行车舒适性评价方法综述

2020-03-14周振宇万华森ZHOUZhenyuWANHuasen

物流科技 2020年1期

周振宇，万华森 ZHOU Zhenyu,WAN Huasen

（昆明理工大学交通工程学院，云南昆明 650500）

0 引言

随着我国公路的大规模建设以及汽车企业的快速发展，交通可达性不断扩大，人们对车辆行驶过程中的舒适性提出了更高的要求。行车舒适性是指汽车在一定的行驶速度范围内，乘客不会因为汽车的行驶而产生不舒适和疲劳的感觉，又称为乘坐舒适性[1]。传统的行车舒适性评价方法主要是研究汽车的振动对乘客的影响，几乎没有考虑到道路线形等因素对车辆行驶中的乘客产生的影响。影响行车舒适度的因素较多，现如今对行车舒适性的研究还没有一个统一的评价标准，行车舒适性的评价方法也存在着诸多差异。本文结合人、车、道路交通3大要素，针对人与车、车与路两个方面对行车舒适性评价方法进行总结归类。

1 基于人与车的舒适性评价方法

在车辆行驶过程中，由于受到道路平整度等原因造成车辆振动，振动从车辆传递到车内乘客身上，继而对乘客身体产生一定的影响，影响严重者可能会发生晕车、恶心、头痛等症状。但振动在车辆行驶的过程中是不可避免的，车辆在研发过程中要对汽车减震等功能进行测试，尽量减少汽车振动对乘客的影响。以下为基于人体对振动的承受极限发展而来的主要行车舒适性评价方法。

1.1 Janeway舒适性评价方法

美国学者Janeway在1948年基于车辆振动提出影响人体舒适度主要因素在不同的振动频率上是不同的，在此基础上建立Janeway准则舒适性评价标准。

其中：A为振幅；f为频率。

他认为振动频率不同对应的影响因素也不同，并且将振动频率分为了3种情况，并给出了对应3种情况的主要影响因素[2]，如表1所示。

Janeway通过公式计算出了Janeway准则临界曲线，若计算所得的J值在曲线之上则会引起不适，行车舒适性较差。这一标准现在广泛运用于日本铁路的评价之中。

表1 不同频率对应的主要影响因素

1.2 斯佩林舒适性评价方法

斯佩林（Spering）舒适性评价指标是由德国铁路车辆试验研究所斯佩林等人提出的，主要是对车辆运行中的稳定性进行评价[3]。斯佩林等人提出了舒适性评价的经验公式如式（1）所示，舒适性评价指标用Wz来表示。

式中：Z为振动幅值；f为强震频率；F（f）为与振动频率有关的函数，称为频率修正系数。

斯佩林等人在此公式的基础上测算出了Wz的舒适性评价标准，如表2所示。斯佩林舒适性评价方法主要在欧洲各国应用较为广泛。

1.3 国际舒适性评价方法

1974年国际化标准组织（ISO）在将大量有关人体振动的研究工作和文献汇总的基础上颁布了国际标准《人体承受全身振动的评价指南》，这是国际标准组织首次将振动对人体的影响进行标准化，但这本指南评价标准被限制在了短时间的简谐振动为基础的运动中[4]。国内外学者对于长时间的振动环境中此标准能否适用进行了大量的研究，在1978年、1985年、1997年等都在不同程度上对《人体承受全身振动的评价指南》进行补充修订，成为国际普遍认可的通用标准。其评价方法主要分为三分之一倍频带法和总加权值评价法。在最新的舒适性评价标准ISO2631-1:1997（E）中，给出了人体坐、立、卧3种姿势的受振模型，其通过对内脏、人体脊椎等部位敏感振动范围的界定采用加权加速度方均根aw来反映人体对振动的敏感程度。标准规定，当振动波形峰值系数＜9（峰值系数是加权加速度的时间历程aw（）t的最大值与加权加速度均方根值aw的比值）时用基本方法来评价，单轴加权加速度均方根值aw按式（2）进行计算[5]，aw与人体主观舒适度关系如表3所示。

