汽車振動問題研究分析

摘要當行駛的車輛處于地面不平順的情況下，車輛的振動加大，載荷的偏差也可能加大，這樣整體的振動對車輛一些螺栓零件，懸掛裝置都會有影響，導致使用的壽命和可靠性都出現(xiàn)問題，這樣零件的磨損也會加大?，F(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展迅猛，現(xiàn)在人們的經(jīng)濟條件都比較好，家用私家車的采購和使用越來越多，不過對車輛的乘坐的舒適性要求也越來越高，為了滿足現(xiàn)在廣大群眾對乘坐舒適性的要求，車企如何通過對車輛的設計來提高乘坐舒適性，這樣對車企的發(fā)展都是具有決定性影響的。關鍵詞：汽車振動；振動系統(tǒng)；舒適度

abstractThetopicofthisdesignisthestudyofthecomfortofVolkswagen280TSIcarvibrationridecomfort.Themainevaluationofthecarridecomfortisthevibrationcomfortevaluation,anditsfunctionhasamoreintuitiveimpactonthecomfortofthepassenger.Throughtheanalysis,itcanbelearnedthatthevibrationcomfortneedstostudythewholevibrationsystemofthecartoobtainthecomfortofthevehicle.Comprehensivevibrationcomfortisaveryimportantindicatorwhenstudyingthevibrationridecomfortofthemotorvehicle,whichmainlyevaluatesthemotordrivingspeedandthevibrationcomfortatthemeasurementpoint.Inthisdesign,firstfromtherelevanttheoreticalknowledgeofvibrationintheprocessofmotorvehicledrivingasthestartingpoint,analyzethemethodsandprinciplesofmotorvehiclevibrationridecomfortassessmentathomeandabroad,anddeterminethevibrationcomfortofeachseatthroughanalysisandcomparison.Keywords:carvibrationcomfort;vibrationsystem;comfort

目錄TOC\o"1-3"\h\u302781緒論 緒論1.1研究背景經(jīng)濟發(fā)展迅猛，現(xiàn)在人們的經(jīng)濟條件都比較好，家用私家車的采購和使用越來越多，不過對車輛的乘坐的舒適性要求也越來越高，針對不同人群的喜好，要保證車輛在振動下的乘坐舒適性，這是車輛設計和研究很重要的一部分，車輛的座椅作用就是減緩掉在車輛行駛中因為道路不平會造成沖擊振動，為乘坐人和司機帶來比較好的舒適性，提供一個比較好的乘坐舒適性。汽車振動舒適度的動力學參數(shù)——固有頻率和阻尼比對振動舒適度的減振性能有重要影響，同時振動舒適度的設計尺寸與人體測量數(shù)據(jù)密切相關。