第16讲第六章1人体对振动的反应和平顺性的评价2路面不平度的统计特性3汽车振动系统的简化单质量系统的振动
汽车理论课程教学大纲
《汽车理论》课程教学大纲课程名称：汽车理论/Automobile Theory课程编码：课程类型：学科专业课总学时数/学分数：48/3实验(上机)学时：8适用专业：汽车维修工程教育先修课程：汽车构造、发动机原理制订日期：2005.10一、课程的性质、任务和教学目标汽车理论是为交通运输、汽车维修工程教育专业开设的一门重要的学科专业课。
通过学习该门课程，培养学生分析、解决问题的能力，为学习后继课程（汽车检测与诊断技术、汽车设计）从事工程技术工作、进行科学研究、以及开拓新技术，打下坚实的基础。
通过理论和实践教学，使学生掌握：1. 汽车动力性、经济性、制动性、操纵稳定性、行驶平顺性和通过性的基本概念、评价指标、计算方法；2.以理论分析和试验研究密切结合的方法，研究汽车主要使用性能与结构参数之间的内在联系，分析汽车主要使用性能的各种影响因素；3. 汽车动力传动系系统参数的基本匹配方法；4. 汽车主要使用性能的测试原理、所用仪器及测试方法。
二、课程教学内容及要求三、实验内容及要求实验内容：实验一、汽车动力性实验实验二、汽车燃油经济性实验试验三、汽车制动性实验实验教学要求见实验教学大纲。
五、教学方法和手段课堂教学采用多媒体教学手段与黑板相结合的方式，强调理论的应用性及实践性，在各章节中穿插具有工程背景的应用实例。
并辅之以实验教学。
课堂讲授为56学时，实验教学为8学时。
六、考核方式本课程为考试课。
期末笔试占总成绩的80%，平时作业、小测验占总成绩的10％，实验占总成绩的10%。
七、建议教材及教学参考书教材：《汽车理论》（第三版）余志生主编机械工业出版社 2005.3参考书：《汽车运用工程》（第三版）高延令主编人民交通出版社2004.4。
《汽车理论》教案6-汽车平顺性
3
预习 思考题
《汽车理论 A》教案
2）车身型振动分析 激振频率 ω 接近 ω1 时产生低频共振，按一阶主振型振动，
车身质量 m2 的振幅比车轮质量 m1 的振幅大将近 10 倍 3）车轮型振动分析 当激振频率 ω 接近 ω2 时，产生高频共振，按二阶主振型振
3）总加权振级 Law 与加权加速度均方根值 aw 的换算
2. 路面不平度的统计特性（60’）
（1）路面不平度的功率谱密度（30’） 1）采用路面功率谱密度描述其路面不平度的统计特性 2）路面不平度的功率谱密度的拟合公式
Gq
n
Gq
n0
n n0
W
3）路面不平度的等级划分 共分 8 级，高等级公路通常是 A、B、C 级 4）路面位移功率谱、路面速度功率谱和路面加速度功率谱的关 系 5）路面速度功率谱的特点 强调路面速度功率谱的特点——白噪声，将会对后面的计算分 析带来方便 （2）空间频率功率谱密度化为时间频率功率谱密度（30’） 1）空间频率和时间频率的关系
动，此时车轮质量 m1 的振幅比车身质量 m2 的振幅大将近 100 倍 （2）系统参数对振动响应量的影响（15’） 1）车身固有频率 2）车身部分阻尼比 3）车身与车轮质量比 4）悬架与轮胎刚度比 （3）主动与半主动悬架（15’） 1）被动自适应悬架 2）半主动悬架 3）主动悬架 慢主动悬架 全主动悬架
多少？ 路面功率谱密度的拟合表达式？ 路面不平度有几种等级？高等级公路通常是哪些等级？ 第 2 次课预习思考题 路面速度功率谱有何特点？ 如何将空间频率功率谱化为时间频率功率谱？ 如何将汽车振动系统简化？ 何为单质量系统阻尼比？它对衰减振动有何影响？ 第 3 次课预习思考题 什么是单质量系统的频率响应函数和幅频特性？它们的表达式？ 单质量系统的幅频特性分析。 单质量系统车身加速度的功率谱密度的表达式及分析。 单质量系统悬架弹簧动挠度的功率谱密度的表达式及分析。 悬架系统固有频率 f0 与阻尼比ζ的选择原则。 第 4 次课预习思考题 双质量系统主振型分析。 车轮部分单质量系统分析。 分析系统参数对振动响应均方根值的影响。
汽车振动学基础及应用课件：人体对振动的反应和路面输入 -
7.1 人體對振動的反應
圖7.2 人體坐姿受振模型
圖7.3 各振動分量的頻率加權函數
7.1 人體對振動的反應
對人體舒適性評價的計算方法還取決於峰值係數，其定義為頻率加權加速度 （weighted acceleration）的峰值與方均根值之比。ISO2631-1：1997（E） 標準規定，如果加權後的峰值係數＜9時，可直接採用總加權加速度方均根值 來評價振動對人體舒適和健康的影響。
（1）經典測量技術 （2）路面不平度測量儀 （3）非接觸式路面測量裝置
7.2 路面不平度的統計特性
通常實測所得的路面不平度（路面相對基準平面的高度）是沿道路走向長度的 變化函數，稱為路面不平度函數（圖7.6）。
圖7.6 路面不平度函數
7.2 路面不平度的統計特性
7.2.2 路面不平度的功率譜密度
加權振級 Law / dB
110 110～116
人的主觀感覺 沒有不舒適 有一些不舒適
1.5～1.0
114～120
相當不舒適
0.8～1.6
118～124
不舒適
1.25～2.5
112～128
很不舒適
>2.0
126
極不舒適
7.2 路面不平度的統計特性
7.2.1 路面不平度的測量
