汽车垂向动力学63876

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/2/8,#,第7章 汽车垂向动力学,7.1 路面输入及其模型,路面测量方法,经典测量方法,使用水平仪和标尺测量路面不平度，精确，但费工费时。目前基本不采用。,路面不平度测量仪,安装在车体或拖车尾部，通过拖带的从动轮来测量路面不平度，分单轨式、双轨式，可分别用于测量单侧轮轨迹或左右两侧轮轨迹的路面不平输入。,非接触式路面测量装置,安装在汽车前部，利用激光或超声波探测路面不平度。,注意：汽车轮胎与地面有一定的接触长度，对路面不平中的小分量有包络效应。因此，一般不需要测量路面的细致纹理。,7.1 路面输入及其模型,实测路面轮廓数据的处理,目的是获得路面的统计特征，常用手段是傅里叶变换。,路面轮廓 路面功率谱密度（空间频率）,多道路面轮廓 路面相关函数（空间频率）,路谱一般采用双对数坐标，横坐标常用倍频带、1/3倍频带、1/12倍频带。,实测路谱通常在高频部分出现剧烈震荡，因此，需对实测路谱曲线做光滑处理。,谱分析,谱分析,出现剧烈震荡,光滑处理后的路谱,7.1 路面输入及其模型,路面输入的频域模型,空间谱密度,S,(,m,3,/cycle,),空间频率,n,(,cycle/m,),下截止频率,n,0,一般在0.01,cycle/m,。,双对数坐标下谱线斜率,p,1,、p,2,取值范围一般在23。,不平度系数,G,0,(,m,3,/cycle,),高速路：3,10,8,5,10,7,，均值,1,10,7,；,主干道：,3,10,8,8,10,6,，均值,5,10,7,；,支路：,5,10,7,3,10,5,，均值,5,10,6,；,给定车速,u,，则可将空间谱密度转换为时间谱密度。,因,f,=,u n；,据谱密度的定义可导出,S,(,f,)=,S,(,n,),/u,故,S,(,f,)=,G,0,u,p,1,/f,p,7.1 路面输入及其模型,路面输入的时域模型,根据空间谱密度函数可构建距离域的路面函数；根据时间谱密度函数可构建时间域的路面函数。方法是按谱密度函数取得任意频率谐波分量的幅值，初相位则随机产生，所有这些具有随机相位差的谐波合成即得所求路面函数。,利用随机滤波白噪声表达路面功率谱密度，从而将路面不平度位移在时间域表达为白噪声的积分。,在频域：其中取,p,=2；,白噪声,W,的方差可取为1；,其中,Z,g,为路面不平度位移；,可导出：注意条件,注意关系,7.1 路面输入及其模型,特殊路面输入,有二十余种典型路面用于汽车可靠性强化道路试验。,石块路（比利时路）,卵石路,扭曲路,搓板路,鱼鳞坑路,条石路,波形路,坑洞,裂缝,标准试验坑洞断面图,7.2 人体对振动的反应与平顺性标准,概述,人体对振动反应的影响因素：个体，姿势，身体部位；振动方向，频率等。在车辆舒适性中主要考虑坐姿受振模型。,按振动属性分类,振动的幅值和频率,作用的位置和方向,作用时间,还可按其它方式分类，如：健康状况、舒适程度、工作效率、主观感觉、晕车反应等。,如何定量评价车辆乘坐舒适性，是一个有争议的问题；制订的标准也在发展和完善中。,ISO 2631(1974,年版)人体承受全身振动评价指南,ISO 2631/1(1985,修订版),Draft 5（,第5草案）,ISO 2631-1(1997,修订版),7.2 人体对振动的反应与平顺性标准,ISO2631 1974,版简介,以振动加速度试验数据为依据，分垂直、水平方向推荐三个与频率相关的,评价指标,。,暴露极限,疲劳-工效降低极限,舒适性降低极限,实际处理：按界限曲线对180,Hz,的测量信号进行频率加权，获得,加权总体加速度均方根值,，再与界限的敏感频率范围限值比拟评价。,存在主要问题：,疲劳-工效降低界限指标不合理。,未定义1,Hz,以下的界限曲线。,没有角振动的评价方法。,长时间振动暴露情况下，对时间因素的过多依赖，也缺乏足够证据。,7.2 人体对振动的反应与平顺性标准,ISO2631 1985,版的改进,标准中不再规定振动界限，而仅以附录形式给出各种振动水平可能产生的效应。,强调没有足够证据就不作指标精度方面的要求。,增加以下内容评价方法,健康的损害,活动能力的影响；如对视觉、手操作能力的影响,不舒适性和不适感觉,0.050.5,Hz,低频振动引起的运动病（恶心、呕吐）,7.2 人体对振动的反应与平顺性标准,ISO2631 1997,版的改进,频率范围扩展到0.580,Hz，,并给出各振动方向的,频率加权函数,，采用一个单一数值来评价振动强度；,新规定,人体坐姿受振模型,；,给出了敏感频率振动对人体脏器的影响显著程度关系；如椅面铅垂振动在48,Hz,主要影响内脏器官，在812.5,Hz,主要影响脊椎系统等。