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1、汽车行驶系检修汽车行驶系检修_1_2任务任务1 平顺性评价平顺性评价机械工程学院机械工程学院任务任务1 汽车的平顺性评价汽车的平顺性评价本任务主要内容：本任务主要内容：1.0 概述概述1.1 人体对振动的反应和平顺性的评价。人体对振动的反应和平顺性的评价。1.2 汽车振动系统的简化，单质量系统的振汽车振动系统的简化，单质量系统的振动动1.3 车身与车轮双质量系统的振动车身与车轮双质量系统的振动任务任务1 汽车的平顺性评价汽车的平顺性评价1.4 主动与半主动悬架主动与半主动悬架1.5 人体人体座椅系统的传递特性座椅系统的传递特性1.6 双轴汽车的振动双轴汽车的振动1.7 影响汽车行驶平顺性的因素
2、影响汽车行驶平顺性的因素1.8 汽车平顺性试验和数据处理汽车平顺性试验和数据处理汽车行驶时，由路面不平以及发动机、传动汽车行驶时，由路面不平以及发动机、传动系和车轮等旋转部件激发汽车的振动。路面系和车轮等旋转部件激发汽车的振动。路面不平是汽车振动的基本输入，指路面不平引不平是汽车振动的基本输入，指路面不平引起的汽车振动，频率范围约为起的汽车振动，频率范围约为0.525Hz。汽车的平顺性主要是保持汽车在行驶过程中汽车的平顺性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内。在一定界限之内。平顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评平
3、顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价。价。1.1 人体对振动的反应和平顺性的评价人体对振动的反应和平顺性的评价(一一)、人体对振动的反应人体对振动的反应1)暴露极限暴露极限 人体承受的振动强度在此极限之内，将人体承受的振动强度在此极限之内，将保持健康和安全。通常把此极限作为人体可保持健康和安全。通常把此极限作为人体可以承受的振动量的上限。以承受的振动量的上限。2)疲劳降低工作效率极限疲劳降低工作效率极限 在此振动界限内，驾驶员可以进行正在此振动界限内，驾驶员可以进行正常的驾驶。常的驾驶。3)舒适降低界限舒适降低界限 此界限与保持舒适有关，它影响人们此界限与保持舒适有关，它影响人们在车上的吃、
4、喝、读、写等动作。在车上的吃、喝、读、写等动作。人体坐姿受振模型人体坐姿受振模型随着暴露时间随着暴露时间(承受振动的时间承受振动的时间)的加长，的加长，感觉界限所容许的加速度值下降。感觉界限所容许的加速度值下降。人体敏感的垂直加速度值为：人体敏感的垂直加速度值为：415Hz。水。水平加速度值为：平加速度值为：2Hz。(二二)、平顺性的评价方法、平顺性的评价方法目前，根据人体感觉所能承受的汽车车身目前，根据人体感觉所能承受的汽车车身振动的振动的固有频率固有频率和和振动加速度的均方根值振动加速度的均方根值来评价汽车的行驶平顺性。来评价汽车的行驶平顺性。人体步行时身体上下运动频率人体步行时身体上下运
5、动频率6080次次/分分(约约11.6Hz)。振动加速度的极限值振动加速度的极限值0.20.3g。货物运输货物运输1g，货物若无固定则会离开车厢，货物若无固定则会离开车厢底板。一般在底板。一般在0.60.7g。当振动波形的峰值系数当振动波形的峰值系数9时，用基本的评时，用基本的评价方法：价方法：即：即：加权加速度均方根值加权加速度均方根值来评价振动对人来评价振动对人体舒适和健康的影响。体舒适和健康的影响。峰值系数是加权加速度时间历程峰值系数是加权加速度时间历程aw(t)的峰的峰值与加权加速度均方根值值与加权加速度均方根值aw的比值。的比值。各种汽车包括越野汽车，在正常行驶工况各种汽车包括越野汽
