汽车振动问题研究分析

　摘要

当行驶的车辆处于地面不平顺的情况下，车辆的振动加大，载荷的偏差也可能加大，这样整体的振动对车辆一些螺栓零件，悬挂装置都会有影响，导致使用的寿命和可靠性都出现问题，这样零件的磨损也会加大。现代经济发展迅猛，现在人们的经济条件都比较好，家用私家车的采购和使用越来越多，不过对车辆的乘坐的舒适性要求也越来越高，为了满足现在广大群众对乘坐舒适性的要求，车企如何通过对车辆的设计来提高乘坐舒适性，这样对车企的发展都是具有决定性影响的。

关键词：汽车振动；振动系统；舒适度

　1绪论

　　1.1研究背景

经济发展迅猛，现在人们的经济条件都比较好，家用私家车的采购和使用越来越多，不过对车辆的乘坐的舒适性要求也越来越高，针对不同人群的喜好，要保证车辆在振动下的乘坐舒适性，这是车辆设计和研究很重要的一部分，车辆的座椅作用就是减缓掉在车辆行驶中因为道路不平会造成冲击振动，为乘坐人和司机带来比较好的舒适性，提供一个比较好的乘坐舒适性。汽车振动舒适度的动力学参数——固有频率和阻尼比对振动舒适度的减振性能有重要影响，同时振动舒适度的设计尺寸与人体测量数据密切相关。因此振动舒适度的舒适性越来越多的成为广大工程科技人员研究的对象。

在一些发达国家已经把汽车振动舒适性研究列为一个非常重要的研究课题，受到越来越广泛的关注。很多汽车生产企业组建专业的研发团队对汽车振动乘坐舒适性进行研究。

1.2研究定义、目的及意义

　　1.2.1研究定义

汽车乘坐舒适性是对现如今汽车性能的一个非常重要指标。一辆机动车乘坐舒适性能好，那么驾乘人员在机动车行驶过程中不容易出现疲劳的感觉，有利于保障行车安全，同时汽车动力性能也可以得到最大程度的发挥，从而汽车可以得到较高的平均速度。如果汽车的舒适性能比较差，那么行驶过程中出现比较大的动载荷，那么此时会增加对该车零部件的磨损，减短该车的行驶里程使用寿命。

车辆在设计中会设计很多的起到舒缓、隔离和吸收振动的一些部件，比如座椅、减震器等等，这样虽然车辆在行驶中和产生一些振动，但是通过合理的分析设计可以使振动达到一个乘坐人能接受的合理范围内。汽车行驶中主要的振动还是来自地面的不平整导致的振动，当然，车辆的发动机、自身质量不均匀都会导致不平衡和载荷拨动，这样都会导致汽车产生振动。现代的汽车都是采用的弹性悬架装置，这样车体座椅与地面之间有车轮的轮胎作为缓冲，还有悬挂装置作为缓冲支撑。

车辆行走的过程中带来了振动激励，然后其通过车辆座椅传递到乘坐人的腰部和臀部，这样会给乘坐人带来振动激励，如果传递来的振动与乘坐人身体器官的固有频率相近的时候，就会使乘坐人的器官产生共振，而且会产生位移，进而导致乘坐人的舒适感受比较差，进而可能会导致乘坐人的身体产生建块问题。当人体承受垂直振动时，专家对此的研究结果是，人体对于对4-8Hz频率范围的垂直振动以及1-2Hz频率范围的水平振动的能量传递率最大，其生理响应也最大。

随着社会的进步，居民生活水平的提高，机动车在日常生产生活中使用率非常高，越来越多的人购置机动车，所以一天中很大的一段时间会在车辆汇总度过，所以人们对机动车乘坐舒适性的要求越来越重视，汽车振动乘坐舒适性是一个很有现实意义的研究课题。

随着机动车生产制造技术的革新，以及社会大众对机动车振动乘坐舒适性的要求，很多机动车生产厂商不断追求生产出可以提供优质汽车乘坐舒适性的汽车。随着社会经济的蓬勃发展，国内汽车制造业发展迅猛，汽车生产制造竞争日益激烈，很多汽车生产公司投入很多的科研力量致力于研发出舒适性好、高性能的产品。由此可见汽车乘坐舒适性的研究有很重要的现实意义。

