汽车平顺性研究

汽车平顺性研究——

影响汽车平顺性的参数

摘要：运用ADAMS软件分析了悬架结构、座椅系统、轮胎、悬挂质量、非悬挂质量、阻尼系数、路面汽车速度等参数的特性，得到了相对应的响应结果。得出悬架系统、路面等级和汽车行驶速度对汽车行驶平顺性的影响情况。

关键词:汽车平顺性；ADAMS；参数特性

汽车行驶平顺性能主要决定于车辆隔振系统、车速和道路条件三个方面的因素。随着车速的提高，对路面条件提出了更高的要求。但是更重要的还是车辆的隔振系统的改进，这是近代汽车设计中非常重视的一个问题。悬架结构、座椅系统、轮胎、悬挂质量、非悬挂质量、阻尼系数、路面汽车速度是影响汽车平顺性的重要因素。

（1）悬架系统

汽车是一个复杂的多质量系统，每个质量都存在着垂直、纵向和横向三个坐标轴方向的线振

动以及绕三个坐标轴的角振动。对平顺性影响最大的主要是车体的垂直振动和纵向角振动（俯仰振动）。悬架的刚度和阻尼以及前后悬架偏频的匹配，对上述两个振动分量起决定性的作用。悬架刚度过低，将易发生制动点头，加速时汽车后仰。此外，过软的钢板弹簧静绕度较大，这将给钢板弹簧设计和总体布置造成困难。弹簧太软，在坏路上行驶时，如果限位行程不足，容易造成频繁地撞击限位块，使汽车平顺性反而更加恶化。

悬架刚度k决定悬架系统的固有频率，对平顺性影响最大[1]。降低固有频率可以明显减小车身加速度，这事改善平顺性的一个基本措施。但是随着降低，动挠度增大，限位行程[]也就必须与固有频率成反比地相应增大，而[]受结构布置限制不能太大，所以降低是有限度。表1是目前大多数汽车悬架系统的固有频率、静挠度和限位行程[]的实用范围。

表1 悬架系统、[]的实用范围

包装袋印刷

车型	（Hz）	（cm）	[]（cm）
轿车	1.2～1.1	15～30	7～9
货车	2～1.5	6～11	6～9
大客车	1.8～1.2	7～15	5～8
越野车	2～1.3	6～13	7～13

轿车舒适性要求很高，而行驶的路面相对货车和越野车较好，悬架动挠度引起的撞击限位的概率很小，故其车身部分固有频率选择得比较低，以减少车身加速度，一般式在1～1.5Hz范围。反之，货车的越野车行驶的路面较差，为减少撞击限位的概率，车身固有频率较高，一般选择在1.5～2Hz范围。

前后悬架系统刚度的匹配对汽车平顺性也有较大影响。一般希望前、后悬架系统的固有频率接近相等，这可以通过选择前、后悬架刚度使来实现。为了减少小车身纵向角振动，一般将前悬架的固有频率选得略低于后悬架的固有频率。

悬架系统的弹性特性指悬架变形与所受载荷之间对应关系，分为线性与分线性两种。具有线性弹性特性的悬架刚度k为常数。车身振动固有频率微肽胶原蛋白随装载质量多少而改变，尤其是后悬架装载质量变化较大的货车和大客车。这种变化使汽车空载或部分载荷时前、后悬架振动固有频率过高或失配，导致车身猛烈颠簸，平顺性变差。为此，可采用具有非线性弹性特性的悬架，即悬架的刚度k可随载荷的改变而变化，以保持汽车各种载荷情况下，基本不变或变化不大，从而达到改善平顺性的目的。这种悬架也称为变刚度悬架。

（2）座椅系统

车身地板的振动是通过坐垫传到人体的。因此座椅的机械振动特性对平顺性有很大的影响，是不可忽视的因素[2]。如果只有性能良好的悬架，而减振性能较差，则悬架性能的优势得不到发挥。

由于人体质量远比车身质量小，因此可以不考虑人体运动对车身运动的反馈影响，这样就可以把“座椅-人体”系统看作是单质量系统。

人体对振动最敏感的频率是4～8Hz，因此为了改善汽车平顺性，使传至人体的振动比较小，在选择“人体-座椅”系统参数时，首先要保证人体垂直方向最敏感的频率范围润滑油分析仪4～8Hz处于减振区，按“人体-座椅”构成单质量系统来考虑，其固有频率。在选择固有频率时，还要避开与车身固有频率重合，防止传至人体的振动加速度谱出现突出的尖峰对平顺性不利。一般在1.2～2Hz之间，于是一般可选在3Hz左右。“人体-座椅”系统的阻尼比一般达到0.2以上才能有较好的减振效果。顺便指出，若考虑人体自身的减振效果，研究成果表明，值可以选得高一些，达到5～6Hz，在适当配合下，仍可保证4～8Hz处于减振区。

（3）轮胎系统

轮胎对行驶平顺性的影响取决于轮胎的径向刚度，轮胎的展平能力以及轮胎内摩擦所引起的阻尼作用[3]防辐射手机。减少轮胎径向刚度，可使悬架换算刚度减小10%～15%。当汽车行驶于不平道路时，由于轮胎的弹性作用，轮胎位移曲线较道路断面轮廓要圆滑平整，其长度较道路坎坷不平处的实际长度大，而曲线的高度则较道路不平的实际高度小，即所谓的轮胎展平能力。它可使汽车在高频的共振振动减小。由于轮胎内摩擦所引起的阻尼作用，对于轿车轮胎的相对阻尼系数可达0.05～0.106。