6、车，在正常行驶工况下对这一方法均适用。下对这一方法均适用。对记录的加速度时间历程对记录的加速度时间历程a(t)，通过相应，通过相应频率加权函数频率加权函数w(f)的滤波网络得到加权加速的滤波网络得到加权加速度时间历程度时间历程aw(t)。按下式计算加权加速度。按下式计算加权加速度均方根值：均方根值：T为振动时间，一般取为振动时间，一般取120S。对记录的加速度时间历程对记录的加速度时间历程a(t)，进行频谱，进行频谱分析得到功率谱函数分析得到功率谱函数Ga(f)。按下式计算加。按下式计算加权加速度均方根值：权加速度均方根值：有些有些“人体振动测量仪人体振动测量仪”采用加权振级采用加权振级Law
7、，它与加权加速度均方根值，它与加权加速度均方根值aw换算，按换算，按式进行：式进行：a0为参考加速度均方根值，为参考加速度均方根值，a0=10-6m/s2Law和和aw与人的主观感觉之间的关系与人的主观感觉之间的关系(三三)、路面不平度的统计、路面不平度的统计1)路面不平度的功率谱密度路面不平度的功率谱密度 通常把路面相对基准平面的高度通常把路面相对基准平面的高度q，沿，沿道路走向长度道路走向长度I的变化的变化q(I)，称为路面纵断，称为路面纵断面曲线或不平度函数。面曲线或不平度函数。在测量不平度时，可以用在测量不平度时，可以用水准仪水准仪或专或专门的门的路面计路面计来得到路面纵断面上的不平度
8、来得到路面纵断面上的不平度值。测量得到的大量路面不平度随机数据，值。测量得到的大量路面不平度随机数据，通常在计算机上进行处理，得到路面不平通常在计算机上进行处理，得到路面不平度的功率谱密度度的功率谱密度Gq(n)或方差或方差q2等统计特等统计特性参数。性参数。作为车辆振动输入的路面不平度，主要采用作为车辆振动输入的路面不平度，主要采用路路面功率谱密度面功率谱密度描述其统计特性。描述其统计特性。功率谱密度的定义是单位频带内的功率谱密度的定义是单位频带内的“功率功率”(均方值均方值)。路面功率谱密度路面功率谱密度Gq(n)用下式作为拟合表达用下式作为拟合表达式：式：式中，式中，n为空间频率为空间频
9、率(1/m)，它是波长的倒数，它是波长的倒数，表示每米长度中包括几个波长；表示每米长度中包括几个波长；n0为参考空为参考空间频率，间频率，n0=0.1/m；Gq(n0)为参考空间频为参考空间频率率n0下的路面功率谱密度值，称为路面不平下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，单位为度系数，单位为m2/m-1=m3；W为频率指数，为频率指数，为双对数坐标广斜线的斜率，它决定路面功为双对数坐标广斜线的斜率，它决定路面功率谱密度的频率结构。率谱密度的频率结构。速度功率谱密度和加速度功率谱密度按下式速度功率谱密度和加速度功率谱密度按下式进行描述：进行描述：2)空间频率功率谱密度空间频率功率谱密度Gq(
10、n)化为时间频率化为时间频率功率谱密度功率谱密度Gq(f)当汽车以一定车速当汽车以一定车速u驶过空间频率驶过空间频率n的的路面不平度时输入的时间频率路面不平度时输入的时间频率f是是n与与u的乘的乘积，即积，即:f=nu Gq(f)=Gq(n)/u1.2 汽车振动系统的简化，单质量系统的振动汽车振动系统的简化，单质量系统的振动一一)汽车振动系统的简化汽车振动系统的简化 总质量保持不变总质量保持不变 m2f+m2r+m2c=m2 质心位置不变质心位置不变 m2fa+m2rb=0 转动惯量的值保持不变转动惯量的值保持不变Iy=m2y2=m2fa2+m2rb2y：绕横轴：绕横轴y的回转半径；的回转半径
11、；a、b悬挂质量的质心至前、后轴的距离。悬挂质量的质心至前、后轴的距离。四四轮轮汽汽车车简简化化的的立立体体模模型型双轴汽车简化的平面模型双轴汽车简化的平面模型悬挂质量：悬挂质量：悬架、减振器所承载的质量；悬架、减振器所承载的质量；非悬挂质量：非悬挂质量：车轮车轴等处于悬架以下不车轮车轴等处于悬架以下不由悬架、减振器所承载的质量；由悬架、减振器所承载的质量；令令=y2/ab，并称为悬挂质量分配系数。当并称为悬挂质量分配系数。当=1时，时，m2c=0，可以认为可以认为m2f、m2r垂直方垂直方向上运动是相互独立的。而大部分汽车的向上运动是相互独立的。而大部分汽车的=0.81.2，接近于接近于1。
