CN102658843B - 避免常用车速下汽车驾驶室共振的动力装置参数匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种避免常用车速下汽车驾驶室共振的动力装置参数匹配方法，其步骤如下：1.根据汽车的基本性能对发动机和传动系参数进行满足动力性与经济性的匹配确定。2.避免汽车在常用车速范围内驾驶室的共振：确定出汽车的常用车速范围；采用有限元分析模型确定驾驶室的各阶固有频率及影响驾驶室舒适性的主要振型；确定出车轮的旋转激励频率与驾驶室的固有频率相近或是重合的常用车速范围：增大车轮半径在常用车速范围内车轮的旋转频率与驾驶室的固有频率不重合。3.改变车轮半径后重新验算汽车动力传动装置参数是否改变了汽车的动力性与经济性处于最优，否者，按第1至第3步骤设计与优化满足汽车的动力性、经济性和舒适性的动力装置参数。

Description

避免常用车速下汽车驾驶室共振的动力装置参数匹配方法

技术领域

本发明应用于汽车工程领域，更确切地说，本发明涉及一种避免常用车速下汽车驾驶室共振的动力装置参数匹配方法。

背景技术

汽车动力装置参数系指发动机的功率、传动系的传动比(变速器各档传动比和主减速器传动比)。汽车的动力性、燃油经济性和排放特性的好坏在很大程度上取决于发动机的性能和动力传动装置的形式及参数的选择，即取决于汽车动力传动系统合理匹配的程度。

目前在设计确定汽车传动装置的参数时，主要考虑的是汽车的动力性、经济性和排放特性。2010年1月(第1版)由林学东编著的中国水利水电出版社出版的《汽车动力匹配技术》一书中介绍了汽车动力传动系统匹配的方法，其确定方法步骤如下：

首先，根据汽车理论知识初步选择确定动力装置参数，包括发动机的功率、最大传动比、最小传动比、传动系档位数和主减速器速比。

其次，根据确定出的不同动力装置参数，利用优化理论计算、分析不同参数匹配下汽车的动力性和经济性是否最优。如果汽车的动力性、经济性都处于最优区域，则该动力装置参数就是所要确定的参数。如果动力性、经济性差，则需要重新调整动力装置参数，再进行计算、分析，直到汽车的动力性、经济性达到最优为止。

这种确定方法能够按照优化目标函数使汽车的动力性、经济性或是排放性最佳，但是却没有考虑汽车的舒适性这一因素。汽车在运行过程中行驶到某一车速时会由于车轮的激励频率与驾驶室固有频率相近或是相同，而出现驾驶室共振现象，驾驶室抖动剧烈、噪声加大，汽车零部件的寿命降低，严重恶化乘员的乘坐舒适性。目前对这一问题的解决方法多是采用隔振措施来减小驾驶室的振动噪声。但是隔振的实现相对来说会比较复杂，还会增加成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的问题，提供了一种避免常用车速下汽车驾驶室共振的动力装置参数匹配方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的避免常用车速下汽车驾驶室共振的动力装置参数匹配方法的步骤如下：

1.根据汽车的基本性能对发动机和传动系参数进行满足动力性与经济性的匹配确定。

2.避免汽车在常用车速范围内驾驶室的共振：

1)根据汽车的不同用途和经常行驶的环境确定出汽车的常用车速范围。

2)采用实验方法或有限元分析模型计算确定出驾驶室的各阶固有频率及影响驾驶室舒适性的主要振型。

3)计算确定出车轮的旋转激励频率与驾驶室的固有频率相近或是重合的常用车速范围：

计算车轮的旋转激励频率公式为

其中：v.汽车车速，单位.Km/h，R.车轮半径，单位.m。

4)增大车轮半径，在常用车速范围内车轮的旋转激励频率与驾驶室的固有频率不重合，使汽车在允许的车速范围内不出现因车轮的旋转激励频率和驾驶室的固有频率相等而产生共振与影响汽车舒适性的现象。

3.改变车轮半径后重新验算汽车的动力传动装置参数是否改变了汽车的动力性与经济性处于最优，若汽车的动力性与经济性未发生变化或是变化不大，则动力装置参数设计合理；若不合理，再按照第1至第3步骤设计与优化满足汽车的动力性、经济性和舒适性要求的动力装置参数。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的避免常用车速下汽车驾驶室共振的动力装置参数匹配方法对已经确定好的车型及各参数，在不改变其驾驶室结构设计的基础上，仅通过调整动力传动系统的一些设计参数就可以避免汽车在常用车速下驾驶室产生共振现象，方法简单，实现容易，成本低，舒适性得到很大提高。

2.本发明所述的避免常用车速下汽车驾驶室共振的动力装置参数匹配方法在进行汽车的动力性和经济性匹配时，同时兼顾了舒适性指标，从而使其综合性能得以提升。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是现有技术中根据汽车的基本性能对发动机和传动系参数进行满足动力性与经济性要求的匹配确定方法的流程框图；

