《汽車振動基礎》ppt課件

1、汽車振動基礎,授課對象：本科生 學科專業(yè)：車輛工程,序言,為什么要開設汽車振動這門課程？？,,,我國擺脫汽車制造大國而非制造強國的困境,順應汽車向高速化和輕量化發(fā)展趨勢,,振動噪聲分析是進行大量汽車動態(tài)性能分析的理論基礎、汽車平順性、乘坐舒適性、發(fā)動機的減振隔振及振動噪聲控制、車身結構的模態(tài)分析等,,汽車振動是汽車行業(yè)必不可少的理論基礎之一,主要參考資料,［1］靳曉雄，張立軍，江浩. 汽車振動分析[M]. 同濟

2、大 學出版社. 2002.05［2］吳業(yè)森，羅明廉. 隨機振動. 機械工業(yè)出版 社. 1988 ［3］盛驟，謝式千，潘永毅. 概率論與數(shù)理統(tǒng)計. 高等教育出版社. 1996.3,主要講述內容,概述單自由度系統(tǒng)的振動兩自由度系統(tǒng)的振動多自由度系統(tǒng)的振動隨機振動汽車振動應用與實踐,概論－－內容簡介,3、簡諧振動、諧波分析及頻譜分析,1、振動及其研究的問題 在外力的作

3、用下，彈性的機械或結構不僅產生剛體運動，還會產生由于自身彈性而引起在平衡位置附近的微小往復運動，這種往復運動通常稱為振動。 振動所研究的問題通常分為振動分析、環(huán)境預測和系統(tǒng)辨識三類。,4、汽車上的振動問題 發(fā)動機和傳動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、車身和車架,2、振動的分類及研究振動的一般方法 自由振動、受迫振動、簡諧振動、周期振動、非周期振動、隨機振動 理論分析法、實驗研究法、理論與實驗相

4、結合的方法,剛體運動應變?yōu)榱愕倪\動 振動在所研究的機械或結構均為彈性體時，在外力作用下不僅產生剛體運動，還會產生由于自身彈性在平衡位置附近的微小往復運動。,基本概念,振動頻率振動變化快慢：工程上常用赫茲（Hz）表示 振動是自然界最普遍的現(xiàn)象之一，例如 心臟的搏動、耳膜和聲帶的振動橋梁和建筑物在風和地震作用下的振動飛機和輪船航行中的振動汽車在崎嶇不平道路上行使引起的振動機床和刀具在加工時的振動,,振動的危害與利用？,地

5、震地球表層的快速振動－－位移變化影響車船振動（加速度影響）車輛平順性-座墊處振動加速度評價（加權加速度） 0.315m/(s*s),沒有不舒適 0.315—0.63，有一些不舒適0.5—1.0, 比較不舒適0.8—1.6，不舒適1.25—2.5，很不舒適>2.0, 極不舒適=>9.8呢，會是什么現(xiàn)象？機床振動－－降低機床的精度，產生誤動作，影響其性能機械噪聲－－紡織廠工人耳聾耳背、鉆孔機、打樁機、

6、導振器等遇到氣流時飛行中的飛機－－氣流引起的共振導致飛機折翼遇到海浪時航行中的輪船－－海浪引起的共振引起輪船斷裂導彈遇到空氣流引起的振動－－會影響導彈的命中率,振動的危害,對人體的影響（頻率）全身振動的生理反應對機械結構風吹橋垮加工精度駕駛穩(wěn)定瞄準精度影響結構疲勞壽命,(1) Tacoma 峽谷大橋 (1940.7.1－－1940.11.07),(Barney Elliot,Harbine Monroe),舞動的格蒂

7、,,“獵風行動”——風洞試驗,,強壯的格蒂－－ 1950今天的塔科馬海峽大橋－－2007,卡門渦街（Kármán vortex street）卡門渦街是指流體繞過非流線形物體時，物體尾流左右兩側產生的成對的、 交替排列的、旋轉方向相反的反對稱渦旋,,共振,英國渡橋電廠冷卻塔 (1965),塔高122m, 鋼筋混凝土結構,1965年11月1日，英國渡橋電廠的8座冷卻塔在8級風中倒掉了3座．1973年9月27日，英國

