脉冲输入工况下的汽车平顺性影响因素分析

高洁,张军

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028；2.大连市交通口岸职业技术学校，辽宁 大连 116013；3.北京建筑大学 机电与车辆工程学院，北京 100044)*

车辆行驶中产生的振动主要是由路面不平引起的，平顺性研究就是确保车辆在行驶中产生的振动和冲击保持在一定界限之内，不会使驾乘人员感到不舒适、疲劳、甚至损害健康，更不能影响车辆结构性能，危及行车安全，或是破坏车辆所承载货物的完整度[1].

通常情况下，汽车行驶受到的是随机振动[2-3]载荷的持续作用，但也会遇到路面凸凹障碍物(如路面接缝处、坑洼处、减速带等)的瞬间强烈冲击作用.脉冲输入虽然出现的次数较少、作用时间较短，但瞬间的大振动往往容易引起驾乘人员的的极度不适，对健康有严重影响，还会造成车辆零部件和货物的损坏，因此，研究车辆在脉冲输入下的振动规律是确保驾乘人员舒适性和车辆架构安全性的重要途径.

目前，对汽车脉冲输入下的平顺性研究主要集中在评价方法和单一影响因素方面.文献[4-7]采用频域法计算振动加速度加权均方根值，并将其作为平顺性随机输入的客观评价指标.文献[8]考虑振动对人体健康的影响，取座椅垂直加速度平均值作为脉冲试验的评价指标.文献[9]针对某型越野汽车，通过试验测得车辆通过不同脉冲路况时，加速度随时间的变化规律，得到通过不同凸块高度的安全车速.文献[10]比较同一车速下不同被测部位的振动情况，分析悬架系统参数对平顺性的影响.文献[11]研究了脉冲输入下簧下质量对电动汽车平顺性的影响.但由于影响平顺性的因素是综合性的，因此，本文从多个角度对脉冲输入工况下的平顺性影响因素进行全面、深入的研究，这对今后的汽车性能优化设计有重要意义.

本文参照GB/T 4970-2009《汽车平顺性试验方法》，在脉冲输入下进行了某SUV的平顺性试验，并采用脉冲输入的指标限值评价法，作出车辆平顺性能评价，研究车速、脉冲路况和车辆振动系统参数对平顺性和车辆结构安全的影响.

1 某SUV脉冲输入试验

1.1 试验对象

本次试验采用车辆的具体参数如下：排量为2.4 L；行驶里程为82 526 km；最高车速为185km/h；前悬架为麦弗逊独立；后悬架为双叉臂式独立；整备质量为1 620 kg；轮胎规格为225/65 R17；胎压为220 KPa；长/宽/高为4 630 mm×1855mm×1720mm；轴距为2 660 mm；前、后轮距都为1560mm.

1.2 试验条件

依据GB/T 5902-1986《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》的规定，选择一段长约500 m，中间有2个间隔280 m减速带的平整沥青路面.

减速带截面示意图，如图1所示.

图1 减速带截面示意图

试验时，在驾驶员和座椅之间放置安装传感器垫盘，确保传感器要与驾驶员紧密接触.车速仪监控车速，保证车速偏差在±4%以内.测试系统性能稳定、可靠，频响范围不小于0.1～200 Hz.仪器具有指示峰值和均方根值的功能.

试验车辆分别以10、20、30、40 km/h的速度完成测试，要求驾驶员双手自然置于方向盘上，熟练驾驶车辆；试验人员佩戴安全带，保持放松状态，自然靠在靠背上.

1.3 试验过程

试验时，当汽车行驶到距减速带50m时，稳定在试验车速上，确保左右车轮同时驶过减速带.车辆进入测试区域后，启动测试仪器，记录各测量点的加速度时间历程和振动的全过程，待汽车驶过第二个减速带且冲击响应消失后，停止记录，每种车速工况进行5次试验.试验系统如图2所示.

图2 试验系统

1.4 数据处理

试验中，传感器测量驾驶员座椅、靠背、脚部地板三个测量点X轴(纵向)、Y轴(横向)和Z轴(垂直)的振动情况，如图3所示.

图3 试验车辆及测量点布置情况

试验数据的处理要求：

(1)截断频率fc=100Hz；

(2)采样时间间隔Δt=1/256s；

(3)最低采样率fmin=2 000 Hz；

(4)有效分辨带宽Δf=0.25Hz；

(5)功率谱密度计算过程中采用汉宁窗函数.

2 脉冲输入下的平顺性评价方法

根据国标《汽车平顺性试验方法》中脉冲输入评价的相关内容，将振动加速度(绝对值)最大值|aw(t)|max作为评价指标，按下式计算：

式中：n是脉冲试验有效次数；|aw(t)|max是振动加速度(绝对值)最大值；|aw(t)|maxi是第i次试验的振动加速度(绝对值)最大值.

依据文献[12]运用ISO2631新草案中对健康的评价方法，得到脉冲输入下的最大振动加速度指标限值与人体健康影响的关系，如表1所示.

表1 脉冲输入对人体健康影响的评价

本文选择驾驶员座椅、驾驶员靠背和驾驶员脚部地板三个测量点，采集振动最大加速度值，并与指标限值进行对比，完成该车的平顺性评价.