　1.2.2研究目的

乘车人可能在工作的过程中长期处于车内乘坐状态，这种情况下乘坐的舒适性会极大的影响乘车人的身体状态和乘车心情。如果行驶的路面凹凸不平，这样产生的振动会影响乘客的舒适性，也可能会导致乘坐的心情，另外振动也容易引起疲劳，严重的情况下，如果传递来的振动与乘坐人身体器官的固有频率相近的时候，就会使乘坐人的器官产生共振，而且会产生位移，长期处于这种情况下也可能导致乘坐人的心脏问题，因此如何提高车辆的乘坐的舒适性，这样需要对车辆的设计和制造提高了更高的要求，不过乘坐舒适性的提供也有利于车辆行驶的安全性。

2相关理论基础

　　2.1汽车振动乘坐舒适性定义

汽车振动乘坐舒适性主要是机动车所承载的乘客对行驶机动车受到的振动适应程度。那么这对汽车在不平路面通行过程中有很好的隔振特性，同时该汽车驾驶人生理心里都应该对该车振动特性的总体反应有主观的评价。在这一章节所阐述的汽车振动乘坐舒适性就是指驾乘人员对汽车振动的评价问题。

振动舒适性的概念就是乘坐人因为汽车形式产生的振动而引起的舒适情况。在汽车振动的过程中，会产生一些机械方面、心理方面的问题。乘车人的振动主要是通过腰部和臀部的座椅坐垫传递到乘车人体内的，其强度用臀部与座垫接触界面中心垂直方向的振动加速度、振动频率、受振动的持续时间来描述。

通过很多文献的调研发现，乘车人因为收到长时间的振动，对身体的腰部、臀部和颈椎的不良影响是长时间积累下来的，可能通过几年时间才会有明显的痛感和压力。专家通过模型的分析，对乘车人承受振动的情况进行了分析，但是因为环境不同，个人情况也不同，到现在还没有办法总结出一个标准的定量来衡量因为汽车振动对乘车人身体健康带来的弊病。

　2.2汽车机械振动定义

乘车人在汽车行驶的过程中会受到两种机型振动，包括全身振动和局部振动两种，全身振动就是从人体脚步的支撑位置传递到全身的振动行驶，而局部振动是只身体部分位置受到振动，例如手臂、脚步位置等，因此局部的振动不会给乘车人带来危害，但是对于整个心态都有影响。

　2.3人体承受振动的分类

机动车乘客的机械振动综合相关资料可以得知大致分为局部振动和全身振动。顾名思义局部振动就是机动车乘坐人的身体某一些部位通过方向盘的振动，踏板等转移到乘客的手脚上面，大多数情况下局部振动是不会对乘客有什么伤害的，只会对机动车的操作准确性产生影响。机动车行驶过程中乘客所精力的振动就是全身振动，这种振动可能会对乘客造成严重伤害的主要振动行驶。乘车人在汽车行驶的过程中会受到两种机型振动，包括全身振动和局部振动两种，全身振动就是从人体脚步的支撑位置传递到全身的振动行驶，而局部振动是只身体部分位置受到振动，例如手臂、脚步位置等，因此局部的振动不会给乘车人带来危害，但是对于整个心态都有影响。乘车人的振动主要是通过腰部和臀部的座椅坐垫传递到乘车人体内的，其强度用臀部与座垫接触界面中心垂直方向的振动加速度、振动频率、受振动的持续时间来描述。通过很多文献的调研发现，乘车人因为收到长时间的振动，对身体的腰部、臀部和颈椎的不良影响是长时间积累下来的，可能通过几年时间才会有明显的痛感和压力。

车辆行走的过程中带来了振动激励，然后其通过车辆座椅传递到乘坐人的腰部和臀部，这样会给乘坐人带来振动激励，如果传递来的振动与乘坐人身体器官的固有频率相近的时候，就会使乘坐人的器官产生共振，而且会产生位移，进而导致乘坐人的舒适感受比较差，进而可能会导致乘坐人的身体产生建块问题。在输入和输出之间加上一个反馈控制的环节，这样就可以很大程度改善汽车乘坐的舒适性。

