《减震器匹配》PPT课件

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资源描述
1 轿车减震器阻尼的匹配 首先要了解与汽车振动相关的振动理论常识。 (华福林编写) 2 1。 单 质 量 系 统 的 振 动 线性单自由度系统是最简单、也是最基础的有限自由度集中参数系统。系统的最基本物理参数是:质量 m(N),弹簧刚度k(N/m),阻尼c(N.s/m) 。系统中的阻尼c是线性粘性阻尼系数,即假设阻尼力与运动速度v成正比,c也称之为粘性阻尼系数。 建立系统的运动微分方程按下列步骤进行: 1)取隔离体 2)受力分析 3)运用牛顿第二定律建立运动方程 该系统的隔离体和受力分析如图1所示,按牛顿第二定律建立运动方程为: X st 为质量m的初始静位移,将坐标原点置于质量块的静平衡位置上,因 kxst=mg 整理上述方程后得: xcxxkmgxm st )( 0 kxxcxm 3 设弹簧原长为l0 刚度为k,在重力mg作用下变形Xst,它为平衡位置。Xst= mg/k取物体重心为坐标原点,X向下为正,则Fk=-k(Xst+x) 图 1 xcF C 4 2. 无阻尼的单质量(单自由度)自由振动 m 物体质量 k 弹簧刚度 令上述方程中的粘性阻尼系数c=0,系统就变成无阻尼的自由振动(图2),其运动微分方程是: 可改写为: 其中 被称为固有圆频率 该微分方程的解为: x=Asin0t 式中静挠度 f=mg/k 最大振幅 A 0 kxxm 0 xmkx fgmk 20 020 xx fgmk 0 5 图2 通常用赫兹(Hz)或次/秒 来表示振动频率的单位 c/s或 Hz(赫兹) mkf 212 00 6 当系统参数不变的条件下,固有频率是常数。 然而当增加或减小质量m时,固有频率将相应减小或增加; 当增加或减小弹簧刚度k时,固有频率将相应增加或减小。3. 线性单自由度有阻尼系统的振动 无阻尼的自由振动是理想状态下的振动模式,在现实生活中,阻尼力无处不在,譬如质量m与空气之间的摩擦阻尼力、与周围环境接触的滑动摩擦力等。因此,研究有阻尼的自由振动更具有现实意义。 有阻尼自由振动:可用如下运动微分方程来描述(图3): .(1) 将上式改写为 令 2=k/m; 2n=C/m, n=c/2m; (2) 定义 为相对阻尼系数,它代表系统阻尼大小的一 个无量纲的量。0 kxxcxm 0 xmkxmcx 02 20 xxnx ccckmcn 2 7 将此复数根代入(2)式中,方程的解则为:由欧拉公式可知:整理后得出:这个解说明:有阻尼自由振动时,质量m以圆频率d振动,其振幅按 衰减 ,如图3所示。 (3)tnjnttnjnt eAeAx 22022201 t tnjtne tnj 220220220 sincos )tn(Ae t)nbtn(bex ntnt 220 22022201sin sincos nte 20 2002201 )(1)( nnd 8 图3 9 相对阻尼系数值对有阻尼系统的衰减振动有两方面的影响: 1) 与有阻尼固有频率d有关, 值增大则d减小,换句话说,有阻尼的振动令系统的固有频率降低。当相对阻尼系数等于1时,有阻尼固有频率d=0,此时运动失去周期性,振动消失。 10 2) 决定振幅衰减程度。由图3可知:两个相邻的振副Ai与A2之比称为减幅系数,以表示由式(1)知: n=c/2m为衰减系数, .(4)称为对数衰减率。i i i nTTiTt ti i eeAeAeAA )(1 1 TiAA i i 1lnln 11 因为 T0 无阻尼时的振动周期Td 有阻尼时的振动周期 代入式内得对数衰减率:由此可得相对阻尼系数: (5)mkf 212 00 20202 00220 1112)(1222 TnnT dd 220000 1212 T 1)2( 1 2 000 21 fT 12 乘用汽车的悬架系统其相对阻尼系数值通常在=0.25-0.45范围内变化,已知悬架刚度k、悬架质量m,在选取值后按公式 我们可计算出悬架减震器的实际阻尼系数 C。 也可以通过试验方法测定汽车悬架系统振动时的振幅,计算出系统的等效阻尼C值。例如,令试验车驶过一凸起颠一下,测出汽车悬架系统的振动曲线,然后根据公式 求出对数衰减率后再按公式 求得相对阻尼系数,则悬架系统的等效阻尼系数 C即可获得。km2 c jj TAAj 11ln1 1)2( 12 mmkmmkmkmC 2222 2 13 范例:市场反应:某轿车前悬架减震器“太硬”,司机在驾驶时能感到脚底下车轮在跳动,不平路面的冲击直接反应到车身上,坐舱内的噪声很大。初步判断,减震器阻力值是否偏大(硬),以下就此进行验算并提出整改意见。已知:前悬架空载簧载质量(单轮)为G0=286Kg(2803N)前悬架满载簧载质量(单轮)为G=351Kg(3440N)前悬架弹簧刚度k=21.6 N/mm圆频率(rad/s) 频率Hz(1/s) ffgn fgkGgmk 3002121 14 式中:G 单轮簧载质量 kg f 悬架静挠度 cm将有关数据代入后得出:前悬架单轮空载偏频 n0=300/f0=300/ 13.3=82.3次/分前悬架单轮满载偏频 n0=300/f0=300/ 16.3=74.3次/分又已知前减震器的阻力值为:见图4试验速度V=0.3m/s时 拉伸阻力Fr=1176N 压缩阻力Fp=294N V=0.6m/s时 拉伸阻力Fr=1617N 压缩阻力Fp=490N计算: 1。