第7章汽車垂向動力學第7章汽車垂向動力學§7.1路面輸入及其模型路面測量方法經(jīng)典測量方法使用水平儀和標尺測量路面不平度，精確，但費工費時。目前基本不采用。路面不平度測量儀

安裝在車體或拖車尾部，通過拖帶的從動輪來測量路面不平度，分單軌式、雙軌式，可分別用于測量單側(cè)輪軌跡或左右兩側(cè)輪軌跡的路面不平輸入。非接觸式路面測量裝置

安裝在汽車前部，利用激光或超聲波探測路面不平度。

注意：汽車輪胎與地面有一定的接觸長度，對路面不平中的小分量有包絡(luò)效應。因此，一般不需要測量路面的細致紋理?！?.1路面輸入及其模型路面測量方法2§7.1路面輸入及其模型實測路面輪廓數(shù)據(jù)的處理目的是獲得路面的統(tǒng)計特征，常用手段是傅里葉變換。路面輪廓路面功率譜密度（空間頻率）多道路面輪廓路面相關(guān)函數(shù)（空間頻率）路譜一般采用雙對數(shù)坐標，橫坐標常用倍頻帶、1/3倍頻帶、1/12倍頻帶。實測路譜通常在高頻部分出現(xiàn)劇烈震蕩，因此，需對實測路譜曲線做光滑處理。譜分析譜分析§7.1路面輸入及其模型實測路面輪廓數(shù)據(jù)的處理譜分析譜分3汽車垂向動力學課件4出現(xiàn)劇烈震蕩光滑處理后的路譜出現(xiàn)劇烈震蕩光滑處理后的路譜汽車垂向動力學課件§7.1路面輸入及其模型路面輸入的頻域模型空間譜密度S(m3/cycle)空間頻率n(cycle/m)下截止頻率n0一般在0.01cycle/m。雙對數(shù)坐標下譜線斜率p1、p2取值范圍一般在2~3。不平度系數(shù)G0(m3/cycle)高速路：3108~5107，均值1107；主干道：3108~8106，均值5107；支路：5107~3105，均值5106；給定車速u，則可將空間譜密度轉(zhuǎn)換為時間譜密度。因f=un；據(jù)譜密度的定義可導出S(f)=S(n)/u

故S(f)=G0up1/fp

§7.1路面輸入及其模型路面輸入的頻域模型7§7.1路面輸入及其模型路面輸入的時域模型根據(jù)空間譜密度函數(shù)可構(gòu)建距離域的路面函數(shù)；根據(jù)時間譜密度函數(shù)可構(gòu)建時間域的路面函數(shù)。方法是按譜密度函數(shù)取得任意頻率諧波分量的幅值，初相位則隨機產(chǎn)生，所有這些具有隨機相位差的諧波合成即得所求路面函數(shù)。利用隨機濾波白噪聲表達路面功率譜密度，從而將路面不平度位移在時間域表達為白噪聲的積分。在頻域：其中取p=2；白噪聲W的方差可取為1；

其中Zg為路面不平度位移；可導出：注意條件注意關(guān)系§7.1路面輸入及其模型路面輸入的時域模型8汽車垂向動力學課件9§7.1路面輸入及其模型特殊路面輸入有二十余種典型路面用于汽車可靠性強化道路試驗。石塊路（比利時路）卵石路扭曲路搓板路魚鱗坑路條石路波形路坑洞裂縫標準試驗坑洞斷面圖§7.1路面輸入及其模型特殊路面輸入標準試驗坑洞斷面圖10§7.2人體對振動的反應與平順性標準概述人體對振動反應的影響因素：個體，姿勢，身體部位；振動方向，頻率等。在車輛舒適性中主要考慮坐姿受振模型。按振動屬性分類