图2是本发明所述的避免常用车速下汽车驾驶室共振的动力装置参数匹配方法提高驾驶室舒适性的动力装置参数匹配方法的流程框图；

图3是改变车轮半径前汽车常用档位等速行驶的发动机工作曲线；

图4是改变车轮半径前各档动力因数曲线图；

图5是采用本发明所述的避免常用车速下汽车驾驶室共振的动力装置参数匹配方法优化后的汽车常用档位等速行驶的发动机工作曲线；

图6是采用本发明所述的避免常用车速下汽车驾驶室共振的动力装置参数匹配方法优化后各档动力因数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

为了解决现有的确定动力装置参数的方法中只追求汽车的动力性、经济性和排放性，而忽略了汽车的舒适性这一重要因素，汽车在常用车速行驶时会由于激励频率与驾驶室的固有频率相近或是重合而出现驾驶室共振，影响汽车的乘坐舒适性这一问题，本发明采用一种新的确定动力装置参数的方法，使汽车在其常用车速行驶时避免或减小振动的激励频率与驾驶室的固有频率重合，从而在其常用车速时避免驾驶室共振现象的发生，提高汽车的舒适性，然后再优化匹配动力装置参数，使汽车依然具有较优的动力性和经济性。

为了提高汽车的动力性、经济性，动力传动装置参数与发动机的合理匹配至关重要。本发明在一般的以动力性、经济性为优化目标函数的动力传动装置参数的确定方法的基础上，考虑了汽车驾驶室的舒适性，在满足舒适性的基础上再兼顾汽车的动力性和经济性，优化、匹配动力装置参数。

参阅图2，所述的避免常用车速下汽车驾驶室共振的动力装置参数匹配方法的步骤如下：

1.根据汽车的基本性能对发动机和传动系参数进行满足动力性与经济性的匹配确定。

2.避免汽车在常用车速范围内驾驶室的共振：

1)根据汽车的不同用途和经常行驶的环境确定出汽车的常用车速范围。

2)采用实验方法或有限元分析模型计算确定出驾驶室的各阶固有频率及影响驾驶室舒适性的主要振型。

3)计算确定出车轮的旋转激励频率与驾驶室的固有频率相近或是重合的常用车速范围，计算车轮的旋转激励频率公式为

其中：v为汽车车速(Km/h)，R为车轮半径(m)。

4)增大车轮半径，使在上述的常用车速范围内车轮的旋转激励频率与驾驶室的固有频率不重合，达到在此常用车速范围内时消除或是减小驾驶室共振现象的目的。由于车轮的旋转激励频率为

与车速和车轮半径有关，增大车轮半径R，可以使汽车在车速高于120Km/h后或是在汽车不常用的车速范围内才出现车轮的旋转激励频率与驾驶室的固有频率相近或重合，使驾驶室出现共振现象。这样，增大车轮半径后，就使汽车在行驶过程中所允许的车速范围内不会出现因车轮旋转激励频率和驾驶室的固有频率相等产生共振而影响汽车舒适性的现象。

3.改变车轮半径后重新验算汽车的动力传动装置参数是否改变了汽车的动力性与经济性等基本性能处于最优。若汽车的动力性与经济性未发生变化或是变化不大，则动力装置参数设计合理；若不合理，再按照第1至第3步骤设计与优化满足汽车的动力性、经济性和舒适性要求的动力装置参数。

实施例：

1.预设计的一款轻型客车的整车参数如下：

整备质量：M＝2300Kg

车轮半径：R＝0.3m

风阻系数：C_D＝0.5

迎风面积：A＝3.1m²

传动效率：η_t＝0.85

五档变速器传动比

ig1	ig2	ig3	ig4	ig5
					5.020	2.721	1.602	1.00	0.768

主减速器传动比：i₀＝5.65；

汽油发动机额定功率：52Kw(4200-4600r/min)；

汽油发动机最大扭矩：162N·m(2500-3000r/min)；

最低燃油消耗率：251g/Kw·h；

2.避免汽车在常用车速范围内驾驶室的共振：

1)轻型客车经常行驶的道路为城市道路、等级公路和高速公路。而汽车行驶时，城市道路不得超过每小时50公里，等级公路不得超过每小时70公里，而高速公路车速多在90-110公里之间，所以轻型客车在70-90Km/h和高于110Km/h为不常使用车速范围。

2)通过驾驶室模态有限元分析模型计算得出驾驶室的固有频率及振型如下表：

阶次	频率(Hz)	振型
			1	20.8	整体左右摆动
2	22.1	整体前后摆动
			3	24.3	整体上下振动
4	39.2	整体垂向扭转
			5	40.5	后面板振动
6	46.5	右侧前、后板同向振动