　2.4汽车振动舒适度静态舒适性

汽车静态舒适性是汽车座椅与舒适度之间的关系。为了保证汽车的静态舒适性，因此主要研究的就是汽车驾驶室的布局和视野问题，要充分的考虑到振动舒适的情况，驾驶室布局的情况，包括尺寸和视野，控制按钮的设计情况，这样再通过人体的细致研究，就可以得到静态舒适性的一些数据。

人体工程学对振动舒适性有特殊要求：

1.振动舒适度应参照人体测量数据确定；

2.振动舒适度可相应调节以适应坐姿的变化；

3.振动舒适的位置应与其工作空间相协调，以方便人员工作。

4.最终姿势和振动舒适度外观

　2.5本章小结

本章节主要是阐述了诸多影响汽车舒适性的振动因素，其中包括汽车悬挂的设计、汽车行驶中轮胎的运行状态还有汽车座椅的结构都影响乘坐人的舒适性，这样可以有利于我们通过这些主要因素来采取相关的措施减少振动。

　3汽车振动影响分析

　　3.1汽车悬挂系统影响舒适性振动

通过查阅相关资料可以得知汽车悬挂系统在汽车整个系统中是一个非常重要的环节，悬挂系统可以对整车的车身起到支撑作用，而且在机动车行进过程中该系统可以减少路面轮胎传到车身的振动，可以最大程度提高机动车的乘坐舒适性能，同时机动车中的转向操作悬挂系统可以保持机动车行驶的稳定性能以及安全性能。

(1)汽车悬挂系统分类

据相关资料得知汽车的悬挂系统可以根据汽车左右两边轮子的机械关系对其进行分类：独立悬挂和非独立悬挂。资料显示非独立悬挂系统中有刚性横向结构元器件把两个或者多个车轮链接在一起，此种连接有一个不可忽视的缺点就是该车中如果有一个车轮产生垂直位置移动的时候那么此时和其连接在一起的其他车轮也会随之发生位置移动。独立悬挂系统就不会有这个弊端，通过查阅资料，汽车中独立悬挂系统的优点归纳如下：

A独立悬挂系统可以减小非悬置的质量，那么此时就有利于改进在高速行进中汽车的操控性能和牵引性能；B独立悬挂系统使用的是刚度不高的弹簧，那么此时有利于改善行进中汽车的乘坐舒适性；

C独立悬挂系统可以减小汽车行进过程中的振动；

D独立悬挂系统可以保持比较低的质心，而且可以保证比较大的车辆通过性距离底面的高度；

E独立悬挂系统可以获得非常合理的轮距

(2)汽车悬挂系统的特点以及性能

汽车悬挂系统可以根据有没有可变参数的功能进行划分，大致分为被动悬挂，主动悬挂以及半主动悬挂这三类。A被动悬挂系统

在平时汽车生产中经常使用的弹性元件有螺旋压缩弹簧、气体弹簧、液力弹簧、合成橡胶弹簧等，因为使用不同阻尼介质形式，那么此时减震器大多数是有液力摩擦气体减震器。机动车行驶过程中如果想提高汽车的乘坐舒适性，那么悬挂系统悬挂的刚度药效，悬挂刚度越小那么悬挂变形就会越大，悬挂系统变形大又会影响悬挂的空间，那么在对汽车悬挂系统进行设计的时候，舒适性和悬挂变形是一对矛盾的关系，所以在对其进行机械设计的时候，加入悬挂极限大小确定的话，那么此时应该减小弹簧刚度以及阻尼器的系数，从而提高汽车乘坐的舒适性能。

如果行驶的路面凹凸不平，这样产生的振动会影响乘客的舒适性，也可能会导致乘坐的心情，另外振动也容易引起疲劳，严重的情况下，如果传递来的振动与乘坐人身体器官的固有频率相近的时候，就会使乘坐人的器官产生共振，而且会产生位移，长期处于这种情况下也可能导致乘坐人的心脏问题。因此，为了改善该种情况的反正，就设计了阻尼装置，通过降低悬挂的刚度和强度，可以有效的改善乘坐舒适性。

在被动悬挂系统进行机械设计时需要针对一些矛盾因素权衡利弊找到最为理想的折中方案，但是此时必然导致一些性能指标达不到最理想的状态。被动悬挂系统整体结构比较简单，运行过程中可靠性高，成本投入比较小而且运行过程中不会消耗外部能源，而且随着科学技术进步被动悬挂系统设计不断优化更新，不断有新的设计出现，所以由此可见被动悬挂系统与半主动以及主动悬挂相比仍然有很强的竞争实力。

