振动原理及应用综述

振动分析应用综述

摘要：本文通过对振动问题与方法进行简要探讨，列举相关汽车应用实例，对振动分析及应用进行简要综述。

引言

振动是指所研究机械或结构为弹性体，在外力的作用下不仅产生刚体运动，还会产生由于自身弹性而引起在平衡位置附近微小的弹性往复运动[1]。一般振动问题可以概述为振动系统（所研究的振动对象）受到外界“输入”或“激励”的作用，而产生的动态响应.

这种响应有利有弊，例如近几年的地震给当地人民与政府都带来了巨大的伤害；有振动就有噪声，污染环境，影响人们生活水平，同时一些机械结构产生振动会影响操作精度，使其相应性能下降。振动现象也被利用到一些有助于施工的振动机械中，如振动压路机、混凝土导振器等。所以对振动的研究必不可少，会影响人们生活水平，也会影响社会发展。

振动研究的问题与方法

在振动研究中，我们研究的问题分为五大方面，分别为振动隔离、在线控制、工具开发、动态性能分析、模态分析[1]。同时可以将振动问题分为三类：振动分析、振动环境预测、系统识别。振动隔离运用最显著地例子就是悬架设计，本文主要集中对动态性能分析与模态分析两方面进行探讨。

振动分析的基本方法包括理论分析法（即通过建立运动微分方程来求解响

为典型的振应）、实验研究、理论与实验相结合的方法。）

=

+

M F

+

（t

KX

X

X

C

动微分方程，根据F（t）是否为零，分为自由振动或强迫振动；根据C是否为零，分为有阻尼或无阻尼振动。

自然界中存在的振动问题往往很复杂，为了简化振动问题，同时不失真，我们可以将非线性振动转换为线性振动得出系统特征根，从而判断系统稳定性；也可将周期振动通过傅里叶级数转化为最简单简谐函数之和得出频谱图；对于任意激励下的振动即瞬态响应，非简谐也非周期，则可通过杜哈美积分法或傅式积分法等将其在时域与频域上进行转化，从而得出响应。振动系统又可以从自由度的角度上，将其简化为适当的单自由度、二自由度、多自由度的问题。如在对汽车

操纵特性进行研究时，将其首先简化为只具有侧向与横摆的两自由度问题，经验证模型的研究为之后考虑更复杂的因素研究起到了代表性的作用。

在振动研究中，不论是单自由度模型还是两自由度模型，甚至多自由度模型，都可通过频率响应函数找出其固有频率或主振型从而对系统特性进行分析。也可通过求解系统特征根来判别系统稳定性。可以根据输入功率谱来对系统响应进行分析则为频谱分析。以上三大分析过程都是互相依赖、互相作用的。在以下介绍的案例中都根据牛顿第二定律或则拉格朗日法通过建立系统运动微分方程，根据实际问题求解需要的响应判断系统特性。

振动研究应用实例

汽车实际上是最典型的质量、弹簧、阻尼振动系统，各零件组成部分具有不同的固有频率，所以汽车在各种激励下的振动研究对汽车动态特性有着十分积极的作用。动力传动系统、悬架系统、转向系统都属于汽车最具代表性最重要的系统之中。以下探讨了三大系统中振动分析应用。

由离合器、变速器、万向节、传动轴、主减速器、驱动半轴和轮毂组成的动力传动系统，在发动机输出的交变力矩作用下会产生周期性弯曲振动与扭转振动。当一些部位达到固有频率时，产生共振时载荷明显增加，降低使用寿命。通过[2]中建立的无阻尼扭振模型，计算出系统的固有频率与相应的振型。节点的振幅越小，节点处扭转切应力越大。通过对系统的低频特性与高频特性分别进行研究，提出相应的减振措施；并通过改善临界转速来避开共振点。

在研究汽车操纵特性时，如果考虑到汽车转向系统本身的弹性，则将转向柱与转向系统的变形均视为扭转变形，将转向系统的总扭转刚度Ks应用到操纵特性研究中。采用拉格朗日方法进行模型的推导，得到拉格朗日方程将其写为状态方程，最后进行特征值求解，可以对操纵特性进行稳定性分析。对系统进行频率响应分析得出横摆角速度与侧向加速度的幅频与相频特性图，来判断车辆的操纵动力学特性响应好坏。

汽车平顺性研究可以将车辆简化为两自由度、四自由度或七自由度模型，对车辆垂向动力学进行研究，但相应三个系统中的等效质量Me必须满足总质量、质心位置、转动惯量不变。通过对在加速、制动、转弯等工况下，计算车辆垂向加速度均方根植、悬架动行程、轮胎动载荷为悬架设计提供量化指标。同时也可

进行反向设计悬架动力学参数刚度K与阻尼C，来优化以上三项指标，提高车辆的平顺性。

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。模态分析的最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。同时模态分为自由模态分析与约束模态分析。通过有限元软件对汽车车身进行自由模态分析可以得出其固有频率及各阶主振型。对与车辆其他耦合的部位进行分析避免共振区，提高零部件的使用寿命。同时可以将其通过模态叠加原理将其运用到刚柔耦合的动力学分析中，如ANSYS与ＡＤＡＭＳ相结合进行平顺性分析。与刚体多体动力学相比，以上建立的“刚柔耦合模型”计算出的结果具有更大的准确性。

结论

本文通过从振动基本定义到研究问题及方法做了简要的介绍，最后探讨了一些与汽车相关的应用实例。当汽车行驶在路面不平、车速与运动方向变化、车轮发动机传动系不平衡以及齿轮的冲击等各种外部和内部的激振作用而产生的强烈振动。这会使汽车的动力性得不到充分发挥，同时损害经济性，降低汽车通过性、操纵稳定性与平顺性，使乘员产生不舒服和疲劳感觉，甚至损坏汽车零部件与运载货物，缩短使用寿命。由此次归纳总结可得出对一个系统的振动分析是必不可少，如果该振动对我们有利，我们应该加以利用；如果振动产生了危害我们应该主动研究，极力减小或避免这种伤害。

参考文献

［１］靳晓雄，张立军，江浩.汽车振动分析［M］，同济大学出版社。

［２］喻凡，林逸.汽车系统动力学[M],机械工业出版社。