為了精確預測車輛對路面激勵輸入的回應，首先要做的工作就是對路面本身進 行恰當描述及表達。獲得路面特徵的唯一方法就是測量，有以下幾種測量技術 可供使用：
7.1 人體對振動的反應
根據求出的各軸向加速度方均根值，再根據表7.1給出的各軸向振動分量的加權 係數進行加權求和，就得出了總的加權加速度方均根值，即：
12
aw
(ki awi )2
第六章汽车的平顺性
第一节 人体对振动的反应和平顺性的评价
日本对370名拖拉机司机的调查，发现他们之中，骨关节、胸部和腰椎发生 病变的比例分别为71%、52%和8%，腰椎和胸部同时发现病变的高达40%， 而且接触振动时间越长，发生病变的比例越高，从业10年以上的人病变比例 竟高达80%。 当振动加速度达到65dB（分贝）时，对睡眠有轻微影响；达到69dB时，所 有轻睡的人将被惊醒；达到74dB时，除酣睡的人外，其他人将惊醒；达到 79dB时，所有的人都将惊醒。
平顺性的评价方法
• 注意几个符号
– a(t)：加速度的时间历程，是时间t的函数，是瞬时值 – aw(t) ：加权后的加速度的时间历程，也是时间t的函数；下标w
第六章 汽车的平顺性
• பைடு நூலகம்意区别：
– 悬挂质量和非悬挂质量： 悬挂质量是悬架主弹簧上的质量，也称簧载质量，包括车身、 车架、发动机等；非悬挂质量是弹簧之下的质量，也称非簧 载质量，包括车轮，非独立悬架的车桥。联接车轮和车身、 车架的那部分元件的质量要按照其相应的功能关系分成悬挂 质量和非悬挂直量
• 研究平顺性的主要目的就是控制汽车振动系统的动态 特性，使振动的“输出”在给定工况的“输入”下不 超过一定界限，以保持乘员的舒适性。
人体对不同方向的振动敏感性不一样
• 在表6-1给出了对各轴向的轴加权系数，系数越大，对此轴向振动越敏感
人体对不同频率的振动敏感性不一样
• 在图6-3给出了 各轴向0.580Hz的频率加 权函数(渐进线， 也就是近似的)， 函数值越大， 对此频率处的 振动越敏感
人体对不同频率的振动敏感性不一样
ISO2631－1：1997(E) 规定的频率加权函数（与课本图6-3对照）
平顺性的评价
汽车行驶平顺性
Comfort Decrease Limit舒适降低界限：
Human can eat，read and write easily his limit.
暴露极限：当人体承受的振动强度在此界 限内，将保持人的健康或安全。它作为人 体可承受振动量的上限。 疲劳－工效降低界限：当人承受的振动强 度在此界限内时，能准确灵敏地反应，正 常地进行驾驶。它与保持人的工作效能有 关。 舒适降低界限：在此界限之内，人体对所 暴露的振动环境主观感觉良好，能顺利地 完成吃、读、写等动作。它与保持人的舒 适有关。
m/ s
2
Equivalent time curve
acceleration root mean square value
tc
m / s2
vertical direction
fc
acceleration root mean square value
horizontal direction
tc
输出 车身传至人体的加速 悬架弹簧动挠度 车轮与路面间的动载
6.1 Response to Vibration of Human and Evaluation of Ride Performance （人体对振动的反应以及平顺性的评价） 1. Response to Vibration of Human: Response to Vibration of Human is determined by frequency频率； intensity强度； acting direction作用方向； exposure time暴露时间。 ISO2631-1:1997(E).Mechanical vibration and shock——Evaluation of human exposure to wholebody vibration－Part1:General requirement《人体承 受全身振动评价——第一部分：一般要求》 GB/T4970-2009. Method of random input running test--Automotive ride comfort 《汽车平顺性随机输入 行驶试验方法》
汽车理论第6章 汽车的平顺性2016
16
a(t)
aw(t)
加权函数w(f )的滤波网络 根据IS02631-1:1997(E)设定系数
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四、平顺性的评价方法
(一)基本的评价方法
2. 对记录的加速度时间历程 间 程a(t)进行频谱分 行 谱 析得到功率谱密度函数 Ga f
汽车理论 Automotive theory
第六章
汽车的平顺性
内容概要
平顺性的基本概念 路面不平度输入 人体对振动的反应以及平顺性评价方法 平顺性研究基本方法、两自由度振动系 平顺性研究基本方法 两自由度振动系 统 主动悬架（了解）
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靠背
脚
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三、人体对振动的反应
人体对不同频率的振动敏感程度不同 1.