12、单质量系统的自由振动单质量系统的自由振动车车身身单单质质量量系系统统模模型型衰减振动曲线衰减振动曲线m2：车身质量；：车身质量；K：弹簧刚度；：弹簧刚度；C：减振器的阻尼系数；：减振器的阻尼系数；q：输入的路面不平度函数；：输入的路面不平度函数；z：车身垂直位移；静力平衡时为原点。：车身垂直位移；静力平衡时为原点。0：系统固有圆频率；：系统固有圆频率；：悬架系统的阻尼比。：悬架系统的阻尼比。汽车悬架系统的阻尼比汽车悬架系统的阻尼比通常在通常在0.25左右，左右，属于小阻尼。属于小阻尼。为了便于分析，采用双对数坐标描绘振动的为了便于分析，采用双对数坐标描绘振动的输入、输出曲线：输入、输出曲线：1
13、.3 车身与车轮双质量系统的振动车身与车轮双质量系统的振动 单质量系统未考虑车轮振动对车身振单质量系统未考虑车轮振动对车身振动的影响，车轮部分在动的影响，车轮部分在1015Hz范围产生范围产生高频共振时的动态特性，对平顺性和车轮高频共振时的动态特性，对平顺性和车轮的接地性有较大影响，因此车身与车轮双的接地性有较大影响，因此车身与车轮双质量系统更接近汽车悬挂系统的实际情况。质量系统更接近汽车悬挂系统的实际情况。其中：其中：m2：为悬挂质量：为悬挂质量(车身质量车身质量)；m1：为非悬挂质量：为非悬挂质量(车轮质量车轮质量)；K：为悬挂刚度；：为悬挂刚度；C：为阻尼器阻力系数；：为阻尼器阻力系数；
14、Kt：为轮胎刚度。：为轮胎刚度。车车身身与与车车轮轮两两 个个自自由由度度振振动动系系统统车轮振动的幅频特性：车轮振动的幅频特性：车身位移的幅频特性为：车身位移的幅频特性为：车轮部分车轮部分z1q的幅频特性的幅频特性车轮部分车轮部分z1q的幅频特性图的幅频特性图车身对于车轮输入车身对于车轮输入z2z1的幅频特性图的幅频特性图车身对于路面输入车身对于路面输入z2q的幅频特性图的幅频特性图1.4 主动与半主动悬架主动与半主动悬架主动悬架主动悬架 根据车辆的运动状态和路面情况，主根据车辆的运动状态和路面情况，主动调节悬架系统的刚度、减振器的阻尼系动调节悬架系统的刚度、减振器的阻尼系数、车身高度和姿态
15、，使悬架始终处于最数、车身高度和姿态，使悬架始终处于最佳的减振状态。佳的减振状态。半主动悬架半主动悬架 只对减振器的阻尼力进行调节。只对减振器的阻尼力进行调节。主动悬架车轮部分主动悬架车轮部分z1q的幅频特性图的幅频特性图主动悬架车身主动悬架车身车轮车轮z2z1的幅频特性图的幅频特性图主动悬架车身主动悬架车身路面路面z2q的幅频特性图的幅频特性图1.5 人体人体座椅系统的传递特性座椅系统的传递特性将人体简化为刚性质量将人体简化为刚性质量ms时，它与座椅的弹时，它与座椅的弹性性Ks、阻尼元件、阻尼元件Cs构成一单自由度子系统，构成一单自由度子系统，将其附加在将其附加在“车身车身车轮车轮”双质量系
16、统上，双质量系统上，构成构成三个自由度振动系统三个自由度振动系统。在人体质量在人体质量ms比车身质量比车身质量m2小很多时，可小很多时，可以忽略人体质量的惯性力对车身质量运动的以忽略人体质量的惯性力对车身质量运动的影响，而车身垂直振动是影响，而车身垂直振动是“人体人体座椅座椅”子子系统的输入，于是传至人体的振动的幅频特系统的输入，于是传至人体的振动的幅频特性等于性等于“人体人体座椅座椅”子系统的幅频特性与子系统的幅频特性与“车身车身车轮车轮”双质量系统幅频特性的乘积。双质量系统幅频特性的乘积。在在“车身车身车轮车轮”双质双质量系统上附量系统上附加加“人体一人体一座椅座椅”子系子系统的振动模统的