3 试验结果及影响因素分析

外界输入和车辆振动系统是影响汽车平顺性的主要原因，而外界输入主要包括行驶车速及路面不平，振动系统主要指悬架、座椅系统零部件的固有频率、刚度和阻尼等参数.因此，本文主要考虑车速、脉冲工况、车身、座椅减振系统对车辆驾乘舒适性的影响.

3.1 车速对平顺性的影响

试验可直接获得不同车速工况时，车辆通过两个连续脉冲点位置时各测量点各轴向时域下的振动加速度值.经统计，得到试验车辆与人体接触的驾驶员座椅面和靠背两个测试点在不同测试车速时的最大振动加速度值，如表2所示.

表2 测试点各轴向在不同测试车速时的最大振动加速度值

由表2可知，不同速度工况下，脚部地板的振动幅值最大，座椅最小，这符合驾乘人员的实际体验，说明试验数据的可靠性.此外，不同测试车速的最大振动加速度值都低于31.4 m/s2，对比脉冲输入对人体健康影响的评价，证明试验工况下产生的瞬间大幅振动对人体健康没有不利影响.但当车速为40 km/h时，车辆通过第二个脉冲路况，驾驶员座椅靠背Z轴(垂直)方向的振动幅值达到了37.977 m/s2，这种情况下，脉冲路况引起的瞬间振动会对人体健康有一定的影响.这说明低速通过凸块等脉冲路面时，车辆能保持良好的平顺性，驾乘人员的舒适度较好.因此，控制车速是车辆在脉冲路面保持良好平顺性的关键.

3.2 连续脉冲路况对平顺性的影响

将车辆通过两个连续脉冲输入时 各 测 量 点

(a) 10 km/h

(b) 20 km/h

(c) 30 km/h

(d) 40 km/h图4 车辆通过连续脉冲工况时的最大振动加速度值

X、Y、Z三个轴向的最大振动加速度值进行对比，如图4所示.

由图4可知，各测量点的振动加速度值随车速的增加呈非线性增加的趋势，且以相同速度通过两个连续脉冲工况时，第二个脉冲输入是第一个脉冲振动幅值的平均1.4倍，说明振幅出现了叠加情况，再次证明车速是平顺性影响的主要因素，连续经过脉动输入工况时，降低50%的车速可以避免对人体健康的不良影响.

3.3 车辆振动系统对平顺性的影响

将时域下的振动加速度数据通过Matlab进行处理，获得不同车速时，车辆各测量点各轴向频域下的振动加速度功率谱密度值，如图5所示.

(a) 10 km/h

(b) 20 km/h

(c) 30 km/h

(d) 40 km/h图5 车辆在频域下的振动加速度功率谱密度

由图5可知，不同速度工况下，各测量点各轴向的振动加速度功率谱密度在低频区域出现峰值，进入高频区域后，振动衰减.因此，要保证该车良好的平顺性，就要避免振动峰值与车辆各部件固有频率和人体振动敏感频率重合.

经统计分析，各测量点不同轴向振动加速度功率谱密度出现峰值时对应的频率如表3所示.

表3 各测量点不同轴向振动加速度功率谱密度出现峰值时对应的频率

依据文献[13]，汽车车身部分的固有频率为1.2～2Hz，依据《汽车悬挂系统的固有频率和阻尼比测定方法》，测得本次试验车辆车身固有频率为1.6 Hz，对比试验数据可知，该车振动避开了车身的固有频率，说明本次试验，车辆经过脉冲路段不会对车辆安全造成影响.

依据文献[13]，汽车座椅系统的固有频率为2～3Hz，对比试验数据可知，该车座椅系统产生振动峰值时的频率在Z轴(垂直)和Y轴(横向)方向与座椅系统的固有频率有重合情况，说明本次试验，车辆经过脉冲路段会对座椅的使用性能产生不良影响，建议该车座椅采用高阻尼材料制成的泡沫坐垫，提高至原座椅系固有频率的2倍，即4～6 Hz，可以提高车辆结构的安全性.

依据文献[4]，人体在水平方向的敏感频率为0.5～2 Hz，在垂直方向的敏感频率为4～12.5Hz，对比试验数据可知，该车座椅系统产生峰值的频率仅在座椅靠背Z轴(垂直)方向处于人体振动的敏感频率，其余情况均避开了人体振动的敏感频率，说明该车具有良好的平顺性.

4 结论

本文以某SUV乘用车为研究对象，完成了平顺性脉冲输入行驶试验，得到以下结论：

(1)车辆振动加速度值会随着车速的提高而增大，在面对突发、较强的脉冲输入工况时，控制车速是确保良好平顺性的关键；

(2)当车辆通过连续脉冲路段时，车况会明显变差，甚至危及车辆结构安全.将车速降低50%左右，可降低连续大振动对人体健康的影响；

(3)脉冲输入工况下，车身和座椅系统的固有频率与振动峰值频率和人体振动敏感频率的关系决定了汽车平顺性的优劣，建议该车采用高阻尼材料制成的座椅可确保驾乘人员更好的乘车舒适感.