振動的幅值和頻率作用的位置和方向作用時間還可按其它方式分類，如：健康狀況、舒適程度、工作效率、主觀感覺、暈車反應等。如何定量評價車輛乘坐舒適性，是一個有爭議的問題；制訂的標準也在發(fā)展和完善中。ISO2631(1974年版)《人體承受全身振動評價指南》ISO2631/1(1985修訂版)Draft5（第5草案）ISO2631-1(1997修訂版)§7.2人體對振動的反應與平順性標準概述11§7.2人體對振動的反應與平順性標準ISO26311974版簡介以振動加速度試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，分垂直、水平方向推薦三個與頻率相關(guān)的評價指標。暴露極限疲勞-工效降低極限舒適性降低極限實際處理：按界限曲線對1~80Hz的測量信號進行頻率加權(quán)，獲得加權(quán)總體加速度均方根值，再與界限的敏感頻率范圍限值比擬評價。存在主要問題：疲勞-工效降低界限指標不合理。未定義1Hz以下的界限曲線。沒有角振動的評價方法。長時間振動暴露情況下，對時間因素的過多依賴，也缺乏足夠證據(jù)?！?.2人體對振動的反應與平順性標準ISO26311912§7.2人體對振動的反應與平順性標準ISO26311985版的改進標準中不再規(guī)定振動界限，而僅以附錄形式給出各種振動水平可能產(chǎn)生的效應。強調(diào)沒有足夠證據(jù)就不作指標精度方面的要求。增加以下內(nèi)容評價方法健康的損害活動能力的影響；如對視覺、手操作能力的影響不舒適性和不適感覺0.05~0.5Hz低頻振動引起的運動?。◥盒?、嘔吐）§7.2人體對振動的反應與平順性標準ISO26311913§7.2人體對振動的反應與平順性標準ISO26311997版的改進頻率范圍擴展到0.5~80Hz，并給出各振動方向的頻率加權(quán)函數(shù)，采用一個單一數(shù)值來評價振動強度；新規(guī)定人體坐姿受振模型；給出了敏感頻率振動對人體臟器的影響顯著程度關(guān)系；如椅面鉛垂振動在4~8Hz主要影響內(nèi)臟器官，在8~12.5Hz主要影響脊椎系統(tǒng)等。對人體舒適性評價還與加速度的峰值系數(shù)有關(guān)，該值小于9時，采用加權(quán)總體加速度均方根值評價；該值大于9時，采用加權(quán)總體加速度四次方均根值（稱振動劑量值VibrationDoseValue）評價。峰值系數(shù)定義為頻率加權(quán)加速度的峰值與均方根值之比?！?.2人體對振動的反應與平順性標準ISO26311914§7.2人體對振動的反應與平順性標準平順性測量傳感器：應變式加速度計、壓電式加速度計、專用襯墊式座椅加速度傳感器安裝部位：取決于測量目的；對車體的測量一般安裝在地板上的剛性部位，若需反映車體自身的結(jié)構(gòu)振動，需選擇典型板件中央?yún)^(qū)域安裝。角振動（俯仰、側(cè)滾等），可借助有足夠距離的兩個加速度計來測量。測量評價過程§7.2人體對振動的反應與平順性標準平順性測量15§7.3汽車振動模型概述與舒適性相關(guān)的振動頻率范圍0~15Hz剛體運動15~150Hz結(jié)構(gòu)振動，低頻噪聲>150Hz噪聲汽車典型的共振頻率范圍車身懸掛體系1~1.5Hz車輪跳動10~12Hz座椅上的乘客4~6Hz動力總成懸置體系10~20Hz車體結(jié)構(gòu)>20Hz輪胎結(jié)構(gòu)30~50Hz和80~100Hz§7.3汽車振動模型概述16§7.3汽車振動模型概述懸架設(shè)計需確定的參數(shù)懸架剛度阻尼簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量之比橡膠限位塊特性輪胎部分特性襯套剛度懸架主要用于控制車身剛體運動；建立什么系統(tǒng)模型取決于分析問題的需要。常用模型全車模型（7自由度）：可描述車身所有運動姿態(tài)；半車模型（4自由度）：可描述車身跳動和俯仰；?車模型（2自由度）：可描述車身跳動；§7.3汽車振動模型概述17§7.3汽車振動模型?車輛模型的推導運動微分方程在時域：在頻域：方程的解頻率響應函數(shù)：Z1/Z0,Z2/Z0對路面譜密度輸入的響應：響應的功率譜＝輸入功率譜頻率響應函數(shù)的模2響應的均方根值＝響應的功率譜在頻域的積分1/2§7.3汽車振動模型?車輛模型的推導響應的功率譜＝輸入功18§7.3汽車振動模型?車輛模型的推導懸架系統(tǒng)性能的三個基本評價指標不舒適性參數(shù)aw（r.m.svalueofweightedbodyacceleration）

按ISO2631標準來計算和評價。懸架動行程SWSrms（r.m.svalueofsuspensionworkingspace)