17、振动模型型“车身车身车轮车轮”双质量系统振动特性双质量系统振动特性“人体一座椅人体一座椅”子系统的振动特性子系统的振动特性三自由度系统的振动特性三自由度系统的振动特性在选择在选择“人体人体座椅座椅”系统参数时，首先要系统参数时，首先要保证人体垂直方向最敏感的频率范围保证人体垂直方向最敏感的频率范围412Hz处于减振区。按处于减振区。按“人体一座椅人体一座椅”单单自由度系统来考虑，其固有频率自由度系统来考虑，其固有频率fs4Hz/21/23Hz。在选择固有频率。在选择固有频率fs时，还时，还要避开与车身部分固有频率要避开与车身部分固有频率f0重合，防止传重合，防止传至人体的加速度的响应谱出现突出
18、的尖峰，至人体的加速度的响应谱出现突出的尖峰，这对平顺性很不利。车身部分的固有频率这对平顺性很不利。车身部分的固有频率f0一般在一般在1.22Hz范围，于是范围，于是“人体一座椅人体一座椅”单自由度系统固有频率要选在单自由度系统固有频率要选在3Hz附近。目附近。目前泡沫成形座垫的前泡沫成形座垫的fs值，有的选到值，有的选到56Hz，在适当的阻尼比氏配合下，仍可保证在适当的阻尼比氏配合下，仍可保证412Hz处于衰减区。处于衰减区。“人体一座椅人体一座椅”系统的阻尼比希望达到系统的阻尼比希望达到0.2以上才有较好的减振效果。有的高阻以上才有较好的减振效果。有的高阻尼材料制成的泡沫成形座垫，其阻尼比
19、可尼材料制成的泡沫成形座垫，其阻尼比可达达0.30.4。1.6 双轴汽车的振动双轴汽车的振动前面讨论的单质量和双质量系统都是双轴前面讨论的单质量和双质量系统都是双轴汽车的局部系统，只分析了单轮输入下车汽车的局部系统，只分析了单轮输入下车身的垂直振动，没有考虑汽车垂直和俯仰身的垂直振动，没有考虑汽车垂直和俯仰两个自由度振动或汽车纵轴上任一点的垂两个自由度振动或汽车纵轴上任一点的垂直振动时，要采用前、后车轮有两个路面直振动时，要采用前、后车轮有两个路面输入的双轴汽车模型。输入的双轴汽车模型。双轴汽车的车身振动模型双轴汽车的车身振动模型双轴汽车的车身振动模型双轴汽车的车身振动模型垂直和角振动部分系统
20、的振型垂直和角振动部分系统的振型=1情况下双轴汽车等效振动系统情况下双轴汽车等效振动系统1.7 影响汽车行驶平顺性的因素影响汽车行驶平顺性的因素(一一)、悬架结构、悬架结构主要指主要指弹性元件弹性元件、导向装置和、导向装置和减振装置减振装置。弹性元件弹性元件主要是其刚度主要是其刚度K的影响。变刚度：的影响。变刚度：辅助弹簧、复合弹簧、空气弹簧、油气弹辅助弹簧、复合弹簧、空气弹簧、油气弹簧、橡胶弹簧、硅油弹簧等。簧、橡胶弹簧、硅油弹簧等。减振装置减振装置主要是其阻尼系数的影响。控制主要是其阻尼系数的影响。控制阻尼比阻尼比可以得到较好的汽车行驶平顺性。可以得到较好的汽车行驶平顺性。一般一般=0.2
21、0.4左右左右(二二)轮胎轮胎轮胎的性能对汽车的高频振动输入的平顺轮胎的性能对汽车的高频振动输入的平顺性影响较大。常用轮胎与悬架的性影响较大。常用轮胎与悬架的刚度比刚度比=Kt/K来评价其影响。来评价其影响。(三三)悬挂质量悬挂质量悬挂质量分配系数悬挂质量分配系数=y2/ab，是评价汽车平，是评价汽车平顺性的极其重要的参数。当顺性的极其重要的参数。当=1时，前后悬时，前后悬挂质量的振动相互独立。挂质量的振动相互独立。(四四)非悬挂质量非悬挂质量减小非悬挂质量，可以减小车轮传给车身减小非悬挂质量，可以减小车轮传给车身的冲击力。非悬挂质量越小，平顺性越好。的冲击力。非悬挂质量越小，平顺性越好。用用
22、=m2/m1来评价其影响。来评价其影响。1.8 汽车平顺性试验和数据处理汽车平顺性试验和数据处理(一一)、汽车平顺性试验的主要内容、汽车平顺性试验的主要内容1)汽车悬挂系统刚度、阻尼和惯性参数测定汽车悬挂系统刚度、阻尼和惯性参数测定通过测定轮胎、悬架、座垫的弹性特性通过测定轮胎、悬架、座垫的弹性特性(载载荷与变形的关系曲线荷与变形的关系曲线)，可以求出在规定载，可以求出在规定载荷下轮胎、悬架、座垫的刚度。由加、卸载荷下轮胎、悬架、座垫的刚度。由加、卸载曲线包围的面积，可以确定这些元件的阻尼。曲线包围的面积，可以确定这些元件的阻尼。另外，还要测量悬挂另外，还要测量悬挂(车身车身)质量、非悬挂质量
