(强烈推荐)汽车平顺性评价方法的研究毕业论文设计
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汽车平顺性评价方法的研究Research of Vehicle Ride Comfort
Evaluation Method
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原创性声明
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摘要
本文主要从理论上对当前国内外汽车行驶平顺性的评价方法及其指标进行分析。现有的汽车平顺性评价方法，主要有ISO2631标准、吸收功率法以及我国在前两种方法的基础上提出的国家标准GB4970。由于各种方法及其指标的着重点和出发点不同，因此存在一定的区别或差异。ISO2631中的两种评价方法侧重于客观（物理）评价，而吸收功率法则侧重于主观的（感觉）评价。
但是，归根结底，都是对汽车振动情况的分析，故各种评价方法之间仍然存在一定的联系。目前各种平顺性评价方法及其指标都存在一些缺陷和不足。13倍频带法的优点在于，灵敏度高，并且对不同方向以及某个方向上加速度均方根值的突出峰值位置比较清楚，有利于汽车结构的改进。其缺陷在于没有同时考虑不同频率加速度均方根值的影响及不同方向振动的影响。总的加权加速度值评价法的优点在于，能够比较全面地评价振动激励的强度。其缺陷在于，会导致在某窄带中加速度均方根值远远超过了允许值，但是其他频率带中加速度均方根值较小，由于补偿作用，使得总的加权值不大。吸收功率法的优点在于将人体承受的垂直，横向振动和坐着的人体脚部的振动相加，用一个数据评价，比较全面。其缺点在于，这种评价方法反应“迟钝”。
本文在此基础上提出的新的评价方法，考虑了汽车行驶平顺性的影响因素（道路、车速），提出了符合实际工况的汽车行驶平顺性综合评价指标，并对汽车的平顺性试验提出了一些建议。
关键词：汽车平顺性评价方法
Abstract
This paper analyzes the current domestic and international vehicle ride comfort evaluation methods. and indicators. There are several vehicle ride comfort evaluation methods, for example ISO2631 standards, absorption power method and national standards of GB4980 which is based on the former two methods. Because of their focus and different Starting points of the indicators as a result of a variety of methods, there is a certain distinction or difference. Two evaluation methods of ISO2631 focus on the objective (physical) to evaluate, and absorb the power of the law focused on the subjective (sensory) evaluation.
However, the former two methods both are the situation of the automotive vibration analysis, a variety of evaluation methods still each other. This paper analyzes the shortcomings of the current vehicle ride comfort evaluation methods and indicators. The advantage of 13 octave band method is root-mean-square values in different directions, as well as one direction more clearly, which will into consideration the effects of different frequency root-mean-square values of acceleration and the effects of vibration in different directions. The advantage of the total weighted acceleration value evaluation method is that to a more comprehensive evaluation of the intensity of vibration excitation. Its shortcomings is that will lead to in a narrow band the acceleration root-mean-square value far exceeds the allowable value, but other frequency band the acceleration root-mean-square value smaller, as compensation,
making the total value is not weighted. The advantage of the absorbed power method is that using one data to evaluate, which is combined with the vertical 、body beard and the vibration the foot of sitting body beard, more comprehensive. Its disadvantage is that this evaluation method response "retarded."
On this basis, this paper build the new methods of evaluation, taking into account the vehicle comfort factors (roads, speed), bring forward the vehicle ride comfort comprehensive evaluation index and some suggestions of the vehicle ride comfort text.
key words：Automotive Vehicle Ride Comfort evaluating method
目录
第1章绪论.........................................................
1.1 本课题研究的现状............................................
1.2 国民经济与学术理论意义......................................
1.3 本人所完成的工作............................................第2章汽车行驶平顺性评价指标体系...................................
2.1 现有的主要几种评价指标......................................
2.2 两种评价指标的优缺点........................................
2.3 两种评价指标间的相关性......................................
2.4 13倍频带评价方法的承受时间的计算............................
2.5 GB4970评价方法及其分析......................................
2.6 本章小结....................................................第3章基本理论推导及新体系的建立...................................
3.1 汽车振动系统的模拟..........................................
3.2 激励谱的确定................................................
3.3 随机激励下汽车振动的模拟....................................
3.4 车速对汽车振动响应的影响....................................
3.5 汽车行驶速度工况分析........................................
3.6 路面对汽车振动响应的影响....................................
3.7 新评价体系的建立............................................
3.8 本章小结....................................................第4章汽车行驶平顺性随机输入试验...................................
4.1 试验方法....................................................
4.2 汽车主要结构参数对平顺性的影响..............................
4.3 本章小结....................................................
结论................................................................致谢................................................................参考文献............................................................附录................................................................
