《汽车振动基础》PPT课件.ppt

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1、汽车振动基础,授课对象：本科生 学科专业：车辆工程,序言,为什么要开设汽车振动这门课程？,我国摆脱汽车制造大国而非制造强国的困境,顺应汽车向高速化和轻量化发展趋势,振动噪声分析是进行大量汽车动态性能分析的理论基础、汽车平顺性、乘坐舒适性、发动机的减振隔振及振动噪声控制、车身结构的模态分析等,汽车振动是汽车行业必不可少的理论基础之一,主要参考资料,1靳晓雄，张立军，江浩. 汽车振动分析M. 同济大 学出版社. 2002.05 2吴业森，罗明廉. 随机振动. 机械工业出版 社. 1988 3盛骤，谢式千，潘永毅. 概率论与数理统计. 高等教育出版社. 1996.3,主要讲述内容,概述 单自由度系统

2、的振动 两自由度系统的振动 多自由度系统的振动 随机振动 汽车振动应用与实践,概论内容简介,3、简谐振动、谐波分析及频谱分析,1、振动及其研究的问题 在外力的作用下，弹性的机械或结构不仅产生刚体运动，还会产生由于自身弹性而引起在平衡位置附近的微小往复运动，这种往复运动通常称为振动。 振动所研究的问题通常分为振动分析、环境预测和系统辨识三类。,4、汽车上的振动问题 发动机和传动系统、悬架系统、制动系统、转向系统、车身和车架,2、振动的分类及研究振动的一般方法 自由振动、受迫振动、简谐振动、周期振动、非周期振动、随机振动 理论分析法、实验研究法、理论与实验相结合的方法,刚体运动 应变为零的运动 振

3、动 在所研究的机械或结构均为弹性体时，在外力作用下不仅产生刚体运动，还会产生由于自身弹性在平衡位置附近的微小往复运动。,基本概念,振动频率 振动变化快慢：工程上常用赫兹（Hz）表示 振动是自然界最普遍的现象之一，例如 心脏的搏动、耳膜和声带的振动 桥梁和建筑物在风和地震作用下的振动 飞机和轮船航行中的振动 汽车在崎岖不平道路上行使引起的振动 机床和刀具在加工时的振动,振动的危害与利用？,地震 地球表层的快速振动位移变化影响 车船振动（加速度影响） 车辆平顺性-座垫处振动加速度评价（加权加速度） 0.315m/(s*s),没有不舒适 0.3150.63，有一些不舒适 0.51.0, 比较不舒适

4、0.81.6，不舒适 1.252.5，很不舒适 2.0, 极不舒适 =9.8呢，会是什么现象？ 机床振动降低机床的精度，产生误动作，影响其性能 机械噪声纺织厂工人耳聋耳背、钻孔机、打桩机、导振器等 遇到气流时飞行中的飞机气流引起的共振导致飞机折翼 遇到海浪时航行中的轮船海浪引起的共振引起轮船断裂 导弹遇到空气流引起的振动会影响导弹的命中率,振动的危害,对人体的影响（频率） 全身振动的生理反应 对机械结构 风吹桥垮 加工精度 驾驶稳定 瞄准精度 影响结构疲劳寿命,(1) Tacoma 峡谷大桥 (1940.7.11940.11.07),(Barney Elliot,Harbine Monroe)

5、,舞动的格蒂,“猎风行动”风洞试验,强壮的格蒂 1950 今天的塔科马海峡大桥2007,卡门涡街（Krmn vortex street） 卡门涡街是指流体绕过非流线形物体时，物体尾流左右两侧产生的成对的、 交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋,共振,英国渡桥电厂冷却塔 (1965),塔高122m, 钢筋混凝土结构,1965年11月1日，英国渡桥电厂的8座冷却塔在8级风中倒掉了3座1973年9月27日，英国Ardeer又在大风中倒掉了1座冷却塔。共振,日本核试验引起的地震,消耗能量 对人体不良影响,生活、工作和 车辆噪声国内外均有法规 加以约束和控制,振动噪声的危害,利用振动为人类服务,声音 想

6、一下世界上没有声音会怎么样？ 大家想一下耳膜和声带不振动将带来的后果是什么？ 利用振动的工作装置 钟表 振动压路机 混凝土导振器 手机振动装置 振动筛 上课老师听不到而学生听得到的手机响铃？,虽然各个不同领域中的现象虽然各具特色，但往往有着相似的数学力学描述。正是在这个共性基础上，有可能建立某种统一的理论来处理各种振动问题。 借助数学、物理、实验和计算技术，探讨各种振动现象，阐明振动的基本规律，以便克服振动的消极因素，利用其积极因素，为合理解决各种振动问题提供理论依据。,学习振动理论的目的之一： 掌握振动的基本理论和分析方法，用以确定和限制振动对工程结构和机械产品的性能、寿命和安全的有害影响。