zs 最敏感的频率范围是4～12.5Hz
在4～8Hz频率范围，人的内脏器官产生共振 频率范围 人的内脏器官产生共振 8～12.5Hz频率范围，对人的脊椎系统影响很大
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wi是功率谱密度为0.1的 白噪声 （Simulink Si i 中的缺省值）
7
二、路面不平度输入
nc =0.01(cycle/m)，车速为20m/s
10 10 10 10 10 10 10
-2 -3 -4 -5 -6 -7 -8
评价方法： 评价方法
根据乘员舒适程度评价
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4
第六章 汽车的平顺性
z0 j 2 1 e q0
z0 q0
H j z q H j z q e j
H j z q
2 1
第三节 汽车振动系统的简化，单质量 系统的振动
2．频率响应特性推导
) k ( z q) 0 q m2 z c( z
1 T 2 a w＝ a w t dt T 0
1 2
式中，T--振动的分析时间，一般取120 S。
6.1 人体对振动的反应和平顺性评价
频率加权函数w(f)(渐进线)可用右侧公式表示， 式中频率f的单位为Hz 。
6.1 人体对振动的反应和平顺性评价
2）对记录的加速度时间历程a(t)进行频谱分析得
m2 j z c j ( z q ) k ( z q ) 0
2
z m2 2 c j k q c j k z z k jc H j z q q q m2 2 k jc
6.1 人体对振动的反应和平顺性评价
6.1 人体对振动的反应和平顺性评价
2、辅助评价方法
当峰值系数>9时，IS02631-1：1997(E)标准 规定用均4次方限值的方法来评价，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——振动剂量值为
T VDV＝ a 4 t dt 0 w 1 4
到功率谱密度函数
，按下式计算 G a f
80 2 a w＝ W f G a f df 0.5
1 2
2、当同时虑椅面xs、ys、zs，这三个轴向振动时， 三个轴向的总加权加速度均方根值按下式计算
汽车理论第六章答案
6-1 人体对振动的反应和平顺性的评价
一、人体对振动的反应
97标准用加速度均方根值给出了1～80Hz振 动频率范围内人体对振动反应的三个不同 界限。反应界限（疲劳、不舒服）都是由 人体感觉到的振动强度大小和暴露时间长 短综合作用的结果。
暴露界限 疲劳－工效降低界限 舒适降低界限
6-1 人体对振动的反应和平顺性的评价
∫
2）均方值
T 2 T − 2
q (t )dt
T 2 T − 2
1 2 E q (t ) = μ q = lim T →∞ T 3）方差
[
]
∫
q 2 (t )dt
σ q2
1 = lim T →∞ T
∫ [q(t ) − μ ] dt
T 2 T − 2 2 q
随机过程统计基础知识
q(t)的5种数字特征： 4）自相关函数 1 Rq (t ) = lim T →∞ T 5）谱密度函数
⎡ T a 4 (t )dt ⎤ VDV＝ ∫ w ⎢0 ⎥ ⎣ ⎦
1 4
ms
−1.75
第六章 汽车的平顺性
§6-2 路面不平度的统计特性
主要内容：
1. 功率谱密度（PSD）－平均能量的谱分布。 2. 空间频率与时间频率的关系。 利用输入的路面不平度功率谱以及车辆系统的频 响函数，可以求出各响应物理量的功率谱，用 来分析振动系统参数对各响应物理量的影响和 评价平顺性。
§6-3 汽车振动系统的简化，单 质量系统的振动
一、汽车振动系统的简化 1.四轮汽车简化的立体模型
汽车的悬挂质量为：m2（车身、车架等） 汽车的非悬挂质量：m1（车轮、车轴） 汽车共7个自由度：
车身垂直、俯仰、侧倾3个自由度 车轮4个垂直自由度
《汽车振动基础》课程教学大纲
《汽车振动基础》课程教学大纲一、课程基本信息课程类别：专业选修课适用专业：汽车车辆工程专业先修课程：汽车构造、汽车诊断与维修总学时：56学分：3二、课程教学目的与基本要求本课程主要任务是，学习汽车机械振动力学的基本理论和方法及分析振动问题的数学方法。
主要内容包括：单自由度系统的振动、两个自由度系统的振动、多自由度系统的振动，连续系统的振动，并介绍了求解特征值问题和系统响应的近似方法及数值计算方法，简要叙述了非线性振动和随机振动的基本概念和理论。
三、教学时数分配四、教学内容与要求第一章绪论（一）教学目的：理解机械振动的概念，了解振动系统研究方法，掌握振动的分类，会分析振动问题并提出解决方法。
（二）教学内容：1 基本要素 2 研究方法 3 分类和表示方法（三）重点：振动系统基本要素（四）难点：振动系统分类和表示方法第二章单自由度系统的振动（一）本章教学目的：理解单自由度系统的自由振动的概念，掌握单自由度系统的强迫振动，掌握汽车车身单自由度系统的振动。