第1章绪论
在全球经济高速发展的今天，汽车已经成为人们日常生活中不可或缺的交通工具。随着人们生活水平的提高和汽车工业的迅速发展，汽车在行驶过程中的操纵性能和乘坐舒适性已越来越受到人们的重视。为了满足人们对汽车性能日益苛刻的要求，优异的操纵稳定性和平顺性已经成为各汽车制造者共同追求的目标。本文主要研究目前国内外汽车平顺性的主要评价方法。
1.1 本课题研究的现状
汽车的平顺性主要是保持汽车在行驶的过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内，因此平顺性主要是根据乘员主观感觉的舒适性来评价，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能，它是现代高速汽车的主要性能之一。所以一直都是国内外学者普遍关心的问题。影响汽车平顺性的因素是多方面的，同时对汽车平顺性的评价也显得十分复杂。要定量的描述平顺性能，必须包括物理的，生理的和心理的各个方面的评价。几乎所有反映汽车振动特性的物理量（频率、振幅、速度、加速度、功率、能量等）都有人试图用来作为平顺性的评价指标。
目前，常用汽车车身振动的固有频率和振动加速度评价汽车的行驶平顺性。试验表明，为了保持汽车具有良好的行驶平顺性，车身振动的固有频率应为人体所习惯的步行时，身体上、下运动的频率。它约为60～85次分(1H Z～1.6H Z)，振动加速度极限值为0.2～0.3g。为了保证所运输货物的完整性，车身振动加速度也不宜过大。如果车身加速度达到1g，未经固定的货物就有可能离开车厢底板。所以，车
身振动加速度的极限值应低于0.6～0.7g。
20世纪70年代，在综合大量资料基础上，国际标准化组织ISO 提出了ISO2631《人体承受全身振动的评价指南》，后来对它进行过修订、补充。从1985年开始进行全面修订，于1997年公布了ISO2631-1：1997（E）《人体承受全身振动评价——第一部分：一般要求》。许多国家都参照它进行汽车平顺性的评价。我国对相
1.2 国民经济与学术理论意义
汽车行驶平顺性是汽车的重要使用性能之一。随着人们生活水平的提高，对汽车乘坐的舒适性要求越老越高。人们在乘坐或者驾驶汽车时需要有一个舒适的环境，以确保自己的各项生理和心理反应正常。特别是长途客车和旅游客车。同时，由于国家大力发展高速公路建设以及汽车技术的不断发展，汽车速度日趋提高。所以，从人们的要求，产品质量发展方面来看，改善汽车行驶平顺性显得十分重要，对汽车的行驶平顺性的研究也就具有了十分重要的意义。
此外，汽车行驶平顺性也不是孤立的，它的好坏，不仅影响到司机、乘员的疲劳强度、舒适性以及货物的安全可靠的运输，而且还影响到汽车的其他使用性能。
在汽车的实际使用过程中，如果汽车的平顺性能差，驾驶员就会因车辆的强烈振动而被迫降低汽车行驶速度。因此，使汽车的平均速度与运输效率下降。在被迫降低车速后，汽车的发动机不可能在最合适的转速下工作，因而将导致汽车燃油经济性变坏，增加运输的成本。振动在汽车上产生动载荷，加速零件的磨损；由于动载荷而产生的交变应力会造成构件的疲劳破坏。这些情况都严重影响了汽车的使用寿
命。汽车振动时，车轮与路面之间的接地力的波动会影响他们的附着效果。因而也关系到汽车的操纵稳定性和通过性，进而影响到人的生命安全。因此，人们对改善汽车平顺性能的要求日益提高。
随着科学技术的发展，获得较好的汽车平顺性是可以实现的。计算机的出现和应用，电子测试技术的飞速发展，使得汽车行驶平顺性试验数据的采集和处理更加合理与精确。
既然改善汽车行驶平顺性是必然的趋势，那么，汽车的平顺性评价指标的研究也就显得很重要。因为它是评价平顺性好坏的依据，是指导改善平顺性措施的方向。指标体系的科学建立，反映了该门学科的发展水平及完善程度。建立适合于本国实际状况的指标，不仅具有重要的理论意义，而且对汽车结构的设计，改进具有重要的实践意义。
总而言之，要达到改善汽车行驶平顺性的要求，必须有恰当的试验方法和实用的评价指标，之后才能进行合理、正确的试验验证，并研究改善平顺性的途径。故，本课题是非常具有理论研究意义的。
1.3 本人所完成的工作
分析了目前国内外主要用来评价汽车行驶平顺性能的ISO2631国际标准和吸收功率法。讨论了它们各自的优缺点；
同时也指出了它们之间存在的相关性。
分析了ISO2631国际标准和GB4970评价指标所存在的一些缺陷。分析了在一定道路条件下，车速对车身振动的激励的
影响。提出了加速度均方根、13倍频带中心频率、车速、“疲
劳-降低工效界限”的三维关系曲线。
