汽车起步抖动评价方法研究

陈达亮，王 东，顾灿松，李洪亮，田涌君

(中国汽车技术研究中心 汽车工程研究院，天津 300300)

0 引言

汽车在起步过程中车身有时会产生抖动现象，主要表现为车身前后方向的纵向振动。车辆起步抖动产生的原因主要为离合器主、从动盘之间发生摩擦引起的剧烈的自激振动[1]，及其与动力传动系统在扭矩发生较大变化时产生扭转振动的综合作用。起步抖动现象严重削弱了车辆的乘坐舒适性，同时还会大大降低传动系统部件的使用寿命。

国内外学者针对车辆起步抖动的研究较多，大多数集中在离合器接合过程中的动力学分析及其影响因素研究。施一敏等人[2]建立了4自由度传动系模型，分析了离合器自激振动产生机理和离合器相关参数对起步抖动的影响。上官文斌等人[3]建立了摩擦离合器接合过程中的传动系统动力学特性分析模型，说明了离合器从动盘扭转刚度对于起步抖动的影响。张洪琪[4]利用Carsim针对某微型客车建立了整车动力学特性分析模型，对各工况仿真分析进行了影响因素分析和优化分析，成功地减小了该车的纵向冲击振动。文献[5]基于试验对离合器踏板进行了振动特性和振源分析，同时实施了相应的控制方案，有效地改善了离合器的接合平顺性，从而提高了车辆的乘坐舒适性。但是，现已见诸报端的文献中几乎没有涉及关于驾乘人员主观感受与车辆起步抖动程度映射关系的研究和相关评价指标分析。虽然文献[6]通过大量试验测试总结出了一套离合器接合抖动的评价方法，但是该方法仅仅局限于离合器部件本身，而对整车起步抖动的评价效果欠佳。文献[7]将车身纵向振动加速度幅值作为起步抖动的评判指标，但是当车身纵向振动加速度幅值受到较大异常峰值干扰时，该指标就可能出现误判。因此，提出能够衡量整车起步抖动程度与主观评价的普适性客观分析指标具有重要的工程价值。

1 起步抖动评价指标

车辆起步抖动剧烈程度总是随离合器接合过程的进行而变化。离合器从动盘刚与飞轮接触的一小段时间内，车内人员几乎感受不到抖动；随着摩擦力矩逐渐增大，抖动剧烈程度也随之增大；当离合器与飞轮间转速差趋于零时即离合器接合过程完成，此时车辆完成起步，抖动程度逐渐降低至消失。这个过程的变化程度可以通过数据的离散度进行衡量，即离散度越大抖动越剧烈。前已述及，如果以车身纵向振动加速度幅值作为起步抖动评价指标，那么当车身纵向振动加速度幅值受到较大异常峰值干扰时容易引起误判。因此，为了更稳定、准确地反映起步抖动剧烈程度，引入车身纵向振动加速度标准差(S指标)来评价车辆起步时车身纵向振动的剧烈程度，如式(1)所示：

(1)

其中：an为Δt=nh时刻的车身纵向振动加速度，h为仿真时间步长或采样时间间隔；N为车身纵向振动加速度时间序列个数。标准差的计算可以规避加速度幅值奇异点对于起步抖动剧烈程度的误判，S指标越大说明车身纵向振动加速度离散程度越大，即起步抖动越剧烈。

S指标根据车身纵向振动加速度的离散程度来评价车辆起步过程中车身纵向抖动的剧烈程度，从而合理地避开了纵向振动加速度异常幅值对于客观评价的不利影响。

2 起步抖动试验

为验证前文所提评价指标的有效性，针对某车型在不同驾驶员且多工况下进行汽车起步抖动试验测试。试验使用噪声振动测试设备LMS Test lab采集车身纵向振动加速度信号，并选取多名具有经验的技术人员对不同起步工况下的车身纵向抖动进行主观评价。

2.1 主观评价

起步抖动剧烈与否来自于车内人员的主观感受，所以驾乘人员的主观评价对于起步抖动的后续研究起到了相当重要的作用。常用的主观评价方法主要有成对比较法和等级评分法[8]。成对比较法对于数据量较小的样本评价效果甚佳，但随着样本数量的增多，工作量也呈指数式上升；根据振动强弱程度将抖动划分为若干等级的评价方法称为等级评分法，评价人员根据各自的主观感受在规定的范围内对感受到的振动进行评分，起步抖动的主观评价得分为对应抖动样本的全部评分取算数平均值，该评价方法的关键在于确定合适的评分刻度。由于车辆起步抖动的特殊性，主观评价采用5等级刻度的等级评分法(见表1)，为了使客观评价参数跟主观评价评分呈正相关，令主观评价得分越高表示起步抖动越严重。评价人员由受过专业训练的6人组成，其中男性3人，女性3人，年龄均在20岁～50岁。

