汽車振動(dòng)分析與測(cè)試課件：車輛行駛振動(dòng)（舒適性評(píng)價(jià)）

汽車振動(dòng)分析與測(cè)試車輛振動(dòng)性能的評(píng)價(jià)

三、舒適性評(píng)價(jià)

舒適性是人的主觀感受，對(duì)振動(dòng)作用的評(píng)價(jià)不是只根據(jù)其強(qiáng)度，比如不是單獨(dú)根據(jù)加速度振幅的大小，而是對(duì)于同樣強(qiáng)度但不同頻率、部位和方向的振動(dòng)有不同的感受。（1）用以評(píng)價(jià)的振動(dòng)強(qiáng)度、評(píng)價(jià)函數(shù)

為尋求評(píng)價(jià)的途徑，讓被試人員坐在振動(dòng)椅上。振動(dòng)椅只能以單正弦波振動(dòng)，但其頻率和振幅可以改變用KZ表示“用以評(píng)價(jià)的振動(dòng)強(qiáng)度”，它分成若干個(gè)等級(jí)。按主觀感受“沒有感覺”、“剛有感覺”、“有感覺”、“感覺強(qiáng)烈”、“感覺很強(qiáng)烈”進(jìn)行劃分，如圖9.13所示，“KZ”的K表示舒適，“Z”表示方向。KZ等值曲線與立姿、坐姿人體Z方向振動(dòng)加速度和頻率之間的關(guān)系為了便于計(jì)算，引評(píng)價(jià)函數(shù)車內(nèi)人體所受振動(dòng)的評(píng)價(jià)函數(shù)表中還給出一些其它評(píng)價(jià)指標(biāo)人體最敏感頻率范圍：①對(duì)座椅上的人體承受垂直振動(dòng)為4～12.5Hz；②側(cè)傾運(yùn)動(dòng)為低7Hz，特別是低于1Hz；③對(duì)雙手和雙腳為8Hz到16Hz之間。（2）振動(dòng)強(qiáng)度K的計(jì)算

如果振動(dòng)中存在幾個(gè)頻率成分，則當(dāng)振動(dòng)存在于一個(gè)頻率范圍內(nèi)時(shí)，可利用傅立葉變換和譜密度來求振動(dòng)強(qiáng)度K?？偟恼駝?dòng)強(qiáng)度Kt為（3）作用時(shí)間舒適程度可由舒適度降低界限、疲勞降低工作效率界限以及健康界限這三個(gè)界限來評(píng)價(jià)。這三個(gè)界限都是由K值和作用時(shí)間T共同決定的，如圖所示。按三個(gè)界限畫出的振動(dòng)強(qiáng)度與作用時(shí)間的關(guān)系第3節(jié)單輪車輛模型

車輛振動(dòng)頻率范圍大致劃分和典型的共振頻率范圍，如表9.2和9.3所示。對(duì)懸架設(shè)計(jì)而言，有些參數(shù)可以由設(shè)計(jì)者來確定，而有些則不受設(shè)計(jì)者控制。通?？捎稍O(shè)計(jì)者確定的設(shè)計(jì)參數(shù)有（1）懸架剛度；（2）懸架阻尼；（3）簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)量之比；（4）防撞緩沖塊的特性；（5）輪胎垂直力學(xué)特性；（6）襯套剛度。

簧下質(zhì)量和輪胎特性等，有時(shí)是事先給定的，這樣就不由設(shè)計(jì)者確定。懸架系統(tǒng)中，襯套剛度主要影響高頻響應(yīng)的傳遞特性，它對(duì)低頻段的行駛性能影響較小。此外，在懸架行程達(dá)到上、下極限位置引起緩沖塊沖擊時(shí)，由此引起的振動(dòng)屬于非線性響應(yīng)。本章的研究?jī)?nèi)容側(cè)重于懸架剛度和阻尼參數(shù)的設(shè)計(jì)。一、輪胎和座椅的簡(jiǎn)化模型

（1）輪胎簡(jiǎn)化模型當(dāng)輪胎氣壓一定時(shí)，垂直方向的力-變形量曲線，在輪胎初始受力階段有一小段呈現(xiàn)腳趾狀的曲線，如圖所示。輪胎的垂直剛度

雖然輪胎垂直力－變形量曲線存在非線性，且輪胎存在阻尼，但在行駛振動(dòng)力學(xué)建模時(shí)，通常將輪胎簡(jiǎn)化為一個(gè)垂直于地面的線性彈簧。對(duì)于非線性，一般通過在該曲線的靜態(tài)車輪法向力點(diǎn)附近作線性化處理加以解決，如圖所示。輪胎垂直剛度kt與次切距s的解釋靜態(tài)車輪法向力點(diǎn)的斜率為

值是對(duì)于靜止輪胎而言的。隨著車速增加，輪胎滾動(dòng)時(shí)的值有所增加。對(duì)子午線輪胎，車速為100km/h時(shí)值要比靜止?fàn)顟B(tài)增加6％。如果輪胎變形量增加或減少，那么垂直力就按下式近似地變化用次切距s來取代垂直剛度是比較簡(jiǎn)單的，因?yàn)榘聪聢D，盡管輪胎的尺寸不同，但同一種類輪胎的次切距差不多是相等的。各種尺寸和種類輪胎的次切距與靜載的關(guān)系

（2）座椅簡(jiǎn)化模型

座椅及其上的人體可以簡(jiǎn)化為一單質(zhì)量系統(tǒng)，如圖所示。人體-座椅系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型mp是座椅和座椅上的人體質(zhì)量；kp是座椅彈簧剛度；cp是(液力)阻尼系數(shù)。轎車座椅的固有頻率范圍為2.5～3.5Hz，相對(duì)阻尼系數(shù)=0.1～0.25