分析了路面因素对汽车行驶平顺性的影响。因此，为了尽可
能地反映汽车在不同路面上行驶平顺性能的好坏，本文对汽
车平顺性试验中试验路面的选择作了简单的分析。
汽车实际的行驶速度是复杂多变，因此，进行汽车行驶平顺性评价时，根据汽车实际行驶速度的时间百分率的概率分
布，从积累疲劳观点从发，对不同汽车行驶平顺性进行综合
评价比较。
简单讨论了某些汽车结构参数对平顺性的影响。
第2章汽车行驶平顺性评价指标体系
2.1 现有的主要几种评价指标
汽车行驶时，由于路面的不平度以及发动机、传动系和车轮等旋转部件激励等因素激起汽车的振动和噪音，从而影响驾乘人员的乘坐舒适性、工作效率和身体健康；振动也影响所运货物的完好性；振动还在汽车上产生动载荷，加速零件磨损，导致疲劳失效。但通常讨论的平顺性主要还是指路面不平引起的汽车振动，频率范围约为0.5到25Hz。
汽车的平顺性可由图2-1-1所示的平顺性分析框图来分析。研究平顺性的主要目的就是控制汽车的振动系统的动态特性，使振动的“输出”在给定工况的“输入”下不超过一定得界限，以保持乘员的舒适性。为此需要建立完善的评价指标来对“输出”进行合理评价与分析。但是到目前为止，还没有通用的指标系统。国内外各公司、实验场和研究人员所使用的指标系统也都不尽相同，各有其优缺点。在对汽车平顺性做人体试验时，整个身体的振动会对人产生很复杂和多
种不可预知的生理和心理作用。在评价这种作用时，要考虑到汽车行驶的特殊条件下，人体对振动感觉的特点。
图2-1-1 汽车平顺性分析框图
行驶平顺性指标系统应满足下述要求：
1)指标应有科学根据，即在理论上或在试验上，指标和受振量
间的关系（功能或统计关系）都应得到证明。
2)指标的精确度应满足要求，即表明指标数量和受振量之间应
有很高的相关性。另外，在相同条件下，多次重复试验下指
标数量应基本一致。
3)指标系统应包括表征规定类型汽车的不同行驶条件（道路类
型、速度、载荷）的行驶平顺性评价。
4)指标的灵敏度应满足要求，即随著振动量的变化，指标数量
应尽量按比例相应的增加或者减少。
在前人的大量研究基础上，显然发现，加速度值是合适的指标量。首先，测量加速度比较方便，目前的科技水平就已经拥有高精度的加速度测量仪器和测量手段，显然随着科技的发展，会越来越精确与快捷；其次，前人的研究已经积累了大量的在不同条件下作用于人的加速度值的宝贵经验和数据；再者，对人的大量生理试验也表明，加速度变化对人体的激励影响很大，很适合作为测量的激励参数。
一ISO2631标准
20世纪70年代，国际标准化组织（ISO）在综合大量有关人体
全身振动的研究成果的基础上，制定了国际标准IS02631 《人体承受全身振动的评价指南》，并于1978 年修订1次，1985 年修订后重新发表IS02631 1——1985《人体承受全身振动评价第一部分：通用要求》，该标准推荐的1 3 倍频程分别评价方法、总加权值评价方法及其评价指标，适用于1～80 Hz 频率范围内对人体承受的全身振动评价。但是，IS02631 标准是以短时间简谐振动的试验研究成果为基础的，所以对车辆长时间随机振动环境以及其它一些冲击比较大的振动环境中的应用仍有争议。1997 年，经过3 次修改和补充，ISO 公布了ISO2631——1：1997（E）《人体承受全身振动评价——第一部分：一般要求》，这一标准在评价长时间作用的随机振动和多输入点、多轴向振动环境对人体的影响时，能更好地和主观感觉一致。
ISO2631-1：1997（E）标准规定了图2-1-2所示的人体坐姿受振模型。在进行舒适性评价时，它除了考虑座椅支撑面处输入点3个方向的线振动，还考虑该店3个方向的角振动，以及座椅靠背和脚支承两个输入点各3个方向的线振动，共3个输入点12个轴向的振动。
图2-1-2 人体坐姿受振模型
（1）13倍频带评价方法
其核心内容是，根据人体对不同频率、不同方向的机械振动的平均忍受能力（表达为一定强度下的允许承受时间或一定承受时间下的允许忍受程度）制定了三个评定准则界限，即：暴露极限、疲劳-工效降低界限（）、舒适降低界限()。
舒适－降低界限与保持舒适有关。在此极限内，人体对所暴露的振动环境主观感觉良好，并能顺利完成吃、读、写等动作。
疲劳－工效降低界限与保持工作效率有关。当驾驶员承受振动在此极限内时，能保持正常地进行驾驶。
暴露极限通常作为人体可以承受振动量的上限。当人体承受的振动强度在这个极限之内，将保持健康或安全。
