汽车振动与噪声-平顺性分析

1主讲：胡爱军汽车振动与噪声控制2第5章汽车平顺性5.1平顺性的定义5.3道路不平度统计特性5.4平顺性分析5.2人体反应与平顺性评价5.5影响汽车平顺性的结构因素35.1平顺性的定义平顺性是指保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定舒适程度和保持货物完好的性能。振动影响人的舒适性、工作效能、身体健康，影响货物的完整性以及零部件的性能和寿命。平顺性研究的目的是有效控制汽车振动的传递，使振动系统在给定“输入”的“输出”不超过一定的界限。输入●路面不平●车速汽车振动系统●轮胎、悬架、车身●座椅及人体系统●质量、弹簧、阻尼输出●车身传至人体的加速度●悬架动挠度●车轮动载荷评价指标●加权加速度均方根值●撞击悬架限位概率●行驶安全性4人体对振动的反应垂直方向4～8Hz水平方向1～2Hz人体最敏感传至人体的振动加速度人体对水平方向的振动比垂直方向更敏感心理生理客观因素主观因素持续时间强度作用方向频率5.２人体反应与平顺性评价无感觉稍有感觉有感觉强烈感觉非常强烈感觉5.2.1人体对振动的反应55.２人体反应与平顺性评价ISO2631标准用加速度均方根值给出在1~80Hz振动频率范围内人体对振动反应的三个不同界限。(1)暴露极限。当人体承受的振动强度在这个极限之内，将保持健康或安全。通常把此极限作为人体可以承受振动量的上限。(2)疲劳－功效降低界限。这个界限与保持工作效能有关。当驾驶员承受的振动强度在此界限之内时，能准确灵敏地反应，正常地进行驾驶。(3)舒适降低界限。此界限与保持舒适有关，在这个界限之内，人体对所暴露的振动环境主观感觉良好，能顺利完成读、写等工作。5.2.1人体对振动的反应6疲劳工效降低界限5.２人体反应与平顺性评价5.2.1人体对振动的反应75.２人体反应与平顺性评价5.2.1人体对振动的反应“疲劳－工效降低界限”的振动加速度允许值的大小与振动频率、振动作用方向和暴露时间三个因素有关：(1)振动频率。对垂直振动，乘员敏感的频率范围为4~8Hz，对水平振动，乘员敏感的频率范围为1~2Hz。(2)振动作用方向。垂直振动与水平振动的“疲劳工效降低界限”不一样，同一暴露时间下，频率在3.15Hz以下时容易感受到水平振动；高于此频率时，对垂直振动更敏感。(3)暴露时间。人体达到一定反应的界限，都是由人体感觉到的振动强度大小和暴露时间长短两者综合的结果。8在进行舒适性评价时，除了考虑座椅支撑面处输入点3个方向的线振动，还考虑该点3个方向的角振动，以及座椅靠背和脚支撑面两个输入点各3个方向的线振动，共3个输入点12个轴向的振动。5.２人体反应与平顺性评价5.2.2平顺性评价指标91.基本评价法(1)计算各轴向加权加速度均方根值aw1）滤波网络法将测得的通过相应的频率加权函数的滤波网络，得到加权加速度时间历程。2102wwd1TttaTa2）频谱分析法对进行频谱分析，得到功率谱密度函数。21805.0a2wdffGfWawatatwfataGf5.２人体反应与平顺性评价5.2.2平顺性评价指标10(2)三个方向总加权加速度均方根值(3)总加权振级Lawa0—参考加速度均方根值，。62010m/sa5.２人体反应与平顺性评价5.2.2平顺性评价指标12222aww020lg/Laa112.辅助评价法当峰值系数9时，ISO2631-1:1997(E)标准规定用加权加速度4次方根值评价。它能更好地估计偶尔遇到过大的脉冲引起的高峰值系数振动对人体的影响。此时采用辅助评价方法——振动剂量值。5.２人体反应与平顺性评价5.2.2平顺性评价指标1441.75w0VDVd/msTatt125.3道路路面不平度的统计特性5.3.1路面谱路面不平度函数路面相对基准平面的高度q，沿道路走向长度I的变化q（I）称为路面不平度函数。用水准仪或路面计可以得到路面不平度函数。13n—空间频率（m-1），表示每米长度包括几个波长；n0—参考空间频率，n0=0.1m-1；W—频率指数。5.3道路路面不平度的统计特性5.3.1路面谱00WqqnGnGnn路面不平度的功率谱密度qGn的拟合公式qGn—参考空间频率下的路面功率谱密度，也称路面不平度系数；0qGn14路面等级Gq(n0)/(10-6m3)（n0=0.1m-1）σq/(10-3m)0.011m-1n2.83m-1几何平均值几何平均值A163.81B647.61C25615.23D102430.45E409660.90F16384121.80G65536243.61H262144487.22路面不平度8级分类标准5.3道路路面不平度的统计特性5.3.1路面谱15路面不平度分级图5.3道路路面不平度的统计特性5.3.1路面谱164()(2π)()qqGnnGn2()(2π)()qqGnnGn速度功率谱密度和加速度功率谱密度速度功率谱密度加速度功率谱密度当W=2时200()(2π)()qqGnnGn与n无关——“白噪声”5.3道路路面不平度的统计特性5.3.1路面谱17空间频率功率谱密度化为时间频率功率谱密度当空间频率n一定时，时间频率f随车速成正比变化。