轎車乘坐舒適性測試系統設計

劉昌力

摘要：論述了車輛振動舒適性的評價方法，介紹了乘坐舒適性國內外研究發展的概況。應用MATLAB建立車身與車輪的二自由度振動模型。針對現有的震動舒適度的評價方法，得到了基于煩惱率的一種評價方法，將整個車輛系統視為二自由度的結構化模型，得到了該車輛結構在得到路面反饋時對車內人員的煩惱率評價，從而進一步分析人員對振動的反饋。

關鍵詞：數值分析;振動舒適性;振動模型;汽車平順性

0? 引言

如今，汽車的舒適性和安全性越來越受到廣泛的關注。車輛振動主要受到懸架結構和路面粗糲度的影響，在路面粗糲度不變的情況下，新一代車輛懸架結構系統在滿足車輛行駛時的安全性的同時，對于車輛行駛時的舒適度也提出了更高的要求，并且在粗糲的地面上行駛時，整個車輛系統對于發動機和傳動系統的振動效應應該具有更好的減震效果。目前所定義的舒適度主要是指視野寬度、座椅的人機工程結構、隔音性能以及車輛結構所引起的振動大小。汽車的乘坐舒適度指的是在駕駛過程中振動和沖擊對駕駛員及乘客的舒適性。為了研對舒適度展開研究，我們對整個車輛系統性的包括發動機和道路因素在內的因素視為一個影響因素集。

近年來針對車輛舒適度方向進行的相關實驗顯示垂直方向上的加速度是引起汽車駕駛員以及乘客不舒適感受的主要因素，在相同路面條件下越小的振動加速代表了更好的舒適度，反之亦然。所以針對汽車舒適度的評判體系中振動加速度的大小是一項重要的評價指標。

2000年，杜子學研究出一種可用于商用乘務車的平順性指標Cgv，并以普通商務車為研究對象，得到了在評定Cgv這項影響加權因子時的有關與車輛行駛時速、路面粗糲都和輪胎齒痕等諸項加權系數的具體計算方法[1]。2001年，孫華使用了相對比較法對乘坐舒適度進行了主觀意識上的評價，在其研究中主觀意識進行評判的的因素可以確定為駕駛員疲勞度、車輛震動程度、乘員乘坐體驗等感覺[2]。日本的鈴木近等人運用了心理學中的SD方法對車輛乘坐舒適度進行人為意識上的評價[3]。2005年，李鴻煒使用了模糊數學的相關觀點建立了影響因子的數學集合，其中具體的指數包括了車輛內人員的身體振動、生理情況和心理影響因子[4]。

1? 評價乘坐舒適度的方法

目前的研究中針對車輛乘坐舒適性的評定方法主要有：乘坐舒適性系數法（RCL法）、吸收功率法、ISO法和NASA單一不舒適性指數法等，在與其他方法的比較中ISO法體現了較為明顯的優勢，在實際應用中也體現出了良好的適用性。比較如圖1所示。

2? 基于煩惱率的乘坐舒適度評價

現有的研究結果顯示基于個體的不同，乘員對振動的感受主要受到振動的頻率和持續時間等影響因子決定，不同身體素質的人對相同的振動情況表現出了不同的適應性。在評價體系中簡單二進制邏輯原理的加速度的極限不能反映出這些不確定性。

在國內外廣泛的研究中，將振動的加速度作為振動舒適度的評價基礎，在基于煩惱率的評價體系里，使用振動加速度系數rms作為其主要的影響因子，表現了在車輛系統模型內駕駛員和乘客對振動的接收程度。

3? 振動舒適性評價

建立系統的車輛物理模型時，除去發動機減震和其他的車身減震元件，將整體的車輛結構視為一個二自由度的運動學模型，在該模型下車身結構里的所有減震元件被當作其他的線性組件進行數學建模。

3.1 基于IS0的舒適度判斷體系

在車輛的模型建立過程中，在考慮到減震元件對車身模型垂直方向上的線性影響，如圖2所示，在車輛模型的振動加速度變化中在數學模型里加入了頻率影響因子來計算振動時的數學值變化。

3.2 建立系統微分方程

在二自由度模型中可定義車輪與車身垂直位移坐標分別為為z1、z2，其運動方程為：

3.3 雙質量系統的傳遞特性

先求雙質量系統的頻率響應函數，將有關各復振幅代入，得：

由式（2）得z2-z1的頻率響應函數：

將式（4）代入式（3）得z1-q的頻率響應函數：

3.4 車身加速度、懸架彈簧動撓度和車輪相對動載的幅頻特性

①車身加速度對路面不平度的頻率特性：

②相對動載對路面不平度的頻率特性。

車輪與路面間相對動載與路面不平度之間的傳遞函數為：

③懸架動撓度對路面不平度的頻率特性。

懸架動撓度為：

懸架動撓度與路面不平度之間的傳遞函數為：

4? 仿真過程

通過建模，我們已經得到了各所需的傳遞函數。下面要利用MATLAB的M文件進行仿真（圖3）。由此我們可以分析出在相對動載荷在路面不平整時車內人員的舒適性，在本文的設計中加入了煩惱率影響因子，在該舒適度判斷體系里對相關的數學值進行了充分的分析，仿真的結果表明了在車身車輪雙自由度模型下的轎車乘坐舒適性測試系統是有效的。

參考文獻：

[1]杜子學.基于乘用車型平順性分析的新指標[J].機器人西南交通大學學報，2000（35）：152-154.

[2]孫華.轎車乘坐舒適性主觀感覺評價及實踐[J].同濟大學學報，2008（25）：239-241.

[3]劉建中，鈴木近，青木弘行，等.汽車乘坐舒適性主觀評價模型的構建[D].汽車技術，1994（9）：11-18.

[4]李鴻煒.用多級模糊綜合評判理論評價汽車乘坐舒適性[J].公路與汽運，2005（2）：1-4.