第6章汽车平顺性

第6章汽车的平顺性学习目标通过本章的学习，要求掌握汽车行驶平顺性的评价指标和人体对振动反应的感觉界限；掌握汽车振动系统的简化方法，并能正确分析车身振动的单质量系统模型；了解汽车通过性的影响因素。汽车行驶平顺性，是指汽车在一般行驶速度范围内行驶时，避免因汽车在行驶过程中所产生的振动和冲击，使人感到不舒服、疲劳，甚至损害健康，或者使货物损坏的性能。由于行驶平顺性主要是根据乘员的舒适程度来评价，所以又称为乘坐舒适性。汽车是一个复杂的多质量振动系统，其车身通过悬架的弹性元件与车桥连接，而车桥又通过弹性轮胎与道路接触，其他如发动机、驾驶室等，也是以橡皮垫固定于车架上。由于道路不平而引起的冲击和加速、减速时的惯性力，以及发动机与传动轴振动等产生的激振力作用于车辆系统，将使系统发生复杂的振动，对乘员的生理反应和所运货物的完整性，均会产生不利的影响。在坏路上，汽车的允许行驶速度受动力性的影响不大，主要取决于行驶平顺性；而因坏路被迫降低行车速度，因而使汽车的平均技术速度减低，运输生产率下降。其次，振动产生的动载荷，加速了零件的磨损，乃至引起损坏，降低了汽车的使用寿命。此外，振动还引起能量的消耗，使燃料经济性变差。因此，减少汽车本身的振动，不仅关系到乘坐的舒适和所运货物的完整，而且关系到汽车的运输生产率、燃料经济性、使用寿命和工作可靠性等方面。6.1节人体对振动的反应和平顺性的评价6.1.1汽车行驶平顺性的评价指标汽车行驶平顺性的评价方法，通常是根据人体对振动的生理反应，以及对保持货物完整性的影响制定的，并用振动的物理量，如频率、振幅、加速度等作为行驶平顺性的评价指标。目前常用汽车车身振动的固有频率和振动加速度均方根值，评价汽车的行驶平顺性。试验表明，为了保持汽车具有良好的行驶平顺性，车身振动的固有频率应为人体所习惯的步行时，身体上、下运动的频率，它约为60～80次／min(1～1.6Hz),振动加速度的极限值为0.2g～0.3g。为了保证运输货物的完整性，车身振动加速度也不宜过大。如果车身加速度达到1g,没有经固定的货物，就有可能离开车厢底板。所以，车身振动加速度的极限值应低于0.6g～0.7g。6.1.2人体对振动的反应70年代，国际标准化组织（ISO）在综合大量有关人体全身振动的研究工作和文献的基础上，订出了国际标准IS02631—1978E《人体承受全身振动的评价指南》，这样在人承受全身振动的评价方面才有了国际通用性标准。该标准用加速度的均方根值给出了在1～80Hz振动频率范围内人体对振动反应的三个不同的感觉界限。它们分别是暴露极限、疲劳降低工作效率界限和舒适降低界限。6.1.2.1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。6.1.2.2疲劳-降低工作效率界限这个界限与保持工作效率有关。当驾驶员承受的振动在此界限内时，能保持正常地进行驾驶。6.1.2.3舒适降低界限此界限与保持舒适有关，它影响人在车上进行吃、读、写等动作。这三个界限只是容许的振动加速度值不同。暴露极限的值为疲劳-降低效率界限的2倍，舒适降低界限为疲劳-降低工作效率界限的1／3.15。各界限容许加速度值，随频率的变化趋势完全一样。图6.1ISO2631人体对振动反应的疲劳-降低效率界限a)垂直方向b)水平方向图6.1示出垂直和水平方向振动时，对人体影响的疲劳-降低效率界限。由图中可以看出，随着暴露时间(承受振动的时间)的加长，感觉界限容许的加速度值下降。图上标明的暴露时间，是指常年累月每天重复在振动环境中持续的时间，对于偶尔乘车的人，加速度的容许值可以高很多。由图6.1上还可以看出人最敏感的频率范围，对于垂直振动是4～8Hz，对于水平振动是2Hz以下。而且在2.8Hz以下同样暴露时间；水平振动容许的加速度值，低于垂直振动；在2.8Hz以上则相反。