()()qqGnGf车速()qGn()qGf5.3道路路面不平度的统计特性()()/qqGfGnufun当时，有：22200()()/qqGfGnnuf222002π4πqqqGffGfGnnu4422002π16πqqqGffGfGnnuf185.3道路路面不平度的统计特性5.3.2四轮输入的功率谱密度2qIxIL1qIxI4qIyIL3qIyI19汽车有四个输入的振动传递时，要掌握四个车轮输入的自谱和四个车轮彼此间的互谱，共16个谱量，其中12个谱量两两共轭。()(,1,2,3)ikGnik1122xx3344yy*2π1221xx*2π3443yy*2π1441xy*2π3223yx*1331xy*4224yxnLnLnLnLGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnGnｊｊｊｊｅｅｅｅ5.3道路路面不平度的统计特性5.3.2四轮输入的功率谱密度20左、右轮迹间的互谱可以表示为两个轮迹的相关函数为5.3道路路面不平度的统计特性5.3.2四轮输入的功率谱密度jexynxyxyGnGn22cohxyxyxxyyGnnGnGn当两个轮迹x（I）、y（I）的统计特性相同，即且相位谱时xxyyqGnGnGn0xyn22cohxyxyxxyyGnnGnGncohxyyxxyqGnGnnGn21路面对四轮汽车输入的谱矩阵最后可以表示为5.3道路路面不平度的统计特性5.3.2四轮输入的功率谱密度j2πj2πj2πj2πj2πj2πj2πj2π1ecohcohee1cohecohcohcohe1ecohecohe1nLnLnLnLikqnLnLnLnLnnnnnnnnnnGG22车身质量有垂直、俯仰、侧倾3个自由度，4个车轮质量有4个垂直自由度，整车共7个自由度。5.4平顺性分析5.4.1平顺性分析模型当汽车对称于其纵轴线，且左右车辙不平度函数，并忽略轮胎阻尼后，汽车立体模型可简化为平面模型。xIyI231）总质量保持不变2）质心位置不变3）转动惯量保持不变简化前后应满足以下三个条件解得把质量为m2的车身按动力学等效分解为前轴、后轴和质心上的三个集中质量。5.4平顺性分析5.4.1平顺性分析模型2f2r2c2mmmm2f2r0mamb22222f2ryyImmamb22f222r222c21yyymmaLmmbLmmab令—悬挂质量分配系数。2yab24对于大部分汽车，=0.8～1.2，即接近1。当=1时5.4平顺性分析5.4.1平顺性分析模型22f222r22c0yymmaLmmbLm25在=1的情况下，前、后轴上方车身部分的集中质量m2f、m2r在垂直方向的运动是相互独立的。双轴汽车模型可以简化为车身、车轮两个自由度振动系统模型。5.4平顺性分析5.4.1平顺性分析模型26车轮部分的固有频率为10~16Hz，如果激振频率（即5Hz以下）远离车轮固有频率，轮胎的动变形很小，可忽略车轮质量和轮胎的弹性，从而得到车身单质量系统模型。5.4平顺性分析5.4.1平顺性分析模型275.4平顺性分析5.4.2单质量系统平顺性分析20mzCzqKzq2mzCzKzCqKq/()()()zqZHQ/212j()12jzqH122/22212()12zqH28幅频特性曲线0.1110频率比λ=ω/ω010lg|z/q|-101-1lgλ0.11|z/q|10-2:1-1:120单质量系统位移输入与位移输出的幅频特性25.05.05.4平顺性分析5.4.2单质量系统平顺性分析29车身加速度的功率谱密度的计算分析zG路面输入除采用外，还可以采用和。qGqGqG相应地，幅频特性要采用和。2~jqzH2~jqzH5.4平顺性分析5.4.2单质量系统平顺性分析2~jzqzqGHG22~2~22~jjjzqzqzqzHωzHωzHωzzqqqzzqqqzzqqq3021101001szq0.1110激振频率f/Hzζ=0.25ζ=0.5f0=1Hzf0=2Hz5.4平顺性分析5.4.2单质量系统平顺性分析单质量系统车身加速度均方根谱与固有频率成正比。31车轮与路面间的相对动载对的幅频特性/dFGqd2zFm2GmgzdFGg对单质量振动系统，与只相差系数1/g，因此ω0和ζ对幅频特性的影响与幅频特性的影响，从变化趋势上讲完全一样。zq/FGdqz/dFG5.4平顺性分析5.4.2单质量系统平顺性分析32悬架弹簧的动挠度对幅频特性的分析qdf2z~qz12jλjq12jζHωλζ2d2fq12j124d222fq12dfzqdfzqz1qqq5.4平顺性分析5.4.2单质量系统平顺性分析332:10:11:1-1:15.4平顺性分析5.4.2单质量系统平顺性分析dd1f/qf/qω0dωω01fq2/ζω单质量系统动挠度的均方根谱与固有频率和阻尼比成反比。34无阻尼自由振动时如果m1不动（z1=0）如果m2不动（z2=0）ω0与ωt是双质量系统只有单独一个质量振动时的部分频率（偏频）。5.4平顺性分析5.4.2双质量系统平顺性分析222121111212t100mzCzzKzzmzCzzKzzKzq22211112t100mzKzzmzKzzKz02/Km2220mzKztt1/KKm11t1()0mzKKz35无阻尼自由振动时，设两个质量以相同的圆频率ω和相角做简谐振动，振幅为z10、z20。ωtzj101ez