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第6章 汽车平顺性

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第6章 汽车平顺性第14章 汽车的平顺性 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...
第6章 汽车平顺性
第14章 汽车的平顺性 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 ,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 的转动惯量为 ,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 。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 ,此时汽车车身只有垂直振动 和俯仰振动 ,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 ,转动惯量为 的车身按动力学等效的条件分解为前轴上、后轴上及质心 上的三个集中质量 、 、 。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 (6.1) (2)​ 质心位置不变 (6.2) (3)​ 转动惯量 的值保持不变 (6.3) 式中 ——绕横轴 的回转半径; , ——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 (6.4) (6.5) (6.6) 式中 ——轴距。 通常令 ,称为悬挂质量分配系数。由式(6.6)可知,当 时,联系质量 。据统计,大部分汽车 =0.8~1.2,即接近1。而通过分析可知在 的情况下,前、后轴上方车身部分的集中质量 、 的垂直方向运动是相互独立的。这样在 的情况下,当前轮遇到路面不平度而引起的振动时,质量 运动而质量 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 和前轮轴以及 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 (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 图6.4 车身单质量系统模型 图6.4时分析车身振动的单质量系统模型,它由车身质量 和弹簧刚度 、减振器阻尼系数为 的悬架组成。 是输入的路面不平度函数。 车身垂直位移坐标 的原点取在静力平衡位置,根据牛顿第二定律,得到描述系统运动的微分方程为 (6.7) 此方程的解由自由振动齐次方程的解与非齐次方程特解之和组成。 令 ; ,则齐次方程为 称为系统固有圆频率,而阻尼对运动的影响取决于 和 的比值 , 称为阻尼比。 (6.8) 汽车悬架系统阻尼比 的数值通常在0.25左右,属于小阻尼,此时微分方程的解为 (6.9) 这个解说明,有阻尼自由振动时,质量 以有阻尼固有频率 振动,其振幅按 衰减,如图6.5所示。 图6.5 衰减振动曲线 阻尼比 对衰减振动有两方面影响 (1)​ 与有阻尼固有频率 有关 (6.10) 由式(6.10)可知, 增大 下降,当 =1时, =0,此时运动失去振荡特征。汽车悬挂系统阻尼比 大约为0.25左右, 比 只下降了3%左右,在上可以近似认为 ≈ ,车身部分振动的固有圆频率 [rad/s]、固有频率 [s-1或Hz]为 (6.11) (2)​ 决定振幅的衰减程度 图6.5上两个相邻的振幅 与 之比称为减幅系数,以 表示 (6.12) 对式(6.12)取自然对数 (6.13) 可以由实测的衰减振动曲线得到减幅系数 ,由下式求出阻尼比 (6.14) 6-3节 影响汽车行驶平顺性的因素 上节我们对汽车这一复杂的振动系统进行了简化。而将汽车视为由彼此相联系的悬挂质量与非悬挂质量所组成。汽车的悬挂质量由车身、车架及其上的总成所构成。该质量由减振器和悬架弹簧与车轴、车轮相连。车轮、车轴构成非悬挂质量,车轮再经过具有一定弹性和阻尼的轮胎支承路面上。 悬架结构、轮胎、悬挂质量和非悬挂质量是影响汽车平顺性的重要因素。 6.3.1 悬架结构 悬架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的阻尼对平顺性影响较大。 6.3.1.1 弹性元件 将汽车车身看成一个在弹性悬架上作单自由度振动的质量时,减少悬架刚度,可降低车身的固有频率,提高汽车行驶的平顺性。但是,如果增加高频的非悬挂质量的振动位移,大幅度的车轮振动有时会使车轮离开地面,在紧急制动时,会产生严重的汽车“点头”现象。为解决这一问题,可采取一些相应措施,如采用具有非线性特性的变刚度悬架,即悬架的刚度随载荷而变,这样可以使得在载荷变化时,保持车身振动的固有频率不变,从而获得良好的平顺性。悬挂的非线性弹性特性,可通过下述方法来实现: 6.3.1.1.1 在线性悬架中,加入辅助弹簧、复合弹簧,采用适当的导向机构,以及与车架的支承方式等。 6.3.1.1.2 选用具有非线性特性的弹性元件,如空气弹簧、油气弹簧、橡胶弹簧和硅油弹簧等。 6.3.1.2 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,悬架系统中应具有适当的阻尼。 在悬架系统中,引起振动衰减的阻尼来源很多。如轮胎变形时,橡胶分子间产生摩擦、系统中的减振器、钢板弹簧叶片间的摩擦等。 减振器的阻尼效果好,可提高汽车行驶平顺性,改善车轮与道路的接触条件,防止车轮离开路面,因而可改善汽车的稳定性,提高汽车的行驶安全性。改进减振器的性能,对提高汽车在不平道路上的行驶速度有很大的作用。 6.3.2 轮胎 轮胎由于本身的弹性,在很大程度上吸收了因路面不平所产生的振动,因此它和悬架系统共同保证了汽车的平顺性。 轮胎性能的好坏,是用轮胎在标准气压和载荷下,压缩系数的大小(轮胎被压下的高度与充气断面高度的百分比)来表示的。在最大允许负荷作用下,普通轮胎的压缩系数为10%~ 12%,为了乘坐舒适,客车轮胎的压缩系数稍大些,为12%~14%。 近年来,随着车速的提高,希望轮胎的缓冲性能越来越好。目前,提高轮胎缓冲性能的方法如下: 6.3.2.1 增大轮胎断面、轮辋宽度和空气容量,并相应降低轮胎气压。 6.3.2.2 改变轮胎结构型式,如采用子午线轮胎。它因轮胎径向弹性大,可以缓和不平路面的冲击,并吸收大部分冲击能量,使汽车子顺性得到改善。 6.3.2.3 提高帘线和橡胶的弹性,要用较柔软的胎冠。 车轮旋转质量的不平衡,对汽车的行驶平顺性和稳定性都有影响。为了避免因转向轮不平衡而引起振动,必须对每一车轮进行静平衡和动平衡。越是车速高的轿车,对平衡的要求就越高。 6.3.3 悬挂质量 如前所述,悬挂质量分配系数为 , 是评价汽车平顺性极其重要的参数。它取决于悬挂质量的分布情况。悬挂质量的布置应使 ≈1。当 ≈1时,前、后悬挂质量的振动彼此互不影响。 6.3.4 非悬挂质量 减少非悬挂质量,可以减少传给车身上的冲击力。非悬挂质量的振动,对悬挂质量振动加速度有较显著的影响,会使其数据值加大。因此,为了提高汽车的平顺性,采用非悬挂质量较小的独立悬挂更为有利。 非悬挂质量对行驶平顺性的影响,常用非悬挂质量与悬挂质量之比 进行评价。比质量越小,则行驶平顺性越好。 总之,影响行驶平顺性的结构参数是很多,并且彼此间的关系较复杂,必须对这些参数进行综合分析,以便正确地选择参数,提高汽车行驶的平顺性。 小结 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。 2.​ 人体对振动反应的三种感觉界限: 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。 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。 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。 3.​ 汽车振动系统的简化和车身振动的单质量系统模型。 4.​ 汽车平顺性的影响因素:悬架结构(弹性元件、导向装置与减振装置)、轮胎、悬挂质量和非悬挂质量。 复习思考题 1、​ 评价汽车行驶平顺性的方法有哪些? 2、​ 人对振动的三种不同的感觉界限是如何划分的? 3、​ 什么情况下易于采用变刚度悬架?为什么?
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