6.2节汽车振动系统的简化，单质量系统的振动6.2.1汽车振动系统的简化图6.2四轮汽车简化的立体模型汽车是一个复杂的振动系统，应根据所分析的问题进行简化。图6.2为一个把汽车车身质量看作为刚体的立体模型。汽车的悬挂质量（车身）质量为2m，它有车身、车架及其上的总成所构成。该质量绕通过质心的横轴y的转动惯量为yI，悬挂质量通过减振器和悬架弹簧与车轴、车轮相连接。车轮、车轴构成的非悬挂（车轮）质量为1m。车轮在经过具有一定弹性和阻尼的轮胎支承在不平的路面上。这一立体模型，车身质量在讨论平顺性时主要考虑垂直、俯仰、侧倾3个自由度，4个车轮质量有4个自由度，共7个自由度。图6.3双轴汽车简化的平面模型当汽车对称于其纵轴线，且左、右车辙的不平度函数)()(IyIx，此时汽车车身只有垂直振动z和俯仰振动，这两个自由度的振动对平顺性影响最大。图6.3为汽车简化成4个自由度的平面模型。在这个模型中，又因轮胎阻尼较小而予以忽略，同时把质量为2m，转动惯量为yI的车身按动力学等效的条件分解为前轴上、后轴上及质心c上的三个集中质量fm2、rm2、cm2。这三个质量由无质量的刚性杆连接，它们的大小由下述三个条件决定（1）总质量保持不变2222mmmmcrf（6.1）（2）质心位置不变022bmamrf（6.2）（3）转动惯量yI的值保持不变222222bmammIrfyy（6.3）式中y——绕横轴y的回转半径；a，b——车身质量部分的质心至前、后轴的距离。由上三式得出三个集中质量的值为aLmmyf222（6.4）bLmmyr222（6.5）abmmyc2221（6.6）式中L——轴距。通常令aby2，称为悬挂质量分配系数。由式（6.6）可知，当1时，联系质量02cm。据统计，大部分汽车=0.8～1.2，即接近1。而通过分析可知在1的情况下，前、后轴上方车身部分的集中质量fm2、rm2的垂直方向运动是相互独立的。这样在1的情况下，当前轮遇到路面不平度而引起的振动时，质量fm2运动而质量rm2不运动，反之亦然，因此在这种特殊情况下，可以分别讨论图6.3上fm2和前轮轴以及rm2和后轮轴所构成的两个双质量系统的振动。在远离车轮部分固有频率tf(10～16Hz)的较低激振频率范围（如5Hz以下），轮胎动变形很小，忽略其弹性与车轮质量，得到分析车身垂直振动的最简单的单质量系统。6.2.2单质量系统的自由振动图6.4车身单质量系统模型图6.4时分析车身振动的单质量系统模型，它由车身质量2m和弹簧刚度K、减振器阻尼系数为C的悬架组成。q是输入的路面不平度函数。车身垂直位移坐标z的原点取在静力平衡位置，根据牛顿第二定律，得到描述系统运动的微分方程为0)()(2qzKqzCzm（6.7）此方程的解由自由振动齐次方程的解与非齐次方程特解之和组成。令22mCn；220mK，则齐次方程为0220zznz0称为系统固有圆频率，而阻尼对运动的影响取决于n和0的比值，称为阻尼比。KmCn202（6.8）汽车悬架系统阻尼比的数值通常在0.25左右，属于小阻尼，此时微分方程的解为)sin(220atnAeznt（6.9）这个解说明，有阻尼自由振动时，质量2m以有阻尼固有频率220nr振动，其振幅按nte衰减，如图6.5所示。图6.5衰减振动曲线阻尼比对衰减振动有两方面影响（1）与有阻尼固有频率r有关202201nr（6.10）由式（6.10）可知，增大r下降，当=1时，r=0，此时运动失去振荡特征。汽车悬挂系统阻尼比大约为0.25左右，r比0只下降了3%左右，在工程上可以近似认为r≈0，车身部分振动的固有圆频率0[rad/s]、固有频率0f[s-1或Hz]为20mK（6.11）200212mKf（2）决定振幅的衰减程度图6.5上两个相邻的振幅1A与2A之比称为减幅系数，以d表示2111112)(21eeAeAeAAdnTTtnnt（6.12）对式（6.12）取自然对数212lnd（6.13）可以由实测的衰减振动曲线得到减幅系数d，由下式求出阻尼比d22ln/411（6.14）6-3节影响汽车行驶平顺性的因素上节我们对汽车这一复杂的振动系统进行了简化。