汽车振动与噪声

1主讲：胡爱军汽车振动与噪声控制2第1章振动理论基础1.1介绍1.2单自由度系统1.3多自由度系统1.4连续系统振动31.1介绍4在外力的作用下，弹性的机械或结构不仅产生刚体运动，还会产生由于自身弹性而引起在平衡位置附近的微小往复运动，这种往复运动通常称为振动。1.1介绍1.1.1振动51.1介绍61.1介绍71.1介绍8振动是自然界最普遍的现象之一，例如(1)心脏的搏动、耳膜和声带的振动，(2)桥梁和建筑物在风和地震作用下的振动，(3)飞机和轮船航行中的振动，(4)机床和刀具在加工时的振动各个不同领域中的现象虽然各具特色，但往往有着相似的数学力学描述。正是在这个共性基础上，有可能建立某种统一的理论来处理各种振动问题。借助数学、物理、实验和计算技术，探讨各种振动现象，阐明振动的基本规律，以便克服振动的消极因素，利用其积极因素，为合理解决各种振动问题提供理论依据。1.1介绍9(1)Tacoma峡谷大桥(1940.11.07)(BarneyElliot,HarbineMonroe)振动的危害1.1介绍10卡门涡街（Kármánvortexstreet）引起桥梁共振1.1介绍11(2)英国渡桥电厂冷却塔(1965)塔高122m,钢筋混凝土结构1.1介绍振动的危害12振动的危害13利用振动为人类服务1.1介绍14通常的研究对象被称作系统，它可以是一个零部件、一台机器或者一个完整的工程结构等。系统是对一般机器或结构系统的一类抽象数学模型，当研究的目的是关于系统的振动性能时，该系统模型称为振动系统。1.1.2振动研究的问题1.1介绍系统的输入和输出，往往又分别称为“激励”和“响应”。系统的“激励”一般是外界对系统的作用，它可能是力，也可能是位移。而“响应”则一般是系统的变形和位移或速度或加速度。系统之所以振动是因为：(1)系统受到了外部激励——这是外因；(2)系统具有质量和弹性——这是内因。从能量转化的角度看，外界对系统的激励就是对系统做功，这个功被储存到系统中，一部分转化为质量块的动能，一部分转化为弹性体的变形势能。反复振动的过程就是激励功、动能和势能之间不断转化的过程。如果系统没有继续从外界获得能量，在经历一段时间后振动就会停止，这是因为系统存在阻尼。激励、质量、弹性、阻尼是振动系统的四大要素。15输入激励f(t)输出响应x(t)振动系统h(t)根据给定的条件及求解的问题不同，振动所研究的问题主要有如下三类：①振动分析：如已知路面条件和车辆结构，乘坐舒适性和操纵稳定性分析。振动隔离——动态特性分析——如为减小汽车在不平路面上行驶时传给车身振动的悬架设计。已知系统特性和振动响应，求系统所受到的激励。有在线控制、工具开发等，如振源判断、载荷识别、工况监控与故障诊断等，基于五轮仪的路面谱测量就是这方面的应用。已知激励和系统特性，求系统响应。——振动的正问题②环境预测：振动的逆问题1.1.2振动研究的问题1.1介绍16这类问题往往用模态实验的方法识别出系统，以建立振动模型或检验已有的理论模型。③系统辨识：已知激励和系统响应，确定系统的特性。也是振动的逆问题1.1.2振动研究的问题1.1介绍17(1)理论分析方法(2)试验研究(3)理论分析与试验相结合1.1.3振动的基本研究方法1.1介绍181.1.3振动的基本研究方法1.1介绍(1)理论分析方法19建立振动系统的力学模型建立运动方程求解方程，得到响应规律力学知识单自由度系统高等数学（微分方程）多自由度系统线性代数（矩阵运算）(1)理论分析方法1.1.3振动的基本研究方法1.1介绍20一个受简谐激振力作用的单自由度系统质量阻尼系数刚度激励力质量弹性阻尼激励振动系统四要素kcck0()sinftFt()ftxm1.1.3振动的基本研究方法1.1介绍(1)理论分析方法0sinmxcxkxFt21振动系统传感器放大器测振仪频谱分析信号发生器激振器(2)实验研究方法①振动分析结果的验证②系统辨识利用系统的输入和输出信号建立系统数学模型的理论和方法1.1.3振动的基本研究方法1.1介绍223）理论与实验相结合的方法通过理论分析与实验相结合的方法可以更好地研究振动。