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1、,第6章 汽车平顺性能试验,6.1,汽车平顺性基本概念,汽车平顺性试验,悬架系统的固有频率和阻尼比的测定,6.2,6.3,汽车行驶舒适性、平顺性(Ride Comfort,Ride Quality,Ride Evaluate)什么是汽车平顺性？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程度和保持货物完好的性能。为什么要研究汽车的平顺性？振动影响人的舒适性、工作效能、身体健康和货物的完整性以及零部件的性能和寿命-控制汽车振动系统的动态特性！,6.1 汽车平顺性基本概念,汽车振动的发生源主要有以下几个方面 路面凹凸不平的变化、不平衡或不均匀（非均匀性）轮胎的旋转、不平衡传动轴的旋转以及发动
2、机爆发时扭矩变化等。汽车振动的传递路径由路面、轮胎产生的振动，首先传递到悬架系统，并受悬架自身振动特性的影响而产生变化后，再传递到车身，进而通过车身的地板和座椅分别传给乘客的脚部、臀部、背部、手臂和头部，由车身传给转向系的振动以方向盘抖动的形式传到驾驶员的手部。由发动机、传动系产生的振动，通过支承发动机、变速器和传动轴的缓冲橡胶块，经明显的衰减后再传给车身。,一、汽车振动系统“路面-汽车-人”系统,评价指标加权加速度均方根值撞击悬架限 位概率行驶安全性,输入：路面不平度车速发动机、传动系和车轮等旋转部件非平衡干扰,振动系统：弹性元件阻尼元件车身质量车轮质量,输出：车身/传至人体 的加速度悬架弹
3、簧动挠度车轮与路面间 动载,振动系统,输入,输出,评价,二、汽车平顺性主要内容,人体对振动的反应和平顺性的评价振动“输入”路面不平度的统计特性汽车振动系统的简化，系统频响特性和系统参数对“输出”影响的分析汽车平顺性的测试,三、人体对振动的反应,国际标准ISO2631：“人体承受全身振动评价指南”1974年制定,1985年开始进行全面修订,1997年公布了ISO2631-1:1997（E）Mechanical vibration and shock Evaluation of human exposure to whole-body vibration Part 1:General requir
4、ements 我国对相应标准进行修订，公布了“GB/T4970-1996 汽车平顺性随机输入行驶试验方法”,平顺性主要靠主观感觉判断。国际标准ISO2631，以短时间简谐振动的实验结果为基础。ISO 2631用加速度均方根值给出了180Hz振动频率范围内人体对振动反应的三个不同界限。,ISO26311：1997(E)简介,ISO26311：1997(E)简介 标准规定了图6-2所示的人体坐姿受振模型。在进行舒适性评价时，它除了考虑座椅支承面处输入点3个方向的线振动，还考虑该点3个方向的角振动，以及座椅靠背和脚支承面两个输入点各3个方向的线振动，共3个输入点12个轴向的振动。,ISO26311：
5、1997(E)简介 此标准仍认为人体对不同频率振动的敏感程度不同，在图6-3上给出了各轴向0.5-80Hz的频率加权函数(渐进线)，又考虑不同输入点、不同轴向的振动对人体影响的差异，还给出了各轴向振动的轴加权系数k。表6-1给出了三个输入点12个轴向，分别选用哪一个频率加权函数和相应轴加权系数k，并列出了一辆European小轿车在城市公路上行驶时，实测的各轴向加权加速度均方根值aw，然后算出总的加权加速度均方根值av。,由表6-1上各轴向的轴加权系数可以看出:（1）椅面输入点xs、ys、zs三个线振动的轴加权系数k=1，是12个轴向中人体最敏感的，其余各轴向的轴加权系数均小于0.8。（2）另
6、外IS026311：1997(E)标准还规定，当评价振动对人体健康的影响时，就考虑xs、ys、zs这三个轴向，且xs、ys两个水平轴向的轴加权系数取k1.4，比垂直轴向更敏感。（3）标准还规定靠背水平轴向xb、yb可以由椅面xs、ys水平轴向代替，此时轴加权系数取k=1.4。（4）因此，我国在修订的相应标准GBT4970-1996汽车平顺性随机输入行驶试验方法时，评价汽车平顺性就考虑椅面xs、ys、zs这三个轴向。,ISO26311：1997(E)简介 椅面垂直轴向zs的频率加权函数最敏感频率范围标准规定为4125Hz，在4-8Hz这个频率范围，人的内脏器官产生共振，而8-125Hz频率范围的