用于判斷限位塊碰撞的發(fā)生幾率。輪胎動載荷DTLrms（r.m.svalueofdynamictyreload)可表征輪胎接地印跡面積相對于靜平衡狀態(tài)時的增減幅度，這種變化將引起輪胎縱、橫向附著能力下降，從而影響操穩(wěn)性?！?.3汽車振動模型?車輛模型的推導19§7.3汽車振動模型?車輛模型的推導運動微分方程Mhb、Ihp分別表示半車體的質(zhì)量和俯仰轉(zhuǎn)動慣量；下標f、r分別表示前懸、后懸；F表示懸架力；

z1、

z2分別表示前懸簧下質(zhì)量位移和簧上質(zhì)量位移；

z3、

z4分別表示后懸簧下質(zhì)量位移和簧上質(zhì)量位移；方程的解頻率響應函數(shù)：Z1/Z0f、

Z1/Z0r、Z2/Z0f、

Z2/Z0r、Z3/Z0f、

Z3/Z0r、Z4/Z0f、

Z4/Z0r對路面譜密度輸入的響應：§7.3汽車振動模型?車輛模型的推導20§7.3汽車振動模型整車模型的推導運動微分方程與前面類似，但有7個廣義坐標，其中4個為簧下質(zhì)量位移，3個為簧上質(zhì)量的位移（包括質(zhì)心跳動、俯仰、側(cè)傾），在4個車輪處分別有鉛垂向的路面不平度激勵。方程的解頻率響應函數(shù)共有74個頻率響應函數(shù)。對路面譜密度輸入的響應§7.3汽車振動模型整車模型的推導21§7.3汽車振動模型典型算例分析對象：福特Granada轎車路面輸入：G0＝5106m3/cycle；車速20m/s頻率響應函數(shù)?模型?模型整車模型響應功率譜密度函數(shù)?模型?模型整車模型§7.3汽車振動模型典型算例22汽車垂向動力學課件路面不平度測量儀結(jié)構(gòu)原理圖路面不平度測量儀結(jié)構(gòu)原理圖非接觸式路面測量裝置工作原理圖非接觸式路面測量裝置工作原理圖汽車垂向動力學課件坐標軸名稱頻率加權(quán)函數(shù)軸加權(quán)系數(shù)kxsyszsrxryrzwdwdwdwewewe1.001.001.000.630.400.20xbybzbwcwdwd0.800.500.40xfyfzfwkwkwk0.250.250.40坐標軸名稱頻率加權(quán)函數(shù)軸加權(quán)系數(shù)kxswd1.00xb均方根值aw/m.s-2加權(quán)振級Law/dB人的主觀感覺<0.315<110沒有不舒適0.315~0.63110~116略有不舒適0.5~1.0114~120相當不舒適0.8~1.6118~124不舒適1.25~2.5122~128很不舒適>2.0>126極不舒適加權(quán)振級定義：參考值：均方根值加權(quán)振級人的主觀感覺<0.315<110沒有不舒適0汽車垂向動力學課件汽車垂向動力學課件具有獨立懸架的7自由度汽車動力學模型具有獨立懸架的7自由度汽車動力學模型半車模型?車模型半車模型?車模型?車輛模型的頻率響應函數(shù)?車輛模型的頻率響應函數(shù)?車輛模型的頻率響應函數(shù)?車輛模型的頻率響應函數(shù)?車輛模型的響應功率譜?車輛模型的響應功率譜?車輛模型的響應功率譜?車輛模型的響應功率譜整車模型的響應功率譜整車模型的響應功率譜第7章汽車垂向動力學第7章汽車垂向動力學§7.1路面輸入及其模型路面測量方法經(jīng)典測量方法使用水平儀和標尺測量路面不平度，精確，但費工費時。目前基本不采用。路面不平度測量儀

安裝在車體或拖車尾部，通過拖帶的從動輪來測量路面不平度，分單軌式、雙軌式，可分別用于測量單側(cè)輪軌跡或左右兩側(cè)輪軌跡的路面不平輸入。非接觸式路面測量裝置