8、Ardeer又在大風中倒掉了1座冷卻塔。－－共振,日本核試驗引起的地震,消耗能量對人體不良影響,生活、工作和車輛噪聲國內外均有法規(guī)加以約束和控制,振動噪聲的危害,利用振動為人類服務,聲音想一下世界上沒有聲音會怎么樣？大家想一下耳膜和聲帶不振動將帶來的后果是什么？利用振動的工作裝置鐘表振動壓路機混凝土導振器手機振動裝置振動篩上課老師聽不到而學生聽得到的手機響鈴？,雖然各個不同領域中的現(xiàn)象雖然各具特色，但往往有著相似

9、的數(shù)學力學描述。正是在這個共性基礎上，有可能建立某種統(tǒng)一的理論來處理各種振動問題。 借助數(shù)學、物理、實驗和計算技術，探討各種振動現(xiàn)象，闡明振動的基本規(guī)律，以便克服振動的消極因素，利用其積極因素，為合理解決各種振動問題提供理論依據。,學習振動理論的目的之一：掌握振動的基本理論和分析方法，用以確定和限制振動對工程結構和機械產品的性能、壽命和安全的有害影響。,,振動系統(tǒng)：以實現(xiàn)一定的機械運動、輸出一定的機械能，以及承受一定的

10、機械載荷為目的的系統(tǒng)。可以是一個零部件、一臺機器或者一個完整的工程結構等,振動系統(tǒng)的輸入和輸出，往往又分別稱為“激勵”和“響應”。輸入或激勵是表示初始干擾和激振力等外界因素對系統(tǒng)的作用。輸出或響應是指系統(tǒng)在輸入或外激勵作用下所產生的動態(tài)響應。,振動系統(tǒng)的“激勵”一般是外界對系統(tǒng)的作用，它可能是力，也可能是位移。而“響應”則一般是系統(tǒng)的變形、位移、速度或加速度。,振動研究的問題（1）,對于一般的振動系統(tǒng)問題，可以用下圖所示的框圖來說明，振

11、動系統(tǒng)是指所研究的振動對象。,幾大方面振動隔離在振動源不可能完全消除的情況下，研究如何減小振動對結構的影響。發(fā)動機懸置隔振汽車懸架隔振作用在線控制利用振動信號監(jiān)測設備工作狀態(tài)，診斷故障。 － 對發(fā)動機故障進行的振動監(jiān)測和診斷振動設備和工具開發(fā)利用振動原理，研究和開發(fā)新型的振動源和振動工具。 － 地下鉆孔機利用振動來松動土層，減小阻力，提高鉆孔效率振動響應分析對系統(tǒng)進行振動響應分析，研究其的動態(tài)

12、性能。汽車平順性分析石油勘探隧道地質環(huán)境勘測模態(tài)分析主要是對振動系統(tǒng)模態(tài)分析的理論和實驗的研究。,振動研究的問題（2）,,減小汽車在不平路面上行使時傳給車身的振動,,模態(tài)分析是研究結構動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領域中的應用。模態(tài)是機械結構的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。,根據給定的條件及求解的問題不

13、同，振動所研究的問題主要有如下三類：,①振動分析：,如已知路面條件和車輛結構，乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性分析。,振動隔離——,動態(tài)特性分析——,如為減小汽車在不平路面上行駛時傳給車身振動的汽車懸架設計。,已知激勵和系統(tǒng)特性，求系統(tǒng)響應。,——振動的正問題。,振動研究的問題（3）,研究機械振動的基本方法,－－理論分析方法,－－試驗研究,－－理論分析與試驗相結合,理論分析方法,建立振動系統(tǒng)的力學模型,建立運動方程,求解方程，得到響應規(guī)律,,,,

14、力學知識,,單自由度系統(tǒng)高等數(shù)學（微分方程）,,多自由度系統(tǒng)線性代數(shù)（矩陣運算）,建立系統(tǒng)的力學模型,系統(tǒng)之所以振動是因為：（1）系統(tǒng)受到了外部激勵——這是外因； （2）系統(tǒng)具有質量和彈性——這是內因。從能量轉化的角度看，外界對系統(tǒng)的激勵就是對系統(tǒng)做功，這個功被儲存到系統(tǒng)中，一部分轉化為質量塊的動能，一部分轉化為彈性體的變形勢能。反復振動的過程就是激勵功、動能和勢能之間不斷轉化的過程。如果系統(tǒng)沒有繼續(xù)從外界獲得能量，在