（二）教学内容：1 自由振动 2 强迫振动 3 非简谐激励下的强迫振动4 汽车车身单自由度系统的振动（三）重点：单自由度系统的自由振动（四）难点：汽车车身单自由度系统的振动第三章二自由度系统的振动（一）教学目的：了解二自由度系统的运动微分方程，掌握无阻尼二自由度系统的振动，有阻尼二自由度振动系统和汽车的二自由度系统的振动。
（二）教学内容：1 二自由度系统的运动微分方程2 无阻尼二自由度系统的振动3 有阻尼二自由度振动系统4 汽车的二自由度系统的振动（三）重点：无阻尼二自由度系统的振动（四）难点：汽车的二自由度系统的振动第四章多自由度系统的振动（一）本章教学目的：理解多自由度振动系统的运动微分方程，掌握固有振型的正交性、模态坐标和正则坐标和汽车多自由度振动模型。
（二）教学内容：1 多自由度振动系统的运动微分方程2 固有振型的正交性、模态坐标和正则坐标3 多自由度系统的响应4 拉格朗日方程在振动分析中的应用5 汽车多自由度振动模型（三）重点：固有振型的正交性、模态坐标和正则坐标（四）难点：汽车多自由度振动模型第五章随机振动理论（一）教学目的：了解随机振动概述及随机振动的统计特性，线性振动系统的随机响应计算。
第六章 汽车的平顺性
max[a w (t)] 振动波形峰值系数＝ aW
平顺性的评价方法
– 基本评价方法－加权加速度均方根aw的计算 方法1 A、对随机加速度的时间历程，也就是a(t)，通过 加权函数w (f) (加权网络) ，得到加权加速度时 间历程aw(t) 注：一般（任意）加速度传感 器测量时先得到一个电压或 者电流信号，再经过一个网 络就可以得到加权值
超过一定界限，以保持乘员的舒适性。
第一节 人体对振动的反应和平顺性的评价
日本对370名拖拉机司机的调查，发现他们之中，骨关节、胸部和腰椎发生 病变的比例分别为71%、52%和8%，腰椎和胸部同时发现病变的高达40%， 而且接触振动时间越长，发生病变的比例越高，从业10年以上的人病变比例 竟高达80%。 当振动加速度达到65dB（分贝）时，对睡眠有轻微影响；达到69dB时，所 有轻睡的人将被惊醒；达到74dB时，除酣睡的人外，其他人将惊醒；达到 79dB时，所有的人都将惊醒。
• 把质量为m2，转动惯量 为Iy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m2f、m2r、 m2c，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：
第六章 汽车的平顺性
1)总质量不变： 2)质心位置不变：
m2 f m2 r m2c m2 m2 f a m2 r b 0
第六章 汽车的平顺性
• 汽车的平顺性可由下图所示的“路面--汽车--人” 系统的框图来分析：
随机振动的基本概念
振动 加速 度 时间 汽车车厢地板上测得的振动加速度波形 • 振动加速度随时间的变化是不确定的，这 种随时间变化的不规则振动叫随机振动。 • 随机振动是非周期振动，振动加速度里面有 各种频率成分。
大学_汽车理论第四版(余志生著)课后答案下载
汽车理论第四版(余志生著)课后答案下载汽车理论第四版(余志生著)课后答案下载本书为全国高等学校机电类专业教学指导委员会汽车与拖拉机专业小组制订的规划教材，并于“九五”期间被教育部立项为“普通高等教育九五部级重点教材”和“面向21世纪课程教材”，于“十五”期间被教育部立项为“普通高等教育十五国家级规划教材”。
本书根据作用于汽车上的外力特性，分析了与汽车动力学有关的汽车各主要使用性能：动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、行驶平顺性及通过性。
各章分别介绍了各使用性能的评价指标与评价方法，建立了有关的动力学方程，分析了汽车及其部件的结构形式与结构参数对各使用性能的影响，阐述了进行性能预测的基本计算方法。
各章还对性能试验方法作了简要介绍。
另外，还介绍了近年来高效节能汽车技术方面的新发展。
本书为学生提供了进行汽车设计、试验及使用所必需的专业基础知识。
汽车理论第四版(余志生著)：推荐理由点击此处下载汽车理论第四版(余志生著)课后答案汽车理论第四版(余志生著)：书籍目录第4版前言第3版前言第2版前言第1版前言常用符号表第一章汽车的动力性第一节汽车的动力性指标。