在0～4Hz范圍內(nèi)，座椅增強(qiáng)了車輛振動(dòng)的傳遞；超過4Hz后，又減弱了車輛振動(dòng)的傳遞，如圖所示。人體-座椅系統(tǒng)的幅頻特性二、車輛單輪模型

對(duì)于車輛基本行駛特性分析來，七自由度又是比較復(fù)雜的。因此，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化成四自由度模型或二自度模型，簡(jiǎn)化過程如下：（1）在路面的長(zhǎng)波激勵(lì)下，可以認(rèn)為車輛的左、右兩個(gè)車輪軌跡輸入具有較高的相關(guān)性，即認(rèn)為左、右輪輸入是一致的，如果同時(shí)考慮到車輛的對(duì)稱性，則可認(rèn)為左、右兩側(cè)以完全相同的方式運(yùn)動(dòng)；（2）在短波激勵(lì)下，車輛所受的激勵(lì)實(shí)際上大多只涉及到車輪跳動(dòng)，對(duì)車身運(yùn)動(dòng)影響甚微，車身左、右兩側(cè)相互作用就幾乎為零。因此，7自由度車輛振動(dòng)模型可簡(jiǎn)化為4自由度單軌模型，如圖所示。4自由度單軌模型（3）4自由度單軌模型可用一個(gè)等效系統(tǒng)來代替，如圖所示。4自由度等效系統(tǒng)模型動(dòng)力學(xué)等效系統(tǒng)必須滿足三個(gè)條件，即總質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，即（4）如果忽略前、后橋的聯(lián)系質(zhì)量mc，即mc＝0，則4由度的單軌車輛模型可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為兩個(gè)更簡(jiǎn)單的子問題，每個(gè)子問題即為一個(gè)2自由度的單輪模型，如圖所示。2自由度單輪模型三、單輪車輛模型運(yùn)動(dòng)方程在單輪模型基礎(chǔ)上，增加乘員座椅模型，如圖所示?？紤]乘員座椅的單輪模型三質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng)，其振動(dòng)微分方程為根據(jù)上述幾式，可以求出對(duì)行駛安全性有重要影響的車輪動(dòng)載荷為四、幅頻特性和評(píng)價(jià)尺度根據(jù)路面功率譜密度、車速以及各個(gè)振動(dòng)參數(shù)的幅頻特性，可以求出作為評(píng)價(jià)尺度的標(biāo)準(zhǔn)差（1）行駛安全性尺度，即單位車輪動(dòng)載（2）舒適性尺度，先列出座椅減振的人體、雙手和雙腳的振動(dòng)強(qiáng)度，即(3)空間需要的尺度(動(dòng)撓度)懸架：座椅：為求出各響應(yīng)量對(duì)路面不平度的頻率響應(yīng)函數(shù)，對(duì)以上各式兩邊求拉氏變換，求出各位移和對(duì)路面不平度輸入的傳遞函數(shù)，分別為式中，再令和傳遞函數(shù)中的s＝j(luò)ω，即得到它們的頻率響應(yīng)函數(shù)。其它響應(yīng)量的頻率響應(yīng)函數(shù)，也可按照類似方法，利用以下關(guān)系求得到五、評(píng)價(jià)尺度的影響因素

1.不平度和車速的影響已經(jīng)知道任意一響應(yīng)量或評(píng)價(jià)參數(shù)q的方差可以用下式計(jì)算將路面功率譜密度的擬合表達(dá)式和反映路面空間頻率譜密度與時(shí)間頻率密度關(guān)系式，代入上式，并考慮 可得三個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)與下列因素有關(guān)：（1）車輪動(dòng)載、彈簧動(dòng)撓度或振動(dòng)強(qiáng)度差不多隨車速的平方根成比例增加（2）標(biāo)準(zhǔn)差總是與不平度尺度的平方根成正比，即（3）車輛參數(shù)的影響可根據(jù)下式估計(jì)取w＝2時(shí)，以車輪動(dòng)載為例，如下圖所示。圖9.29不同條件下車輪動(dòng)載系數(shù)與車速的關(guān)系(a)頻率指數(shù)的影響；(b)不平度尺度的影響；(c)車輪參數(shù)的影響2.車身固有頻率的影響假設(shè)車輛其它參數(shù)不變，僅改變車身懸架彈簧剛度，此時(shí)懸架剛度和對(duì)應(yīng)的車身固有圓頻率也隨之變化。假設(shè)車身固有頻率在2.0Hz和0.7Hz之間變動(dòng)。較高的頻率2.0Hz是在空載的小型轎車和貨車上遇到的；1.0Hz則對(duì)應(yīng)于大型和滿載的轎車(如圖9.30所示)；而低頻0.7Hz則是指裝有車身高度調(diào)節(jié)裝置的車輛。3.車身相對(duì)阻尼系數(shù)的影啊下圖反映了標(biāo)準(zhǔn)差隨相對(duì)阻尼系數(shù)變化的情況。4.座椅固有頻率和座椅相對(duì)阻尼系數(shù)的影響評(píng)價(jià)尺度與座椅固有頻率及相對(duì)阻尼系數(shù)之間的關(guān)系，如下圖所示。5簧下質(zhì)量的影響

反映了評(píng)價(jià)尺度與簧下質(zhì)量的關(guān)系，如圖所示。可以看出，反映舒適性的用以評(píng)價(jià)的振動(dòng)強(qiáng)度與簧下質(zhì)量幾乎無關(guān)，車輪動(dòng)載變化系數(shù)隨mu增加，行駛安全性降低。所以，高速車輛(如賽