1.1 汽车振动基础知识

1.1.1 振动的基本概念

振动是指系统中运动量位移、速度、加速度等的振荡现象。具体而言，振动是相对已知的参考系，系统中一个随时间变化的运动量与其平均量相比，时大时小交替变化的现象。振动存在于自然界的各个方面，例如汽车、火车等交通工具在行驶过程中由路面不平引起的振动，锻压机械工作时产生的振动，建筑物受风作用产生的振动，地球内部压力变化产生的振动（地震）等。在许多情况下振动是有害的，影响机械设备的工作性能和寿命，产生有损于建筑物的动载荷和不利于工作的噪声，影响交通工具的乘坐舒适性。对于精密加工机械来说，很小的振动都会影响产品的质量和性能。因此，对于大多数振动来说，都应该将其振动量控制在允许的范围内。

汽车作为一个复杂的振动系统，内部各零部件都具有不同的固有频率。其在行驶过程中因路面不平、车速和运动方向的变化，车轮、发动机和传动系统的不平衡等各种外部和内部的激振作用而产生整车或局部的振动。这些振动使得汽车的动力学性能得不到充分发挥，损坏汽车的零部件，影响货物运载安全性，缩短汽车寿命，同时影响汽车的通过性、操纵稳定性。特别是容易使驾驶人产生疲劳，严重影响汽车的安全性。

汽车的振动问题可用图1-1所示的振动系统框图来描述。对于汽车而言，振动系统可以是汽车中的某个零件、某个部件、某个子系统或整车系统，如曲轴、悬架、发动机悬置、传动系统、轮胎、人体座椅以及整车等。从振动理论来说，图1-1中的振动系统表示研究对象的振动特性，输入（或激励）表示初始干扰和激励等内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界激励作用下的动态响应。汽车振动学就是要分析系统、激励和响应三者之间的关系，探讨系统各参数对振动响应的影响，提出控制振动的方法。

根据图1-1，可把振动问题归纳为以下几类：

1）响应分析：已知输入和系统的参数，求系统的响应。通过对系统振动位移、振动速度和振动加速度响应的分析，判断系统是否满足强度、刚度、振动的要求。

2）动态设计：已知系统的激励，设计合理的系统参数，满足预定要求的动态响应。

3）系统识别：在已知输入和输出的情况下求系统参数，对已有的系统进行激振，测得激振下的响应，然后识别系统的结构参数。

4）环境预测：已知系统的输出和系统的参数，确定系统的输入，以判别系统的环境特性。

1.1.2 振动系统的三要素

汽车系统之所以会产生振动，是因为它本身有质量和弹性，而系统中的阻尼则一定程度上使振动受到抑制。从能量的角度来看，质量可储存动能，弹性可储存势能，阻尼则消耗能量。当外界对系统做功时，系统的质量就吸收动能，使质量获得速度，弹簧获得势能，具有使质量回到原来位置的能力。这种能量的不断转换导致系统振动，如果系统没有外界不断地输入能量，在系统阻尼的作用下，振动现象将逐渐消失。因此，质量、弹性力、阻尼力是振动系统的三要素。

1.质量

在力学模型中，质量被抽象为不变形的刚体，如图1-2所示。

式中， F _m 为质量力； m 为质量； 为加速度； M 为力矩； J 为转动惯量； 为角加速度。

2.弹性力

弹性力是指弹性物体因外力产生形变后的恢复力，如图1-3所示。

根据胡克定律可得：

式中， F _k 为弹性力； k 为弹簧劲度常数； x ₁ 为弹簧下端位移； x ₂ 为弹簧上端位移。

弹性力与弹簧两端的相对位移成正比。

3.阻尼力

阻尼力是指物理运动时受到的一种阻碍运动的力，如图1-4所示。

根据力的平衡可得：

式中， F _c 为阻尼力； c 为阻尼系数； 为阻尼器下端速度； 为阻尼器上端速度。

阻尼力与阻尼器两端相对速度成正比。

实质上，汽车是一个多自由度的振动系统，而悬架系统的关键部件是阻尼减振器，它对车辆振动性能的提高起着重要的作用。

根据振动系统三要素，可以将汽车的整个车身简化为质量块，由阻尼减振器支撑，如图1-5所示。