沈阳航空航天大学毕业设计（论文）目 录1 绪论11.1课题研究的背景和意义11.1.1汽车振动研究的背景和意义11.1.2汽车振动研究的主要问题21.2 国内外汽车振动建模与仿真研究现状41.2.1 面向结构和面向参数的方法比较41.2.2 汽车常用动力学模型介绍41.2.3 国内汽车振动的研究121.3 ANSYS软件介绍132 路面激励142.1引言142.2路面不平度的统计特性142.2.1 路面不平度的功率谱密度142.2.2 空间功率谱谱密度与时间频率的关系162.3 路面激励的生成172.4 路面对四轮汽车的输入功率谱密度182.5车辆振动的评价方法192.6随机输入平顺性评价指标193 ANSYS软件下汽车振动分析233.1 汽车模型的建立233.1.1汽车模型的选择233.1.2 ANSYS中建立汽车模型233.2模态分析273.2.1模态分析简介273.2.1 模态分析步骤283.2.3模态分析结果293.2功率谱密度分析（PSD分析）313.2.1 ANSYS谱分析简介313.2.2 ANSYS功率谱密度分析（PSD）步骤313.3模态合并353.4查看结果364 结果分析404.1路面等级对振动的影响404.2车速对振动的影响434.3悬架参数对振动的影响465 车架柔性时的响应谱515.1模型建立515.2模态分析525.3功率谱密度分析555.4模态合并555.4结果查看555.4车架刚性和柔性对响应谱的影响55参考文献56致谢58附 录59V1 绪论汽车振动的分析研究是为了提高汽车平顺性，汽车平顺性是指汽车过程中能保证乘员不致因车身振动而引起不舒适和疲乏感觉，以及保持运载货物完整无损的性能。汽车平顺性的优劣直接影响到乘员的舒适性和货物的完整性，并制约着汽车动力性和经济性的发挥及零部件的使用寿命。随着汽车日新月异的发展，汽车振动也被越来越加重视，体现着汽车技术的提高。1.1课题研究的背景和意义1.1.1汽车振动研究的背景和意义随着生活水平的提高和生活节奏的加快，人们对汽车乘坐舒适性的要求越来越高，正朝着安全、舒适、环保、节能的方向前进，尤其是汽车乘坐的舒适性更是人们追求高品质生活的重要体现，汽车平顺性是影响汽车乘坐舒适性的重要原因，而平顺性的主要就是依靠汽车减振来保证，汽车振动日益成为汽车研发和性能提高的关键所在。对于汽车本身而言，由于各种性能相互影响，因此，作为汽车的性能指标之一的平顺性也影响着其它性能的发挥。在过程中，如果平顺性很差，强烈振动产生的冲击会加速零部件的磨损，降低零部件的疲劳寿命。车辆的振动还是车内噪声的主要来源之一，汽车的强烈振动还会使车轮跳离地面，影响汽车的动力性、制动性以及操纵稳定性。为了减小振动产生的冲击，必须放慢车速，但却使运输效率降低。低速会使燃油燃烧不充分，而使燃油经济性变差，排放性也变差。对于驾驶员而言，好的平顺性能会让人心情愉快，充分享受驾驶带来的快乐。否则，汽车的不停颠簸，会使驾驶员疲惫，注意力不集中，易引发交通事故，造成人财损失。目前调查表明，60%以上的人乘车过程中有过难受、晕车甚至呕吐的经历。汽车平顺性的降低不仅使工作效率降低，还严重影响着人的身心健康，长期处于不舒适的振动环境中，不仅容易引起疲劳、心慌，还容易引发各种心脏疾病。良好的平顺性会使长途货车保持货物的完整，会使长途客车的旅行者更加舒适，驱赶长途跋涉带来的烦恼，会使农用运输车不因低级路面而影响劳作。其它行业由于用途的不同，对汽车平顺性也提出了各自的要求。因此，研究平顺性的意义重大，必须不断增加研究深度，拓宽研究领域，满足不同行业的需求。