而将汽车视为由彼此相联系的悬挂质量与非悬挂质量所组成。汽车的悬挂质量由车身、车架及其上的总成所构成。该质量由减振器和悬架弹簧与车轴、车轮相连。车轮、车轴构成非悬挂质量，车轮再经过具有一定弹性和阻尼的轮胎支承路面上。悬架结构、轮胎、悬挂质量和非悬挂质量是影响汽车平顺性的重要因素。6.3.1悬架结构悬架结构主要指弹性元件、导向装置与减振装置，其中弹性元件与悬架系统的阻尼对平顺性影响较大。6.3.1.1弹性元件将汽车车身看成一个在弹性悬架上作单自由度振动的质量时，减少悬架刚度，可降低车身的固有频率，提高汽车行驶的平顺性。但是，如果增加高频的非悬挂质量的振动位移，大幅度的车轮振动有时会使车轮离开地面，在紧急制动时，会产生严重的汽车“点头”现象。为解决这一问题，可采取一些相应措施，如采用具有非线性特性的变刚度悬架，即悬架的刚度随载荷而变，这样可以使得在载荷变化时，保持车身振动的固有频率不变，从而获得良好的平顺性。悬挂的非线性弹性特性，可通过下述方法来实现：6.3.1.1.1在线性悬架中，加入辅助弹簧、复合弹簧，采用适当的导向机构，以及与车架的支承方式等。6.3.1.1.2选用具有非线性特性的弹性元件，如空气弹簧、油气弹簧、橡胶弹簧和硅油弹簧等。6.3.1.2阻尼系统的阻尼为了衰减车身自由振动和抑制车身、车轮的共振，以减小车身的垂直振动加速度和车轮的振幅，悬架系统中应具有适当的阻尼。在悬架系统中，引起振动衰减的阻尼来源很多。如轮胎变形时，橡胶分子间产生摩擦、系统中的减振器、钢板弹簧叶片间的摩擦等。减振器的阻尼效果好，可提高汽车行驶平顺性，改善车轮与道路的接触条件，防止车轮离开路面，因而可改善汽车的稳定性，提高汽车的行驶安全性。改进减振器的性能，对提高汽车在不平道路上的行驶速度有很大的作用。6.3.2轮胎轮胎由于本身的弹性，在很大程度上吸收了因路面不平所产生的振动，因此它和悬架系统共同保证了汽车的平顺性。轮胎性能的好坏，是用轮胎在标准气压和载荷下，压缩系数的大小(轮胎被压下的高度与充气断面高度的百分比)来表示的。在最大允许负荷作用下，普通轮胎的压缩系数为10%～12%，为了乘坐舒适，客车轮胎的压缩系数稍大些，为12%～14%。近年来，随着车速的提高，希望轮胎的缓冲性能越来越好。目前，提高轮胎缓冲性能的方法如下：6.3.2.1增大轮胎断面、轮辋宽度和空气容量，并相应降低轮胎气压。6.3.2.2改变轮胎结构型式，如采用子午线轮胎。它因轮胎径向弹性大，可以缓和不平路面的冲击，并吸收大部分冲击能量，使汽车子顺性得到改善。6.3.2.3提高帘线和橡胶的弹性，要用较柔软的胎冠。车轮旋转质量的不平衡，对汽车的行驶平顺性和稳定性都有影响。为了避免因转向轮不平衡而引起振动，必须对每一车轮进行静平衡和动平衡。越是车速高的轿车，对平衡的要求就越高。6.3.3悬挂质量如前所述，悬挂质量分配系数为aby2，是评价汽车平顺性极其重要的参数。它取决于悬挂质量的分布情况。悬挂质量的布置应使≈1。当≈1时，前、后悬挂质量的振动彼此互不影响。6.3.4非悬挂质量减少非悬挂质量，可以减少传给车身上的冲击力。非悬挂质量的振动，对悬挂质量振动加速度有较显著的影响，会使其数据值加大。因此，为了提高汽车的平顺性，采用非悬挂质量较小的独立悬挂更为有利。非悬挂质量对行驶平顺性的影响，常用非悬挂质量与悬挂质量之比Mm进行评价。比质量越小，则行驶平顺性越好。总之，影响行驶平顺性的结构参数是很多，并且彼此间的关系较复杂，必须对这些参数进行综合分析，以便正确地选择参数，提高汽车行驶的平顺性。小结1.汽车行驶平顺性的评价指标：汽车行驶平顺性的评价方法，通常是根据人体对振动的生理反应，