第二节汽车的驱动力与行驶阻力一、汽车的驱动力二、汽车的行驶阻力三、汽车行驶方程式第三节汽车的驱动力，行驶阻力平衡图与动力特性图一、驱动力一行驶阻力平衡图二、动力特性图第四节汽车行驶的附着条件与汽车的附着率一、汽车行驶的附着条件二、汽车的附着力与地面法向反作用力三、作用在驱动轮上的地面切向反作用力四、附着率第五节汽车的功率平衡第六节装有液力变矩器汽车的动力性参考文献第二章汽车的燃油经济性第一节汽车燃油经济性的评价指标第二节汽车燃油经济性的计算第三节影响汽车燃油经济性的因素一、使用方面二、汽车结构方面第四节装有液力变矩器汽车的燃油经济性计算第五节电动汽车的研究一、混合动力电动汽车的特点二、混合动力电动汽车的结构三、混合动力电动汽车的节油原理四、能量管理策略五、实例分析一一丰田混合动力电动汽车Prius六、电动汽车的动力性计算第六节汽车动力性、燃油经济性试验一、路上试验二、室内试验参考文献第三章汽车动力装置参数的选定第一节发动机功率的选择第二节最小传动比的选择第三节最大传动比的选择第四节传动系挡数与各挡传动比的选择第五节利用燃油经济性-加速时间曲线确定动力装置参数一、主减速器传动比的确定二、变速器与主减速器传动比的确定三、发动机、变速器与主减速器传动比的确定参考文献第四章汽车的制动性第一节制动性的评价指标第二节制动时车轮的受力一、地面制动力二、制动器制动力三、地面制动力、制动器制动力与附着力之间的关系四、硬路面上的附着系数第三节汽车的制动效能及其恒定性一、制动距离与制动减速度二、制动距离的分析三、制动效能的恒定性第四节制动时汽车的方向稳定性一、汽车的制动跑偏二、制动时后轴侧滑与前轴转向能力的丧失第五节前、后制动器制动力的比例关系一、地面对前、后车轮的法向反作用力二、理想的前、后制动器制动力分配曲线三、具有固定比值的前、后制动器制动力与同步附着系数四、前、后制动器制动力具有固定比值的汽车在各种路面上制动过程的分析五、利用附着系数与制动效率六、对前、后制动器制动力分配的要求七、辅助制动器和发动机制动对制动力分配和制动效能的影响八、制动防抱装置第六节汽车制动性的试验参考文献第五章汽车的操纵稳定性第一节概述一、汽车操纵稳定性包含的内容二、车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应三、人一汽车闭路系统四、汽车试验的两种评价方法第二节轮胎的侧偏特性一、轮胎的坐标系二、轮胎的侧偏现象和侧偏力-侧偏角曲线三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响四、回正力矩一一绕OZ轴的力矩五、有外倾角肘轮胎的滚动第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程二、前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应一一等速圆周行驶三、前轮角阶跃输入下的瞬态响应四、横摆角速度频率响应特性第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系一、汽车的侧倾二、侧倾时垂直载荷在左、右侧车轮上的'重新分配及其对稳态响应的影响三、侧倾外倾一一侧倾时车轮外倾角的变化四、侧倾转向五、变形转向一一悬架导向装置变形引起的车轮转向角六、变形外倾一一悬架导向装置变形引起的外倾角的变化第五节汽车操纵稳定性与转向系的关系一、转向系的功能与转向盘力特性二、不同工况下对操纵稳定性的要求三、评价高速公路行驶操纵稳定性的试验一一转向盘中间位置操纵稳定性试验四、转向系与汽车横摆角速度稳态响应的关系第六节汽车操纵稳定性与传动系的关系一、地面切向反作用力与“不足-过多转向特性”的关系二、地面切向反作用力控制转向特性的基本概念简介第七节提高操纵稳定性的电子控制系统一、极限工况下前轴侧滑与后轴侧滑的特点二、横摆力偶矩及制动力的控制效果三、各个车轮制动力控制的效果四、四个车轮主动制动的控制效果五、VSC系统的构成六、装有VSC系统汽车的试验结果第八节汽车的侧翻一、刚性汽车的准静态侧翻二、带悬架汽车的准静态侧翻三、汽车的瞬态侧翻第九节汽车操纵稳定性的路上试验一、低速行驶转向轻便性试验二、稳态转向特性试验三、瞬态横摆响应试验四、汽车回正能力试验五、转向盘角脉冲试验六、转向盘中间位置操纵稳定性试验参考文献第六章汽车的平顺性第一节人体对振动的反应和平顺性的评价一、人体对振动的反应二、平顺性的评价方法第二节路面不平度的统计特性一、路面不平度的功率谱密度二、空间频率功率谱密度C。
汽车理论__6章汽车的平顺性
上述路面功率谱密度Gq(n)指的是垂直位移功率谱密 度，还可以采用不平度函数q(I)对纵向长度I的一阶 导数，即速度功率谱密度和二阶导数，即加速度功 率谱密度来补充描述路面不平度的统计特性。
第二节 路面不平度的统计特性
第四节 车身与车轮双质量系统的振动
第五节 双轴汽车的振动
前面讨论的单质量和双质量系统都是双轴汽车的局 部系统，仅分析了单车轮输入下车身的垂直运动。
本节讨论汽车垂直和俯仰两个自由度或汽车纵轴上 任一点的垂直振动，为此需要建立前、后车轮两个 路面输入的双轴汽车模型。
第五节 双轴汽车的振动
第六章 汽车的平顺性
内容提要