安裝在汽車前部，利用激光或超聲波探測路面不平度。

注意：汽車輪胎與地面有一定的接觸長度，對路面不平中的小分量有包絡(luò)效應。因此，一般不需要測量路面的細致紋理。§7.1路面輸入及其模型路面測量方法37§7.1路面輸入及其模型實測路面輪廓數(shù)據(jù)的處理目的是獲得路面的統(tǒng)計特征，常用手段是傅里葉變換。路面輪廓路面功率譜密度（空間頻率）多道路面輪廓路面相關(guān)函數(shù)（空間頻率）路譜一般采用雙對數(shù)坐標，橫坐標常用倍頻帶、1/3倍頻帶、1/12倍頻帶。實測路譜通常在高頻部分出現(xiàn)劇烈震蕩，因此，需對實測路譜曲線做光滑處理。譜分析譜分析§7.1路面輸入及其模型實測路面輪廓數(shù)據(jù)的處理譜分析譜分38汽車垂向動力學課件39出現(xiàn)劇烈震蕩光滑處理后的路譜出現(xiàn)劇烈震蕩光滑處理后的路譜汽車垂向動力學課件§7.1路面輸入及其模型路面輸入的頻域模型空間譜密度S(m3/cycle)空間頻率n(cycle/m)下截止頻率n0一般在0.01cycle/m。雙對數(shù)坐標下譜線斜率p1、p2取值范圍一般在2~3。不平度系數(shù)G0(m3/cycle)高速路：3108~5107，均值1107；主干道：3108~8106，均值5107；支路：5107~3105，均值5106；給定車速u，則可將空間譜密度轉(zhuǎn)換為時間譜密度。因f=un；據(jù)譜密度的定義可導出S(f)=S(n)/u

故S(f)=G0up1/fp

§7.1路面輸入及其模型路面輸入的頻域模型42§7.1路面輸入及其模型路面輸入的時域模型根據(jù)空間譜密度函數(shù)可構(gòu)建距離域的路面函數(shù)；根據(jù)時間譜密度函數(shù)可構(gòu)建時間域的路面函數(shù)。方法是按譜密度函數(shù)取得任意頻率諧波分量的幅值，初相位則隨機產(chǎn)生，所有這些具有隨機相位差的諧波合成即得所求路面函數(shù)。利用隨機濾波白噪聲表達路面功率譜密度，從而將路面不平度位移在時間域表達為白噪聲的積分。在頻域：其中取p=2；白噪聲W的方差可取為1；

其中Zg為路面不平度位移；可導出：注意條件注意關(guān)系§7.1路面輸入及其模型路面輸入的時域模型43汽車垂向動力學課件44§7.1路面輸入及其模型特殊路面輸入有二十余種典型路面用于汽車可靠性強化道路試驗。石塊路（比利時路）卵石路扭曲路搓板路魚鱗坑路條石路波形路坑洞裂縫標準試驗坑洞斷面圖§7.1路面輸入及其模型特殊路面輸入標準試驗坑洞斷面圖45§7.2人體對振動的反應與平順性標準概述人體對振動反應的影響因素：個體，姿勢，身體部位；振動方向，頻率等。在車輛舒適性中主要考慮坐姿受振模型。按振動屬性分類