求式(1)中的阻尼系数C: 由于减振器阻尼是线性阻尼,即阻尼力是速度的一次方 函数. dtdxv 15 阻尼系数C实际上是F-v的斜率,故可以按下式求得:拉伸状态下 C= F / V = (1617-1176)/ (0.6-0.3 ) =1470N.s/m=1.47N.s/mm压缩状态下 C= F / V = (490-294)/ (0.6-0.3 ) =653.3N.s/m=0.6533N.s/mmdvdFc cdvdF cvdtdxcxcF 16 图4 17 2. 求相对阻尼系数 由式(2)k 悬架刚度 N/mmm簧上质量空载拉伸状态下:k=21.6 N/mm由于前悬架采用麦氏悬架,其减振器的安装见图5,存在杠杆比i=1.12因素的影响,所以减振器相对阻尼系数为 =12.2 kmc2mmsN /. 2 mmNsmmsN 22 0292.0.9800286m kmci2cos22 18 图5将相关参数代入后得拉伸时的相对阻尼系数 值:拉伸状态下: 11.10292.06.212 2.12cos12.147.1 22 r 19 压缩状态下: 通常研究简谐强迫振动时用输出、输入谐量的振幅B与Q的比值 作为对象来分析系统的特性。 该比值叫做传递率(幅频特性)。 =|B/Q|,见图6。 以横坐标代表频率比=/0 输入频率 0 固有频率 当=/0=1时, 系统产生共振。 图6 222 2 )2(1( )2(1 )QB 49.00292.06.212 2.12cos12.16533.0 2 p 49.00292.06.212 2.12cos12.16533.0 2 p 20 幅频特性曲线分成三个区域来讨论: 1)低频区:00.75 , 区内传递率 =|B/Q|稍微大于1,即输出幅值略大于输入幅值,其相位差接近零。 2)共振区:0.752 , 当接近1时, 区内传递率急速增大出现峰值,即输出幅值被急剧放大而远远大于输入幅值,当=1时,如果系统不存在阻尼力时,则输出振幅值将变成无穷大,在此区域内的情况称为“共振”。 21 3)高频区: 不论相对阻尼系数多大,传递率 值都小于1,系统起减振作用。然而当相对阻尼系数值大到一定程度时,则振动消逝。 汽车减震器的阻尼力值必须适当,太小则不能衰减共振振幅,太大则悬架被“锁死”路面振动可直接传递给车身,大大地影响乘座舒适性。 根据上述分析,汽车减震器在拉伸状态下,其相对阻尼系数r值推荐在0.25-0. 5的范围内,而压缩状态下的相对阻尼系数p值推荐为拉伸状态下r值的0.25-0.6倍。 由于现代轿车的最小离地间隙很低,特别是国外生产的轿车可低至125mm左右。当汽车驶过一凸起障碍物时,往往会磕碰底盘。此时,有些汽车设计师在匹配减振器阻尼力时,采取压缩阻尼力大于拉伸阻尼力的方法,使车身瞬间抬高以避免磕碰底盘,例如丰田花冠轿车便是如此。 回顾本范例中的减振器拉伸相对阻尼系数 r= 1.11值远远大于推荐值,计算结果与市场反应该轿车前悬架减震器“太硬”相吻合。必需重新匹配相对阻尼系数值。2 22 调整减震器阻尼值:1) 设拉伸行程的相对阻尼系数为r =0.35 改写 为 如前所述,F=CV=0.4639(0.6-0,3)=0.1392N.s/mm F=139N.s/m调整后的减震器阻尼参数为:设减震器试验速度V=0.3m/s时 拉伸阻力Fr=830N则 V=0.6m/s时 拉伸阻力Fr=830+F=830+139= 969N kmci2cos22 4639.0 cos12.1 0292.06.2135.02cos2 2222 i kmc 23 2) 设压缩行程的相对阻尼系数为 p =0.4 r=0.40.35=0.14 则:F=CV=0.1856(0.6-0,3)=0.05567N.s/mm F=56N.s/m调整后的减震器阻尼参数为:设减震器试验速度V=0.3m/s时 压缩阻力Fp=295N则 V=0.6m/s时 压缩阻力Fp=295+F=295+56= 351N1856.0 cos12.1 0292.06.2114.02cos2 2222 i kmc 24 调整后的结果:减震器试验速度V=0.3m/s时 拉伸阻力Fr=830N 压缩阻力Fp=295N V=0.6m/s时 拉伸阻力Fr=969N 压缩阻力Fp=351N 拉伸行程的相对阻尼系数为 r =0.35 压缩行程的相对阻尼系数为 p=0.14 也可以通过试验方法测定汽车悬架系统振动时的振幅,计算出系统的等效阻尼C值。例如,令试验车驶过一凸起颠一下,测出汽车悬架系统的振动曲线,然后根据公式 求出对数衰减率后再按公式 求得jj TAAj 11ln1 1)2( 1 2 mmkmmkmkmC 2222 2 减 震 器 的 阻 尼 力 大 小 应 与 该 车 的 相 对阻 尼 系 数 有 关 , 而 与 该 轿 车 的 簧 上质 量 m,悬 架 弹 簧 刚 度 C大 小 有 关 。 一 副 减震 器 用 在 A车 上 性 能 颇 佳 , 但 不 等 于 说 它用 于 B车 时 也 能 获 得 同 样 的 性 能 , 因 此 需要 进 行 匹 配 。 25
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