7、,振动系统：以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统。可以是一个零部件、一台机器或者一个完整的工程结构等,振动系统的输入和输出，往往又分别称为“激励”和“响应”。输入或激励是表示初始干扰和激振力等外界因素对系统的作用。输出或响应是指系统在输入或外激励作用下所产生的动态响应。,振动系统的“激励”一般是外界对系统的作用，它可能是力，也可能是位移。而“响应”则一般是系统的变形、位移、速度或加速度。,振动研究的问题（1）,对于一般的振动系统问题，可以用下图所示的框图来说明，振动系统是指所研究的振动对象。,几大方面 振动隔离 在振动源不可能完全消除的情况下，研究如何减小

8、振动对结构的影响。 发动机悬置隔振 汽车悬架隔振作用 在线控制 利用振动信号监测设备工作状态，诊断故障。 对发动机故障进行的振动监测和诊断 振动设备和工具开发 利用振动原理，研究和开发新型的振动源和振动工具。 地下钻孔机利用振动来松动土层，减小阻力，提高钻孔效率 振动响应分析 对系统进行振动响应分析，研究其的动态性能。 汽车平顺性分析 石油勘探 隧道地质环境勘测 模态分析 主要是对振动系统模态分析的理论和实验的研究。,振动研究的问题（2）,减小汽车在不平路面上行使时传给车身的振动,模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个

9、模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。,根据给定的条件及求解的问题不同，振动所研究的问题主要有如下三类：,振动分析：,如已知路面条件和车辆结构，乘坐舒适性和操纵稳定性分析。,振动隔离,动态特性分析,如为减小汽车在不平路面上行驶时传给车身振动的汽车悬架设计。,已知激励和系统特性，求系统响应。,振动的正问题。,振动研究的问题（3）,研究机械振动的基本方法,理论分析方法,试验研究,理论分析与试验相结合,理论分析方法,建立振动系统的力学模型,建立运动方程,求解方程，得到响应规律,力学知识,单自由度系统 高等数学 （微分方

10、程）,多自由度系统 线性代数 （矩阵运算）,建立系统的力学模型,系统之所以振动是因为： （1）系统受到了外部激励这是外因； （2）系统具有质量和弹性这是内因。 从能量转化的角度看，外界对系统的激励就是对系统做功，这个功被储存到系统中，一部分转化为质量块的动能，一部分转化为弹性体的变形势能。 反复振动的过程就是激励功、动能和势能之间不断转化的过程。 如果系统没有继续从外界获得能量，在经历一段时间后振动就会停止，这是因为系统存在阻尼。,如何确定？,弹簧元件及表示符号,实际机器或结构元件的质量是分布的，弹性也是如此。这种分布参数系统往往不能按照解析法求解，所以，将实际上是分布参数的系统简化成离散系统

11、，也就是简化成具有若干集中质量并由相应的弹簧和阻尼器联接在一起的系统。下面将弹簧、阻尼器和质量的特性予以说明。 刚度（弹簧） （1）弹簧是表示力与位移关系的元件。 （2）在力学模型中被抽象为无质量并具有线弹性的元件,直线位移的弹簧,大家思考一下扭转振动系统中，质量作扭转运动时，力和相对位移关系是什么？,k弹簧刚度 x1、x2弹簧两端点的位移,阻尼器 （1）阻尼器是表示力与速度关系的元件。 （2）在力学模型中被抽象为无质量并具有线性组你系数的元件,粘性阻尼 C 为粘性阻尼系数,大家思考一下哪些变送器带有阻尼系数？阻尼系数具体是什么概念？能起到什么具体作用？阻尼原理是什么？,粘性阻尼及表示符号,质

12、量 （1）质量是表示力和加速度关系的元件。 （2）在力学模型中，他被抽象为绝对不变形的刚体。,质量元件 及表示符号,m为比例常数，它是刚体所具有的惯性的一种度量。,大家思考一下扭转振动系统中，质量作扭转运动时，力、加速度的表示及关系是什么？,下面举例给大家讲述一下利用以上四要素表示的单自由度系统,单自由度振动系统 平移运动 扭转振动,平移运动：平动自由度 质量kg 刚度（拉压簧）N/ m 阻尼N/(m/s) 激励: 力N,扭转振动：扭转自由度 转动惯量kg -m*m 扭转刚度（扭簧）(N-m)/rad 扭转阻尼(N-m)/(rad/s) 激励：扭矩N-m,模型简化,四大要素确定后，一个振动系统