通过模态分析实验方法识别出系统，建立系统特性模型，或通过振动响应实验来验证理论分析的结果，也可以用理论分析的方法预测系统的响应。1.1介绍23按系统输入类型：自由振动强迫振动自激振动参数振动1.1.4振动的分类1.1介绍根据描述系统的微分方程：线性振动非线性振动根据系统的自由度：单自由度多自由度无限自由度24根据系统振动规律：周期振动非周期振动随机振动1.1.4振动的分类1.1介绍25汽车振动就是把汽车作为研究对象，研究其整体或某个部位的振动问题。汽车上的主要振动问题：发动机和传动系统、悬架系统、制动系统、转向系统、车身和车架路面不平车速和运动方向的变化车轮、发动机和传动系统的不平衡齿轮的冲击动力性发挥不充分经济性变坏通过性、操纵稳定性和平顺性不好损坏零部件和货物缩短使用寿命1.1.5汽车上振动的问题1.1介绍26四冲程内燃机的示功图导致曲轴干扰力的最主要原因是：气缸内周期变化的气体压力和活塞连杆曲柄机构运动时产生的惯性力。（1）发动机和传动系统曲轴受周期干扰力作用而产生的扭振发动机在车架上的整机振动气门机构的振动1.1.5汽车上振动的问题1.1介绍27(2)悬架系统平顺性就是保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定的舒适度的性能，对于载货汽车还应包括保持货物完好的性能。悬架系统振动主要研究汽车平顺性由弹簧和减震器组成的悬架系统功能是：缓和由不平路面传给车身的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动。1.1.5汽车上振动的问题1.1介绍28（3）制动系统汽车制动时，行驶方向的惯性力和作用在轮胎上的地面制动力所形成的力矩会使前轴负荷增大，后轴负荷减小，从而加强了制动时整车的振动。1.1.5汽车上振动的问题1.1介绍29(4)转向系统转向轮会绕主销的振动成为摆振，摆振将导致汽车出现蛇行现象。蛇行现象增加了轮胎的滚动阻力，加剧了轮胎的磨损，增大了转向阻力，降低了零件寿命，使平顺性和操稳性变坏，影响汽车使用性能。1.1.5汽车上振动的问题1.1介绍30(5)车身和车架车身及车架系统一般是连续体，具有无限多个自由度，常采用有限元分析法分析车身和车架的振动问题。有限元法是把连续体视为由若干个在节点处彼此相连接的基本单元组合，把无限多个自由度的连续结构振动问题变为有限个自由度的振动问题。1.1.5汽车上振动的问题1.1介绍311.2单自由度系统自由振动是指振动系统受到某种初始外界激励后，并在所定义的时间零点开始后不再受外界激励情况下，系统所表达的运动。1.2.1自由振动系统所表现出来的性质，仅仅由系统本身的构造分布所决定。s()skxcxmgmxomxkckcm()smxmgkxcxsmgk0mxcxkx321.2单自由度系统假设阻尼为0。1.2.1自由振动令2/nkm20nxx通解为：12cossinnnxCtCt设系统初始条件：0t0xx0xx则：10Cx20/nCx00cossinsin()nnnnxxxttBt2200()nxBx00arctannxx331.2单自由度系统1.2.1自由振动00cossinsin()nnnnxxxttBt/nkm振动的圆频率/2nnf振动的频率只与系统的刚度和质量有关，与外界的激励无关，称为系统的固有频率。nf系统的振幅和初相位角，取决于外界的初始激励及系统本身的刚度和质量。