B主动悬挂系统

在上世纪九十年代有科学家发明了主动悬挂,并且将其应用在了现在的多种车型上面，主动悬挂系统的优势在于可以通过可控的，具有调节的技术参数系统来代替传动的悬挂装置，该种方式的设计包括控制系统，电控系统和传感器信号系统等组成，可通过电控的方式改善乘坐人振动舒适性。

主动悬挂根据其频响特性可分为全主动悬挂和慢主动悬挂。

采用主动力驱动的主动装置来代替传统的一些弹簧部件，阻尼器装置的一整套系统就是全主动悬挂。主动装置的控制是通过电控装置来控制，其信息的来源是安装在车辆内部的各个传感器，通过得到的信息反馈来达到控制悬挂的能力。

但是主动悬挂的缺点是其能耗比较大，因为主动装置的能量来源需要通过电力来提供，其系统的带宽可抵达十几赫兹，因此造成其能耗比较大。

慢主动悬挂系统尤其比较优势的地方，就是其带宽相对于全主动悬挂比较小，频宽的选择一般只考虑车身跳动、俯仰、侧倾的共振频率小于赫兹,而不考虑车轮的共振频率。作为器形式既有传统的液压缸,也有空气弹簧、液气弹簧,甚至是纯机械机构。

在机械设计时考虑如果可以根据传感器所收集到的信息来对路面情况进行判断之后在对其可进行控制，这就是所谓的前瞻主动悬挂。按照该系统的特点来分有两类基本的前瞻主动悬挂：一类是利用机动车中传感器获得车轮前面路面的情况，而后把收集到的路面信息综合分析之后传递给控制执行器，从而克服路面带来的不利干扰。另一类是利用汽车中前轮轴上面得到的相关路面信息，来对路面情况进行汇总，而后指导汽车中的后轮悬挂控制。

C半主动悬挂系统

在机动车中半主动悬挂系统在接近被动悬挂的成本和复杂程度来提供接近主动悬挂的性能。主要是依靠有弹性的元器件和阻尼器并列支撑悬挂的质量。阻尼器在该装置中主要起到的是可控的力发生器，但是该装置中因为受到不消耗的外部能量的束缚，该系统中的半主动悬挂只能消耗装置内部的能量。

　3.2汽车轮胎影响汽车振动舒适性

在汽车行驶过程当中汽车所使用的轮胎对于汽车乘坐舒适性振动有一定的影响，这取决于所选用的汽车轮胎的径向刚度大小，以及轮胎的展平能力和轮胎内摩擦所引起的阻尼力的大小。

汽车中的轮胎作为一个弹性元器件，选择比较理想的轮胎，那么此时该系统中悬挂刚度会比弹簧刚度减小百分之十，在该装置中假设弹簧刚度不变，那么此时减少轮胎的径向刚度，此时装置的悬挂刚度也会随之下降，所以机动车行驶过程中大大提高了乘坐的舒适性。

如果机动车在不平整的路面上行驶的时候，因为轮胎的变形，此时胎心位置移动曲线比道路端面轮廓圆滑平整，此时波长比道路不平整时候波长要长，曲线的浮动数值要比道路不平整时候的浮动数值小，这就是轮胎的展平作用。汽车行驶过程中当轮胎的径向刚度小的时候，那么此时展平作用就会更加明显。轮胎的展平作用越大，那么此时汽车车身的振动就会随之减小，并使车轮的高频共振在更高的车速下才会出现。

在该系统中减小轮胎的径向高度，轮胎的径向变形比较大，轮胎接触地面的面积就会增大，此时就可以很大程度提高轮胎对地面的附着力，悬挂系统可以很大程度减弱汽车的振动。由此可见，在汽车装置中可以随意通过减低汽车轮胎的气压来降低轮胎的刚度，因为汽车胎压降低就会出现操纵不稳定阻尼系数变大的情况，从而大大减短了轮胎的使用寿命。