因此振動舒適度的舒適性越來越多的成為廣大工程科技人員研究的對象。在一些發(fā)達國家已經(jīng)把汽車振動舒適性研究列為一個非常重要的研究課題，受到越來越廣泛的關注。很多汽車生產(chǎn)企業(yè)組建專業(yè)的研發(fā)團隊對汽車振動乘坐舒適性進行研究。1.2研究定義、目的及意義1.2.1研究定義汽車乘坐舒適性是對現(xiàn)如今汽車性能的一個非常重要指標。一輛機動車乘坐舒適性能好，那么駕乘人員在機動車行駛過程中不容易出現(xiàn)疲勞的感覺，有利于保障行車安全，同時汽車動力性能也可以得到最大程度的發(fā)揮，從而汽車可以得到較高的平均速度。如果汽車的舒適性能比較差，那么行駛過程中出現(xiàn)比較大的動載荷，那么此時會增加對該車零部件的磨損，減短該車的行駛里程使用壽命。車輛在設計中會設計很多的起到舒緩、隔離和吸收振動的一些部件，比如座椅、減震器等等，這樣雖然車輛在行駛中和產(chǎn)生一些振動，但是通過合理的分析設計可以使振動達到一個乘坐人能接受的合理范圍內。汽車行駛中主要的振動還是來自地面的不平整導致的振動，當然，車輛的發(fā)動機、自身質量不均勻都會導致不平衡和載荷撥動，這樣都會導致汽車產(chǎn)生振動?，F(xiàn)代的汽車都是采用的彈性懸架裝置，這樣車體座椅與地面之間有車輪的輪胎作為緩沖，還有懸掛裝置作為緩沖支撐。車輛行走的過程中帶來了振動激勵，然后其通過車輛座椅傳遞到乘坐人的腰部和臀部，這樣會給乘坐人帶來振動激勵，如果傳遞來的振動與乘坐人身體器官的固有頻率相近的時候，就會使乘坐人的器官產(chǎn)生共振，而且會產(chǎn)生位移，進而導致乘坐人的舒適感受比較差，進而可能會導致乘坐人的身體產(chǎn)生建塊問題。當人體承受垂直振動時，專家對此的研究結果是，人體對于對4-8Hz頻率范圍的垂直振動以及1-2Hz頻率范圍的水平振動的能量傳遞率最大，其生理響應也最大。隨著社會的進步，居民生活水平的提高，機動車在日常生產(chǎn)生活中使用率非常高，越來越多的人購置機動車，所以一天中很大的一段時間會在車輛匯總度過，所以人們對機動車乘坐舒適性的要求越來越重視，汽車振動乘坐舒適性是一個很有現(xiàn)實意義的研究課題。隨著機動車生產(chǎn)制造技術的革新，以及社會大眾對機動車振動乘坐舒適性的要求，很多機動車生產(chǎn)廠商不斷追求生產(chǎn)出可以提供優(yōu)質汽車乘坐舒適性的汽車。隨著社會經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，國內汽車制造業(yè)發(fā)展迅猛，汽車生產(chǎn)制造競爭日益激烈，很多汽車生產(chǎn)公司投入很多的科研力量致力于研發(fā)出舒適性好、高性能的產(chǎn)品。由此可見汽車乘坐舒適性的研究有很重要的現(xiàn)實意義。1.2.2研究目的乘車人可能在工作的過程中長期處于車內乘坐狀態(tài)，這種情況下乘坐的舒適性會極大的影響乘車人的身體狀態(tài)和乘車心情。如果行駛的路面凹凸不平，這樣產(chǎn)生的振動會影響乘客的舒適性，也可能會導致乘坐的心情，另外振動也容易引起疲勞，嚴重的情況下，如果傳遞來的振動與乘坐人身體器官的固有頻率相近的時候，就會使乘坐人的器官產(chǎn)生共振，而且會產(chǎn)生位移，長期處于這種情況下也可能導致乘坐人的心臟問題，因此如何提高車輛的乘坐的舒適性，這樣需要對車輛的設計和制造提高了更高的要求，不過乘坐舒適性的提供也有利于車輛行駛的安全性。