7、振动对人的脊椎系统影响很大。椅面水平轴向xs、ys的频率加权函数 最敏感频率范围为05-2Hz，大约在3Hz以下，水平振动比垂直振动更敏感，且汽车车身部分系统在此频率范围产生共振，故应对水平振动给予充分重视。,IS026311：1997(E)标准规定，当振动波形峰值系数9(峰值系数是加权加速度时间历程aw(t)的峰值与加权加速度均方根值aw的比值)时，用基本的评价方法加权加速度均方根值来评价振动对人体舒适和健康的影响。根据测量，各种汽车包括越野汽车，在正常行驶工况下对这一方法均适用。,1.人体对振动的响应 人体对振动的响应取决于：频率与强度；作用方向；暴露时间。2.频率8Hz以下水平方向允许的
8、加速度值低于垂直方向48Hz允许的加速度；水平方向12Hz比垂直方向48Hz加速度允许值低1.4倍。对于汽车的振动环境，8Hz以下振动频率占比重相当大。3.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。,三、人体对振动的反应,三、人体对振动的反应,把人看成一个多自由度系统.有其固有频率如:腹系统:3-6Hz 头-颈-肩:20-30Hz 眼球:6090Hz生理反应:肠胃,呼吸,神经,循环系统等心理反应,振动频率人体对振动最敏感的频率范围：垂直振动：412.5Hz 48Hz 人的内脏器官产生共振 812.5Hz 人的脊椎系统影响大水平振动：0.52Hz3Hz以
9、下水平振动比垂直振动更敏感且汽车车身部分系统在此范围内产生共振,三、人体对振动的反应,ISO2631：“人体承受全身振动评价指南”,ISO 2631用加速度均方根值(rms)给出了180Hz振动频率范围内人体对振动反应的三个不同界限。,暴露界限：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。,四、人体对振动的评价指标,ISO2631：
10、“人体承受全身振动评价指南”,五、平顺性的评价方法,ISO2631-1:1997(E)规定加权评价方法：1/3倍频分别评价法：对传至人体的加速度进行频谱分析，可得1/3倍频带的加速度均方根值谱。,五、平顺性的评价方法,1/3倍频法认为:同时有许多个1/3倍频带都有能量作用于人体时，各个频带振动作用无明显联系，对人体产生的影响主要是人体感觉振动强度最大的一个1/3倍频带所造成的。,人体对各频带振动的敏感程度不同，所以1/3倍频加速度均方根值分量 的大小不能反映人体感觉振动强度的大小,所以需要给加权系数。方法：采用人体对不同频率振动敏感程度的频率加权函数，将人体最敏感以外各1/3倍频带加速度均方根
11、值分量 进行频率加权，即按人体感觉的振动强度相等的原则折算为最敏感频率范围，即加权加速度均方根值分量。其大小可以反映人体对振动强度的感觉。,五、平顺性的评价方法,五、平顺性的评价方法,五、平顺性的评价方法,ISO2631-1:1997(E)规定总加权评价方法：基本评价方法(加权加速度均方根值)时域法频域法其中:,五、平顺性的评价方法,同时考虑 xs,ys,zs 这 3 个轴向时,-基本评价方法(加权加速度均方根值)加权振动级 Law 加权加速度均方根值 aw同时考虑三个轴向振动时总加权加速度均方根值的计算：Law,aw 与人的主观感觉关系如下表:,五、平顺性的评价方法,五、平顺性的评价方法,1
12、.悬架结构,1)弹性元件,悬挂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中阻尼影响较大。,六、影响平顺性的因素,汽车前、后悬架静挠度的匹配对行驶平顺性也有很大影响，若前、后悬架的静挠度(振动频率)都比较接近，共振的机会减少。为了减少车身纵向角振动，通常后悬架的静挠度要比前悬架的小些。,为了防止汽车在不平路面上行驶时冲击缓冲块，悬架应有足够的动挠度(指悬架平衡位置到悬架与车架相碰时的变形)。,减少悬架刚度，即增大静挠度，可提高汽车行驶平顺性。但刚度降低会增加非悬挂质量的高频振动位移。而大幅度的车轮振动有时会使车轮离开地面，前轮定位角也将发生显著变化，在紧急制动时会产生严重的汽
