汽车工程手册：德国版-汽车的振动舒适性与声学传递性能

汽车的声学舒适性和振动舒适性是两个紧密联系的项目，因为它们都是物体噪声现象，当然频率范围是不同的。由一方面对振动性能，另一方面对部件（总成）的物体噪声隔离特性的不同要求引起两个专业范围间的目标冲突。

人们对振动的敏感性是凭多方面的经验。在参考文献[17]中，人们对振动的敏感性是通过座椅的振动（即振幅和频率）感受到的。由人们对振动敏感性的评价曲线得到，振动激励在5～10Hz间最为敏感。它是基于这样的事实，从工程角度人就是一个振动系统。人的每一个器官，如头部、肢体、胃等，在5～10Hz振动频率范围就会激起谐振。在高于或低于该频率范围，人们对激励振动的敏感性会单调下降。由于振动作用引起的干扰通常只出现在约1（车身振动）～50Hz（麻麻的感觉）。相对振动激励以人们的敏感性为背景，必须在开始研发新型汽车时，规定在以后的批量汽车中的系统振动频率和幅值的限值（图3.4-39）。在规定整车有关振动方面的目标难点在于汽车乘员对振动的主观感受要建立在客观准则基础上。客观评价汽车各种振动对人们的影响一直是研究的课题。

下面就与各种振动机理相关的一些振动现象予以进一步研究。

图3.4-39 各种振动现象

1.发动机激励引起的振动

除发动机怠速引起振动外，负荷突变和载荷冲击也会激励振动。

发动机工作循环、发动机随机激励引起发动机怠速振动。这时，在不利的情况下，发动机惯性力的主要阶就处于整车的谐振频率范围。如果出现这种情况，发动机在怠速时的整车舒适性就突然变坏。图3.4-40表示整车振动频率随发动机转速变化的关系实例。

由图可见，4缸发动机怠速调整在低于发动机2价惯性力的临界状况以下；6缸、8缸发动机怠速调整在发动机3阶或4阶惯性力的临界状况以上。如果发动机惯性力的阶不会引起整车的谐振，则1阶弯曲振动和1阶扭转振动必须位于27～33Hz的频带内。为避免不希望的耦合振动，在两种振动间整车的谐振间隔约为3Hz。因为前车的扭振频率高于1阶扭转振动，所以前车的扭振频率要远高于8缸发动机的4阶惯性力。

图3.4-40 发动机怠速和整车自振频率的工程振动计算

除发动机怠速引起振动外，发动机负荷交变引起的振动也属于发动机激励引起的振动。发动机负荷交变引起的振动又可分为负荷突变和载荷冲击。这两种振动现象源于动力总成系统由于加速踏板突然移动使发动机转矩变化。

在负荷突变[也称为波南兹（Bo-nanza）效应]时，可以用简单的弹簧—质量系统的振动系统描述。作为刚性的车体为一个平移质量，弹簧是动力总成系统的弹性和轮胎—道路接触面至车身与动力总成系统之间的支撑件的弹性。在不同的谐振频率时会出现与动力总成系统传动比（选档）有关的负荷突变。特别是发动机在低速时负荷突变产生的干扰振动出现在1档和2档，频率在1.5～4.0Hz范围，其原因是讨厌的负荷突变振动主要不是乘员感觉到的汽车纵向加速度随时间变化的振动幅值，而更多的是系统对振动的衰减性能不足。(www.xing528.com)

与负荷突变不同，载荷冲击不是出现在低频范围，而是出现在高频范围。这是由于加速踏板位置的变化引起了转矩的突然变化。除了缓冲汽车在平移运动时明显感觉到汽车的猛冲外，还出现了唯一的由后桥支撑件的冲击引起的冲击噪声。可见，这种振动现象对振动幅值有重要影响。

可通过对发动机控制的干预（调节点火角增加系统阻尼、限制转矩增长）和有针对性的改变动力总成系统的刚度来抑制负荷突变和载荷冲击引起的振动。

发动机支撑结构同样会影响负荷突变引起的振动。安装ZMS或改变ZMS的特性线也会影响载荷冲击引起的振动（见5.4节）。

图3.4-41 车身振动的作用机理

2.道路激励引起的振动

这里涉及汽车由于道路激励而引起的振动，该振动影响汽车行驶速度。车身振动、发动机晃动和座位移动是这种振动的现象。

车身振动首先出现在有大车顶开口或大后开口或敞篷汽车（敞篷轿车、双门敞篷轿车）上。这时，车身振动是由车轮谐振激励与汽车整体的扭振谐振激励这两种谐振激励的叠加，图3.4-41表示了产生车身振动的现象。

两种谐振的耦合使车身振动频率提高到10～20Hz范围，这时汽车若在不平路面行驶时乘员就会感觉到它的后振动现象，并产生不舒适性。新的轮胎工艺和拉紧的底盘会加剧后振动现象。运动型底盘动力学垂直拉紧和车轮高谐振频率的汽车需要高的第一个扭转谐振的、刚性的汽车结构，以充分限制车身振动。

在发动机晃动时，由于汽车两个前轮同时激励而使汽车上、下运动。如果激励频率出现在50～10Hz，发动机—变速器总成就会激励，并在它的支撑上限制上、下运动。在汽车前部就可感觉到这种烦躁的振动现象。为减小发动机晃动，需要很好设计发动机和变速器的支撑。必须保证汽车前桥在相应激励时发动机—变速器总成没有太大的振动能量，因为振动能量太大会引起发动机—变速器总成处的一种猛烈抖动的振动冲击，且可被驾驶人感受到。为抑制发动机晃动，发动机需要刚性支撑，但在将发动机—变速器总成刚性地连接在车身上时，发动机的物体噪声激励就会更多地传递到车身上。这样，除了发动机怠速振动舒适性恶化外，还恶化了声学传递性能。可用液力支撑解决这两个相互不同的要求，它在高频时具有高的隔离性能，在发动机晃动的频率范围液力支撑可以变硬。可控液力支撑既可用一个动态刚性支撑，也可用软支撑的控制信号调节。隔振元件首先用在驱动装置在怠速时有高度的转动均匀性的柴油机汽车上。为减小乘员室的振动，在靠近怠速范围，支撑元件要处在“软”的状态；在行驶时再转换到“硬”的状态，这有利于抑制发动机晃动。在座位移动时所产生的车身的振动与在4～8Hz的座椅—人的谐振频率的耦合会使乘员严重不舒服。据此，要使车身悬架频率处于2.5～4Hz范围，低于座椅—人的谐振频率。如将车身的谐振频率降得太低，则车身悬架的行程太大。车身谐振频率的重要特性除车身质量外，还有悬架的刚性和阻尼。刚性和阻尼同样是调整座椅谐振频率的影响因素。

3.车轮激励引起的振动

车轮激励引起的振动源于车轮的不平衡。车轮不平衡和其他因素使车身出现与速度有关的摆动振动。车轮不平衡一方面是由于轮胎的不圆度、另一方面是由于车轮本身的质量分布不均匀造成的。为保证汽车在高速行驶时的良好的抗振动舒适性，可对车身结构动力学按车轮的1阶惯性力计算^[9]。动力学计算直接与车速成正比。由图3.4-42可见，怠速位于1阶弯曲、1阶扭转和转向盘振动频带的上限，频带下限由车轮1阶惯性力确定。汽车的两个特征形式的谐振频率越低，则它越容易受到1阶车轮惯性力的激励，因而越危险，导致高速时整个汽车谐振。