阻尼系统自由振动响应的计算 有阻尼系统强迫振动响应的计算 四分之一汽车振动模型的分析,问题,什么是SDOF 系统？ 为什么研究SDOF系统？ 如何建立SDOF系统的振动微分方程？ 如何求解SDOF系统中的固有频率？ 如何进行SDOF系统的振动响应分析？,什么是SDOF系统?,振动过程中，振系的任一瞬间形态由一个独立坐标即可确定的系统。,为什么研究SDOF系统？,实践意义 为了满足工作

13、性能的要求，某些机械系统只要研究在最低阶自由振动频率附近的振动特性，而且在某一方向的振动决定了该系统工作性能的好坏。为了分析其振动特性以改善机械系统工作性能，近似为SDOF。 理论意义 最简单的振系，通过分析SDOF，能够简单明了地阐明振动学的一些基本概念、原理和方法。,SDOF系统的微分方程,进行机械振动分析的关键 力学方法：牛顿第二定律，达朗贝尔原理,能量法,具体步骤,建立力学模型 建立广义坐标 作质量元件的隔离体受力分析图 建立振动微分方程并整理成标准的形式,建立实际系统的力学模型,实际系统的离散化,依 据 简化的程度取决于系统本身的复杂程度、外界对它的作用形式和分析结果的精度要求等 原

14、 则 弹性较小而质量较大的构件 质量元件 质量较小而弹性较大的构件 弹性元件 阻尼较大的部分 阻尼元件 质量、弹性和阻尼均布 质量、弹性、阻尼均有的单元,弹性安装的柴油发电机组,机组质量集中为一个质量元件，弹性支承简化成并联的弹簧和阻尼器。,线性系统,线性系统是在一定条件下对非线性系统的近似，微小振幅是线性化的重要前提 线性系统、线性方程满足叠加原理 用线性方程代替非线性方程，存在着误差,振动微分方程的建立,例1. 建立单摆作微小振动的运动方程,1. 建立广义坐标。单摆偏离平衡位置的转角，坐标零位在铅垂位置，逆时针方向为正。,2. 隔离体受力分析,由动量矩原理,是简谐振动吗？,振动微分方程的建

15、立,例2 建立系统在铅垂方向振动的微分方程,有阻尼单自由度系统,建立广义坐标。取质量元件沿铅垂方向的位移作为广义坐标x。原点在系统的静平衡位置，向下为正。,隔离体受力分析,由力学原理得到,振动微分方程的建立,能量方法,对于保守系统，能量为动能和势能，可以用能量法建立方程 建立广义坐标 写出系统的势能（规定零点）、动能,1.2.1 单自由度系统SDOF的自由振动,Free vibration自由振动：只受到初始干扰，依靠系统本身的固有特性进行振动,Undamped无阻尼：阻尼c很小，可以不计 Damped 有阻尼：阻尼c不可忽略,SDOF无阻尼自由振动分析,坐标原点选在系统的静平衡位置,m,k,

16、dx,m,x,k(x+dx),mg,特征方程，频率方程,C1和C2 为共轭复数,一个静止的系统要发生运动，必须有能量的输入，这种能量在自由振动时就表现为初始位移和初始速度，分别代表施加于系统的势能和动能。,线性系统自由振动的振幅的大小决定于施加在系统的 初始条件和系统本身的固有频率，与其他因素无关 线性系统自由振动的固有频率只取决于系统的本身参数，与初始条件无关,如何求解SDOF系统中的固有频率？,固有频率完全取决于振动系统的参数 根据固有频率定义 由等效质量和等效刚度 能量法,振动系统的等效刚度,工程上常把复杂的振动系统进行简化，当作运动坐标上只存在一个质量和弹簧来处理，简化后得到的m和k，

17、分别称为原系统的等效质量me和等效刚度ke。,刚度k ：使系统的某点沿指定方向产生单位位移（线位移或角位移）在该点同方向上所要施加的力（或力矩）,组合弹簧系统的等效刚度,并联,串联,从刚度的定义求解等效刚度,质量m只能沿x方向移动，斜向布置的弹簧与x方向成角。,等效系统的刚度,能量法确定等效刚度,当实际系统比较复杂时，按照定义来求等效刚度比较困难，而按实际系统要转化的弹簧的弹性势能与等效系统弹簧势能相等原则来求等效刚度就比较容易,等效质量/转动惯量,根据实际系统要转化的质量的动能与等效质显动能相等原则确定等效质量,汽车悬架中的钢板弹簧、螺旋弹簧的质量在分析时应予以考虑,考虑弹簧本身质量的等效质