13、车“点头”现象。转弯时因悬架侧倾刚度的降低，会使车身产生较大的侧倾角。,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(减小车轮对地面压力的变化，防止车轮跳离地面)，悬架系统中应具有适当的阻尼。,2.轮胎,3.悬挂质量,轮胎的径向刚度，展平能力及内摩擦引起的阻尼作用。,减少悬挂质量，车身的低频振动加速度增加，会大大降低行驶平顺性。在此情况下，为了保持良好的行驶平顺性，应采用等挠度悬架，使悬架刚度随悬挂质量的减小而减小。,减小非悬挂质量可降低车身的振动频率，增高车轮的振动频率。这样就使低频共振与高频共振区域的振动减小，而将高频共振移向更高的
14、行驶速度，对行驶平顺性有利。,4.非悬挂质量,乘坐舒适性在很大程度上还取决座位的结构、尺寸、布置方式和车身的密封性(防尘、防雨、防止废气进入车身)、通风保暖、照明、隔声等效能，以及是否设有其它提高乘客舒适的设备(音响系统等)。,5.其他因素,另外，大客车的发动机多采用后置式，以利于隔绝噪声和方便维修。车身越来越多采用承载式结构、空气悬架，以减轻振动和噪声。市内公共汽车因需经常起步、加速和换档，传动系统多采用自动变速器，以实现自动换档，减轻驾驶员的疲劳和改善发动机功率的利用。,6.2 汽车平顺性试验,一、平顺性随机输入试验,1.试验目的,由于汽车行驶的路面是不平的，路面的不平度又是随机变化的，因
15、此由于路面不平等因素激起的汽车振动是一种随机振动。GB/T 4970-1996,2.试验仪器,试验仪器由加速度传感器、前置放大器和磁带记录仪（信噪比应优于40dB）等组成。测试仪器的性能应稳定可靠，其频响，测人一椅系统的为0.1-100Hz，测货厢的为0.3-500Hz。,试验仪器,3.试验方法,（1）确定试验车速。试验车速至少有包括常用车速在内的3个车速。沥青路：轿车30、40、50、60、70 km/h（可选作80 km/h），常用车速为60 km/h。客车、货车30、40、50、60 km/h，常用车速为 50 km/h。沙石路：轿车30、40、50、60 km/h（可选作80 km/h
16、），常用车速为50 km/h。客车，货车30、40、50 km/h，常用车速为40 km/h。车速偏差为试验车速的4%,（2）人的乘坐姿势。测试部位的乘员应全身放松，两手自由地放在大腿上，其中驾驶员的两手自然地置于转向盘上，在试验过程中应保持乘坐姿势不变。（3）加速度传感器的安装。把加速度传感器安装在下列位置：轿车左侧前排和后排座椅上。客车驾驶员座椅、后轴上方座椅和最后排座椅上。货车驾驶员座椅上，车厢底板中心及距车厢边板、车厢后板各300 mm处。（4）试验过程。试验时，汽车在稳速段内要稳住车速，然后以规定的车速匀速驶过试验路段。,测量座垫上的加速度时，要把传感器安装在一个半刚性的垫盘内。,（
17、1）试验车型及试验路面选择,4.软件的使用,（2）数据读入,（3）数据处理,纵向振动的“疲劳-降低工效界限”曲线（纵向振动的“降低舒适性界限”曲线）横向振动的“疲劳-降低工效界限”曲线（横向振动的“降低舒适性界限”曲线）自功率谱图车速特性图特征数据显示显示频域数据结果输出,（1）对人一椅系统推荐采用下列参数：截断频率100 Hz；采样时间间隔0.005s；分辨带宽Af和独立样本个数0.1953 Hz，q25；（2）对车厢，建议截断频率500Hz，其他参数亦可作相应改变。（3）在试验结果中应注明TFD或TCD值之均方根值及其相应的中心频率，并注明所使用的窗函数名称。,5.试验数据处理,数据处理系
18、统,数据处理系统引进快速傅里叶变换，采用相应的软件，快速、精确的进行自谱、互谱、传递函数、相干函数和概率统计等各种数据处理。,记录的模拟信号,模拟-数字转换i=1,2,N/2,快速傅里叶变换K=1,2,N/2,计算自功率谱,频率加权,均方根值计算,数据处理系统,按照ISO-2631标准进行频率加权的“人体振动测量仪”在平顺性评价试验中得到采用。这种仪器通常用模拟/数字混合法计算加权加速度均方根值。,记录的模拟信号,模拟-数字转换i=1,2,N/2,模拟 频率加权滤波,均方根值计算,（1）对于人体振动的评价，规定用人体承受振动能力的评价指标：“疲劳降低工效界限”TFD；“降低舒适界限”TCD为主
19、；（2）用汽车平顺性评价指标与车速的关系曲线车速特性来评价；（3）根据需要亦可只用常用车速的评价指标来评价平顺性。,6.评价指标,二、平顺性脉冲输入试验,1.试验目的,汽车在行驶过程中，有时会遇到凸块，有时会遇到凹坑，均会对汽车形成很大的冲击，严重地影响乘坐的舒适性，甚至可能会损害人体的健康，或对所运输的货物造成严重损坏。为此必须对这种工况进行试验，并对所产生的最大加速度予以限制。GB 5902-86,试验用仪器构成的测试系统应适宜于冲击测量，其性能应稳定、可靠、频响范围为0.3-1 000Hz，加速度传感器量程不得小于10g。测试仪器可选用随机输入行驶试验所用仪器。,2.试验仪器,（1）确定