因此，平顺性优劣直接影响到乘员的舒适性，并波及车辆动力性和经济性的发挥，是车辆在市场竞争中争夺优势的一项重要性能指标。因而如何最大限度地降低汽车在过程中所产生的振动，甚至更进一步利用振动来为我所用，是一项十分有价值和意义的工作。随着国民经济连续多年的高速发展，尤其是国家对基础设施建设投入的逐年加大，使得载货汽车的生产在近年来呈现了爆发式发展。而汽车由于具有运输效率高、运输成本低的特点，逐渐成为公路运输的宠儿。我国的汽车市场从进入新世纪以来，取得了突飞猛进的发展，销售业绩基本上是一路走高，增长迅速。年均增长幅度高达70%左右，2008年的销售量是2000年的销售量的6.57倍，汽车的生产与开发成为国内载货汽车生产厂家竞争的焦点。汽车的工作条件比较恶劣，的道路标准低、弯道和坡路多，车辆频繁转向与制动，并长期在满载、振动与冲击载荷下工作，座椅部位的振动水平是一般客车的9到16倍，更为严重的是大多数商用车驾驶员在这种环境中一天工作时间长，这给驾驶员带来较大疲劳和危险。同时，平顺性对车辆油耗和车体损伤也有重要影响。因此，提高载重车辆的平顺性十分必要。但较有实力的汽车制造公司基本上都在欧洲和美国。如奔驰公司的汽车，2002年的产量约占世界总产量15.62%，远远超过其它竞争对手。瑞典的沃尔沃和斯堪尼亚正在力求在新产品开发方面缩短与奔驰公司产品的距离，以此来提高自己产品的市场占有份额。目前，我国拥有汽车制造汽车厂家超过10家，如中国第一汽车集团公司、重庆汽车集团公司、中国东风汽车集团公司、陕西汽车集团公司、北汽福田公司等，各厂家都有自己的特点和能力，但差距各异。所以提高汽车平顺性已经成为了必然的趋势。1.1.2汽车振动研究的主要问题在了解了汽车振动的危害之后，就需要人们研究振动问题，掌握振动机理，消除振动带来的不利影响，利用振动规律指导汽车的研发。汽车振动所要研究的问题和一般机械振动所要研究的问题一样，主要涉及以下几个方面：振动隔离：在振动源不可能完全消除的情况下，研究如何减小振动对结构的影响。如汽车悬架的设计就是为了减小汽车在不平路面上行驶时传给车身的振动。在线控制：利用振动信号监测设备工作状况，诊断故障。如对发动机故障及进行的振动监测和诊断。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。如地下钻孔机利用振动来松动土层，减少阻力，提高钻孔效率。动态性能分析：对机器的动态性能进行分析，如汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性等进行振动分析。同时研究机器和结构件的疲劳寿命、动强度等问题。模态分析：振动中模态分析的理论和实验的研究。振动系统 输入激励输出响应 图1.1 振动系统框图对于一般的振动问题，可以用图1.1所示的框图来说明。图中的“振动系统”是指所研究的振动对象，例如，汽车、各种机器或机床、工程结构或某些零部件等，从振动理论来分析，“振系”是表示研究对象的振动特性。“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”是表示系统在输入或外激励作用下所产生的动态响应。根据图1.1，可以把振动问题分为以下三类：振动分析：已知激励和系统特性，求系统的响应。如已知路面条件和车辆结构，求驾驶员受到的振动。振动环境预测：已知系统特性和振动响应，反推系统的激励。预测的结果可以作为以后振动设计的激励。系统识别：已知激励和系统的响应，确定系统的特性。这类问题往往用模态实验的方法，识别出系统，以建立振动模型或检验已有的理论模型。这类问题中，如对振系有所了解，称为灰箱问题；如对系统一点也不了解，称为黑箱问题。