为了提高汽车行驶平顺性，轮胎径向刚度应尽可能减小。在采用足够软的悬架的情况下，在相当大的行驶速度范围内，低频共振的可能性完全可以消除。但轮胎刚度过低，会增加车轮的侧向偏离，影响稳定性，同时，还使滚动阻力增加，轮胎寿命降低。

轮胎由于本身的弹性在很大程度上吸收了因路面不平所产生的振动，因此它和悬架共同保证了汽车的平顺性。近年来随着车速的提高，希望轮胎的缓冲性能越来越好。提高轮胎缓冲性能的方法有：

（a）增大轮胎断面、轮辋宽度和空气容量，并相应降低轮胎气压。

（b）改变轮胎结构型式，如采用子午线轮胎，它因胎体的径向弹性大，可以缓和不平路面的冲击并吸收大部分冲击能量，使平顺性得到改善。

（c）提高帘线和橡胶的弹性，采用较柔软的胎冠。

车轮旋转质量的不平衡会引起汽车振动，影响平顺性和行驶稳定性，这在高速时尤为突出，所以必须对每一车轮（含装好的轮胎）进行静平衡和动平衡，以保证高速行驶时的舒适性。

（4）非悬挂质量

非悬挂质量的振动对悬挂质量振动加速度有较明显的影响[4]，减小非悬挂质量，可以减小传给悬挂质量的冲击力。因此，提高悬挂质量与非悬挂质量的比值，有利于改善汽车的平顺性。另外，悬挂质量的布置应尽量使悬挂质量分配系数。以减小前、后悬挂质量振动的联系。

（5）阻尼系数

为衰减车身振动和抑制车身、车轮的共振，以减小车身的垂直振动加速度和车轮的振幅(减小车轮对路面压力的变化，防止率轮跳离面)，悬架系统应具有适当的阻尼[5]。不同阻尼下的悬架加速度时域响应如图1所示。对于图6中的加速度与悬架阻尼曲线可用四阶函数表达式拟合：

图1加速度与阻尼系数的关系

FiR1 Relationship between acceleration and suspensim damp

从图1中可以看出随看悬架阻尼系数的增加，加速度均方根值明显下降，所以从提高舒适性的角度出发，增加阻尼系数能有效地提高舒适性。但是，过大的阻尼系数会降低汽车的操纵性能【6】，因此不能没有限度地增加悬架的阻尼系数。

（6）路面

假设汽车以60 km/h的速度行驶，首先将路面不平度的空间函数转化为路面不平度随时间的变化关系。再将路面不平度的随机数导入到ADAMS软件中。用随机数据作为悬架的路面输入[7]，在AD-AMS软件中仿真得到的在A-~H级的不同路面作用下的悬架加速度响应曲线如图2。图中横坐标的1~8点分别表示路面等级A~H。

图2加速度与路面等级关系

Fig 2 Relationship between acceleration and road type

从图2可以看出，对于不同的路面输人，从A~H悬架的加速度均方根值逐渐增加，在A到E级路面中加速度的均方根值增加较缓慢。从F~H级路面加速度方根值迅速增加。其原因是A~H路面的统计特性不是线性增加的，到了F级路面以后路面波形的振幅迅速增加导致汽车的轮胎和悬架的联动反应，同时由于路面明显不平导致汽车轮胎和路面间的接触不能保证，

汽车轮胎出现了飞离地面的现象。当汽车轮胎由于车身的重力作用再回到路面时构成了强烈的冲击作用，造成了汽车舒适性的明显降低。

(7)汽车速度对行驶平顺性的影响

由于速度影响给定路面下的空间频率和时间频率的关系.对于同一路面，不同的行驶速度得到不同的时间频率，悬架得到不同频率的路面激励，因此汽车的行驶速度通过影响时间频率来影响悬架的响应。

以下对汽车以20,40,60,80,100,120 km/h行驶时的悬架响应做仿真分析。响应结果如图3所示。对于图3中的加速度与汽车行驶速度可用三阶函数表达式拟合:

图3 加速度与车速关系

从图3可以看出，速度对汽车的行驶平顺性影响很明显。在车速小于100 km/h时，加速度均方根值基本是随着车速线性增加。当车速超过100km/h以后，汽车的行驶平顺性明显降低。因此，悬架的性能成了限制汽车速度继续提高的主要原因之一。汽车的行驶速度主要通过改变路面激励的频率来改变悬架系统对路面的响应。汽车行驶速度越快，路面输入的频率越高。但是在一些质量较差的面上行驶时车速过快会造成汽车和路面分离的现象，出现“飞车”现象。这样形成的路面冲击大大降低了汽车的行驶平顺性。

参考文献：

[1] 张立军,段敏,何辉;汽车前后悬架固有频率的匹配研究[J];汽车工程;1998年06期

[2] 羊拯民;李维虎;汽车座垫特性的试验研究挡板砖[J];安徽工学院学报;1988年01期