20、试验车速。试验车速为10、20、30、40、50、60km/h。（2）人的乘坐姿势。人的乘坐姿势与随机输入行驶试验相同。（3）加速度传感器的安装。轿车左侧前排、后排座椅上及这些座椅底部的地板上；客车与驾驶员同侧的前轴、后轴正上方座椅及这些座椅底 部的地板上，根据需要可增加驾驶员座椅和最后排座 椅上及这些座椅底部的地板上（4）凸块的放置。将凸块放置在试验道路中间，并按汽车轮距 调整好两个凸块间的距离。（5）试验过程。试验时，汽车以规定的车速匀速驶过凸块，在 汽车通过凸块前50 m应稳住车速，并用测速装置测量车速。,3.试验方法,三角形凸块,长坡形凸块,（1）试验数据处理。（2）评价指标的计算。最
21、大的（绝对值）加速度响应按下式计算：（3）将计算结果列入试验结果记录表。,4.试验数据处理及评价指标的计算,6.3 悬架系统的固频和阻尼比的测定,一、思想和测试内容,通过测定轮胎、悬架、座垫的弹性特性（载荷与变形关系曲线），可以求出在规定的载荷下，轮胎、悬架、座垫的刚度。由加载、卸载曲线包围的面积，可以确定这些元件的阻尼,分别测定轮胎、悬架、座垫等元件的载荷与变形的关系曲线，可以求出在规定载荷下的刚度。,由加载和卸载曲线包围的面积，可以确定这些元件的阻尼。,测量悬挂质量m2、非悬挂质量m1、车身质量分配系数等振动系统惯性参数。,二、作用,以上参数的测定可以用来分析新设计或改进汽车的平顺性。探索
22、产生问题的原因，并找出结构参数对平顺性的影响。,三、试验设备,加速度传感器、数据采集卡、电荷放大器传感器一般采用压电式加速度计,四、试验方法,1.滚下法,方法：将被测端的车轮驶上预先制做的凸块上（高度60、90、120mm），停车熄火、变速杆在空档位置。当一切准备工作就绪后，启动记录仪器并将汽车从凸块上推下（推下时两轮应尽量保持同时落地）使其产生自由振动，记录安装在车轴上和车轴上方车身或车架相应位置上传感器输出的自由衰减振动的时间历程。待振动全部停止后关闭记录仪器。优点：简单易行，缺点：但因其左、右两个车轮难以保证同 时落地，而且每次由凸块上推下的速度也不一样，衰减 振动曲线的重复性较差。因此
23、对同一端要进行3-5次测试。注意：传感器放在车轴上为车轮振动固有频率，传感器放在车身或车架上为悬架或车身振动固有频率。,2.抛下法,用跌落机构将汽车被测端车轴中部的平衡位置支起60mm或90mm高，然后跌落机构释放，汽车测试端被突然抛下而产生自由衰减振动。其测试过程的记录与滚下法相同。该种试验方法适合用于具有整体车轴的非独立悬架,3.拉下法,用绳索和滑轮装置将汽车被测端车轴附近的车身或车架中部由平衡位置拉下60mm或90mm，然后用松脱器突然松开，使悬挂-车身产生自由衰减振动。其测试记录与滚下法相同。该方法之优点是车身产生自由振动，而车轮部分振动较小，所以车身上测得的响应主要是车身振动的振型。
24、它的缺点是需要有一套复杂的测试机构。,五、试验数据的处理,1.时间历程法,时间历程法又称时域处理。它是将记录仪器记录的车身及车轴上自由衰减振动曲线（如下图），与时标比较或在信号处理仪器上读出时间间隔值，都可以得到车身部分周期和车轮部分振动周期。然后按下式算出各部分的固有频率。,车身部分固有频率,车轮部分固有频率,车身和车轮部分的衰减率,车身和车轮部分阻尼比,2.频率分析法,频率分析法即是频域处理。它是把记录下来的车身与车轴上自由衰减振动的加速度信号，回放到信号处理仪器上，进行频率分析。,在实际随机输入的路面上或在电液振动台上，给车轮输入0.530Hz 范围的振动，记录车轴、车身、座垫上各测点的振动响应。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。,六、软件的使用,1.当数据采集完成后，在显示控制窗口的处理方式列表中选择，“固有频率与阻尼比”处理功能。,2.在显示窗口中移动鼠标，根据窗口右下脚的提示，依次用单击鼠标左键的方式选择1、2、3、4个峰值，当第4个峰值选择完成后，系统自动弹出固有频率与阻尼比计算结果。,3.点击测试结果的“确定”，系统弹出保存设置对话框，保存数据。,4.重复以上步骤，完成另外3项试验。,5.当所有试验都完成后，选择菜单结果输出-固频与 阻尼比测试结果项，系统将全部测试结果显示出来。,