人体对振动的反应和平顺性的评价 路面不平度的统计特性 汽车振动系统的简化，单质量系统的振动 车身与车轮双质量系统的振动 双轴汽车的振动 人体－座椅系统的振动 汽车平顺性试验和数据处理
引言
汽车行驶时，由路面不平以及发动机、传动系和车轮等旋转 部件激发汽车的振动。通常，路面不平是汽车振动的基本输 入，故本章讨论的平顺性(Ride)主要指路面不平引起的汽车 振动，频率范围约为0.5~25Hz。
汽车的平顺性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲 击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内，因此平顺性主 要根据乘员主观感觉的舒适性来评价，对于载货汽车还包括 保持货物完好的性能，它是现代高速汽车的主要性能之一。
汽车的平顺性可由图6-1所示的“路面一汽车一入”系统的框 图来分析。路面不平度和车速形成了对汽车振动系统的“输 入”，此‘输入”经过由轮胎、悬架、座垫等弹性、阻尼元 件和悬挂、非悬挂质量构成的振动系统的传递，得到振动系 统的“输出”是悬挂质量或进一步经座椅传至人体的加速度， 此加速度通过人体对振动的反应——舒适性来评价汽车的平 顺性。当振动系统的“输出”作为优化的目标时，通常还要 综合考虑车轮与路面间的动载和悬架弹簧的动挠度。它们分 别影响“行驶安全性”和撞击悬架限位的概率。
汽车行驶系检修2平顺性能评价
➢主动悬架车轮部分z1—q的幅频特性图
➢主动悬架车身—车轮z2—z1的幅频特性图
➢主动悬架车身—路面z2—q的幅频特性图
1.5 人体—座椅系统的传递特性
➢将人体简化为刚性质量ms时，它与座椅的 弹性Ks 、阻尼元件Cs构成一单自由度子系 统，将其附加在 “车身—车轮”双质量系 统上，构成三个自由度振动系统。
1
1
4
ln2
2
，t
1
1
4 2 ln2
➢用同样的方法，也可以求出人体—座椅系统 部分的固有频率fs和阻尼比ξs 。
3) 汽车振动系统的频率响应函数的测定
➢在实际随机输入的路面上或在电液振动台上， 给车轮0.5~30Hz范围的振动输入，记录车 轴、车身、座垫上各测点的振动响应；然后 由数据统计分析仪处理得到悬架、座垫各环 节的频率响应函数。
➢在人体质量ms比车身质量m2小很多时，可 以忽略人体质量的惯性力对车身质量运动的 影响，而车身垂直振动是“人体—座椅”子 系统的输入，于是传至人体的振动的幅频特 性等于“人体—座椅”子系统的幅频特性与 “车身—车轮”双质量系统幅频特性的乘积。
➢在“车身— 车轮”双质 量系统上附 加“人体一 座椅”子系 统的振动模 型
(二) 轮胎
➢轮胎的性能对汽车的高频振动输入的平顺 性影响较大。常用轮胎与悬架的刚度比 γ=Kt/K来评价其影响。
(三) 悬挂质量
➢悬挂质量分配系数ε=ρy2/ab，是评价汽车平 顺性的极其重要的参数。当ε=1时，前后悬 挂质量的振动相互独立。
(四) 非悬挂质量
➢减小非悬挂质量，可以减小车轮传给车身 的冲击力。非悬挂质量越小，平顺性越好。 用μ=m2/m1来评价其影响。
4) 在实际随机输入路面上的平顺性试验
汽车理论—平顺性.ppt
第六章 汽车的平顺性
§6-2 影响汽车平顺性的结构因素
五、座椅 座位的布置对平顺性有很大的影响。 根据试验表明，距离重心越近，平顺性越好。 座椅的刚度和阻尼对平顺性也有重要影响。
另外，汽车的乘坐舒适性还在很大程度上取决于 座位的结构、尺寸、布置方式和车身的密封性、通风 保暖、照明、隔音等效能，以及是否有提供乘客舒适 的设备如电视、音响、空调等。道路周围的环境对平 顺性也有一定的影响。
汽车的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度的性能，对 于载货汽车还包括保持货物完好的性能。
第六章 汽车的平顺性
研究平顺性的目的就是控制振动的传递，使乘坐 者不舒适的感觉不超过一定的界限。
汽车的平顺性的分析可依据汽车振动系统框图：
输入 •路面不平度 •车速
振动系统 •弹性原件 •阻尼元件 •车身、车 轮质量
输出
•车身传至人 体的加速度 •悬架弹簧动 挠度 •车轮与路面 之间的动载
振动的来源：①路面不平度 85% ②车速 车速高振动大
评价指标
•加权加速度 均方根值 •撞击悬架限 位概率 •行使安全性
第六章 汽车的平顺性
§6-1 人体对振动的反应和平顺性的评价 一、人体对振动的反应
人体是一个复杂的机械系统，振动时对人体 的影响，既取决于振动的频率与强度、振动作用 方向和持续时间，也取决于人的心理、生理状态， 因此人体对振动作用的反应是一个十分复杂的过 程。心理品质和身体素质不同的人，对振动的敏 感程度有很大的差异。
（依据ISO2631-1：1997（E）《人体承受全 身振动评价—第一部分：一般要求》）
我国对平顺性评价依据标准：