15、經歷一段時間后振動就會停止，這是因為系統(tǒng)存在阻尼。,,如何確定？,彈簧元件及表示符號,實際機器或結構元件的質量是分布的，彈性也是如此。這種分布參數(shù)系統(tǒng)往往不能按照解析法求解，所以，將實際上是分布參數(shù)的系統(tǒng)簡化成離散系統(tǒng)，也就是簡化成具有若干集中質量并由相應的彈簧和阻尼器聯(lián)接在一起的系統(tǒng)。下面將彈簧、阻尼器和質量的特性予以說明。 －－剛度（彈簧）（1）彈簧是表示力與位移關系的元件。（2）在力學模型中被抽象為無質量并具有

16、線彈性的元件,,直線位移的彈簧,,大家思考一下扭轉振動系統(tǒng)中，質量作扭轉運動時，力和相對位移關系是什么？,k－－彈簧剛度x1、x2－－彈簧兩端點的位移,－－阻尼器（1）阻尼器是表示力與速度關系的元件。（2）在力學模型中被抽象為無質量并具有線性組你系數(shù)的元件,,粘性阻尼C 為粘性阻尼系數(shù),,大家思考一下哪些變送器帶有阻尼系數(shù)？阻尼系數(shù)具體是什么概念？能起到什么具體作用？阻尼原理是什么？,粘性阻尼及表示符號,－－質量（1）質

17、量是表示力和加速度關系的元件。（2）在力學模型中，他被抽象為絕對不變形的剛體。,質量元件及表示符號,m為比例常數(shù)，它是剛體所具有的慣性的一種度量。,,大家思考一下扭轉振動系統(tǒng)中，質量作扭轉運動時，力、加速度的表示及關系是什么？,,下面舉例給大家講述一下利用以上四要素表示的單自由度系統(tǒng),單自由度振動系統(tǒng)平移運動扭轉振動,平移運動：平動自由度質量—kg剛度（拉壓簧）—N/ m阻尼—N/(m/s)激勵: 力—N,扭轉振動：

18、扭轉自由度轉動慣量—kg -m*m扭轉剛度（扭簧）—(N-m)/rad扭轉阻尼—(N-m)/(rad/s)激勵：扭矩—N-m,模型簡化,四大要素確定后，一個振動系統(tǒng)就可以完全確定哪個下來,怎么能將建立的模型用來分析呢？,當一個實際振動系統(tǒng)比較復雜時，建立的模型越復雜，越接近實際情況，也越能進行逼真的模擬。,,,,建立的模型越復雜，分析越困難，建立的模型越簡單，分析越容易，但是得到的結果可能不精確。,解決辦法：在建立振動系統(tǒng)力

19、學模型的過程中，總是在求的簡化表達和逼真模擬二者之間的折衷。但是，一個完整系統(tǒng)的力學模型不僅與實際機械的結構有關，還與研究內容和側重點有關。以汽車這樣一個復雜的振動系統(tǒng)為例，要根據分析的問題進行簡化。把汽車車身看作剛體的立體模型。由車身、車架及其上的零部件組成，通過減振器和懸架彈簧與車軸、車輪相連接。,四個自由度（對稱于縱軸線）：車身質量的垂直、俯仰兩個車輪質量的垂直,七個自由度：車身質量的垂直、俯仰、側傾四個車輪質量的垂直,

20、二個自由度（前后軸懸架質量分配定值）：車身質量（簧載）的垂直坐標車輪質量（簧下）的垂直坐標,單自由度（遠離車輪、低頻）：車身質量（簧載）的垂直坐標,建立系統(tǒng)的運動方程——數(shù)學模型,虛功原理（靜動法，J.Bernoulli）,理想約束,達朗貝爾（D’Alembert）原理（動靜法）,拉格朗日（Lagrange）方程,牛頓第二定律,保守力,,動力學普遍方程,動力學普遍方程在廣義坐標系下的具體表示,,通過求解運動微分方程，得到系統(tǒng)的響應

21、，掌握振動規(guī)律。也就是得到振動系統(tǒng)的物理量（如位移、速度、加速度等）隨時間的變化規(guī)律，還可以通過運動方程得到系統(tǒng)的特征方程或頻率方程，從而求出系統(tǒng)的固有頻率、振動模態(tài)等。求解運動微分方程的方法： 解析法 數(shù)值法 一般多采用數(shù)值法，也就是近年來發(fā)展起來的數(shù)值