2相關理論基礎2.1汽車振動乘坐舒適性定義汽車振動乘坐舒適性主要是機動車所承載的乘客對行駛機動車受到的振動適應程度。那么這對汽車在不平路面通行過程中有很好的隔振特性，同時該汽車駕駛人生理心里都應該對該車振動特性的總體反應有主觀的評價。在這一章節(jié)所闡述的汽車振動乘坐舒適性就是指駕乘人員對汽車振動的評價問題。振動舒適性的概念就是乘坐人因為汽車形式產(chǎn)生的振動而引起的舒適情況。在汽車振動的過程中，會產(chǎn)生一些機械方面、心理方面的問題。乘車人的振動主要是通過腰部和臀部的座椅坐墊傳遞到乘車人體內的，其強度用臀部與座墊接觸界面中心垂直方向的振動加速度、振動頻率、受振動的持續(xù)時間來描述。通過很多文獻的調研發(fā)現(xiàn)，乘車人因為收到長時間的振動，對身體的腰部、臀部和頸椎的不良影響是長時間積累下來的，可能通過幾年時間才會有明顯的痛感和壓力。專家通過模型的分析，對乘車人承受振動的情況進行了分析，但是因為環(huán)境不同，個人情況也不同，到現(xiàn)在還沒有辦法總結出一個標準的定量來衡量因為汽車振動對乘車人身體健康帶來的弊病。2.2汽車機械振動定義乘車人在汽車行駛的過程中會受到兩種機型振動，包括全身振動和局部振動兩種，全身振動就是從人體腳步的支撐位置傳遞到全身的振動行駛，而局部振動是只身體部分位置受到振動，例如手臂、腳步位置等，因此局部的振動不會給乘車人帶來危害，但是對于整個心態(tài)都有影響。2.3人體承受振動的分類機動車乘客的機械振動綜合相關資料可以得知大致分為局部振動和全身振動。顧名思義局部振動就是機動車乘坐人的身體某一些部位通過方向盤的振動，踏板等轉移到乘客的手腳上面，大多數(shù)情況下局部振動是不會對乘客有什么傷害的，只會對機動車的操作準確性產(chǎn)生影響。機動車行駛過程中乘客所精力的振動就是全身振動，這種振動可能會對乘客造成嚴重傷害的主要振動行駛。乘車人在汽車行駛的過程中會受到兩種機型振動，包括全身振動和局部振動兩種，全身振動就是從人體腳步的支撐位置傳遞到全身的振動行駛，而局部振動是只身體部分位置受到振動，例如手臂、腳步位置等，因此局部的振動不會給乘車人帶來危害，但是對于整個心態(tài)都有影響。乘車人的振動主要是通過腰部和臀部的座椅坐墊傳遞到乘車人體內的，其強度用臀部與座墊接觸界面中心垂直方向的振動加速度、振動頻率、受振動的持續(xù)時間來描述。通過很多文獻的調研發(fā)現(xiàn)，乘車人因為收到長時間的振動，對身體的腰部、臀部和頸椎的不良影響是長時間積累下來的，可能通過幾年時間才會有明顯的痛感和壓力。車輛行走的過程中帶來了振動激勵，然后其通過車輛座椅傳遞到乘坐人的腰部和臀部，這樣會給乘坐人帶來振動激勵，如果傳遞來的振動與乘坐人身體器官的固有頻率相近的時候，就會使乘坐人的器官產(chǎn)生共振，而且會產(chǎn)生位移，進而導致乘坐人的舒適感受比較差，進而可能會導致乘坐人的身體產(chǎn)生建塊問題。在輸入和輸出之間加上一個反饋控制的環(huán)節(jié)，這樣就可以很大程度改善汽車乘坐的舒適性。2.4汽車振動舒適度靜態(tài)舒適性汽車靜態(tài)舒適性是汽車座椅與舒適度之間的關系。為了保證汽車的靜態(tài)舒適性，因此主要研究的就是汽車駕駛室的布局和視野問題，要充分的考慮到振動舒適的情況，駕駛室布局的情況，包括尺寸和視野，控制按鈕的設計情況，這樣再通過人體的細致研究，就可以得到靜態(tài)舒適性的一些數(shù)據(jù)。人體工程學對振動舒適性有特殊要求：1.振動舒適度應參照人體測量數(shù)據(jù)確定；2.