18、量,在距离固定端x处的微元dx的质量为rdx ，该微元的位移为xx/L，速度为vx/L，故其动能为,等效质量,例4 求图示系统对A点的等效质量,弹簧-杠杆-质量系统,等效前系统的动能,等效后系统的动能,SDOF有阻尼自由振动,临界阻尼和阻尼比 damping ratio,characteristic equation,1. SDOF欠阻尼自由振动,Underdamped（0z1） 特征方程有两个共轭复根， 振动方程的解为：,周期性振动，振幅按照指数规律衰减,有阻尼固有频率,Td,对数衰减率 logarithmic decrement,对数衰减率 logarithmic decrement,对数

19、衰减率的应用,当系统的阻尼机制无法精确知道，必须用等效阻尼建模时，可以通过试验方法测定系统的振幅，估算出系统的等效阻尼 由对数衰减率d 计算阻尼比z,材料,橡皮,铆接的钢结构,混凝土,木材,冷轧钢,冷轧铝,磷青铜,对数衰减率d,0.25200,0.18900,0.12600,0.01890,0.00378,0. 00126,0. 00044,2. SDOF过阻尼自由振动,Overdamped（z 1） 特征方程有两个不等实根: 振动方程的解为：,非周期性运动按指数规律衰减,3. SDOF临界阻尼自由振动,Critically damped（z1） 特征方程有两个相等实根： 振动方程的解为：,非

20、周期性运动按指数规律衰减,如图所示的自由振动系统，m=8kg，k=5N/mm，c=0.2N.s/mm，试确定m振动时的位移表达式,系统的临界阻尼系数：,系统的阻尼比：,其中振幅 A和相位j由初始条件确定,质量为2450kg的汽车用四个悬挂弹簧支承在四个车轮上，四个弹簧由于汽车自重引起的静态压缩变形量为15cm。为了能够迅速减少汽车垂直地面方向上的上下振动，在四个支承处均安装了减振器。由实验测得2次振动后振幅减小到了10%。即A1/A3=10。试求： 1）振动的对数衰减率 2）衰减振动的周期 3）若要汽车不振动，减振器的临界阻尼系数,1）,2）,3）,1.2.2 单自由度振动系统的强迫振动,外部

21、激励作用于系统，弥补阻尼所消耗的能量，维持系统的持续振动,系统在外界激励下响应的求解方法，取决于激励的类型 简谐激励：最基础，揭示振动规律，详细讨论 周期激励：傅立叶级数展开，谐波分析 非周期激励：单位脉冲响应、卷积、拉普拉斯变换,1.谐波激励响应,求解二阶常系数非齐次微分方程,通解,特解,频率比 Frequency ratio,放大因子 Magnification factor,1.谐波激励响应,求解二阶常系数非齐次微分方程,通解,特解,伴随自由振动,系统在简谐激励下稳态响应 稳态响应也是简谐的，频率与激励频率相同 振幅和相位不仅与系统特性有关，还与激振力的性质有关；与初始条件无关,Stea

22、dy-state response,瞬态响应 transient response,幅频和相频响应曲线 低频区：振幅主要由弹簧k控制，相位差近似为0 高频区：振幅主要决定于系统惯性，相位差p（隔振、惯性传感器理论基础） 共振区：共振幅度与z有关，z越小，振幅越大；相位差为p/2 振幅在共振点前后相位发生突变，用来判断是否出现共振的依据,2.支座简谐运动引起的强迫振动,很多情况下系统安装的支承或基础是运动的，引起系统振动 典型的例子：汽车行驶在不平路面上产生的振动,复指数法,传递率,2.支座简谐运动引起的强迫振动,复指数法,旋转不平衡质量引起的强迫振动,机器中转子质心与旋转中心不重合引起的振动

23、旋转机械（发动机、鼓风机、电动机等）中普遍存在,危害：使得机器振动，引起轴承、联轴器等过早损坏 用途：破碎机、搅拌机在轴上加偏心质量达到破碎和搅拌效果,幅频曲线,小结,掌握系统动力学方程的建立方法、系统固有频率的计算方法 了解无阻尼系统自由振动响应的计算方法 了解有阻尼系统自由和强迫振动（简谐激励、周期激励、非周期激励）响应的计算方法 了解四分之一汽车振动模型的分析方法,作业,p62 习题1.1、1.6,虚功原理和拉格朗日动力方程,拉格朗日动力方程：从系统的能量和功的角度出发，只考虑三个标量：动能、势能和虚功，考虑的是广义坐标和广义力，而非实际坐标和力。 牛顿力学：以坐标和物体受力分析为基础。“矢量力学”，对于复杂的系统，十分繁琐。,虚功原理,一个外力Fi ，在施力点产生一个虚拟位移dri ，这个力乘以这个位移即做的功，系统的功为：,广义力,拉格朗日动力方程,考虑系统运动的，有加速度，对第i个质点来说，其动力学方程为 对这样的动力系统，这一点的虚功可写成：,拉格朗日动力方程,目录,单自由度振动系统 等效刚度、质量、阻尼、外界阻