礦用自卸車乘坐舒適性試驗研究

索雪峰，焦生杰，馬錫勇，李 凱

（長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，西安710064）

隨著礦用車輛的發展，車輛的乘坐舒適性成為人們越來越關心的問題，尤其是礦用車輛行駛路面差、駕駛員工作時間長，舒適性差會對駕駛員身體造成嚴重損傷。因此，研究影響礦用車輛乘坐舒適性的因素，對于改善車輛性能、保護駕駛員的身心健康具有重要意義。

Griffin等[1]指出乘坐的舒適性與車輛振動有關，短時間乘坐不舒適的車輛會造成身體不適，長期的話會對身體造成損傷，很容易造成背部和頸部的肌肉損傷。S.Komamura等[2]指出當沖擊頻率在0.1 Hz～0.5 Hz 之間時會造成乘坐人員暈車，當沖擊頻率在0.5 Hz～80 Hz 時會造成乘坐人員舒適性差。Kyuhyun Sim 等[3]對農用拖拉機進行了舒適性測試和研究，最終通過采用半主動懸架提高了車輛的舒適性。Yufen Zhou 等[4]通過仿真分析了車輛在長橋上行駛的乘坐舒適性，并分析了其它車輛及風力對舒適性的影響。鄭州大學李成等[5]以某SUV為研究對象，運用ADAMS軟件建立整車模型，以B、C級隨機路面為輸入路面，依照國家標準進行汽車平順性仿真分析，得到降低懸架剛度可以改善汽車行駛平順性的結論。西南交通大學笪穎帆[6]以某60 t 鉸接式自卸車為研究對象，參照相關平順性評價標準，運用SIMPACK 多體動力學軟件對鉸接式自卸車進行了平順性仿真分析研究。王貴春等[7]利用仿真手段分析了車輛通過大橋時車輛的動力響應和舒適性。

上述研究中，多數關于車輛乘坐舒適性的研究都是借助仿真手段[8]。在實際礦區路面上進行試驗和分析很少。為了研究影響車輛舒適性的主要因素，本文以某110 t 的礦用自卸車為研究對像，建立整車10自由度動力學模型，分析影響車輛舒適性的主要因素。并選擇礦區隨機路面進行現場測試和研究，得出不同工況下車輛的舒適性，分析影響車輛乘坐舒適性的主要因素，可為進一步改善車輛乘坐舒適性提供指導。