振動舒適度可相應調節(jié)以適應坐姿的變化；3.振動舒適的位置應與其工作空間相協(xié)調，以方便人員工作。4.最終姿勢和振動舒適度外觀2.5本章小結本章節(jié)主要是闡述了諸多影響汽車舒適性的振動因素，其中包括汽車懸掛的設計、汽車行駛中輪胎的運行狀態(tài)還有汽車座椅的結構都影響乘坐人的舒適性，這樣可以有利于我們通過這些主要因素來采取相關的措施減少振動。3汽車振動影響分析3.1汽車懸掛系統(tǒng)影響舒適性振動通過查閱相關資料可以得知汽車懸掛系統(tǒng)在汽車整個系統(tǒng)中是一個非常重要的環(huán)節(jié)，懸掛系統(tǒng)可以對整車的車身起到支撐作用，而且在機動車行進過程中該系統(tǒng)可以減少路面輪胎傳到車身的振動，可以最大程度提高機動車的乘坐舒適性能，同時機動車中的轉向操作懸掛系統(tǒng)可以保持機動車行駛的穩(wěn)定性能以及安全性能。(1)汽車懸掛系統(tǒng)分類據(jù)相關資料得知汽車的懸掛系統(tǒng)可以根據(jù)汽車左右兩邊輪子的機械關系對其進行分類：獨立懸掛和非獨立懸掛。資料顯示非獨立懸掛系統(tǒng)中有剛性橫向結構元器件把兩個或者多個車輪鏈接在一起，此種連接有一個不可忽視的缺點就是該車中如果有一個車輪產(chǎn)生垂直位置移動的時候那么此時和其連接在一起的其他車輪也會隨之發(fā)生位置移動。獨立懸掛系統(tǒng)就不會有這個弊端，通過查閱資料，汽車中獨立懸掛系統(tǒng)的優(yōu)點歸納如下：A獨立懸掛系統(tǒng)可以減小非懸置的質量，那么此時就有利于改進在高速行進中汽車的操控性能和牽引性能；B獨立懸掛系統(tǒng)使用的是剛度不高的彈簧，那么此時有利于改善行進中汽車的乘坐舒適性；C獨立懸掛系統(tǒng)可以減小汽車行進過程中的振動；D獨立懸掛系統(tǒng)可以保持比較低的質心，而且可以保證比較大的車輛通過性距離底面的高度；E獨立懸掛系統(tǒng)可以獲得非常合理的輪距(2)汽車懸掛系統(tǒng)的特點以及性能汽車懸掛系統(tǒng)可以根據(jù)有沒有可變參數(shù)的功能進行劃分，大致分為被動懸掛，主動懸掛以及半主動懸掛這三類。A被動懸掛系統(tǒng)在平時汽車生產(chǎn)中經(jīng)常使用的彈性元件有螺旋壓縮彈簧、氣體彈簧、液力彈簧、合成橡膠彈簧等，因為使用不同阻尼介質形式，那么此時減震器大多數(shù)是有液力摩擦氣體減震器。機動車行駛過程中如果想提高汽車的乘坐舒適性，那么懸掛系統(tǒng)懸掛的剛度藥效，懸掛剛度越小那么懸掛變形就會越大，懸掛系統(tǒng)變形大又會影響懸掛的空間，那么在對汽車懸掛系統(tǒng)進行設計的時候，舒適性和懸掛變形是一對矛盾的關系，所以在對其進行機械設計的時候，加入懸掛極限大小確定的話，那么此時應該減小彈簧剛度以及阻尼器的系數(shù)，從而提高汽車乘坐的舒適性能。如果行駛的路面凹凸不平，這樣產(chǎn)生的振動會影響乘客的舒適性，也可能會導致乘坐的心情，另外振動也容易引起疲勞，嚴重的情況下，如果傳遞來的振動與乘坐人身體器官的固有頻率相近的時候，就會使乘坐人的器官產(chǎn)生共振，而且會產(chǎn)生位移，長期處于這種情況下也可能導致乘坐人的心臟問題。因此，為了改善該種情況的反正，就設計了阻尼裝置，通過降低懸掛的剛度和強度，可以有效的改善乘坐舒適性。在被動懸掛系統(tǒng)進行機械設計時需要針對一些矛盾因素權衡利弊找到最為理想的折中方案，但是此時必然導致一些性能指標達不到最理想的狀態(tài)。