22、模擬等。主要有有限元法、有限體積法、有限差分法等等，相對應的軟件數(shù)不勝數(shù)。,求解方程,,,,,放大器,測振儀,頻譜分析,信號發(fā)生器,,,,,,,,,,,振動系統(tǒng),傳感器,激振器,實驗研究方法,①振動分析結果的驗證－－直接測量振動系統(tǒng)的振動響應，并進行分析以了解其振動特性。。,②系統(tǒng)辨識 用已知的振源法激振研究對象，并測取振動響應，也就是利用系統(tǒng)的輸入和輸出信號建立系統(tǒng)數(shù)學模型的理論和方法,3）理論與實驗相結合的方法,通過理

23、論分析與實驗相結合的方法可以更好地研究振動。 通過模態(tài)分析實驗方法識別出系統(tǒng)，建立系統(tǒng)特性模型，或通過振動響應實驗來驗證理論分析的結果，也可以用理論分析的方法預測系統(tǒng)的響應。,振動基本物理量機械系統(tǒng)圍繞平衡位置做往復運動基本物理量：位移、速度、加速度、應力、應變等振動分類根據系統(tǒng)的輸入、輸出和系統(tǒng)特性不同，機械振動分類：自由振動：沒有外界激勵作用（受初始干擾后）強迫振動：在外在激勵下產生振動自激振動：系統(tǒng)在

24、輸入和輸出之間具有反饋特性，能源補充參數(shù)振動：周期或隨機地改變系統(tǒng)特性參數(shù)而產生的振動,振動運動學概念,根據描述系統(tǒng)的微分方程分類線性振動：常系數(shù)線性微分方程描述非線性振動：非線性微分方程描述根據系統(tǒng)的自由度分類單自由度系統(tǒng)的振動用一個獨立坐標就能確定位置的系統(tǒng)振動多自由度系統(tǒng)的振動用多個獨立坐標才能確定位置的系統(tǒng)的振動，包括二自由度系統(tǒng)的振動無限多自由度振動要用無限多個獨立坐標才能確定位置的系統(tǒng)的振動，也稱彈性體振

25、動根據系統(tǒng)的振動規(guī)律分類周期振動：振動量是時間的周期函數(shù)，如簡諧振動。非周期振動：振動量不是時間的周期函數(shù)。瞬態(tài)振動：非周期持續(xù)性振動穩(wěn)態(tài)振動：一段時間后逐漸消失隨機振動振動量不是時間的函數(shù)，只能通過概率統(tǒng)計的方法來研究。振動過程中振幅、相位。頻率都是隨機變化的。,簡諧振動 定義物理量按時間的正弦或余弦函數(shù)變化簡諧振動的函數(shù)表示方法,加速度方向始終指向靜平衡位置,A — 幅值T — 周期— 頻率（圓頻率）

26、— 相位,簡諧振動曲線,,簡諧振動的旋轉矢量表示法,旋轉矢量投影,簡諧振動的復數(shù)表示法一般用虛部表示簡諧振動規(guī)律,,諧波分析－－把一個周期函數(shù)展開成傅立葉級數(shù)，將非簡諧的周期函數(shù)展開成一系列簡諧函數(shù)之和，并應用于振動理論。狄利克雷（狄氏）條件－－傅立葉級數(shù)展開連續(xù)函數(shù)只有有限個第一類間斷點函數(shù)只有有限個極值點周期函數(shù)傅氏級數(shù)展開形式設周期函數(shù)x(t)周期為T，在[-T/2,T/2]區(qū)間上滿足狄氏條件,為基頻

27、 為直流分量,傅氏級數(shù)系數(shù),傅立葉級數(shù)系數(shù)的圖示調整t軸位置，使 為零，則系數(shù)可圖示如下第n階系數(shù)橫坐標位置為,,舉例將周期為T的矩形波展開為傅氏級數(shù),,求解滿足狄氏條件，注意x(t)是奇函數(shù)，有傅氏級數(shù)系數(shù)x(t)的傅氏展開,結果圖示傅氏級數(shù)逼近情況圖系數(shù)示意圖,,,傅立葉級數(shù)的復數(shù)形式利用歐拉公式表示歐拉公式展開式表達式簡化可以證明簡化后

28、表示為,,傅氏級數(shù)的復數(shù)形式兩種形式之間的關系n階諧波在實數(shù)和復數(shù)形式中的表達n階諧波的振幅關系相位角之間關系,與 是共軛復數(shù),實質上一樣，但工程上復數(shù)形式較為方便,,汽車振動學就是把汽車作為研究對象，其本身就是一個具有質量、彈簧和阻尼的振動系統(tǒng)。由于汽車內各部分固有頻率不同，常因以下一些原因發(fā)生整車或局部強烈振動：,汽車上的主要振動問題： 發(fā)動機和傳動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉向系

