第6章 汽车平顺性范文

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6.1 ISO2631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y I ，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)()(I y I x =，此时汽车车身只有垂直振动z 和俯仰振动ϕ，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y I 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f m 2、r m 2、c m 2。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

2222m m m m c r f =++ （6.1）

（2） 质心位置不变

022=-b m a m r f （6.2）

（3） 转动惯量y I 的值保持不变

222222b m a m m I r f y y +==ρ （6.3）

式中y ρ——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

aL

m m y f 222ρ= （6.4） bL m m y r 222ρ= （6.5）

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-=ab m m y c 2221ρ （6.6）

式中L ——轴距。 通常令ab y

2ρε=，称为悬挂质量分配系数。由式（6.6）可知，当1=ε时，联系质量

02=c m 。据统计，大部分汽车ε=0.8～1.2，即接近1。而通过分析可知在1=ε的情况下，前、后轴上方车身部分的集中质量f m 2、r m 2的垂直方向运动是相互独立的。这样在1=ε的情况下，当前轮遇到路面不平度而引起的振动时，质量f m 2运动而质量r m 2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f m 2和前轮轴以及r m 2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t f (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