式中：aw（t）为加权加速度时间历程；T为测量时间长度。

表2 斯佩林舒适度评价标准

国际标准ISO2631通过对之前人体振动研究进行总结归纳，并且在之后不断进行补充、修订，使其成为现在被大多数国家认可并且应用最为广泛的行车舒适性评价方法。

1.4 其他舒适性评价方法

其他舒适性评价方法见表4。

2 基于车与路的行车舒适性评价方法

车辆在路面行驶时，行车舒适性还会受到道路自身属性的影响，道路线形是否符合人体对于车辆行驶中自由度变化的感知阈值，是影响行车舒适度的关键。一般来说道路线形一般采用直线—缓和曲线—圆曲线—缓和曲线—直线的形式，缓和曲线作为直线和圆曲线的渐变线段，它起到了连接直线与圆曲线曲率的作用，使人们在行驶的过程中不会感受到明显的转折变化。麦克康奈尔（Mcconnell）缓和曲线是现有的考虑到行车舒适性而设计的缓和曲线。麦克康奈尔曲线主要是W.A.Mcconell等人将在弯道上行驶的汽车采用6自由度（包括车辆纵向、侧向、转向的移动和车身纵倾、侧倾、横向的旋转，如图1所示）进行行车舒适性的研究[6]，研究成果表明：人体的感觉器官对不同运动自由度的变化感知度不同，只有当这些运动自由度的变化达到人体感觉开始阈限值时才会被人体感觉到，并且得到了6个自由度各自对应的阈值，如表5所示。

表4 其他舒适性评价方法

图1 车辆6自由度示意图

麦克康奈尔等人对人体运动感觉的研究促进了行车舒适性的发展，我们可以从这6个自由度中进行选择对行车舒适性进行科学合理的定量分析。现在应用较为广泛的行车舒适性评价方法主要分为以下几种。

2.1 横向力系数评价方法

横向力系数为横向力与竖向力的比值，用μ表示。横向力系数可以反映车辆在曲线行驶过程中的稳定性和舒适程度[7]。将车辆看做刚体，根据车辆在弯道上的受力分析可以得到横向力系数μ的计算方法如式（3）所示：

式中：V为汽车行驶速度；R为圆曲线半径；ih为路面横坡度。

表5 人体对运动的感觉开始的阈值

通过计算可以得知μ值越大舒适性越差，μ值越小舒适性越好。根据实验研究得出了横向力系数μ与行车舒适性的关系，如表6所示。

通过横向力系数进行行车舒适性评价的方法计算简单，有明确的规范作为理论依托，但横向力系数是车辆运行的过程中的一个随机变量，车辆型号、路面情况、行驶轨迹等都会对横向力系数产生不同程度的影响[8]，从而对计算结果产生一定的影响。

2.2 横向加速度评价方法

汽车横向加速度（ah）指的是汽车行驶与行驶方向水平垂直方向上的加速度，一般是在车辆进行转弯时由向心加速度而产生的[9]。在高等级公路建设时往往用减少道路的超高来降低横向加速度对人们的影响。根据大量的试验数据研究，得到了横向加速度与行车舒适性的关系。横向加速度与行车舒适性的关系如表7所示。

在横向加速度研究的基础上，有学者进一步对横向加速度变化率来进行研究，目前还没有一个统一的标准，长安大学的杨少伟教授在他的文章中介绍横向加速度变化率一般控制在0.6m/s3以内较为舒适。

表6 横向力系数μ与行车舒适性的关系

表7 横向加速度与行车舒适性的关系

2.3 加速度干扰评价方法

车辆在道路上行驶容易受到道路自身线形、驾驶员操作技术以及道路的路况等级的影响，所以车辆在行驶的过程中车速是在不停变化的。为了能够描述车速在一定范围内的变化，20世纪50年代Hermann提出了加速度干扰的概念，并且将其定义为车辆加速度与平均加速度的标准差，即对车辆速度摆动的描述，用δ表示。并且通过研究测试得到了加速度干扰与行车舒适性之间的关系[10]，如表8所示。

式中：T为观测总时间；a（t）为t时刻的加速度；为平均加速度。

2.4 竖向加速度评价方法

当车辆在竖曲线上行驶时，会产生竖向加速度as（）并作用在车内驾驶员及乘客身上。驾驶员及乘客在离心力的作用下会在凸形竖曲线上产生失重的感觉，在凹形竖曲线上产生增重的感觉，这些感觉都会对行车舒适性产生影响。目前竖向加速度对行车舒适性的评价并没有一个统一的标准。长安大学硕士牛兆霞[11]通过对《公路与城市道路几何设计》、《汽车理论》等书籍的整理总结中得到满足舒适性的竖向加速度指标的取值，如表9所示。