1 整車10自由度動力學模型

礦用自卸車是一個復雜的多自由度振動系統，為了能充分反映系統特性，本文建立考慮座椅剛度和阻尼在內的整車10自由度振動模型，研究車輛的乘坐舒適性，忽略輪胎的阻尼。

礦用自卸車的10 自由度動力學模型如圖1 所示。其中左側是正視圖，右側是側視圖。

圖1 整車10自由度動力學模型

據牛頓第二定律，可得到整車運動的數學模型，即式（1）至式（10）。

模型中各參數含義如下：

qa1L、qa1R、qa2L、qa2R、qa3L、qa3R為前、中、后橋左右車輪路面輸入；

m1L、m1R、m2L、m2R、m3L、m3R為前、中、后橋左、右側非懸掛質量，均為150 kg；

m4、m5為車身質量、人和座椅的總質量；

Za1L、Za1R、Za2L、Za2R、Za3L、Za3R為前、中、后橋左右側非懸掛質量的位移；

Za4為車身垂向位移，Za5為座椅垂向位移；

Fc1L、Fc1R、Fc2L、Fc2R、Fc3L、Fc3R為前、中、后橋懸架左、右側的輸出阻尼力；

Fk1L、Fk1R、Fk2L、Fk2R、Fk3L、Fk3R為前、中、后橋懸架左、右側的輸出彈性力；

K1L、K1R、K2L、K2R、K3L、K3R為前、中、后橋左、右側輪胎的垂直剛度；

K7為座椅剛度；

C4為座椅的阻尼系數；

θ、α為簧載質量繞x軸和y軸的轉角；

Ix、Iy為簧載質量繞x軸和y軸的轉動慣量；

d1、d2、d3、d4、d5、y1為前橋距整車質心距離、中橋距整車質心距離、后橋距整車質心距離、座椅距整車質心橫向距離、座椅距整車質心縱向距離、輪距。

由式(1)至式(6)和式（10）可得

由式（8）可得

由式（9）可得

車輛的乘坐舒適性主要取決于座椅的垂直振動加速度Za5、簧載質量繞x 軸的轉動加速度θ和簧載質量繞y軸的轉動加速度α，而以上三個參數的大小又主要取決于路面輸入、懸架剛度和車身尺寸等參數。

綜上可以看出，路面的不平度是整個車輛動力學模型的輸入，是影響車輛乘坐舒適性的主要因素。車輛行駛速度變化會影響路面的沖擊頻率變化從而影響車輛的舒適性；懸架系統的剛度和阻尼也是影響車身振動的關鍵因素，車輛載重變化會影響懸架系統剛度和輪胎剛度，從而影響車輛的乘坐舒適性。本文建立的整車10 自由度動力學模型能夠完整表達各個參數對車輛乘坐舒適性的影響，多個變量之間存在相互耦合作用，因此很難通過理論分析得出具體變量和車輛舒適性之間的關系，故通過實際礦區試驗進行分析研究。

2 試驗方案

試驗隨機選取了某礦區一段路面進行了車輛舒適性測試，路段全長為2.5 km，最大坡度為17.8°。

2.1 試驗工況

載重會影響懸架系統剛度，改變系統偏頻，影響乘坐舒適性。因此試驗中選擇了3 種工況：工況一為空載0 kg，工況二為載重35 000 kg，工況三為滿載70 000 kg。

圖2 空載運行工況

圖3 滿載運行工況

礦區要求車輛最高行駛速度不超過30 km/h，因此測試中速度做了如下選擇：空載工況速度分別為5 km/h、10 km/h、15 km/h、20 km/h、25 km/h、30 km/h；滿載工況速度為20 km/h。

2.2 傳感器布置

ISO 2631—1:1997（E）標準中規定，為了測量車輛的乘坐舒適性，在座椅、靠背和踏板分別安裝了3軸加速度傳感器，具體的位置和方向如圖4所示。

圖4 3軸加速度傳感器安裝位置

3 隨機路面激勵分析

路面不平度是車輛振動的“輸入”信號，要研究車輛的乘坐舒適性，首先就要得到準確的路面輸入信號。路面不平度激勵是一個隨機過程，要對其進行準確完整的描述需要對路面進行全面的統計與分析[9–11]。為了分析速度、載重對車輛舒適性影響的根本原因，引入路面沖擊功率譜密度來描述道路特征，以便深入分析影響車輛舒適性的最終原因。路面不平度功率譜密度Gq(n)的表達式為

式中：n 為空間頻率(每米長度中包含多少個波長)，m-1；n0為參考空間頻率，取n0=0.1 m-1；Gq(n)0為路面不平度系數，w 為頻率指數(決定路面功率譜密度的頻率結構)。

隨機地面的不平整程度如圖5所示。地面的不平度為±60 mm之間，路面的不平整度較差。

3.1 不同速度工況下路面的激勵響應

車輛在同一路段上行駛時，車速變化會改變路面沖擊的頻率。隨著車速增加，頻率增大，同時波長變短，從而影響車輛的振動，最終導致車輛乘坐舒適性發生變化。圖6分別是速度為20 km/h和25 km/h時地面激勵的時域響應。

圖5 隨機路面的不平度

圖6 路面激勵的時域響應

從圖6 中可以看出速度為25 km/h 時路面激勵的加速度大于20 km/h時對應的值，把加速度的時域響應通過傅里葉變換轉化成頻域響應，得出不同工況下地面激勵的頻域響應。圖7 和圖8 分別是車輛行駛速度為20 km/h 和25 km/h 時地面激勵的頻域響應。