GB/T4970-1996《汽车平顺性随机行驶试验方 法》
人体对振动的响应及平顺性(教案)
第六章 汽车平顺性第一节 汽车平顺性平顺性是汽车的主要使用性能之一。
汽车平顺性，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度的性能，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能，以及轮胎的接地性。
也就是说，避免汽车在行驶过程中所产生的振动和冲击使人感到不舒适、疲劳甚至损害健康，或使货物损坏的性能。
由于平顺性主要是根据乘坐者的舒适度来评价，有时又称为乘坐舒适性。
通常，路面不平是汽车振动的基本输入，故本章讨论的汽车平顺性主要指路面不平引起的汽车振动。
降低汽车振动，提高汽车平顺性，对保证乘员的舒适性、工作效能和身体健康，保证驾驶员在复杂的行驶和操纵条件下具有良好的心理状态和准确灵敏的反应，保证所运货物的完整，确保安全行驶，都是非常重要的。
一、人体对振动响应人体对振动的反应相当复杂，受个人心理与生理方面的差别和变化等诸多因素影响。
人体本身是一个复杂的振动系统。
人体对振动的反应不仅取决于振动的强度，而且还与振动频率、振动方向和振动持续时间（又称暴露时间）等因素有关。
同时，对于不同的人、不同的姿势、不同的身体部位、不同的作用位置和方向，人对振动的反应都是不同的。
二、汽车平顺性的评价指标和评价方法最广泛采用的车辆舒适性评价标准是ISO 2631。
国际标准化组织（ISO）于1974年颁布了ISO 2631《人体承受全身振动评价指南》。
后来经过修订和补充，于1997年公布了ISO2631-1:1997(E)《人体承受全身振动评价——第一部分：一般要求》。
该标准对于评价长时间作用的随机振动和多输入点多轴向振动环境对人体的影响，能很好地与主观感觉相符。
许多国家都参照它进行汽车平顺性的评价，我国也颁布了GB/T 4970-1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》。
标准ISO 2631-1：1997(E)，将基本频率范围扩展到0.5~80Hz ，所规定的人体坐姿受振模型如图6-1所示。
该标准认为，人体受12个轴向的振动分量，即3个座椅平动分量、3个座椅转动分量、3个靠背平动分量和3个脚支承面平动分量。
人体对振动的反应和平顺性的评价汇总
➢
x
、
s
ys
最敏感的频率范
围是0.5～2Hz。大约在3Hz
以下，人体对水平振动比对
垂直振动更敏感，且汽车车
身局部系统在此频率范围内
产生共振，故应对水平振动
给予充分重视。
第一节 人体对振动的反应和平顺性的评价
各轴向的频率加权函数〔渐近线〕
频率加权函数
0.5 0.5Hz f 2Hz
wk
f
f / 4 2Hz f 4Hz 1 4Hz f 12.5Hz
靠背
xb
wc
0.80
0.212
4.3
yb
wd
0.50
0.087
4.4
z1
b av
a2 2 vj
wd
0.40
0.140
4.9
xf
脚
yf
wk
0.25
0.090
5.4
wk
0.25
0.093
5.1
zf
wk
0.40
0.319
6.2
0.628
第一节 人体对振动的反应和平顺性的评价
2.辅助评价法
➢当峰值系数 > 9时，ISO 2631-1：1997〔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 的脉冲引起的顶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。
第六章 汽车的平顺性
振动系统 弹性元件 阻尼元件 车身、车轮质量
输入 路面不平度
车速 发动机、传动系和车轮等旋
转部件的非平衡干扰
本章将 不考虑
输出 车身传至人体的加速度
悬架弹簧的动挠度 车轮与路面间的动载荷
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设m沿z轴方向移动了位移z。
有一对平衡力：mg和kλs，由于当m在任意位置时它们都平衡，所以在分析时可以不予考虑。
则只存在物体受到弹簧的拉力（弹性恢复力），其方向与位移方向相反，始终指向平衡位置。即：
Fs= -kz这里，Fs与位移方向相同。
设此时m的加速度为，根据牛顿力学定律可得运动微分方程：
n是空间频率，即为波长的倒数，表示每米波长中有几个波长。它与时间频率的关系为：f = u n
路面的空间频率谱密度Gq(n)也可以换算成时间频率谱密度Gq(f)：Gq(f) = Gq(n)/u
响应（输出）--振动系统在激励作用下产生的运动（位移、速度、加速度等）。
§6-3汽车振动系统的简化，单质量系统的振动
微分方程的解与时间有关，要想求出特解，必须给出初始条件。设当t=0时，初位移为z0，初速度为0，将初始条件代入通解：