表1 起步抖动主观评分表

2.2 实车试验

车辆起步抖动主要表现为车身的纵向振动，其传递路径为：动力总成传动系—车身—座椅—人体。座椅是驾乘人员感受起步抖动最直接的载体，也是振动传递路径上最靠近人体、最易于布置测点的位置。另外，因为人体能直接感受到车身加速度，且加速度传感器一般体积和质量都较小，对于被测物体的影响几乎可以忽略，所以选择将加速度传感器布置在驾驶员座椅右侧导轨处，用于采集车身纵向振动加速度信号，测试设备信号采集前端及传感器布置分别如图1和图2所示。测量场地应平整而空旷，至少有20 m以上的沥青路面或水泥路面，该路面尽可能平滑、干燥，不可有接缝、凹凸不平的表面结构，交通流量应较小，能够满足试验要求。在测试中心以30 m为半径的范围内，不应有大的振动源。试验车辆须是空载(除驾驶员、测量人员和测试设备外，不得有其他载荷)，只有满足测试的仪器设备和必不可少的人员方可留在车内，人员不得超过2人(驾驶员和测量人员)。另外，测试车辆应使用厂商规定的标准尺寸轮胎，胎压为厂商推荐值。测试时车辆发动机应处于正常使用温度。驾驶员座椅应尽可能调节到中间位置，如果座椅的靠背也是可调的，则应尽可能使其处于垂直位置。试验车辆及路面如图3所示。

为了使测试样本尽量覆盖不同驾驶人群和不同起步工况，在试验测试中，试验司机分别选取新手司机男女各一名，一年驾龄司机男女各一名，三年及以上驾龄司机男女各一名。车辆起步时在确保车辆不熄火的前提下，保证离合器踏板全行程匀速运动，分别进行缓慢起步、正常起步和快速起步，油门踏板与离合器踏板配合操作如表2所示，其中每种工况采集三组有效数据，试验测试工况见表3。

图1 测试设备 图2 测点位置

图3 试验车辆及路面

起步状态松离合时间(s)油门踏板行程(%)缓慢起步10～120正常起步7～910快速起步4～630

表3 试验工况

2.3 测试结果

将试验得到的驾驶员座椅导轨处加速度信号原始数据进行后处理，三种起步状态典型结果如图4所示。从试验测试结果时域信号可知，车身纵向振动加速度先后经历了从0逐渐增大再逐渐减小最终趋于稳定的过程，此变化过程正好与离合器逐渐接合、摩擦力矩逐渐增大所经历的过程相吻合；车辆快速起步时纵向振动持续时间最长且加速度幅值也最大，正常起步时相对次之；从频域信号可知起步抖动发生的频率大约集中在5 Hz～30 Hz。

3 结果分析

表4汇总了不同工况下S指标的计算结果与主观评分结果。基于试验结果对车辆起步抖动评价指标与其相应的主观评价进行了相关性分析，详细的相关性散点图见图5，其中实线为线性回归模型的拟合结果。由相关性结果可知，车辆起步抖动S指标与主观评价的相关性高达95.13%，由此可知，车身纵向振动加速度S指标与起步抖动主观评价是相互契合的。在此基础上，对起步抖动客观评价指标与主观评分结果进行了误差分析，结果表明S指标与线性拟合曲线的均方根误差(RMSE)为0.166，该误差值在可接受范围内，说明S指标对于起步抖动纵向振动的评价是准确有效的。

图4 车身纵向振动加速度测试结果

测试序号S指标主观评分测试序号S指标主观评分10.148 23.5100.149 93.620.187 83.9110.254 94.230.264 24.3120.292 74.540.120 73.1130.120 0350.154 63.5140.150 13.460.172 13.8150.169 83.870.087 02.5160.090 22.680.121 33170.119 7390.136 53.3180.142 73.5

图5 S指标与主观评价相关性散点图

4 结论

(1) 提出了反映车辆起步时车身纵向抖动剧烈程度的评价指标(S指标)，即起步抖动感受越剧烈，S指标值越大。S指标利用信号标准差对车身纵向振动加速度进行衡量，能够准确、有效地对汽车起步抖动剧烈程度进行评价。

(2) 起步抖动集中发生于离合器接合中段，随着离合器接合过程的进行，车身纵向抖动先后经历了逐渐增大再逐渐减小并最终趋于稳定的过程，且频率大约集中在5 Hz～30 Hz。

(3)S指标与主观评分的相关性高达95%，且与线性拟合曲线的均方根误差在0.17以内，表明所提出的起步抖动纵向振动评价指标对于起步抖动的评价是有效的。

参考文献：

[1] 沈周行,李鹏忠.离合器自激振动的起步颤振作用机理分析[J].北京汽车,2012(3):27-31.

[2] 施一敏,伊广德,何东伟.摩擦式离合器接合过程中抖动及稳定性研究[J].机电一体化,2013(7):30-33，44.

[3] 上官文斌,孙涛,郑若元,等.离合器从动盘性能对汽车起步抖动的影响研究[J].振动工程学报,2016(3):488-497.

[4] 张洪琪.微型客车纵向冲击振动建模、仿真及优化分析[D].长春：吉林大学,2012:42-50.

[5] 焦红莲,汪江,李光明,等.离合踏板抖动原因分析与控制[J].客车技术与研究,2015(1):50-52，62.

[6] 陈玉华.离合器接合抖动的测试、分析与评价[D].广州：华南理工大学，2013:63-80.

[7] 孙涛.离合器对车辆起步抖动的影响研究[D].广州：华南理工大学,2015:22-35.

[8] 黄海波,李人宪,丁渭平,等.基于EMD-WVD的车辆悬架减振器异响声品质客观评价研究[J].振动与冲击,2015(18):154-160.