圖7 空載速度為20 km/h工況下路面激勵的頻域響應

從路面激勵的頻譜響應可以看出：空載速度為20 km/h時地面激勵的頻率主要集中在0～5 Hz之間，在3 Hz達到峰值。空載速度為25 km/h時，地面激勵的頻率主要集中在0～10 Hz 之間，在4.2 Hz 達到峰值。

通過對比可以得出：隨著車輛行駛速度的增加，地面對輪胎激勵加速度的大小和頻率都增大。

圖8 空載速度為25 km/h工況下路面激勵的頻域響應

3.2 不同載重工況下路面的激勵響應

車輛在相同路段上行駛時，車輛載重變化也會影響車身振動，導致車輛舒適性變化。圖9 為速度20 km/h、載重為70 000 kg時地面激勵的頻域響應。

圖9 滿載速度為20 km/h工況下地面激勵的頻域響應

重載車速在20 km/h時，路面的激勵頻率主要集中在低頻0～10 Hz，峰值頻率是1.6 Hz。對比圖7空載時的頻域響應可以看出，載重越大，簧載質量越大，地面的沖擊頻率越低。

4 試驗結果

ISO 2631—1:1997（E）標準中規定，可直接采用總加權加速度均方根值評價振動對人體舒適性和健康的影響。

4.1 不同速度工況下車輛的舒適性對比

為了分析速度對車輛乘坐舒適性的影響，通過試驗數據處理得出了5 km/h～30 km/h 之間不同速度工況下的總加權加速度均方根值aw，具體情況如圖10所示。

從圖10可以看出，速度在20 km/h以下時，總加權加速度均方根值處于0.315 m/s2～0.63 m/s2之間，人體的主觀感覺屬于稍有不舒適；當速度在20 km/h～25 km/h 之間時總加權加速度均方根值處于0.5 m/s2～1 m/s2之間，人體的主觀感覺屬于相當不舒適；當速度大于25 km/h 時，總加權加速度均方根值處于0.8 m/s2～1.6 m/s2之間，人體的主觀感覺是不舒適。由此可見，隨著速度的提高，總加權加速度均方根值明顯增大，車輛乘坐舒適性變差。曲線越來越陡，說明隨著速度增加，速度變化對舒適性的影響越來越大。

圖10 空載不同速度下的總加權加速度均方根值

4.2 不同載重工況下車輛的舒適性對比

為了分析載重對車輛乘坐舒適性的影響，分別得到了速度為20 km/h、載重為0 kg、35 000 kg 和70 000 kg 3 種工況對應的總加權加速度均方根值，如圖11所示。

圖11 速度為20 km/h時不同載重工況下總加權加速度均方根值

車輛速度為20 km/h 時總加權加速度均方根值處于0.315 m/s2～0.63 m/s2之間，人體的主觀感覺屬于稍有不舒適，曲線的變化趨勢可以看出隨著載重的增加，總加權加速度的均方根值變小，車輛舒適性越好。曲線越來越平，說明隨著載重增加，新增載重對舒適性的影響越來越小。

5 結語

(1)車輛行駛速度是影響乘坐舒適性的關鍵因素，隨著車速提高，路面激勵加速度的大小和頻率增大，導致總加權加速度值變大，車輛的舒適性變差。總加權加速度均方根值隨速度變化的曲線越來越陡，說明隨著速度增加，速度變化對舒適性的影響越來越大。

(2)車輛載重也是影響舒適性的重要因素，隨著載重增加，路面激勵加速度的大小和頻率都減小，總加權加速度值變小，導致車輛的舒適性變好。總加權加速度均方根值隨速度變化的陡曲線越來越平，說明隨著載重增加，新增載重對舒適性的影響越來越小。

(3)從車輛在不同速度和載重工況下功率譜密度曲線可以看出，地面激勵的頻率主要集中在0～10 Hz，峰值頻率出現在1.6 Hz～4.2 Hz。設計車輛懸架和座椅時可以重點對該頻率段內進行減振，以提高車輛的舒適性。