z0= A.sinφ
0= A.cosφ
联立可以解出：
振幅A =
初相位φ= arctg
讨论：
1.振幅、初相位与初始条件有关。而固有圆频率ω0和固有频率f及周期T只与系统的结构有关。
2.由于振动位置按正弦规律变化，因此，单自由度系统的自由振动为简谐振动。
（一）ISO2631国际标准《人承受全身振动的评价指南》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界限：
1、暴露极限：人体承受的振动强度低于此值，将能保持健康和安全。
2、疲劳-工效降低界限：振动强度在此界限之内，驾驶员能准确灵敏地反应，正常地进行驾驶。
3、舒适降低界限：振动强度低于此值，乘员能在车上顺利进行吃、读、写等动作。
第16讲2学时
教学目的及要求：
通过本次课的学习，使学生了解人体对振动的不同反应，掌握汽车平顺性的主要评价方法，掌握路面不平度的统计特性的确定方法，基于单自由度模型的汽车平
顺性研究方法。
主要内容：
第六章汽车的舒适性
§6-1人体对振动的反应和平顺性的评价
§6-2路面不平度的统计特性
§6-3汽车振动系统的简化，单质量系统的振动
m= Fs= -kz
∴m+ kz = 0
+z = 0
令ω0=
这里，ω0只与系统的属性有关，称为系统的固有圆频率。它与固有频率的关系是f0=，周期T =。
则有：+ω02z = 0
Hale Waihona Puke 这是一个常系数微分方程，其通解为：
z = A.sin(ω0t+φ)
其中，A和φ为待定常数。在振动学中，A称为振幅，φ称为初相位。
教学重点：
1．平顺性的概念，平顺性的评价方法
2．路面不平度功率谱密度的物理意义及计算方法
教学难点：
1．单自由度汽车系统的建模、响应求解、平顺性分析
教学过程：
第六章汽车的舒适性
§6-1人体对振动的反应和平顺性的评价
一、平顺性
平顺性——汽车在行驶过程中，保持驾驶员和乘员处于振动环境中具有一定的舒适度，或保持所载物资完好的能力。
假设路面水平（无激励），即作自由振动，且不计弹簧质量。相当于质量为m的物体放在刚度为k的弹簧上，弹簧下端支承于地面。当m处于静止状态时的位置称为“静平衡位置”，设此时弹簧静压缩量为λs，根据虎克定律，弹簧变形量与所受外力成正比：
mg = kλs
为简便起见，这样的系统一般将坐标原点取在物体的静平衡位置。
汽车行驶时，由于路面不平等原因会激起汽车振动。振动会影响汽车的平顺性，使乘员感到不舒适和疲乏，或使所运载的物资受损；也会使通过性、操纵稳定性、经济性变坏，使动力性得不到充分发挥。比如：当车轮上下跳动时，车轮与地面附着性能下降，就会影响汽车的各种使用性能。
二、人体对振动的反应：
机械振动对人体的影响，既取决于振动频率、强度，振动作用的方向和暴露时间，又取决于人的心理、生理状态。因此评价困难。
振动问题
振动系统并不是孤立存在的：
激励（输入）--作用在系统上的随时间变化的外力（矩），也称干扰力（矩）。路面不平度、车速
路面的不平度用路面的不平度函数q(I)来表示。是路面相对于基准平面的高度q沿道路走向长度I的变化。由于q是随机的，故常用路面的功率谱密度Gq(n)来描述。Gq(n)是路面的位移谱；也可用路面的速度谱G(n)和加速度谱G(n)来描述。
图中给出了“疲劳-工效降低界限”（不同暴露时间下）随频率的变化趋势。图a为垂直方向振动(上下)；图b为水平方向振动（纵向和横向）。
另两个反应界限随频率的变化趋势与之完全相同，只是允许值不同：“暴露极限”值为“疲劳-工效降低界限”值的2倍(上移6db)；“舒适降低界限”值为“疲劳-工效降低界限”值的1/3.15倍(下移10db)。
（二）影响“疲劳-工效降低界限”的因素：
1、振动频率：人体振动系统在垂直振动4～8Hz、水平振动1～2Hz环境中会出现共振。从曲线中可看出，人体对振动最敏感的频率范围的加速度允许值最小。
2、振动作用方向：汽车上2.8Hz以下的振动较多，而水平方向人体最敏感频率在此范围之内，因此应充分重视由汽车俯仰角振动在水平方向的引起的水平振动。
3、暴露时间：同一频率下，随着暴露时间的增长，加速度允许值减小。实际上，人体产生“疲劳”“不舒适”感觉是振动强度和暴露时间综合作用的结果。
§6-2路面不平度的统计特性
在实际研究时，应按研究的目的、范围等对汽车系统进行简化，也即，在不影响所研究的问题的基础上对系统作一些假设，然后建立模型。在研究汽车的行驶平顺性时，基本假设有：悬挂质量（车身质量）和非悬挂质量（车轮车车桥质量）分别假想为一个无弹性变形的理想刚体，其质量分别集中于各自的质心上；忽略各总成和部件的局部振动，把多数总成之间的弹性联接简化为刚性联接，而且仅计及悬架系统、轮胎或座椅弹簧等有限几个弹性元件的弹性；弹性恢复力与振动位移成正比；惯性力与振动加速度成正比；阻尼力与振动速度成正比。