7	48.7	前后面板反向振动
			8	52.8	右侧前、后板同向振动、顶板波动
9	54.0	右侧前、后板反向振动
			10	58.4	顶板振动

其中，后面板振动(5阶振型)和顶板振动(10阶振型)是影响驾驶室舒适性的主要振型。发动机的爆发频率为高频频率，在汽车高速行驶过程中不会与驾驶室的振动频率重合而导致驾驶室共振；而由于轮胎的不平衡，其旋转时会产生较强的振动，这是引起驾驶室共振的主要原因之一。

3)求取车轮的旋转激励频率与上述驾驶室振动频率相同或相近时的车速。车轮旋转时的激励频率计算公式：

当车轮旋转时的激励频率与后面板振动频率相同时，由

得：v＝75km/h；

当车轮旋转时的激励频率与顶板的振动频率相同时，由

得：v＝110km/h；

由上式可得：当车速v＝75km/h左右和v＝110km/h左右时，轮胎的不平衡产生的激励频率与驾驶室的后面板振动频率和顶板振动频率分别相近，则驾驶室会发生共振。

4)增大车轮半径调整车轮的转速范围，使其激励频率在汽车常用车速时与驾驶室的固有频率错开，避免驾驶室的共振。

由车轮旋转时的激励频率公式

得，车轮旋转的激励频率与车速v和车轮半径R有关。所以，为了使车轮旋转的激励频率与顶板的振动频率重合时的车速出现在120km/h之后，就需要增大车轮半径。

由于车轮是标准件，查找车轮规格，调整车轮半径参数到R＝0.33m，此时：

(1)当车速v＝75km/h时，

这与驾驶室后面板振动的固有频率40.5Hz有很大差距，在此车速附近就不会出现驾驶室共振现象。当车速v＝83.9km/h时，

才出现车轮旋转频率与驾驶室后面板振动的固有频率重合，但是此车速为汽车不常用车速(汽车行驶时，城市道路不得超过每小时50公里，等级公路不得超过每小时70公里，而高速公路车速多在90-110公里之间)，所以对汽车行驶的舒适性影响不是很大。

(2)当车速v＝110Km/h时，

此频率与驾驶室顶板振动的固有频率就相差很多，不会产生共振现象。当车速v＝121km/h时，此时驾驶室才会出现顶板共振现象，但是此车速为我国高速公路行驶车辆所不允许的车速，所以在此车速出现驾驶室共振对舒适性影响不大。

3.车轮半径发生改变后，再按照汽车应满足的动力性和经济性对传动装置参数做优化处理。

调整参数后五档变速器的各档传动比：

ig1	ig2	ig3	ig4	ig5
					5.592	2.814	1.577	1.00	0.794

主减速器的传动比为：i₀＝4.83。

参阅图3至图6，优化前后汽车常用档位等速行驶的发动机工作曲线和各档动力因数曲线对比可见，优化后汽车在常用档位等速行驶的发动机工作曲线虽然不在最佳经济区范围内，但是偏离最佳经济区不是太多，整体经济性效果还是很理想。优化后汽车的各档最大动力因数相对优化前有所减少，但是减少的程度不是很大，动力性还是满足设计要求的。

优化前后汽车0-100公里加速时间和百公里多工况油耗如下表：

由上表可见，调整参数后，汽车的0-100公里加速时间增加了

百公里多工况油耗增加了

但是增加幅度不是太大，仍然符合设计要求。

从上述实例可见，通过增大车轮半径后，汽车在高速行驶时避免了驾驶室的共振现象，整车的舒适性得到很大的改善，同时，又对动力装置参数进行优化处理后，虽然整车的动力性、经济性不如改变车轮半径前理想，但是其性能还是比较接近最优区域。

Claims (1)

1.一种避免常用车速下汽车驾驶室共振的动力装置参数匹配方法，其特征在于，所述的避免常用车速下汽车驾驶室共振的动力装置参数匹配方法的步骤如下：

1)根据汽车的基本性能对发动机和传动系参数进行满足动力性与经济性的匹配确定；

2)避免汽车在常用车速范围内驾驶室的共振：

(1)根据汽车的不同用途和经常行驶的环境确定出汽车的常用车速范围；

(2)采用实验方法或有限元分析模型计算确定出驾驶室的各阶固有频率及影响驾驶室舒适性的主要振型；

(3)计算确定出车轮的旋转激励频率与驾驶室的固有频率相近或是重合的常用车速范围：

计算车轮的旋转激励频率公式为

其中：v.汽车车速，单位.Km/h，R.车轮半径，单位.m；

(4)增大车轮半径，在常用车速范围内车轮的旋转激励频率与驾驶室的固有频率不重合，使汽车在允许的车速范围内不出现因车轮的旋转激励频率和驾驶室的固有频率相等而产生共振与影响汽车舒适性的现象；

3)改变车轮半径后重新验算汽车的动力传动装置参数是否改变了汽车的动力性与经济性处于最优，若汽车的动力性与经济性未发生变化或是变化不大，则动力装置参数设计合理；若不合理，再按照第1)至第3)步骤设计与优化满足汽车的动力性、经济性和舒适性要求的动力装置参数。

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