被動懸掛系統(tǒng)整體結構比較簡單，運行過程中可靠性高，成本投入比較小而且運行過程中不會消耗外部能源，而且隨著科學技術進步被動懸掛系統(tǒng)設計不斷優(yōu)化更新，不斷有新的設計出現(xiàn)，所以由此可見被動懸掛系統(tǒng)與半主動以及主動懸掛相比仍然有很強的競爭實力。B主動懸掛系統(tǒng)在上世紀九十年代有科學家發(fā)明了主動懸掛,并且將其應用在了現(xiàn)在的多種車型上面，主動懸掛系統(tǒng)的優(yōu)勢在于可以通過可控的，具有調節(jié)的技術參數(shù)系統(tǒng)來代替?zhèn)鲃拥膽覓煅b置，該種方式的設計包括控制系統(tǒng)，電控系統(tǒng)和傳感器信號系統(tǒng)等組成，可通過電控的方式改善乘坐人振動舒適性。主動懸掛根據(jù)其頻響特性可分為全主動懸掛和慢主動懸掛。采用主動力驅動的主動裝置來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一些彈簧部件，阻尼器裝置的一整套系統(tǒng)就是全主動懸掛。主動裝置的控制是通過電控裝置來控制，其信息的來源是安裝在車輛內部的各個傳感器，通過得到的信息反饋來達到控制懸掛的能力。但是主動懸掛的缺點是其能耗比較大，因為主動裝置的能量來源需要通過電力來提供，其系統(tǒng)的帶寬可抵達十幾赫茲，因此造成其能耗比較大。慢主動懸掛系統(tǒng)尤其比較優(yōu)勢的地方，就是其帶寬相對于全主動懸掛比較小，頻寬的選擇一般只考慮車身跳動、俯仰、側傾的共振頻率小于赫茲,而不考慮車輪的共振頻率。作為器形式既有傳統(tǒng)的液壓缸,也有空氣彈簧、液氣彈簧,甚至是純機械機構。在機械設計時考慮如果可以根據(jù)傳感器所收集到的信息來對路面情況進行判斷之后在對其可進行控制，這就是所謂的前瞻主動懸掛。按照該系統(tǒng)的特點來分有兩類基本的前瞻主動懸掛：一類是利用機動車中傳感器獲得車輪前面路面的情況，而后把收集到的路面信息綜合分析之后傳遞給控制執(zhí)行器，從而克服路面帶來的不利干擾。另一類是利用汽車中前輪軸上面得到的相關路面信息，來對路面情況進行匯總，而后指導汽車中的后輪懸掛控制。C半主動懸掛系統(tǒng)在機動車中半主動懸掛系統(tǒng)在接近被動懸掛的成本和復雜程度來提供接近主動懸掛的性能。主要是依靠有彈性的元器件和阻尼器并列支撐懸掛的質量。阻尼器在該裝置中主要起到的是可控的力發(fā)生器，但是該裝置中因為受到不消耗的外部能量的束縛，該系統(tǒng)中的半主動懸掛只能消耗裝置內部的能量。3.2汽車輪胎影響汽車振動舒適性在汽車行駛過程當中汽車所使用的輪胎對于汽車乘坐舒適性振動有一定的影響，這取決于所選用的汽車輪胎的徑向剛度大小，以及輪胎的展平能力和輪胎內摩擦所引起的阻尼力的大小。汽車中的輪胎作為一個彈性元器件，選擇比較理想的輪胎，那么此時該系統(tǒng)中懸掛剛度會比彈簧剛度減小百分之十，在該裝置中假設彈簧剛度不變，那么此時減少輪胎的徑向剛度，此時裝置的懸掛剛度也會隨之下降，所以機動車行駛過程中大大提高了乘坐的舒適性。如果機動車在不平整的路面上行駛的時候，因為輪胎的變形，此時胎心位置移動曲線比道路端面輪廓圓滑平整，此時波長比道路不平整時候波長要長，曲線的浮動數(shù)值要比道路不平整時候的浮動數(shù)值小，這就是輪胎的展平作用。汽車行駛過程中當輪胎的徑向剛度小的時候，那么此時展平作用就會更加明顯。輪胎的展平作用越大，那么此時汽車車身的振動就會隨之減小，并使車輪的高頻共振在更高的車速下才會出現(xiàn)。