29、統(tǒng)、車身和車架,,,汽車振動的問題,發(fā)動機和傳動系統(tǒng)發(fā)動機懸置隔振傳動系扭振制動系統(tǒng)振動問題、噪聲問題轉向系統(tǒng)前輪擺振，導致蛇行、或車橋車架強烈振動懸架系統(tǒng)平順性、舒適性問題車身和車架平順性、可靠性和部件的工作性能,四沖程內燃機的示功圖,導致曲軸干擾力的最主要原因是：氣缸內周期變化的氣體壓力和活塞連桿曲柄機構運動時產生的慣性力。,（1）發(fā)動機和傳動系統(tǒng),主要有：曲軸受周期干擾力作用而產生的扭振發(fā)動機在車架上的

30、整機振動氣門機構的振動,（2）懸架系統(tǒng),平順性就是保持汽車在行駛過程中乘員所處的振動環(huán)境具有一定的舒適度的性能，對于載貨汽車還應包括保持貨物完好的性能。,懸架系統(tǒng)振動主要研究汽車平順性,由彈簧和減震器組成的懸架系統(tǒng)功能是：緩和由不平路面?zhèn)鹘o車身的沖擊載荷，衰減由沖擊載荷引起的承載系統(tǒng)的振動。,（3）制動系統(tǒng),汽車制動時，行駛方向的慣性力和作用在輪胎上的地面制動力所形成的力矩會使前軸負荷增大，后軸負荷減小，從而加強了制動時整車的振

31、動。,制動性是指汽車行駛時能在短距離內停車且維持行駛方向穩(wěn)定性和在下長坡時能維持一定車速的能力。,汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS（Anti-lock Braking System）的原理：車輪轉速傳感器將車輪轉速信號傳送到控制元件，假如車輪被抱死，輪胎與地面發(fā)生滑行(偏滑)，信號會改變。使控制元件電路操作，產生信號到液壓調整器，打開剎車閥門。減低作用于分泵上的壓力，剎車力降低---車輪就可避免被抱死。剎車時，進油閥開，回油閥關，剎車油從總泵流

32、到分泵，產生剎車制動。車輪被抱死時，傳感器傳送信號給控制元件，使進油閥關，回油閥開，部分剎車油流回儲油室，降低剎車分泵的液壓，避免車輪被抱死。,防抱死制動系統(tǒng)主要目的是當車輛剎車時，防止車輪被抱死，造成輪胎與路面形成點接觸的動摩擦，摩擦力小，剎車效果最差，車輛滑行距離長，且易造成車輛轉向困難等。ABS系統(tǒng)有如下優(yōu)點：縮短剎車距離；剎車時不影響轉向性能；避免駕駛員緊急剎車時的恐慌；增進駕駛員剎車操作的穩(wěn)定性；避免輪胎在剎車時的偏磨耗。,E

33、BS系統(tǒng)主要由氣壓制動系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)組成。氣壓制動系統(tǒng)包括制動踏板、儲氣筒、氣壓控制閥、氣壓制動管路和制動氣室等。電子控制系統(tǒng)主要包括ECU控制器、各種傳感器(如3D力傳感器、制動器摩擦片磨損傳感器、隅合力傳感器等)及電子控制線路等。,EBS(E1ectric Braking System) 電子制動系統(tǒng)的特點：由于使用了電子系統(tǒng)，減少了制動系統(tǒng)機械傳動的滯后時間，縮短了制動距離，從而增加了交通安全性。它在低制動強度時，使制動摩擦片

34、磨損最?。辉谥械戎苿訌姸葧r，利用ABS功能達到最佳的道路附著系數(shù)利用率；而在高制動強度時，則可以施加最大的制動壓力，從而獲得最佳的控制制動力。,（4）轉向系統(tǒng),轉向輪會繞主銷的振動成為擺振，擺振將導致汽車出現(xiàn)蛇行現(xiàn)象。,蛇行現(xiàn)象增加了輪胎的滾動阻力，加劇了輪胎的磨損，增大了轉向阻力，降低了零件壽命，使平順性和操穩(wěn)性變壞，影響汽車使用性能。,操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的情況下，汽車能遵循駕駛者通過轉向系及轉向車輪給定的方