脈沖輸入工況下的汽車平順性影響因素分析

高潔,張軍

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028；2.大連市交通口岸職業技術學校，遼寧 大連 116013；3.北京建筑大學 機電與車輛工程學院，北京 100044)*

車輛行駛中產生的振動主要是由路面不平引起的，平順性研究就是確保車輛在行駛中產生的振動和沖擊保持在一定界限之內，不會使駕乘人員感到不舒適、疲勞、甚至損害健康，更不能影響車輛結構性能，危及行車安全，或是破壞車輛所承載貨物的完整度[1].

通常情況下，汽車行駛受到的是隨機振動[2-3]載荷的持續作用，但也會遇到路面凸凹障礙物(如路面接縫處、坑洼處、減速帶等)的瞬間強烈沖擊作用.脈沖輸入雖然出現的次數較少、作用時間較短，但瞬間的大振動往往容易引起駕乘人員的的極度不適，對健康有嚴重影響，還會造成車輛零部件和貨物的損壞，因此，研究車輛在脈沖輸入下的振動規律是確保駕乘人員舒適性和車輛架構安全性的重要途徑.

目前，對汽車脈沖輸入下的平順性研究主要集中在評價方法和單一影響因素方面.文獻[4-7]采用頻域法計算振動加速度加權均方根值，并將其作為平順性隨機輸入的客觀評價指標.文獻[8]考慮振動對人體健康的影響，取座椅垂直加速度平均值作為脈沖試驗的評價指標.文獻[9]針對某型越野汽車，通過試驗測得車輛通過不同脈沖路況時，加速度隨時間的變化規律，得到通過不同凸塊高度的安全車速.文獻[10]比較同一車速下不同被測部位的振動情況，分析懸架系統參數對平順性的影響.文獻[11]研究了脈沖輸入下簧下質量對電動汽車平順性的影響.但由于影響平順性的因素是綜合性的，因此，本文從多個角度對脈沖輸入工況下的平順性影響因素進行全面、深入的研究，這對今后的汽車性能優化設計有重要意義.

本文參照GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗方法》，在脈沖輸入下進行了某SUV的平順性試驗，并采用脈沖輸入的指標限值評價法，作出車輛平順性能評價，研究車速、脈沖路況和車輛振動系統參數對平順性和車輛結構安全的影響.

1 某SUV脈沖輸入試驗

1.1 試驗對象

本次試驗采用車輛的具體參數如下：排量為2.4 L；行駛里程為82 526 km；最高車速為185km/h；前懸架為麥弗遜獨立；后懸架為雙叉臂式獨立；整備質量為1 620 kg；輪胎規格為225/65 R17；胎壓為220 KPa；長/寬/高為4 630 mm×1855mm×1720mm；軸距為2 660 mm；前、后輪距都為1560mm.

1.2 試驗條件

依據GB/T 5902-1986《汽車平順性脈沖輸入行駛試驗方法》的規定，選擇一段長約500 m，中間有2個間隔280 m減速帶的平整瀝青路面.

減速帶截面示意圖，如圖1所示.

圖1 減速帶截面示意圖

試驗時，在駕駛員和座椅之間放置安裝傳感器墊盤，確保傳感器要與駕駛員緊密接觸.車速儀監控車速，保證車速偏差在±4%以內.測試系統性能穩定、可靠，頻響范圍不小于0.1～200 Hz.儀器具有指示峰值和均方根值的功能.

試驗車輛分別以10、20、30、40 km/h的速度完成測試，要求駕駛員雙手自然置于方向盤上，熟練駕駛車輛；試驗人員佩戴安全帶，保持放松狀態，自然靠在靠背上.

1.3 試驗過程

試驗時，當汽車行駛到距減速帶50m時，穩定在試驗車速上，確保左右車輪同時駛過減速帶.車輛進入測試區域后，啟動測試儀器，記錄各測量點的加速度時間歷程和振動的全過程，待汽車駛過第二個減速帶且沖擊響應消失后，停止記錄，每種車速工況進行5次試驗.試驗系統如圖2所示.

圖2 試驗系統

1.4 數據處理

試驗中，傳感器測量駕駛員座椅、靠背、腳部地板三個測量點X軸(縱向)、Y軸(橫向)和Z軸(垂直)的振動情況，如圖3所示.

圖3 試驗車輛及測量點布置情況

試驗數據的處理要求：

(1)截斷頻率fc=100Hz；

(2)采樣時間間隔Δt=1/256s；

(3)最低采樣率fmin=2 000 Hz；

(4)有效分辨帶寬Δf=0.25Hz；

(5)功率譜密度計算過程中采用漢寧窗函數.

2 脈沖輸入下的平順性評價方法

根據國標《汽車平順性試驗方法》中脈沖輸入評價的相關內容，將振動加速度(絕對值)最大值|aw(t)|max作為評價指標，按下式計算：

式中：n是脈沖試驗有效次數；|aw(t)|max是振動加速度(絕對值)最大值；|aw(t)|maxi是第i次試驗的振動加速度(絕對值)最大值.

依據文獻[12]運用ISO2631新草案中對健康的評價方法，得到脈沖輸入下的最大振動加速度指標限值與人體健康影響的關系，如表1所示.

表1 脈沖輸入對人體健康影響的評價

本文選擇駕駛員座椅、駕駛員靠背和駕駛員腳部地板三個測量點，采集振動最大加速度值，并與指標限值進行對比，完成該車的平順性評價.