,对人体舒适性评价还与加速度的峰值系数有关，该值小于9时，采用加权总体加速度均方根值评价；该值大于9时，采用加权总体加速度四次方均根值（称振动剂量值,Vibration Dose Value）,评价。峰值系数定义为频率加权加速度的峰值与均方根值之比。,7.2 人体对振动的反应与平顺性标准,平顺性测量,传感器：,应变式加速度计、压电式加速度计、专用衬垫式座椅加速度传感器,安装部位：,取决于测量目的；对车体的测量一般安装在地板上的刚性部位，若需反映车体自身的结构振动，需选择典型板件中央区域安装。,角振动（俯仰、侧滚等），可借助有足够距离的两个加速度计来测量。,测量评价过程,7.3 汽车振动模型,概述,与舒适性相关的振动频率范围,015,Hz,刚体运动,15150,Hz,结构振动，低频噪声,150,Hz,噪声,汽车典型的共振频率范围,车身悬挂体系11.5,Hz,车轮跳动1012,Hz,座椅上的乘客46,Hz,动力总成悬置体系 1020,Hz,车体结构 20,Hz,轮胎结构 3050,Hz,和80100,Hz,7.3 汽车振动模型,概述,悬架设计需确定的参数,悬架刚度,阻尼,簧载质量与非簧载质量之比,橡胶限位块特性,轮胎部分特性,衬套刚度,悬架主要用于控制车身刚体运动；建立什么系统模型取决于分析问题的需要。,常用模型,全车模型,（7自由度,）：,可描述车身所有运动姿态；,半车模型,（4自由度）：可描述车身跳动和俯仰；,车模型,（2自由度）：可描述车身跳动；,7.3 汽车振动模型,车辆模型的推导,运动微分方程,在时域：,在频域：,方程的解,频率响应函数：,Z,1,/Z,0,Z,2,/Z,0,对路面谱密度输入的响应：,响应的功率谱输入功率谱,频率响应函数的模,2,响应的均方根值响应的功率谱在频域的积分,1/2,7.3 汽车振动模型,车辆模型的推导,悬架系统性能的三个基本评价指标,不舒适性参数,a,w,（r.m.s value of weighted body acceleration）,按,ISO 2631,标准来计算和评价。,悬架动行程,SWS,rms,（r.m.s value of suspension working space),用于判断限位块碰撞的发生几率。,轮胎动载荷,DTL,rms,（r.m.s value of dynamic tyre load),可表征轮胎接地印迹面积相对于静平衡状态时的增减幅度，这种变化将引起轮胎纵、横向附着能力下降，从而影响操稳性。,7.3 汽车振动模型,车辆模型的推导,运动微分方程,M,hb,、,I,hp,分别表示半车体的质量和俯仰转动惯量；,下标,f,、,r,分别表示前悬、后悬；,F,表示悬架力；,z,1,、,z,2,分别表示前悬簧下质量位移和簧上质量位移；,z,3,、,z,4,分别表示后悬簧下质量位移和簧上质量位移；,方程的解,频率响应函数：,Z,1,/Z,0 f,、,Z,1,/Z,0r,、,Z,2,/Z,0 f,、,Z,2,/Z,0r,、,Z,3,/Z,0 f,、,Z,3,/Z,0r,、,Z,4,/Z,0 f,、,Z,4,/Z,0r,对路面谱密度输入的响应：,7.3 汽车振动模型,整车模型的推导,运动微分方程,与前面类似，但有7个广义坐标，其中4个为簧下质量位移，3个为簧上质量的位移（包括质心跳动、俯仰、侧倾），在4个车轮处分别有铅垂向的路面不平度激励。,方程的解,频率响应函数,共有7,4个频率响应函数。,对路面谱密度输入的响应,7.3 汽车振动模型,典型算例,分析对象：福特,Granada,轿车,路面输入：,G,0,5,10,6,m,3,/cycle；,车速20,m/s,频率响应函数,模型,模型,整车模型,响应功率谱密度函数,模型,模型,整车模型,路面不平度测量仪结构原理图,非接触式路面测量装置工作原理图,坐标轴名称,频率加权函数,轴加权系数,k,x,s,y,s,z,s,r,x,r,y,r,z,w,d,w,d,w,d,w,e,w,e,w,e,1.00,1.00,1.00,0.63,0.40,0.20,x,b,y,b,z,b,w,c,w,d,w,d,0.80,0.50,0.40,x,f,y,f,z,f,w,k,w,k,w,k,0.25,0.25,0.40,均方根值,a,w,/m.s,-2,加权振级,L,aw,/dB,人的主观感觉,0.315,2.0,126,极不舒适,加权振级定义：,参考值：,具有独立悬架的7自由度汽车动力学模型,半车模型,车模型,车辆模型的频率响应函数,车辆模型的频率响应函数,车辆模型的响应功率谱,车辆模型的响应功率谱,整车模型的响应功率谱,