13、就可以完全确定哪个下来,怎么能将建立的模型用来分析呢？,当一个实际振动系统比较复杂时，建立的模型越复杂，越接近实际情况，也越能进行逼真的模拟。,建立的模型越复杂，分析越困难，建立的模型越简单，分析越容易，但是得到的结果可能不精确。,解决办法：在建立振动系统力学模型的过程中，总是在求的简化表达和逼真模拟二者之间的折衷。但是，一个完整系统的力学模型不仅与实际机械的结构有关，还与研究内容和侧重点有关。 以汽车这样一个复杂的振动系统为例，要根据分析的问题进行简化。把汽车车身看作刚体的立体模型。由车身、车架及其上的零部件组成，通过减振器和悬架弹簧与车轴、车轮相连接。,四个自由度（对称于纵轴线）： 车身质

14、量的垂直、俯仰 两个车轮质量的垂直,七个自由度： 车身质量的垂直、俯仰、侧倾 四个车轮质量的垂直,二个自由度（前后轴悬架质量分配定值）： 车身质量（簧载）的垂直坐标 车轮质量（簧下）的垂直坐标,单自由度（远离车轮、低频）： 车身质量（簧载）的垂直坐标,建立系统的运动方程数学模型,虚功原理（静动法，J.Bernoulli）,理想约束,达朗贝尔（DAlembert）原理（动静法）,拉格朗日（Lagrange）方程,牛顿第二定律,保守力,动力学普遍方程,动力学普遍方程在广义坐标系下的具体表示,通过求解运动微分方程，得到系统的响应，掌握振动规律。也就是得到振动系统的物理量（如位移、速度、加速度等）随时

15、间的变化规律，还可以通过运动方程得到系统的特征方程或频率方程，从而求出系统的固有频率、振动模态等。 求解运动微分方程的方法： 解析法 数值法 一般多采用数值法，也就是近年来发展起来的数值模拟等。主要有有限元法、有限体积法、有限差分法等等，相对应的软件数不胜数。,求解方程,放大器,测振仪,频谱分析,信号发生器,振动系统,传感器,激振器,实验研究方法,振动分析结果的验证直接测量振动系统的振动响应，并进行分析以了解其振动特性。,系统辨识 用已知的振源法激振研究对象，并测取振动响应，也就是利用系统的输入和输出信号建立系统数学模型的理论和方法,3）理论与实验相结合的方法,通过理论分析与实验相结合的方法可

16、以更好地研究振动。 通过模态分析实验方法识别出系统，建立系统特性模型，或通过振动响应实验来验证理论分析的结果，也可以用理论分析的方法预测系统的响应。,振动基本物理量 机械系统围绕平衡位置做往复运动 基本物理量：位移、速度、加速度、应力、应变等 振动分类 根据系统的输入、输出和系统特性不同，机械振动分类： 自由振动：没有外界激励作用（受初始干扰后） 强迫振动：在外在激励下产生振动 自激振动：系统在输入和输出之间具有反馈特性，能源补充 参数振动：周期或随机地改变系统特性参数而产生的振动,振动运动学概念,根据描述系统的微分方程分类 线性振动：常系数线性微分方程描述 非线性振动：非线性微分方程描述 根

17、据系统的自由度分类 单自由度系统的振动 用一个独立坐标就能确定位置的系统振动 多自由度系统的振动 用多个独立坐标才能确定位置的系统的振动，包括二自由度系统的振动 无限多自由度振动 要用无限多个独立坐标才能确定位置的系统的振动，也称弹性体振动 根据系统的振动规律分类 周期振动：振动量是时间的周期函数，如简谐振动。 非周期振动：振动量不是时间的周期函数。 瞬态振动：非周期持续性振动 稳态振动：一段时间后逐渐消失 随机振动 振动量不是时间的函数，只能通过概率统计的方法来研究。振动过程中振幅、相位。频率都是随机变化的。,简谐振动 定义 物理量按时间的正弦或余弦函数变化 简谐振动的函数表示方法,加速度方

18、向始终 指向 静平衡位置,A 幅值 T 周期 频率（圆频率） 相位,简谐振动曲线,简谐振动的旋转矢量表示法,旋转矢量投影,简谐振动的复数表示法 一般用虚部表示简谐振动规律,谐波分析把一个周期函数展开成傅立叶级数，将非简谐的周期函数展开成一系列简谐函数之和，并应用于振动理论。 狄利克雷（狄氏）条件傅立叶级数展开 连续函数只有有限个第一类间断点 函数只有有限个极值点 周期函数傅氏级数展开形式 设周期函数x(t)周期为T，在-T/2,T/2区间上满足狄氏条件,为基频 为直流分量,傅氏级 数系数,傅立叶级数系数的图示 调整t轴位置，使 为零，则系数可图示如下 第n阶系数横坐标位置为,举例 将周期为T的