1.2 国内外汽车振动建模与仿真研究现状1.2.1 面向结构和面向参数的方法比较20世纪50年代后，仿真技术开始发展，并被逐渐引入到汽车振动研究领域。20世纪70年代，汽车动态仿真技术已在国外得到普及，产生了不同复杂程度的汽车型。汽车动态仿真的方法可以分为两大类：多体参数法和集中参数法。但是无应用哪一种方法进行汽车平顺性分析，都必须建立合理而正确的汽车振动的力模型。多体参数法，是面向结构的方法，需要给定各部件的详细特征，将汽车的每一件看作刚体或弹性体，通过各种约束连接建立汽车结构系统振动的拓扑结构，然后相应的商业化软件，如ADAMS、DADS等进行仿真。商业化的多体参数法的软件需要使用者有很高的专业水平，同时，应用软件建的汽车模型一般自由度很多，有些参数难以得到，所以不能从整体上保证系统的准性。而且，复杂的模型在计算机上求解时间长，且一旦模型出错，很难准确查找问题。集中参数法，是面向参数的方法，不必考虑汽车的具体结构，只要根据汽车振动分析需要给出描述汽车零部件结构的质量、刚度和阻尼参数，即可进行汽车平顺性的分析。因此，应用集中参数法建立汽车结构系统振动的力学模型，方法简单。在汽车设计初期，由于不能完全得到汽车结构，应用集中参数法建立汽车结构系统振动的力学模型，对汽车平顺性的预测与分析是非常有效的。1.2.2 汽车常用动力学模型介绍在动力学模型的选择方面，经常使用的基于集中参数法的汽车结构系统振动的力学模型可分为三类：单自由度汽车模型、2自由度汽车模型和多自由汽车模型。（1）单自由度汽车模型单自由度汽车模型认为汽车前后轴上方车身部分的集中质量的运动是相互独立的，只考虑垂直振动。分析车身垂直振动最简单的模型是单质量系统力学模型，这种模型旨在将注意力放在悬架设计上，在汽车主动和半主动悬架研究与设计中得到大量应用。双质量系统力学模型考虑了轮胎弹性和质量，能够反映车轮高频振动时的动态特性，更接近汽车振动的实际情况，这种模型在汽车的安全性及车轮对路面的损伤研究方面，能够反映悬架与路面损伤两者之间的关系。考虑了人体和座椅的三自由度系统力学模型，不仅可以考虑车轮载荷与安全性的关系，还可以考虑人体加速度与振动舒适性的关系。 图1.2 单自由度汽车模型 上图是分析车身振动的单质量系统模型，它由车身质量m2和弹簧刚度K、减震器阻尼系数为C的悬架组成。q是输入的路面不平度函数。车身垂直位移坐标z的原点取在静力平衡位置，根据牛顿第二定律，得到描叙系统运动的微分方程为 此方程的解是由自由振动齐次方程的解与非齐次方程特解之和组成。令 则齐次方程为 式中的称为系统固有圆频率，而阻尼对运动的影响取决于和的比值，称为阻尼比 汽车悬架系统阻尼比的数值通常在0.25左右，属于小阻尼，此时微分方程的解为 这个解说明，有阻尼自由振动时，质量以有阻尼固有频率振动，其振幅按衰减，如图1.3所示。 图1.3 单自由度系统振幅（2）2自由度汽车模型 图1.4 2自由度汽车模型两个自由度振动系统模型如图1.4，这个系统除了具有上节讨论过的车身部分的动态特性外，还能反映车轮部分在10-15Hz范围产生高频共振时的动态特性，它对平顺性和车轮的接地性有较大影响，更接近汽车悬挂系统的实际情况。图中，为悬挂质量(车身质量)；为非悬抹质量(车轮质量)；为悬挂刚度；为阻尼器阻力系数；为轮胎刚度。车轮与车身垂直位移坐标为、，坐标原点选在各自的平衡位置，其运动方程为 由运动方程可以看出，与的振动是相互耦合的。若不动（=0），则得 这相当于只有车身质量的单自由度无阻尼自由振动，其固有圆频率为。同样，若不动，相当于车轮质量做无阻尼自由振动，则可得