汽车振动与噪声控制2

汽车振动与噪声控制ControlofVibrationandNoiseinRoadVehicles2012.秋内容安排•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•Anymotionthatrepeatsitselfafteranintervaloftime•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(TacomaNarrowsBridge)•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))()(nTtxtxtAtxsin)(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:kgk:N/mc:N.s/m如何进行机械振动的分析研究•理论分析实际系统力学原理微分方程数值解解析解计算机数学工具振动特性•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¼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))sin()2sin()2sin(tAftAtTAx)cos(tAxxtAx22)sin(02xx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)3.015sin(2.0tx•求(1)振幅(2)振动圆频率(3)振动频率(4)振动周期(5)相位角)sin(tAxmA2.0rad/s15zfH39.22152sfT42.012.173.0rad简谐振动谐波分析•把一个周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Tnqqqqq],,,,[321),,,,()(321niiiqqqqrqrr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•悬架：平顺性•车身和车架：Engine发动机Suspension悬架Tire轮胎Transmission变速箱Brake制动Chair座椅Body车身Steer转向课程的意义•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。•与后续课程《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•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VibrationofSingleDegree-of-FreedomSystem1.2单自由度系统的振动VibrationofSingleDegree-of-FreedomSystem•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。弹簧质量系统扭转摆振系统单摆系统为什么研究SDOF系统？•实践意义–为了满足工作性能的要求，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xfxmMJ0xmfx0JM0)(dtUTd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)(sin61623sin振动微分方程的建立例1.2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θ，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0sin2lmgmlsin0lg是简谐振动吗？振动微分方程的建立例1.3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xmtFmgxcxk)()()(tFkxxcxm振动微分方程的建立1.2.1单自由度系统SDOF的自由振动Freevibration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0kxxcxm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mkxdxmxk(x+dx)mgxkmgdmgxkx)(d)(xkmgxmxd0kxxm0xmkx02xxn02xxnstCetx)(steCstx2)(0)(22nstsCe022ns特征方程，频率方程nistitinneCeCtx21)(tbtatiCCtCCtitCtitCnnnnnnnnsincossin)(cos)()sin(cos)sin(cos212121C1和C2为共轭复数0xanxb0txtxtxnnnsincos)(00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。txtxtxnnnsincos)(00)sin()(tAtxn2020nxxA001tanxxnmkn•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1.根据固有频率定义2.由等效质量和等效刚度3.能量法02xxn