23、、非悬挂(车轮车轮)质量、车身质量分配系数等振动系统质量、车身质量分配系数等振动系统惯性方面的参数。惯性方面的参数。2)悬挂系统部分固有频率悬挂系统部分固有频率(偏频偏频)和阻尼比测和阻尼比测定定将汽车前轮、后轮分别从一定高度抛下，记将汽车前轮、后轮分别从一定高度抛下，记录车身和车轮质量的衰减振动曲线。由图上录车身和车轮质量的衰减振动曲线。由图上曲线可以得到车身质量振动周期曲线可以得到车身质量振动周期T和车轮质和车轮质量振动周期量振动周期T，可按下式算出各部分固有频，可按下式算出各部分固有频率：率：由车身和车轮部分的衰减率由车身和车轮部分的衰减率=A1/A2，=A1/A2，按下式求出阻尼比：，
24、按下式求出阻尼比：用同样的方法，也可以求出人体用同样的方法，也可以求出人体座椅系统座椅系统部分的固有频率部分的固有频率fs和阻尼比和阻尼比s。3)汽车振动系统的频率响应函数的测定汽车振动系统的频率响应函数的测定在实际随机输入的路面上或在电液振动台上，在实际随机输入的路面上或在电液振动台上，给车轮给车轮0.530Hz范围的振动输入，记录车范围的振动输入，记录车轴、车身、座垫上各测点的振动响应；然后轴、车身、座垫上各测点的振动响应；然后由数据统计分析仪处理得到悬架、座垫各环由数据统计分析仪处理得到悬架、座垫各环节的频率响应函数。节的频率响应函数。4)在实际随机输入路面上的平顺性试验在实际随机输入路
25、面上的平顺性试验随机输入试验是评定汽车平顺性的最主要的随机输入试验是评定汽车平顺性的最主要的试验。该试验按照试验。该试验按照GB/T49701996汽车汽车平顺性随机输入行驶试验方法平顺性随机输入行驶试验方法进行。随机进行。随机输入试验主要以总加权加速度均方根值输入试验主要以总加权加速度均方根值av来来评价，车厢底板及车轴上采用该处的加速度评价，车厢底板及车轴上采用该处的加速度均方根值来评价。均方根值来评价。5)汽车驶过凸块脉冲输入平顺性试验汽车驶过凸块脉冲输入平顺性试验汽车行驶时偶尔会遇到凸块和凹坑，尽管遇汽车行驶时偶尔会遇到凸块和凹坑，尽管遇到的几率并不多但过大的冲击会严重地影响到的几率并
26、不多但过大的冲击会严重地影响平顺性，脉冲输入试验按平顺性，脉冲输入试验按GB59021986汽车平顺性单脉冲输入行驶试验方法汽车平顺性单脉冲输入行驶试验方法进进行。评价指标用座垫上和座椅底部地板加速行。评价指标用座垫上和座椅底部地板加速度的最大响应值或加权加速度度的最大响应值或加权加速度4次方和根值次方和根值方法方法振动剂量值振动剂量值(VDV)来评价。来评价。车身振动车身振动车轮振动车轮振动(二二)、平顺性试验数据的采集和处理、平顺性试验数据的采集和处理 平顺性试验要采集大量随机振动情号，平顺性试验要采集大量随机振动情号，然后以微机为主体配以采样、模数转换以及然后以微机为主体配以采样、模数转
27、换以及各种软、硬件的数据处理系统，进行平顺性各种软、硬件的数据处理系统，进行平顺性评价指标、频谱及频率响应函数的处理。评价指标、频谱及频率响应函数的处理。1)测试仪器系统测试仪器系统测试仪器系统包括加速度传感器、前置放大测试仪器系统包括加速度传感器、前置放大器和磁带记录仪或数据采集器。器和磁带记录仪或数据采集器。测量仪器的频率范围应不小于测量仪器的频率范围应不小于0.1300Hz，动态范围不小于动态范围不小于60dB。测试仪器系统框图测试仪器系统框图2)数据的处理系统数据的处理系统数据处理系统引进快速傅里叶变换数据处理系统引进快速傅里叶变换(FFT)，采用相应的软件快速、精确地进行自谱、互采用相应的软件快速、精确地进行自谱、互谱、传递函数、谱、传递函数、相干函数和概率统计等各种相干函数和概率统计等各种数据处数据处理。理。3)人体振级测量仪人体振级测量仪数字法计算总加权加速度均方根值数字法计算总加权加速度均方根值av框图框图模拟模拟/数字混合法计算总加权加速度均方根数字混合法计算总加权加速度均方根值值aw框图框图