19、矩形波展开为傅氏级数,求解 满足狄氏条件，注意x(t)是奇函数，有 傅氏级数系数 x(t)的傅氏展开,结果图示 傅氏级数逼近情况图 系数示意图,傅立叶级数的复数形式 利用欧拉公式表示 欧拉公式 展开式 表达式简化 可以证明 简化后表示为,傅氏级数的复数形式 两种形式之间的关系 n阶谐波在实数和复数形式中的表达 n阶谐波的振幅关系 相位角之间关系,与 是共轭 复数,实质上一样，但工程上 复数形式较为方便,汽车振动学就是把汽车作为研究对象，其本身就是一个具有质量、弹簧和阻尼的振动系统。由于汽车内各部分固有频率不同，常因以下一些原因发生整车或局部强烈振动：,汽车上的主要振动问题： 发动机和传动系统、

20、悬架系统、制动系统、转向系统、车身和车架,汽车振动的问题,发动机和传动系统 发动机悬置隔振 传动系扭振 制动系统 振动问题、噪声问题 转向系统 前轮摆振，导致蛇行、或车桥车架强烈振动 悬架系统 平顺性、舒适性问题 车身和车架 平顺性、可靠性和部件的工作性能,四冲程内燃机的示功图,导致曲轴干扰力的最主要原因是： 气缸内周期变化的气体压力和活塞连杆 曲柄机构运动时产生的惯性力。,（1）发动机和传动系统,主要有： 曲轴受周期干扰力作用而产生的扭振 发动机在车架上的整机振动 气门机构的振动,（2）悬架系统,平顺性就是保持汽车在行驶过程中 乘员所处的振动环境具有一定的舒适度的性能，对于载货汽车还应包括保

21、持货物完好的性能。,悬架系统振动主要研究汽车平顺性,由弹簧和减震器组成的悬架系统功能是： 缓和由不平路面传给车身的冲击载荷， 衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动。,（3）制动系统,汽车制动时，行驶方向的惯性力和作用在轮胎上的地面制动力所形成的力矩会使前轴负荷增大，后轴负荷减小，从而加强了制动时整车的振动。,制动性是指汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力。,汽车防抱死制动系统ABS（Anti-lock Braking System）的原理：车轮转速传感器将车轮转速信号传送到控制元件，假如车轮被抱死，轮胎与地面发生滑行(偏滑)，信号会改变。使控制元件电路操

22、作，产生信号到液压调整器，打开刹车阀门。减低作用于分泵上的压力，刹车力降低-车轮就可避免被抱死。刹车时，进油阀开，回油阀关，刹车油从总泵流到分泵，产生刹车制动。车轮被抱死时，传感器传送信号给控制元件，使进油阀关，回油阀开，部分刹车油流回储油室，降低刹车分泵的液压，避免车轮被抱死。,防抱死制动系统主要目的是当车辆刹车时，防止车轮被抱死，造成轮胎与路面形成点接触的动摩擦，摩擦力小，刹车效果最差，车辆滑行距离长，且易造成车辆转向困难等。ABS系统有如下优点：缩短刹车距离；刹车时不影响转向性能；避免驾驶员紧急刹车时的恐慌；增进驾驶员刹车操作的稳定性；避免轮胎在刹车时的偏磨耗。,EBS系统主要由气压制动

23、系统和电子控制系统组成。气压制动系统包括制动踏板、储气筒、气压控制阀、气压制动管路和制动气室等。电子控制系统主要包括ECU控制器、各种传感器(如3D力传感器、制动器摩擦片磨损传感器、隅合力传感器等)及电子控制线路等。,EBS(E1ectric Braking System) 电子制动系统的特点：由于使用了电子系统，减少了制动系统机械传动的滞后时间，缩短了制动距离，从而增加了交通安全性。它在低制动强度时，使制动摩擦片磨损最小；在中等制动强度时，利用ABS功能达到最佳的道路附着系数利用率；而在高制动强度时，则可以施加最大的制动压力，从而获得最佳的控制制动力。,（4）转向系统,转向轮会绕主销的振动成

24、为摆振， 摆振将导致汽车出现蛇行现象。,蛇行现象增加了轮胎的滚动阻力，加剧了轮胎的磨损，增大了转向阻力，降低了零件寿命，使平顺性和操稳性变坏，影响汽车使用性能。,操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的情况下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。,（5）车身和车架,车身及车架系统一般是连续体，具有无限多个自由度，常采用有限元分析法。,有限元法是把连续体视为由若干个在节点处彼此相连接的基本单元组合，把无限多个自由度的连续结构振动问题变为有限个自由度的振动问题。,复杂结构振动分析的有效方法组合结构系统分析技术,有限元法由单元划分、单元特性分析和结构综合三个步骤组成。,