基于装载量变化的载货汽车乘坐舒适性研究

屈亚洲 吴云兵 张鹏飞 应宇汀

中汽研汽车检验中心（宁波）有限公司 浙江宁波 315336

载货汽车作为公路运输行业主要货运车辆之一，因其承载质量大、运输效率高等特点在高速物流运输中扮演着重要角色。但在其带来便利的同时，也因行驶周期长且长期受路面冲击作用，引起驾驶员疲劳，诱发交通安全事故的发生。虽然目前许多学者对与影响车辆的行驶平顺性及乘坐舒适性直接相关的轮胎、悬架等主要减振部件进行了研究[1-4]，但大多未考虑装载量变化对驾驶室乘坐舒适性的影响。而车辆在实际行驶中，装载质量不同，在相同的路面激励下，也会产生不同的振动，因此本文拟从时域和频域两个方面探究装载质量变化对驾驶室乘坐舒适性的影响。

1 振动系统建模

根据研究需要，在一定程度上对车辆主要振动部件进行了简化[5]，建立了包含驾驶室、车体、前后轴轮胎在内的共五自由度1/2车辆振动模型，简化后的模型如图1所示。

图1 载货汽车简化振动模型

图2 随机激励路面位移

由此可以将上述五自由度半车模型的微分方程整理成如下状态空间形式：

2 仿真分析

以某款车为研究对象，车辆空载和满载参数如表1所示。随着装载量的逐渐增加，车身质量、车身转动惯量、前后悬架刚度以及后悬架阻尼系数等也会发生变化，因此为了探讨装载量变化对驾驶室舒适性的影响，假设装载量是均匀分布放置在货厢，且装载量的变化呈线性增加，然后通过内插来计算由装载量变化而引起的参数变动，由此得到5种装载量变化，并依次记为空负荷、1/4负荷、1/2负荷、3/4负荷、满负荷。

表1 车辆空满载参数

选择B级路面Gq( n0)=64×10-6，速度u=40 km/h，仿真时长为10 s，对随机激励路面输入进行仿真分析，依次得到五种负荷下的驾驶室垂直加速度及驾驶室悬架动行程时域和功率谱密度曲线，如图3～图4所示。

图3 驾驶室垂直加速度时域和功率谱密度曲线

图4 驾驶室悬架动行程时域和功率谱密度曲线

从时域曲线来看，在不同负荷下，驾驶室垂直加速度和悬架动行程上下波动都高于空负荷；从功率谱密度曲线来看，驾驶室振动响应量的功率谱密度波峰主要集中在1～2.5 Hz左右，避开了会引起人体器官共振的4～12.5 Hz，且随着装载量的增加，驾驶室垂直加速度和悬架动行程的功率谱波峰整体呈升高趋势，但在3/4负荷下，功率谱密度波峰相较于其他负荷时有所降低。此外，随着装载量的增加，驾驶室的共振频率降低，说明装载量的增加加剧了驾驶室在低频下的振动。

为了更清晰地说明装载量变化对驾驶室乘坐舒适性的影响，这里给出了驾驶室垂直加速度和悬架动行程在不同负荷下的最大绝对值和均方根值曲线，如图5～图6所示。

图5 驾驶室垂直加速度最大绝对值及均方根值曲线

图6 驾驶室悬架动行程最大绝对值及均方根值曲线

如图5所示,装载量由空负荷增加到1/2负荷时，驾驶室垂直加速度最大绝对值和均方根值都逐渐增加，当车辆装载量达到3/4负荷时，驾驶室垂直加速度最大绝对值和均方根值又明显低于1/2负荷和满负荷。因此说明针对此款车型，装载量为3/4负荷时在保证运输效率的同时，也有助于降低因路面冲击而引起的驾驶室振动，提高车辆的乘坐舒适性。图6为驾驶室悬架动行程最大绝对值及均方根值曲线，由图中可知，随着装载比的增加，驾驶室悬架动行程整体呈上升趋势，且在3/4负荷时，均方根值略小于1/2负荷和满负荷。

3 结语

建立了载货汽车五自由度平面振动力学模型,从时域和频域两个方面，仿真分析了空负荷、1/4负荷、1/2负荷、3/4负荷和满负荷五种负荷变化对载货汽车乘坐舒适性的影响。仿真结果如下:

a.从时域曲线来看，在不同负荷下，驾驶室垂直加速度和悬架动行程上下波动都高于空负荷；从频域曲线来看，驾驶室振动响应量的功率谱密度波峰主要集中在1～2.5 Hz左右，且随着装载量的增加，其功率谱波峰整体呈升高趋势，但在3/4负荷下，相较于其他负荷时有所降低。此外，随着装载量的增加，驾驶室的共振频率降低，说明装载量的增加加剧了驾驶室在低频下的振动。

b.装载量由空负荷增加到1/2负荷时，驾驶室垂直加速度最大绝对值和均方根值都逐渐增加，然而当装载量达到3/4负荷时，驾驶室垂直加速度最大绝对值和均方根值又明显低于1/2负荷和满负荷。从驾驶室悬架动行程来看，随着装载比的增加，驾驶室悬架动行程最大绝对值和均方根值整体呈上升趋势，且在3/4负荷时，均方根值略小于1/2负荷和满负荷。因此说明装载量为3/4负荷时在保证运输效率的同时，也有助于降低因路面冲击而引起的驾驶室振动，提高车辆的乘坐舒适性。