3 試驗結果及影響因素分析

外界輸入和車輛振動系統是影響汽車平順性的主要原因，而外界輸入主要包括行駛車速及路面不平，振動系統主要指懸架、座椅系統零部件的固有頻率、剛度和阻尼等參數.因此，本文主要考慮車速、脈沖工況、車身、座椅減振系統對車輛駕乘舒適性的影響.

3.1 車速對平順性的影響

試驗可直接獲得不同車速工況時，車輛通過兩個連續脈沖點位置時各測量點各軸向時域下的振動加速度值.經統計，得到試驗車輛與人體接觸的駕駛員座椅面和靠背兩個測試點在不同測試車速時的最大振動加速度值，如表2所示.

表2 測試點各軸向在不同測試車速時的最大振動加速度值

由表2可知，不同速度工況下，腳部地板的振動幅值最大，座椅最小，這符合駕乘人員的實際體驗，說明試驗數據的可靠性.此外，不同測試車速的最大振動加速度值都低于31.4 m/s2，對比脈沖輸入對人體健康影響的評價，證明試驗工況下產生的瞬間大幅振動對人體健康沒有不利影響.但當車速為40 km/h時，車輛通過第二個脈沖路況，駕駛員座椅靠背Z軸(垂直)方向的振動幅值達到了37.977 m/s2，這種情況下，脈沖路況引起的瞬間振動會對人體健康有一定的影響.這說明低速通過凸塊等脈沖路面時，車輛能保持良好的平順性，駕乘人員的舒適度較好.因此，控制車速是車輛在脈沖路面保持良好平順性的關鍵.

3.2 連續脈沖路況對平順性的影響

將車輛通過兩個連續脈沖輸入時 各 測 量 點

(a) 10 km/h

(b) 20 km/h

(c) 30 km/h

(d) 40 km/h圖4 車輛通過連續脈沖工況時的最大振動加速度值

X、Y、Z三個軸向的最大振動加速度值進行對比，如圖4所示.

由圖4可知，各測量點的振動加速度值隨車速的增加呈非線性增加的趨勢，且以相同速度通過兩個連續脈沖工況時，第二個脈沖輸入是第一個脈沖振動幅值的平均1.4倍，說明振幅出現了疊加情況，再次證明車速是平順性影響的主要因素，連續經過脈動輸入工況時，降低50%的車速可以避免對人體健康的不良影響.

3.3 車輛振動系統對平順性的影響

將時域下的振動加速度數據通過Matlab進行處理，獲得不同車速時，車輛各測量點各軸向頻域下的振動加速度功率譜密度值，如圖5所示.

(a) 10 km/h

(b) 20 km/h

(c) 30 km/h

(d) 40 km/h圖5 車輛在頻域下的振動加速度功率譜密度

由圖5可知，不同速度工況下，各測量點各軸向的振動加速度功率譜密度在低頻區域出現峰值，進入高頻區域后，振動衰減.因此，要保證該車良好的平順性，就要避免振動峰值與車輛各部件固有頻率和人體振動敏感頻率重合.

經統計分析，各測量點不同軸向振動加速度功率譜密度出現峰值時對應的頻率如表3所示.

表3 各測量點不同軸向振動加速度功率譜密度出現峰值時對應的頻率

依據文獻[13]，汽車車身部分的固有頻率為1.2～2Hz，依據《汽車懸掛系統的固有頻率和阻尼比測定方法》，測得本次試驗車輛車身固有頻率為1.6 Hz，對比試驗數據可知，該車振動避開了車身的固有頻率，說明本次試驗，車輛經過脈沖路段不會對車輛安全造成影響.

依據文獻[13]，汽車座椅系統的固有頻率為2～3Hz，對比試驗數據可知，該車座椅系統產生振動峰值時的頻率在Z軸(垂直)和Y軸(橫向)方向與座椅系統的固有頻率有重合情況，說明本次試驗，車輛經過脈沖路段會對座椅的使用性能產生不良影響，建議該車座椅采用高阻尼材料制成的泡沫坐墊，提高至原座椅系固有頻率的2倍，即4～6 Hz，可以提高車輛結構的安全性.

依據文獻[4]，人體在水平方向的敏感頻率為0.5～2 Hz，在垂直方向的敏感頻率為4～12.5Hz，對比試驗數據可知，該車座椅系統產生峰值的頻率僅在座椅靠背Z軸(垂直)方向處于人體振動的敏感頻率，其余情況均避開了人體振動的敏感頻率，說明該車具有良好的平順性.

4 結論

本文以某SUV乘用車為研究對象，完成了平順性脈沖輸入行駛試驗，得到以下結論：

(1)車輛振動加速度值會隨著車速的提高而增大，在面對突發、較強的脈沖輸入工況時，控制車速是確保良好平順性的關鍵；

(2)當車輛通過連續脈沖路段時，車況會明顯變差，甚至危及車輛結構安全.將車速降低50%左右，可降低連續大振動對人體健康的影響；

(3)脈沖輸入工況下，車身和座椅系統的固有頻率與振動峰值頻率和人體振動敏感頻率的關系決定了汽車平順性的優劣，建議該車采用高阻尼材料制成的座椅可確保駕乘人員更好的乘車舒適感.