振動的幅值和頻率作用的位置和方向作用時間還可按其它方式分類，如：健康狀況、舒適程度、工作效率、主觀感覺、暈車反應等。如何定量評價車輛乘坐舒適性，是一個有爭議的問題；制訂的標準也在發(fā)展和完善中。ISO2631(1974年版)《人體承受全身振動評價指南》ISO2631/1(1985修訂版)Draft5（第5草案）ISO2631-1(1997修訂版)§7.2人體對振動的反應與平順性標準概述46§7.2人體對振動的反應與平順性標準ISO26311974版簡介以振動加速度試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，分垂直、水平方向推薦三個與頻率相關(guān)的評價指標。暴露極限疲勞-工效降低極限舒適性降低極限實際處理：按界限曲線對1~80Hz的測量信號進行頻率加權(quán)，獲得加權(quán)總體加速度均方根值，再與界限的敏感頻率范圍限值比擬評價。存在主要問題：疲勞-工效降低界限指標不合理。未定義1Hz以下的界限曲線。沒有角振動的評價方法。長時間振動暴露情況下，對時間因素的過多依賴，也缺乏足夠證據(jù)?！?.2人體對振動的反應與平順性標準ISO26311947§7.2人體對振動的反應與平順性標準ISO26311985版的改進標準中不再規(guī)定振動界限，而僅以附錄形式給出各種振動水平可能產(chǎn)生的效應。強調(diào)沒有足夠證據(jù)就不作指標精度方面的要求。增加以下內(nèi)容評價方法健康的損害活動能力的影響；如對視覺、手操作能力的影響不舒適性和不適感覺0.05~0.5Hz低頻振動引起的運動病（惡心、嘔吐）§7.2人體對振動的反應與平順性標準ISO26311948§7.2人體對振動的反應與平順性標準ISO26311997版的改進頻率范圍擴展到0.5~80Hz，并給出各振動方向的頻率加權(quán)函數(shù)，采用一個單一數(shù)值來評價振動強度；新規(guī)定人體坐姿受振模型；給出了敏感頻率振動對人體臟器的影響顯著程度關(guān)系；如椅面鉛垂振動在4~8Hz主要影響內(nèi)臟器官，在8~12.5Hz主要影響脊椎系統(tǒng)等。對人體舒適性評價還與加速度的峰值系數(shù)有關(guān)，該值小于9時，采用加權(quán)總體加速度均方根值評價；該值大于9時，采用加權(quán)總體加速度四次方均根值（稱振動劑量值VibrationDoseValue）評價。峰值系數(shù)定義為頻率加權(quán)加速度的峰值與均方根值之比?！?.2人體對振動的反應與平順性標準ISO26311949§7.2人體對振動的反應與平順性標準平順性測量傳感器：應變式加速度計、壓電式加速度計、專用襯墊式座椅加速度傳感器安裝部位：取決于測量目的；對車體的測量一般安裝在地板上的剛性部位，若需反映車體自身的結(jié)構(gòu)振動，需選擇典型板件中央?yún)^(qū)域安裝。角振動（俯仰、側(cè)滾等），可借助有足夠距離的兩個加速度計來測量。測量評價過程§7.2人體對振動的反應與平順性標準平順性測量50§7.3汽車振動模型概述與舒適性相關(guān)的振動頻率范圍0~15Hz剛體運動15~150Hz結(jié)構(gòu)振動，低頻噪聲>150Hz噪聲汽車典型的共振頻率范圍車身懸掛體系1~1.5Hz車輪跳動10~12Hz座椅上的乘客4~6Hz動力總成懸置體系10~20Hz車體結(jié)構(gòu)>20Hz輪胎結(jié)構(gòu)30~50Hz和80~100Hz§7.3汽車振動模型概述51§7.3汽車振動模型概述懸架設(shè)計需確定的參數(shù)懸架剛度阻尼簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量之比橡膠限位塊特性輪胎部分特性襯套剛度懸架主要用于控制車身剛體運動；建立什么系統(tǒng)模型取決于分析問題的需要。常用模型全車模型（7自由度）：可描述車身所有運動姿態(tài)；半車模型（4自由度）：可描述車身跳動和俯仰；?車模型（2自由度）：可描述車身跳動；§7.3汽車振動模型概述52§7.3汽車振動模型?車輛模型的推導運動微分方程在時域：在頻域：方程的解頻率響應函數(shù)：Z1/Z0,Z2/Z0對路面譜密度輸入的響應：響應的功率譜＝輸入功率譜頻率響應函數(shù)的模2響應的均方根值＝響應的功率譜在頻域的積分1/2§7.3汽車振動模型?車輛模型的推導響應的功率譜＝輸入功53§7.3汽車振動模型?車輛模型的推導懸架系統(tǒng)性能的三個基本評價指標不舒適性參數(shù)aw（r.m.svalueofweightedbodyacceleration）

按ISO2631標準來計算和評價。懸架動行程SWSrms（r.m.svalueofsuspensionworkingspace)

用于判斷限位塊碰撞的發(fā)生幾率。輪胎動載荷DTLrms（r.m.svalueofdynamictyreload)可表征輪胎接地印跡面積相對于靜平衡狀態(tài)時的增減幅度，這種變化將引起輪胎縱、橫向附著能力下降，從而影響操穩(wěn)性?！?.3汽車振動模型?車輛模型的推導54§7.3汽車振動模型?車輛模型的推導運動微分方程Mhb、Ihp分別表示半車體的質(zhì)量和俯仰轉(zhuǎn)動慣量；下標f、r分別表示前懸、后懸；F表示懸架力；

z1、

z2分別表示前懸簧下質(zhì)量位移和簧上質(zhì)量位移；

z3、

z4分別表示后懸簧下質(zhì)量位移和簧上質(zhì)量位移；方程的解頻率響應函數(shù)：Z1/Z0f、

Z1/Z0r、Z2/Z0f、

Z2/Z0r、Z3/Z0f、

Z3/Z0r、Z4/Z0f、

Z4/Z0r對路面譜密度輸入的響應：§7.3