3.3汽车座椅影响汽车振动舒适性

汽车中的座椅对于汽车乘坐人员在乘坐过程中的疲劳程度有很大的影响，通过查阅相关试验资料得知，汽车座椅安装在汽车的车身中间位置，因为越接近质心，汽车乘坐人员在汽车形式过程中感受到的振动越小，那么在对其进行机械设计的时候为了减小前后方向的振动幅度，此时可以考虑如何才能减少汽车座椅和质心在高度上的差别。

汽车座椅所选用的坐垫的弹簧刚度在选取时应该权衡多方面选择合适的刚度，汽车乘坐人员和座椅系统的固有频率不在最敏感的范围之内，同时不要和车身固有的频率相重合，以此来减小汽车的共振，大多数时候控制在3赫兹。人-座椅系统相对阻尼系数达到0.2，此时才会有比较好的减振效果，高阻尼从原材料制造的泡沫座椅，此时相对阻尼系数可以达到0.3和0.4之间。

汽车座椅阻尼可以减小汽车乘坐人员振动固有的频率，假如把人体本身的减振考虑进去，那么此时固有的频率会随之降低。在汽车行驶过程中避免和车身的频率重合，人-座椅系统当没有阻尼的固定频率的时候此时可以高一些。

汽车乘坐的舒适性在很大程度上和设计的座椅的尺寸结构以及安装方法有很大的关系，同时该车所选用的旋转零部件的动平衡，车身和该车驾驶室的密封性、保暖通风等都有关系。该车减小非悬挂的质量和减少轮胎的径向刚度有一样的减振效果，都可以提高汽车形式过程中的乘坐舒适性。

　3.4汽车发动机影响汽车振动舒适性

车辆无论是在形式的过程中，还是在静态的情况下，只要是发动机工作情况下就会受到来自发动机的振动，正常情况下打开发动机的前机盖，就可以观察到整个发动机都是存在轻微的振动，这是因为燃油的发动机是通过压缩汽油和外部的空气，在压缩的情况下被点燃，发动机的汽缸在燃烧的情况下回产生很大的作用力而上下运动，当发动机内的活塞运动起来，这种机械的运动会导致发动机产生上下的振动，因此发动机只要是工作就必然会发生振动，而且其振动的频率和转速等有直接的关系。通常情况下，发动机的振动是采用多个谐波振动来描述，当发动机的转速与发动机的振动频率一致的话情况下，定义为一阶振动，以此类推还有二阶三阶的振动情况。

发动机的振动会传递给汽车的车架，包括通过车身纵梁和车辆的顶棚，同时振动也可以穿戴到车身的底盘，因此在整个传递振动的过程中，会产生高阶或者高频的振动和共振，一旦产生共振的情况，就会产生很大的噪音污染，也可以导致车体振动的扩大化，这对汽车的舒适性有很大的影响。

　3.5本章小结

本章节主要是阐述了诸多影响汽车舒适性的振动因素，其中包括汽车悬挂系统、汽车行驶中轮胎的运行状态、汽车座椅的结构还有汽车发动机产生的振动都影响乘坐人的舒适性，这样可以有利于我们通过这些主要因素来采取相关的措施减少振动：

(1)降低路噪和胎噪减振是最好的方法，用减振板、吸音垫及车门密封条对叶子板、车地板及车门进行全面隔音施工可以有效改善胎噪和路噪。

(2)发动机的噪音问题可以通过在车架和车门位置上面增加隔音棉，这样将发动机产生的噪音隔离来，提高乘坐的舒适性。

(3)在发动机的上部也就是上机盖的位置加一层专用设计的隔音层，隔音层可以采用高级吸音的材料，另外上机盖的隔音层也可以减少热量流失。

(4)在座椅中可以通过增加机械结构：例如增加一些头枕、加强座椅的舒适性等方面改善座椅的乘坐舒适性。

(5)以及舒缓音乐等形式在增加心理舒适性。

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　　致谢

感谢我的指导老师，在论文写作的过程当中，给了我许许多多的帮助，让我不再感到迷惘和受挫。我还要感谢。感谢我的学校为我大学学习生涯提供了良好的环境。感谢我的父母和家人的关心和帮助。感谢我的学友和朋友们对我的关心和帮助。在以后的工作当中，我将不断鞭策自己努力向前。也祝愿我及亲人、朋友、导师一切顺利。祝愿我深爱的母校蒸蒸日上，更加辉煌！