对于汽车在道路上行驶过程中的振动情况，加速度是一种宽带的随机过程。在这种情况下，标准规定分别计算出各个13倍频程宽带上的均方根值，然后分别与相应的中心频率上的界限值相比较。即，13倍频带认为，许多13倍频带中对人体产生影响最大的，主要是由人体感觉的振动强度最大的（折算到人体敏感频带范围以后）那一个13倍频带所造成。
（2）总的加权加速度评价方法
这个方法使用一个指标，在这个指标中以不同的加权系数考虑不同频率的振动加速度。规定中，振动感觉越敏感，加权系数越大。椅面垂直轴向的频率加权函数最敏感频率范围规定为4～12.5Hz，椅面水平轴向、的频率加权函数最敏感的频率范围为0.5～2Hz。
二吸收功率法
提出吸收功率法的学者（Fred Pradko 等）在研究人的传递特性基础上提出了吸收功率法概念。吸收功率法认为，人体在一定范围内
是一弹性线形体，考虑到人体接受的振动能量和沿全身传递，其振动能量的时间变化率为吸收功率。由下式表示：
平均吸收功率： 01lim ()()t av t P F t V t dt t
→∞=? （2-1-1）
式中F （t ）是输入力，V （t ）是输入速度。这是时域里确定的吸收功率法。
频域内，吸收功率由下式确定：
11035.244
n av i i P k G ==?∑ （2-1-2）
式中：
——吸收功率，w ；
——第i 个频率的输入加速度自谱值，
K ——考虑人体特性的频率函数，不同的振动方向有不同的值由下式确定：
1423
102234
F F F F k k k F F ω?-?=?+ （2-1-3） 其中ω=2πf ω是圆频率
对于垂直振动：
96542210.10245296100.175********.44600722101F ωωω---=-?+?-?+ （2-1-4）
744220.12881887100.93394367100.10543059F ωω--=?-?+ （2-1-5）
96542230.45416156100.37667129100.56104406101F ωωω---=-?+?-?+ （2-1-6）
116743240.21179193100.5172811100.17946748100.10543059F ωωω---=-?+?-?+ （2-1-7）
=4.35373
（2-1-8）
=1.356
（2-1-9）
对于脚部输入：
742210.58657402100.188********F ωω--=?-?+
（2-1-10）
4220.187********.074036789F ω-=-?+
（2-1-11）
642230.33913154100.23697592101F ωω--=?-?+
（2-1-12）
844240.17013499100.39439090100.074036789
F ωω--=?-?+ （2-1-13）
=1.182
（2-1-14）
=1.356
（2-1-15）
当两脚输入不同时，应被2除。
对于前后反向振动：
（2-1-16）
（2-1-17）
（2-1-18）
240.0006189340.219106F ω=-+
（2-1-19）
=4.3532
（2-1-20）
=1.356
（2-1-21）
对于左右方向振动：
34210.24052124100.066974483
1F ωω-=?-+ （2-1-22）
542220.57384538100.50170413100.33092592F ωω--=?-?+ （2-1-23）
564230.14979958100.00100888820.101086171F ωωω-=-?+-+ （2-1-24）
7644240.17137490100.53137351100.0110965070.33092592F ωωω--=-?+?-+ （2-1-25）
=4.353
（2-1-26）
=1.356 （2-1-27）
因吸收功率是数值量，故总的吸收功率为：
（2-1-28）式中是第i个方向上的吸收功率。
2.2 两种评价指标的优缺点
ISO2631国际标准的“13倍频程评价方法”简称单个频率评价法。它是汽车平顺性评价的基础，可以用一个数评价宽频带激励。适
合于周期振动、离散随机振动和非周期振动。其优点在于，灵敏度高，并且对于不同方向以及某个方向上加速度均方根值的突出峰值位置
比较清楚，有利于汽车结构的改进。同时，其也存在以下的缺陷：该
方法不同时考虑不同方向振动之间的相互影响，对同时存在的不同频
率成分之间的影响也是不考虑的。例如在下图2-2-1中的A、B两款
车型，人体能过承受的时间均为4h，由此认为这两辆车的平顺性能
相同，显然是不合理的。
图2-2-1 相同承受时间的不同振动曲线