在該系統(tǒng)中減小輪胎的徑向高度，輪胎的徑向變形比較大，輪胎接觸地面的面積就會增大，此時就可以很大程度提高輪胎對地面的附著力，懸掛系統(tǒng)可以很大程度減弱汽車的振動。由此可見，在汽車裝置中可以隨意通過減低汽車輪胎的氣壓來降低輪胎的剛度，因為汽車胎壓降低就會出現(xiàn)操縱不穩(wěn)定阻尼系數(shù)變大的情況，從而大大減短了輪胎的使用壽命。3.3汽車座椅影響汽車振動舒適性汽車中的座椅對于汽車乘坐人員在乘坐過程中的疲勞程度有很大的影響，通過查閱相關試驗資料得知，汽車座椅安裝在汽車的車身中間位置，因為越接近質心，汽車乘坐人員在汽車形式過程中感受到的振動越小，那么在對其進行機械設計的時候為了減小前后方向的振動幅度，此時可以考慮如何才能減少汽車座椅和質心在高度上的差別。汽車座椅所選用的坐墊的彈簧剛度在選取時應該權衡多方面選擇合適的剛度，汽車乘坐人員和座椅系統(tǒng)的固有頻率不在最敏感的范圍之內，同時不要和車身固有的頻率相重合，以此來減小汽車的共振，大多數(shù)時候控制在3赫茲。人-座椅系統(tǒng)相對阻尼系數(shù)達到0.2，此時才會有比較好的減振效果，高阻尼從原材料制造的泡沫座椅，此時相對阻尼系數(shù)可以達到0.3和0.4之間。汽車座椅阻尼可以減小汽車乘坐人員振動固有的頻率，假如把人體本身的減振考慮進去，那么此時固有的頻率會隨之降低。在汽車行駛過程中避免和車身的頻率重合，人-座椅系統(tǒng)當沒有阻尼的固定頻率的時候此時可以高一些。汽車乘坐的舒適性在很大程度上和設計的座椅的尺寸結構以及安裝方法有很大的關系，同時該車所選用的旋轉零部件的動平衡，車身和該車駕駛室的密封性、保暖通風等都有關系。該車減小非懸掛的質量和減少輪胎的徑向剛度有一樣的減振效果，都可以提高汽車形式過程中的乘坐舒適性。3.4汽車發(fā)動機影響汽車振動舒適性車輛無論是在形式的過程中，還是在靜態(tài)的情況下，只要是發(fā)動機工作情況下就會受到來自發(fā)動機的振動，正常情況下打開發(fā)動機的前機蓋，就可以觀察到整個發(fā)動機都是存在輕微的振動，這是因為燃油的發(fā)動機是通過壓縮汽油和外部的空氣，在壓縮的情況下被點燃，發(fā)動機的汽缸在燃燒的情況下回產(chǎn)生很大的作用力而上下運動，當發(fā)動機內的活塞運動起來，這種機械的運動會導致發(fā)動機產(chǎn)生上下的振動，因此發(fā)動機只要是工作就必然會發(fā)生振動，而且其振動的頻率和轉速等有直接的關系。通常情況下，發(fā)動機的振動是采用多個諧波振動來描述，當發(fā)動機的轉速與發(fā)動機的振動頻率一致的話情況下，定義為一階振動，以此類推還有二階三階的振動情況。發(fā)動機的振動會傳遞給汽車的車架，包括通過車身縱梁和車輛的頂棚，同時振動也可以穿戴到車身的底盤，因此在整個傳遞振動的過程中，會產(chǎn)生高階或者高頻的振動和共振，一旦產(chǎn)生共振的情況，就會產(chǎn)生很大的噪音污染，也可以導致車體振動的擴大化，這對汽車的舒適性有很大的影響。3.5本章小結本章節(jié)主要是闡述了諸多影響汽車舒適性的振動因素，其中包括汽車懸掛系統(tǒng)、汽車行駛中輪胎的運行狀態(tài)、汽車座椅的結構還有汽車發(fā)動機產(chǎn)生的振動都影響乘坐人的舒適性，這樣可以有利于我們通過這些主要因素來采取相關的措施減少振動：(1)降低路噪和胎噪減振是最好的方法，用減振板、吸音墊及車門密封條對葉子板、車地板及車門進行全面隔音施工可以有效改