341.2单自由度系统1.2.1自由振动22(1)(1)12nnttxCeCe22nccccmckm存在阻尼时，即阻尼不为0。2cckm定义阻尼比：220nnxxx令其特解为：stxe代入上式得系统特征方程：2220nnss21,2(1)ns其解为：方程通解为：351.2单自由度系统1.2.1自由振动22(1)(1)12nnttxCeCe可知单自由度系统总体表现为衰减运动，衰减形态由阻尼比决定。方程通解为：阻尼比不仅仅取决于阻尼系数，还与系统的质量和刚度有关，阻尼比是描述系统振动特性的一个本质特征参数。主要的运动形态有以下几种：(1)欠阻尼形态；(2)临届阻尼形态；(3)过阻尼形态。36(1)欠阻尼情况(01)00(0)(0)xxxx应用初始条件()(cossin)ntddxteAtCt得到通解21,21nns21,21nnsi0121dn(阻尼振动频率)000()cossinntndddxxxtextt()sin()ntdxtBet或：欠阻尼系统的自由振动响应1.2单自由度系统1.2.1自由振动37①振幅按指数规律衰减；ntBe③自由振动具有等时性，即相邻两个正（负）峰值之间的时间间隔均为:TTddefdnn221122阻尼振动周期②自由振动为非周期振动；欠阻尼振动特性：()sin()ntdxtBet1.2单自由度系统1.2.1自由振动自由振动曲线(欠阻尼)1x2x3x4x5x1t2t3t4t5tdTntBentBe01234-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.20n=10rad/s,=4%x0=0.0m,dx(0)/dt=2.0m/sx,mt,s38(2)临界阻尼情况(1)12()()ntxtaate特征方程有一对相等实根，故通解：21,21nns11,2ns1.2单自由度系统1.2.1自由振动39结论：临界阻尼系统的自由运动为衰减非振荡运动。质量块对初始条件的临界阻尼响应0.00.51.01.52.0-0.02-0.010.000.010.02m=10kg,k=1000N/m,c=200Ns/mx,mt,sx0=0.02m,dx(0)/dt=0.0m/sx0=0.02m,dx(0)/dt=-0.5m/sx0=0.02m,dx(0)/dt=-1.0m/s1.2单自由度系统1.2.1自由振动(2)临界阻尼情况(1)4022(1)(1)12()nnttxtaeae(3)过阻尼情况(1)特征方程有一对互异实根，故通解为：21,21nns211ns221ns1.2单自由度系统1.2.1自由振动41结论：过阻尼系统的自由运动为衰减非振荡运动。质量块对初始位移的过阻尼响应0.00.51.01.52.00.0000.0050.0100.0150.020m=10kg,k=1000N/mx0=0.02m,dx(0)/dt=0m/sx,mt,s=1.05=1.3=1.5(3)过阻尼情况(1)1.2单自由度系统1.2.1自由振动421.2单自由度系统1.2.2强迫振动强迫振动是指系统有外部激励期间表现的振动，外界激励可以是作用在质量块上的力，也可以是系统支承的运动。强迫振动从外界不断地获得能量来补偿阻尼所消耗的能量，使系统得以维持持续的等幅振动。最简单的情况是简谐激振力或支承点的简谐运动引起的强迫振动。此时系统作与激振力或支承运动相同频率的简谐振动，具有与激振力或支承运动的幅值和频率都有关的一定的振幅。当频率接近于系统的固有频率时，便发生共振。431.2.2强迫振动激振力包括：简谐激振力非简谐的周期激振力冲击激振力随机激振力，等等激励包括：力激励运动激励1.2单自由度系统44f1=0.4Hzf2=1.01Hzf3=1.6Hz简谐激振力作用下的强迫振动1.2.2强迫振动1.2单自由度系统451.谐波激励响应1.2单自由度系统1.2